Dreiphasiges System

Definition und Eigenschaften von Drehstromsystemen

Ein Drehstromsystem ist definiert als ein elektrisches System, das aus drei Phasen besteht. In dieser Anordnung fließt der elektrische Strom durch drei separate Leitungen, während eine Neutralleitung als Pfad für den Fehlerstrom dient, um ihn sicher in die Erde abzuleiten. Alternativ kann es auch als ein System beschrieben werden, das drei Leitungen für die Prozesse der elektrischen Erzeugung, Übertragung und Verteilung verwendet. Darüber hinaus kann ein Drehstromsystem als Einphasensystem fungieren, indem eine seiner Phasen zusammen mit der Neutralleitung entnommen wird. In einem ausgewogenen Drehstromsystem beträgt die Summe der Leitungströme genau Null, und die Phasen sind durch einen Winkelabstand von 120° voneinander getrennt.

Ein typisches Drehstromsystem verwendet vier Leitungen: drei stromführende Leiter und eine Neutralleitung. Bemerkenswert ist, dass die Querschnittsfläche des Neutralleiters normalerweise halb so groß wie die der Leitungsleiter ist. Der Strom in der Neutralleitung entspricht der Vektorsumme der Leitungströme der drei Phasen. Mathematisch ist er äquivalent zu √3 mal dem Nullfolgekomponente des Stromes.

Drehstromsysteme bieten zahlreiche bedeutende Vorteile. Im Vergleich zu Einphasensystemen erfordern sie weniger Leiter, was die Infrastrukturen reduziert. Sie stellen zudem eine kontinuierliche Energieversorgung an die Last sicher, was die Zuverlässigkeit des elektrischen Dienstes erhöht. Darüber hinaus sind Drehstromsysteme bekannt für ihre höhere Effizienz und minimierte Verluste bei der Übertragung und dem Betrieb.

Drehstromspannungen werden innerhalb eines Generators erzeugt, wobei drei sinusförmige Spannungen gleicher Größe und Frequenz, aber phasenverschoben um 120° zueinander, erzeugt werden. Diese Konfiguration bietet eine unterbrechungsfreie Energieversorgung. Falls eine Phase des Systems eine Störung erleidet, können die verbleibenden beiden Phasen weiterhin Energie liefern und wesentliche elektrische Dienste aufrechterhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass in einem ausgewogenen Drehstromsystem die Größe des Stromes in einer beliebigen Phase gleich der Vektorsumme der Ströme in den anderen beiden Phasen ist, gemäß den Prinzipien der Elektrotechnik.

Eine 120°-Phasendifferenz zwischen den drei Phasen ist entscheidend für den ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb eines Drehstromsystems. Ohne diese präzise Phasenbeziehung ist das System sehr anfällig für Schäden, die zu Unterbrechungen der Energieversorgung, Geräteausfällen und potenziellen Sicherheitsrisiken führen können.

Verbindungsarten in Drehstromsystemen

Drehstromsysteme können in zwei primäre Weisen konfiguriert werden: Sternschaltung und Dreieckschaltung. Jede dieser Verbindungsmethoden hat spezifische Eigenschaften und Anwendungen, die im Folgenden detailliert erläutert werden.

Sternschaltung

Die Sternschaltung, auch bekannt als Y-Schaltung, verwendet vier Leitungen: drei Phasenleiter und einen Neutralleiter. Diese Art der Verbindung eignet sich besonders gut für die langstreckige elektrische Übertragung. Die Anwesenheit des neutralen Punktes ist ein wesentlicher Vorteil. Er dient als Pfad für ungleichmäßige Ströme, ermöglicht ihnen, sicher zur Erde zu fließen. Indem diese ungleichmäßigen Ströme effektiv gehandhabt werden, hilft die Sternschaltung, die Gesamtausgewogenheit des elektrischen Systems aufrechtzuerhalten, das Risiko der Überlastung zu reduzieren und eine stabile Energieversorgung über weite Strecken zu gewährleisten.

In einem sternverkoppelten Drehstromsystem stehen zwei unterschiedliche Spannungsniveaus zur Verfügung: 230 V und 440 V. Genauer gesagt beträgt die Spannung, die zwischen einem einzelnen Phasenleiter und dem Neutralleiter gemessen wird, 230 V, während die Spannung zwischen zwei beliebigen Phasenleitern 440 V beträgt. Diese Dual-Spannungseigenschaft macht die Sternschaltung vielseitig für verschiedene elektrische Anwendungen, sowohl für niedrigspannungstechnische Haushaltsanwendungen als auch für höher spannungstechnische industrielle Anforderungen.

Dreieckschaltung

Die Dreieckschaltung hingegen verwendet nur drei Leitungen und verfügt nicht über einen neutralen Punkt, wie in der unten dargestellten Abbildung gezeigt. Eine der definierenden Merkmale der Dreieckschaltung ist, dass die Leitungsspannung identisch mit der Phasenspannung ist. Diese Konfiguration vereinfacht die elektrische Anordnung in bestimmten Szenarien, insbesondere, wenn das Fehlen eines Neutralleiters akzeptabel ist und wenn das Systemdesign von der direkten Äquivalenz von Leitungsspannung und Phasenspannung profitiert.

Verbindung von Lasten in Drehstromsystemen

In einem dreiphasigen elektrischen System können Lasten entweder in einer Stern- (Y) oder Dreiecks- (Δ) Konfiguration verbunden werden. Diese beiden Verbindungsmethoden haben spezifische elektrische Eigenschaften und Anwendungen. Die folgenden Diagramme illustrieren, wie dreiphasige Lasten in beiden, der Delta- und Stern-Anordnung, verbunden werden, und geben eine klare visuelle Darstellung ihrer strukturellen Unterschiede und elektrischen Verhaltensweisen.

In einem dreiphasigen elektrischen System kann die Last als ausgeglichen oder ungleichmäßig kategorisiert werden. Eine dreiphasige Last gilt als ausgeglichen, wenn die drei individuellen Lasten (dargestellt durch Impedanzen) Z1, Z2 und Z3 sowohl identische Größen als auch Phasenwinkel aufweisen. Unter solchen ausgeglichenen Bedingungen haben nicht nur alle Phasenspannungen gleiche Größen, sondern auch die Leitungsspannungen teilen diese Eigenschaft, gleiche Größen aufzuweisen. Diese Symmetrie in Spannungen und Impedanzwerten führt zu einem stabileren und effizienteren elektrischen Betrieb, minimiert Verlustleistung und stellt eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Energie im System sicher.