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Drehstromübertragung Lauffen - Frankfurt 1891

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Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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03.Mar.16 09:44
 
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Gleichstrom

Die frühesten Generatoren erzeugten Gleichspannungen. Ein Pionier war Werner von Siemens. Ein früher Generator (Dynamo-Maschine) von Siemens ist im ersten Bild zu sehen.

Diese Gleichstrom-Generatoren wurden oft für 55V oder 110V gebaut. 55V war die Brennspannung einer Bogenlampe; bei 110V konnten zwei davon in Serie geschaltet werden. (Bei 220V waren 4 Stück in Serie zu schalten.) Das Bild ist aus dem "Handbuch der Elektrotechnik, 1912" .

Auch Edison war ein starker Verfechter des Gleichstromes. Er baute anfänglich pro Straßen-Block ein (kleines) Gleichstrom-Kraftwerk. Das Problem beim Gleichstrom besteht in den (großen) Verlusten bei der Weiterleitung über größere Entfernungen. Andernfalls werden unwirtschaftlich große Leitungsquerschnitte erforderlich um den Leitungs-Widerstand entsprechend zu reduzieren.

So ergab eine Fernübertragung über 50 km im Jahre 1882 von Mießbach nach München mit Gleichstrom (1500V - 2000V) einen Wirkungsgrad  von nur noch ca. 22%.

Für das Jahr 1891 war aber eine Fernübertragung über ca. 170 km zwischen einem Kraftwerk in Lauffen am Neckar und Frankfurt a. Main für eine "Internationale Elektrotechnische Ausstellung" geplant.

Lauffen a.N. hat ein Zementwerk, das über ein Wasserkraftwerk verfügt. Aber das Zementwerk brauchte nicht die gesamte Leistung, die aus der Wasserkraft verfügbar war.

Drehstrom statt Gleichstrom

Es war sehr schnell klar, daß (wegen des Wirkungsgrades) Gleichstrom für diese Fernübertragung nicht in Frage kommt, sondern nur "Wechselstrom". Diesen kann man für die Übertragung hoch transformieren (1:ü) wodurch sich der Strom auf der Leitung entsprechend reduziert (ü:1), wodurch sich die Ohmschen Verluste sogar quadratisch reduzieren (ü2:1).

Da Siemens wie auch Edison den Gleichstrom präferierten, kam für eine Realisierung nur die AEG in Frage. Die AEG führte mit der befreundeten Maschinenfabrik Oerlikon MFO zur selben Zeit in der Nähe von Zürich Versuche mit Mehrphasen-Motoren durch. Chefingenieur bei MFO war Charles E.L. Brown (der später die Fa. BBC gründete). Bei der AEG befaßte sich der Chefelektriker Michael von Dolivo-Dubrowolsky mit dieser Themenstellung. Von ihm stammt der Begriff "Drehstrom". Die AEG und MFO schlossen 1889 einen Lizenzvertrag zur weiteren Entwicklung der Drehstrom-Übertragung und ihren Anwendungen ab.

Drehstrom-Patente

Die Idee zum Drehstrom und seiner Möglichkeit einer Fernübertragung wurde 1888 zunächst von Friedrich August Haselwander zum Patent angemeldet. Dabei handelte es sich um ein von ihm bereits in der Praxis erprobtes System.

Die Patentanmeldung wurde jedoch so zunächst nicht akzeptiert mit der Argumentation, Generator (G, links) und Motor (M, rechts) hätten mit der Fernübertragung nichts zu tun. Erst seine 2. Anmeldung am 30.06.1889 führte dann zum Erfolg.

Mittlerweile (1887) erhielt in den USA Nicola Tesla ein Patent auf einen Zweiphasen-Generator-Motor und er hat in einer Patentanmeldung von 1888 eine Drehstrom-Übertragung mit (nur) 3 Leitungen beschrieben.

Zwischenzeitlich hat von Dolivo-Dubrowolsky seinerseits einen Patentanspruch auf den Drehstrom angemeldet und am 08.03.1889 ein Patent erhalten. Seinen Drehstrom-Motor führte er im September 1889 der Fachwelt vor, unter anderem auch Thomas Alpha Edison. Der hielt den Wechselstrom aber für ein Unding und wollte davon absolut nichts wissen. (Edison stritt sich auch auf z.T. unfaire Weise mit Westinghouse, ob Gleich- oder Wechselstrom besser sei. So sorgte Edison dafür, daß der "Elektrische Stuhl" in den USA mit Wechselstrom betrieben wurde und stellte das als Beispiel für die Gefährlichkeit des Wechselstromes dar.)

Haselwander hatte das Pech, daß ihm aus formalen Gründen nicht die Priorität für den Drehstrom zuerkannt werden konnte.

Hochspannungs-Übertragung mit Drehstrom

Es mußte zunächst geklärt werden, wie hoch die Spannung gewählt werden kann und ob die Drähte blank sein können oder isoliert werden müssen. Vorversuche von AEG und MFO mit 33 kV ergaben, daß die Drähte blank sein durften und ölgefüllte Isolatoren an den Masten diese Spannungen aushielten.

Das gesamte Projekt der Fernübertragung stand unter der Leitung von Oskar von Miller (später: Deutsches Museum München). Aufgrund seiner Kenntnis vom geringen Wirkungsgrad der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung war auch er ein Befürworter der Drehstrom-Übertragung.

Für die Fernübertragung Lauffen nach Frankfurt wurde folgendes Konzept realisiert.

Die Übertragungs-Strecke wurde von Lauffen bis Heilbronn mit stabileren Masten und (etwas) größeren Isolatoren ausgeführt, denn es sollte im Anschluß an die Industrieausstellung Heilbronn weiterhin (bis 1925) so mit Drehstrom versorgt werden. Von Heilbronn bis Frankfurt wurde die Leitung an der Eisenbahntrasse entlang errichtet, wobei (damals) mehrere Länder auch zustimmen mußten.

(Die Karte ist um 900 i.U. gedreht.) Den Bau der Leitung hat die Reichspost übernommen, denn die hatte damals die größte Erfahrung damit. Den Kupferdraht stellte die Fa. Hesse & Söhne "leihweise" (!) zur Verfügung.

Die gesamte Trasse in zeitgenössischer Darstellung ist im nächsten Bild zu sehen.

Das Kraftwerk in Lauffen

Aufgrund der Ergiebigkeit des Wassers im Neckar wurden von den 5 vorhandenen Turbinen nur 3 für das Zementwerk benötigt, so daß zwei davon für die Drehstrom-Fernübertragung zur Verfügung gestellt werden konnten.

Ein Blick in die Maschinenhalle zeigt das nächste Bild.

Die beiden Herren stehen lässig neben dem Drehstrom-Generator. Dieser erzeugte Drehstrom von 55V Spannung mit einer Frequenz von 40 Hz. Die niedere Spannung ist vorteilhaft für die Konstruktion der Maschine. (Bei Gleichspannung müßte die Maschine die hohe Spannung selbst erzeugen, was zu Schwierigkeiten mit der Isolation führt.)

Das linke Bild zeigt diesen in betriebsfertiger Stellung. Man erkennt vorne zwei "Schnurlaufrollen". Das ist die Zuführung der Spannung für die Erregung des Magnetfeldes im Klauenpol-Anker. Dieser ist in der rechten Darstellung gut zu erkennen, wo der Stator nach vorne geschoben ist. Die kleine Maschine daneben ist der Generator für die Erzeugung der Spannung für den Klauenpol-Anker.

Die 55V vom Generator wurden nun auf 8,5 kV mit Hilfe von Drehstrom-Transformatoren hochgespannt.

Im Schnittbild des linken Transformators ist die dicke Primärwicklung für die 55V innen zu sehen, während die 8,5 kV Wicklung als Sekundärwicklung außen liegt und aus Gründen der Isolation in einzelne Kammern unterteilt ist. Da trotz des hohen Wirkungsgrades solcher Transformatoren Wärme entsteht und zum Zwecke besserer Isolation wird ein solcher Trafo meist mit Trafo-Öl gefüllt.

Die Internatinale Elektrotechnische Ausstellung Frankfurt

Hier wurde die Drehstrom-Fernübertragung dem staunenden Publikum vorgeführt.

Mit dem ankommenden Drehstrom wurden 1000 Glühlampen zum strahen gebracht und ein 100 PS Drehstrom-Motor pumpte Wasser für einen Wasserfall.

Der Drehstrom-Motor hier nochmal in anderer Darstellung.

Die gemessenen Wirkungsgrade lagen (je nach eingestellter Leistung) zwischen 68,% und 75,2% für die Gesamtübertragung. Der Generator hatte bei 140kW 93,5% Wirkungsgrad, die Transformatoren 96%.

Drehstrom für Heilbronn

Nach dem Ende der Ausstellung blieb die Strecke Lauffen - Heilbronn praktisch bestehen und versorgte HN bis 1925 in der ursprünglichen Art mit 100V Drehstrom bei 40 Hz Frequenz.

 

Auch dieses Projekt wurde von Oskar von Miller realisiert. So fortschrittlich es zunächst war, stellte es zunehmend aber eine "Insellösung" dar, weil das Umland schließlich mit Drehstrom von 50 Hz Frequenz versorgt wurde. 1925 schloß sich HN dem 50 Hz Drehstrom an.

Weltweite Auswirkungen des Experiments

Als Konsequenz aus der Demonstration einer erfolgreichen Fernübertragung von Drehstrom entschieden sich die USA dazu, das Kraftwerk an den Niagara-Fällen auch mit Drehstrom-Generatoren auszurüsten.

Literatur.

MfG DR

Edit: Literatur ergänzt - mit Dank an Eckard Kull.

This article was edited 05.Mar.16 10:04 by Dietmar Rudolph .

  
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