Gleichstrom oder Wechselstrom für weite Strecken?
Ich dachte bisher immer man braucht Wechselstrom ja genau nur deswegen, weil man nur bei Wechselstrom mithilfe von Transformatoren die Spannung hoch und die Stromstärke runtertransformieren kann (und bei Gleichstrom eben nicht).
Und dadurch, dass bei weiten Strecken sehr viel Energie in Form von Wärme (-> Stromstärke) verloren geht, man dafür eben Wechselstrom braucht.
Aber jetzt habe ich gerade ein Video von studyflix angeschaut, wo am Anfang als Wechselstrom erklärt wurde, es genauso gesagt wurde, aber am Ende als Gleichstrom erklärt wurde, das Gegenteil behauptet wurde...
dass man für weite Strecken Gleichstrom bräuchte, da man dadurch mehr Energie spart, als bei Wechselstrom..
Jetzt bin ich total verwirrt..
Würde mich über eine Aufklärung freuen,
LG Mayu
https://studyflix.de/elektrotechnik/gleichstrom-wechselstrom-5004?topic_id=20
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7 Antworten
Das ist ein in sich tataächlich sehr komplexes Thema. Tatsächlich lässt sich in einem komplexen netzwerk mit mehereren Erzeugern die Sache mit Gleichstrom schwerer regeln als mit Wechselstrom.
ein sehr intressantes Youtube-Video geht auf diese Problematik näher ein.
50 Hz - Wie wir einen Blackout vermeiden - YouTube
Aber kommen wir zum Kern der Frage zurück! Bei der Stromübertragung haben wir es mit zwei verschiedendenen Verlustgrößen zu tun. die Widertandsbedingten Verluste, und die induktiven Verluste, die entstehen, weil es eben Energie braucht, um jedes mal umzupolen.
Die Wandlung von Wechselstrom in Gelichstrom, aber auch die von Gleichstrom in Wechselstrom funktioniert auch nicht verlustfrei.
die Hochspannungs (oder heißt es Hochleistungs) Gelichstromübertragung ist eine vergleichsweise neue Disziplin. Vor gut 50 Jahren ging in Großbritanien die erste HGÜ Strecke in Betrieb.
Man muss also schlicht ausrechnen, ob das was man an induktiven Verlusten einspart, mehr ist, als das was man an Verlusten für die Wandlung generiert. Ganz einfach ist es nicht, aber auch keine Raketenwissenschaft.
Dazu kommen noch zwei weitere Probleme, von denen eines bereits gelöst ist, die besagte Strecke, die nach Londo führte, war unidirektionär. Mittlerweile kann man aber auch einen Wechselrichter so umsteuern, dass er zum Gleichrichter wird (gesteuerte Gleichrichtung) so kann man moderne HGÜ Strecken auch in beide Richtungen betrieben. Angesichts der zunehmenden Dezentralisierung unserer Stromversorgung unausweichlich!
und damit kommen wir zum nächsten Problem: ähnlich der Sache eines Trafos (eisenverluste / Kupferverluste) ändert sich die Effizienz der Gleich bzw. Wechselrichter mit zu oder abnehmender Belastung. der Punkt, ab dem sich also der Aufwand für HGÜ lohnt wandert.
lg, Anna
https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-%C3%9Cbertragung
mechanischer Umformer kenne ich tatsächlich aus mehrerlei quellen
- In einer Gießerei hing einst so ein Gerät im Putzhaus. das hat aus 400 Volt bei 50 Hz einen hochffrequenten Drehstrom mit 300 Hz bei 200 Volt machte. Für die Schleifmaschinen usw. erreicht eine 2polige Asyncronmaschine bei 50 Hz bestenfalls rund 2.900 min^-1 sind hier bei 300 Hz schon rund 17.500 min^-1 drin. 8.800 touren für eine 4polige Maschine. Das ermöglicht den Bau sehr kompakter, leistungstarker, leichter Motoren. Da entwickelt so ein 230er Winkelschleiferchen schon mal eine Leistung von 3,8 kW Die üblichen 2 kW Maschinen in vergleichbar stabiler ausführung sind auch nicht leichter.
- Bei der Bundesbahn. Hier müssen 3 Phasen bei 50 Hz auf eine bei 16 2/3 Hz gewandelt werden. in den Leistungsphären in denen die Geräte arbeiten sind die mechanischen Geräte schon alleine duch den simplen Aufbau wahrscheinlich tatsächlich effektiver
- ein Monster Schweißgerät von Esab in einer Schlosserei. Hier war es wahrscheinlich einfacher, einen Drehstrommotor mit einem Gleichstromgenerator zu koppeln, als einen Gleichrichter hinter einen Schweißtrafo zu hängen. Das Gerät hatte die Form eines riesigen Bolllerwagens.
In einer Gießerei hing einst so ein Gerät im Putzhaus. das hat aus 400 Volt bei 50 Hz einen hochffrequenten Drehstrom mit 300 Hz bei 200 Volt machte.
Das ist ein Herzumformer. Heutzutage meistens elektronisch. 200V ist die übliche internationale Industriespannung. Die meisten großen CNC Maschinen laufen auf 200V, entweder mit internem Trafo oder an einem eigenen Netz.
Bei der Bundesbahn. Hier müssen 3 Phasen bei 50 Hz auf eine bei 16 2/3 Hz gewandelt werden.
Ist aber selten. Der allermeiste Strom kommt aus eigenen Generatoren in Kraftwerken. Das sind vor allem Wasser- und Kohlekraftwerke. Da es in Deutschland kaum Wasserkraftwerke gibt, fährt die Bahn obwohl die "CO₂ Neutral" drauf stehen hat überwiegend auf Kohle. Die "Tauschen" dann den schwarzen Strom gegen grünen an der Strombörse.
ein Monster Schweißgerät von Esab in einer Schlosserei. Hier war es wahrscheinlich einfacher, einen Drehstrommotor mit einem Gleichstromgenerator zu koppeln,
Das ist ein Ward-Leonard-Umformer – oder auch kurz Leonardsatz oder Leonardumformer.
Wechselstrommotoren lassen sich nicht gut regeln und haben bei niedriger Drehzahl sehr wenig Drehmoment. Deswegen haben (bzw. hatten bevor es elektronische Frequenzumrichter gab) viele große Motoren einen Leonardsatz vorgeschaltet. Der Trick ist hier, dass man die Leistung des DC-Generators über die Erregerspannung leicht regeln kann. Dazu wird zum Beispiel die Drehzahl oder was anderes der Last in eine mechanische Zugkraft umgewandelt die dann ein Potentiometer zieht. Das Potentiometer wiederum steuert die Erregerspannung des Generators. Da die Erregerleistung nur einen Bruchteil der Leistung des Systems beträgt, kommt man dadurch mit recht kleinen Widerständen zurecht die dann auch nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtleistung verheizen.
Während ein (riesiger) Quecksilbergleichrichter nicht geregelt werden kann - oder nur mit einem gigantischen Stelltrafo, kann der Leonardsatz sehr leicht gesteuert oder geregelt werden.
Während man bei einem Aufzug oder bei einer Rolltreppe einen Gleichrichter verwenden kann und die Leistung/Geschwindigkeit dann über die Rotorwicklung eines DC Motors machen kann, brauchen stärkere Maschinen wie Seilbahnen dann einen Leonardsatz da man hier sowohl Generator als auch Motor steuern kann und so zusammen auf eine beherrschbare Leistung zur steuerung/regelung kommt.
Die Verluste bei Wechselstromübertragungen kommen durch das wechselnde Magnetfeld zustande, bei Gleichstrom gibt es das nicht, weshalb es geringere Verluste gibt.
Im Wechselstrom hat man zusätzliche kapazitive und induktive Verluste die von der Frequenz abhängig sind. Beim Gleichstrom ist die Frequenz 0 somit sind nur noch die rein ohmschen Verluste vorhanden.
Um eine Spannung mit einem Transformator hoch- oder runter zu transformieren, wird aber eine Wechselspannung benötigt und beim Wechselstrom muss keine Polung beachtet werden was vieles einfacher macht.
Wechselstrom hat man historisch aus zwei Gründen verwendet:
- Man kann ihn mit leichten Mitteln transformieren. Früher konnte man Gleichstrom kaum hoch- bzw. runterspannen.
- Er ist im Haushalt sicherer. Beim Nulldurchgang kann man sich evtl. noch von einem Leiter lösen. Bei Gleichstrom ist das sehr schwierig bis unmöglich.
Die Übertragung von Gleichstrom ist effektiver, weil eben durchgehend die gleiche Spannung übertragen wird. Beim Wechselstrom wird bei den Nulldurchgängen nichts übertragen.
Tatsächlich stand die erste HGÜ Versuchsanlage Ende der 1930er Jahre in Deutschland.
Die bestand auf der "Senderseite" aus einem großen Wechselstrommotor der über nicht leitende Riemen mehrere übereinander "gestapelte" und gegeneinander isolierte Gleichstromgeneratoren antrieb. Durch die Serienschaltung der Generatoren lies sich dann eine gewaltige Gleichspannung erzeugen ohne Gefahr von Überschlägen.
Auf der anderen Seite natürlich umgekehrt, also mehrere Gleichstrommotoren die über einen Riemen einen Wechselstrom Generator antreiben.
Nach dem 2. Weltkrieg wurde das von den Russen abmontiert und dann in der Sowjetunion weiter entwickelt und erstmalig im regulären Betrieb verwendet (Kommerziell kann man bei den Kommis ja nicht sagen:P )
Durch moderne hochspannungs, hochleistungs Halbleiterbauelemente kann man ein Gleichstromnetz sehr gut aufbauen und spart tatsächlich einiges an Energie. Also wird HGÜ immer interessanter.
Nachteilig ist natürlich das aktive Equipment das viel Wartung benötigt und Kosten verursacht. Außerdem dauert eine Reparatur bei einem Defekt sehr lange.
Trafos sind passiv und bei Großtrafos kann man sagen, dass die praktisch nie kaputt gehen - innerhalb der erwarteten Lebensdauer natürlich.
Das größte Problem bei HGÜ ist nicht mehr die Umwandlung AC ←→DC sondern galvanische Korrosion. Die Gleichstromleitungen "vergammeln" hunderte male schneller als wenn Wechselstrom drauf wäre. Um das einzudämmen muss man die polarität täglich mehrmals umpolen - und das umpolen erzeugt dann aussetzer so dass man dann auf alternative Leitungen angewiesen ist, HGÜ muss man dann am besten immer Paarweise aufbauen.