Drehstrom

Aus dem Hausanschluss kommen nicht eine, sondern drei Wechselspannungen. Sie haben dieselbe Frequenz und Höhe, sind aber jeweils um ein Drittel einer Periode gegeneinander verschoben. Dieses System heißt Drehstrom oder Dreiphasenwechselstrom. Es überträgt Energie besonders effizient, liefert ohne Zusatzaufwand ein rotierendes Magnetfeld für Motoren und stellt im selben Netz zwei Spannungen bereit: 230 V und 400 V.

Drei Phasen, 120° versetzt

Ein Drehstromgenerator hat drei Wicklungen, die räumlich um je 120° versetzt angeordnet sind. Dreht sich der Magnet (der Läufer) darin, induziert er in jeder Wicklung eine Sinusspannung – jede um 120° gegenüber der vorigen verzögert, also um ein Drittel der Periode von 20 ms, rund 6,7 ms.

Die drei Wicklungen heißen Stränge; ihre Anschlüsse sind genormt bezeichnet, am Anfang mit U1, V1, W1 und am Ende mit U2, V2, W2 – so findest du sie auch auf dem Klemmbrett eines Drehstrommotors. Die drei spannungsführenden Leiter heißen Außenleiter L1, L2 und L3. Dazu kommen der Neutralleiter N, der am Sternpunkt des Transformators beginnt, und der Schutzleiter PE. In Deutschland sind die Adern üblicherweise so gefärbt: L1 braun, L2 schwarz, L3 grau, N blau, PE grün-gelb.

Eine wichtige Eigenschaft: Zu jedem Zeitpunkt ist die Summe der drei Spannungen null. Ist eine Phase gerade am Maximum, sind die anderen beiden jeweils bei minus der Hälfte.

Zwei Spannungen: 230 V und 400 V

Weil sich die drei Spannungen zu null ergänzen, müssen die Stränge nicht einzeln mit je zwei Leitern angeschlossen werden (sechs Leiter), sondern lassen sich zusammenschalten – man sagt verketten. Dann genügen drei oder vier Leiter.

Im Niederspannungsnetz sind die Stränge des Transformators im Stern verkettet. Zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter misst du deshalb die Strangspannung U_Str = 230 V. Zwischen zwei Außenleitern liegt die Außenleiterspannung U = 400 V. Sie ist nicht doppelt so hoch, weil die beiden Spannungen um 120° verschoben sind und sich geometrisch subtrahieren. Das Verhältnis heißt Verkettungsfaktor:

Das ergibt sich aus dem Zeigerdiagramm: Zwei Zeiger der Länge 230 V im Winkel von 120° haben an ihren Spitzen den Abstand 2 · 230 V · cos 30° = √(3) · 230 V.

Stern- und Dreieckschaltung

Drei Verbraucher kannst du auf zwei Arten an das Drehstromnetz anschließen:

Sternschaltung (Y): Die Strangenden U2, V2, W2 sind im Sternpunkt zusammengeführt, an dem meist der Neutralleiter hängt (Vierleitersystem); die Stranganfänge gehen an L1, L2, L3. Jeder Strang bekommt 230 V, und Leiterstrom und Strangstrom sind gleich:

Bei gleich großen Lasten heben sich die Ströme im Sternpunkt auf, und durch den Neutralleiter fließt kein Strom.

Dreieckschaltung (Δ): Das Ende jedes Strangs ist mit dem Anfang des nächsten verbunden (U2 mit V1, V2 mit W1, W2 mit U1), die drei Verbindungspunkte gehen an L1, L2, L3. Jeder Verbraucher liegt also direkt zwischen zwei Außenleitern – seine Strangspannung ist hier die volle Außenleiterspannung von 400 V. Ein Neutralleiter wird nicht gebraucht (Dreileitersystem). Dafür ist der Strom in der Zuleitung √(3)-mal so groß wie der Strom im einzelnen Strang:

Ein Verbraucher in Dreieckschaltung nimmt dreimal so viel Leistung auf wie derselbe in Sternschaltung. Das nutzt der klassische Stern-Dreieck-Anlauf großer Motoren: Sie starten in Stern mit reduziertem Strom und werden nach dem Hochlaufen auf Dreieck umgeschaltet.

Leistung im Drehstromnetz

Bei symmetrischer Last ist die Gesamtleistung dreimal die Strangleistung. Mit Außenleiterspannung und Leiterstrom ausgedrückt, gilt für Stern- und Dreieckschaltung dieselbe Formel:

Entsprechend sind Scheinleistung S = √(3) · U · I und Blindleistung Q = √(3) · U · I · sin φ (siehe Wirk-, Blind- und Scheinleistung).

Warum Drehstrom so verbreitet ist

• Zwei Spannungen: Das Vierleitersystem stellt 230 V für Steckdosen und 400 V für große Verbraucher gleichzeitig bereit.
• Weniger Leitermaterial: Drei Außenleiter übertragen dreimal die Leistung eines einphasigen Stromkreises, brauchen dafür aber keine drei Rückleiter: Bei symmetrischer Last heben sich die Ströme im Sternpunkt auf, und der Neutralleiter bleibt nahezu stromlos.
• Konstante Leistung: Bei symmetrischer Last ist die Summe der drei Momentanleistungen zu jedem Zeitpunkt gleich. Motoren laufen deshalb ruhig, ohne das Pulsieren einphasiger Antriebe.
• Drehfeld: Drei räumlich versetzte Spulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld (Elektromagnetismus). Darauf beruht der einfache, robuste Asynchronmotor.
• Glattere Gleichrichtung: Ein Sechspuls-Brückengleichrichter am Drehstromnetz liefert eine viel weniger wellige Gleichspannung als ein einphasiger.

Im Haushalt nutzen Herd, Durchlauferhitzer und Wallbox alle drei Phasen; die Steckdosenkreise verteilt der Elektriker möglichst gleichmäßig auf L1, L2 und L3.

Selbsttest