Versuch 60c,d,e: Drehstrom

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Versuchsdurchführung

 

a) Drehstromgenerator

Lässt man drei mercedessternförmig angeordnete Spulen mit 50Hz in einem Magnetfeld rotieren, so erzeugt man 3 sinusförmige Wechselspannungen, die jeweils um 120° zueinander phasenverschoben sind. Derselbe Effekt wird erzeugt, wenn statt der Spulen ein Magnet rotiert:

Beim öffentlichen Drehstrom-Netz werden die 3 Phasen mit L1,L2 und L3 bezeichnet. Der Effektivwert zwischen jeder Phase und dem Neutralleiter (Nullleiter) beträgt 230V. Der Effektivwert zwischen zwei Phasen beträgt

\(U_{L1L2}=U_{L2L3}=U_{L3L1}=400V\)

Der Spitzenwert jeder Phase gegenüber dem Neutralleiter beträgt

\(310V=230\cdot \sqrt{2}\)

\(U_{L1L2}=2\cdot 230V\cdot sin(60^{\circ})=230\cdot \sqrt{3}=400V\)

b) Drehstrom

Beim öffentlichen Drehstromnetz wird der Sternpunkt immer mit dem Neutralleiter verbunden und führt den Ausgleichstrom zwischen L1, L2 und L3. Dazu sind in dem folgenden Versuch drei gleichartige Glühbirnen (230V, 40W) wie in folgender Abbildung zusammengeschaltet und werden über Bananenstecker an eine Drehstromsteckdose angeschlossen:

  1. Schalter 1 und 2 geschlossen: Eine Birne brennt mit ihrer normalen Helligkeit. Das Amperemeter im Neutralleiter zeigt einen Strom von \(I=1,8A=\frac{40W}{230V}\)
  2. Schalter 1, 2 und 4 sind geschlossen: Zwei Birnen brennen mit normaler Helligkeit. Das Amperemeter zeigt einen Strom im Neutralleiter von \(I=1,8\cdot \sqrt{3}A=3,1A\)
  3. Schalter 1 und 4 geschlossen, Schalter 2 wird geöffnet: Zwei Birnen brennen mit deutlich reduzierter Helligkeit, denn jede hat nur \(\frac{400}{2}V=200V\) zur Verfügung.
  4. Alle Schalter 1, 2, 3 und 4 sind geschlossen: Drei Birnen brennen mit normaler Helligkeit. Das Amperemeter im Neutralleiter zeigt \(I=0A\). Wenn Schalter 4 geöffnet wird, hat das keine Änderung zur Folge. Bei gleichmäßiger Belastung der 3 Phasen L1, L2, L3 ist der Neutralleiter entbehrlich (Prinzip des Drehstrommotor in Sternschaltung).

c) Drehstrommotor

Drei gleichartige Luftspulen werden in Sternschaltung verschaltet. In die Mitte wird eine Kompassnadel gestellt, die nach dem Einschalten dem Drehfeld folgt und in schnelle Rotation gerät (Prinzip des Synchron Motors).

Man kann die Kompassnadel durch einen (oben geschlossenen) Metallzylinder ersetzen (Modell des Drehstrom-Motors mit Kurzschlussläufer). Durch Vertauschen zweier Phasen ändert sich die Drehrichtung.