Bühne
AC/DC in der VA

Was ist der Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom?

Es gibt nur wenige Bandnamen, die so eine Eselsbrücke zu den Abkürzungen zu Wechselstrom / Gleichstrom bilden wie AC/DC. Was es mit Spannungsformen und Begriffen wie Kraftstrom, Drehstrom u.s.w. auf sich hat, wollen wir im Folgenden behandeln. AC ist die englische Abkürzung für alternate current und DC für direct current. Zu Deutsch wechselnder Strom und Gleichstrom.Wir wollen nun die verschiedenen Spannungsformen und Ihre Werte einmal genauer betrachten.

Stromschinen verdampft
Rechts sind verschmorte Kupferschinen zu sehen. Das passiert, wenn man zwei Phasen vertauscht und zuschaltet.

Übersicht:

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Strom im Magnetfeld
Hall-Generator
Generator
Leistung
Drehstrom
Die Summe ist Null
Nulleiter beobachten
Mehrphasige Netz-Stecker
DC


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Strom im Magnetfeld

Um eine Netzspannung zur Verfügung zu stellen, muss diese erst einmal produziert werden. Dazu verwenden Kraftwerke Generatoren. Generatoren sind vom Prinzip her das gleiche wie Elektromotoren, arbeiten jedoch nach dem umgekehrten Prinzip. Den Elektromotor speisen wir mit elektrischer Energie und er wandelt diese in Drehbewegung, während der Generator eine Drehbewegung in elektrische Energie wandelt. Dabei werden elektrische Leiter durch ein Magnetfeld geführt. Die Eigenschaft von den Elektronen die sich im Metall als frei bewegliche Ladungsträger bewegen können ist, dass Sie vom Magnetfeld beeinflusst werden. Immerhin rotieren Elektronen auch um Ihre Eigne Achse, was dann Spin genannt wird und erzeugen so auch ein eignes Magnetfeld.

In der Folge bedeutet dies, dass wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld geführt wird, werden die Ladungsträger auf eine Seite hin verschoben. Damit haben wir wie zu Beginn behandelt auf der einen Seite einen Überschuss an Elektronen und auf der anderen Seite eben weniger. Damit man diesen Effekt verdoppelt, verdreifacht bzw. richtignutzen kann, werden entsprechend mehrere Leiter parallel durch das Magnetfeld geführt. Diese parallelen Leiter sind eigentlich eine Leitung, welche aufgewickelt wird wie bei einer Kabeltrommel und bilden damit eine Spule. Je mehr Wicklungen eine Spule hat, umso größer wird die Spannung, die beim Durchschreiten des Magnetfeldes gebildet wird, da sich die Anzahl der bewegten Ladungsträger in der endlichen Leitung aufaddiert. Auch die Geschwindigkeit mit der die Magnetischen Feldlinien durchfahren werden ist wesentlich für die Höhe der damit erzeugten Spannung, genauso wie natürlich die Dichte des Magnetischen Feldes, was sich natürlich auch in einer Mathematischen Formel darstellen lässt:

u0 = B * l * v * z

u0 = induzierte Spannung in Volt (V)
B = magnetische Flussdichte Voltsekunde pro Meter zum Quadraht (Vs/m²)
v = Geschwindigkeit des Leiters Meter pro Sekunde (m/s)
l = wirksame Leiterlänge Meter (m)
z = Leiterzahl

Ladungsverschiebung
Ladungsverschiebung durch Bewegung im Magnetfeld (Bild: Herbert Bernstädt)

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Hall-Generator

Ein kurzer Schwenk, aber passend zur Ladungstrennung im Magnetfeld. Hall-Generatoren arbeiten sehr ähnlich und befinden sich zuhauf in Movinglights. Hall- ist das bei der Name von dem Physiker Edwin Herbert Hall, der herausgefunden hat, wenn man nun ein sehr dünnen Halbleiterplättchen aus z.B. Indiumarsenid in das eben beschriebene Magnetfeld legt und ein Strom hindurch fließen lässt, dass das Magnetfeld die Elektronen an den Seite des Plättchen hin verschieben. Es entsteht eine (Hall-) Spannung. Dieser Effekt dient nicht als Generator, sondern wird in Sensoren genutzt eben wie bei unseren Movinglights, wo wir diese Hall-Generatoren einsetzen, um beim Reset der Schrittmotoren die 0-Position zu bestimmen.

In älteren Movinglights wurde ein Schrittmotor über eine gewisse Zeit in einen mechanischen Anschlag gefahren, bei der man sich sicher war, das die Drehbewegung angekommen sein muss und hat damit den Ausgangspunkt für die weitere Schrittzählung des Schrittmotors geschaffen. Das war einmal Zeitaufwendig beim Reset und mit sehr viel Geräusch verbunden, weil der Motor beim Erreichen des Anschlages noch so lange über sein Haltemoment drüberfahren musste, wie man die Zeit eingestellt hatte um sicher zu sein das auch aus der weitesten Entfernung diese Position angefahren sein wird und ein wenig Sicherheit dazu.

Mit den Hall-generatoren kann nun beim Vorbeifahren die Position erkannt werden und somit auch mitten im Betrieb erfolgen. Es wird kein Anschlag „Überfahren“ und schont somit auch alle beteiligten Komponenten. Im Servicefall wenn der Nullpunkt vom Hall-Generator nicht gefunden wird, kann es sein, das das Magnetfeld nicht mehr ausreicht um genügend Spannung für ein eindeutiges Signal zu generieren. Das kann einmal sein, dass der Abstand von Magneten zum Hall-Plättchen zu groß geworden ist, oder dass der Magnet sein Magnetismus verloren hat.

Die Schwächung eines Permanentmagnetes im Movinghead erfolgt meist durch Übertemperatur im Kopf, wenn z.B. die Lüfter nicht genügend Luft zur Kühlung durchblasen, weil die verdeckt sind oder die Luftfilter dicht sind, oder einfach Ihren Dienst eingestellt haben. Denn Permanentmagnete aus Neodym beginnen schon bei ca. 80° Teile ihrer Magnetisierung zu verlieren, während die in Movingheads eingesetzten Ferromagnete um 230° ihre Magnetisierung verlieren. Natürlich ist das Temperaturmanagement bei Entladungslampen in Hinsicht der verwendeten Magnetwerkstoffe wesentlich bedeutender als bei LED-Leuchtmitteln mit wesentlich geringeren Temperaturdifferenzen.

Ladungsverschiebung - Hallgenerator
Magnetfeld verschiebt auch in einem Stromdurchfossenen Halbleiter die Ladungsträger zu einer Spannung.
Hallgenerator im ML
Hallgenerator (B) und Magnet (A) an einem Goborad

 

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Generator

Mechanische Bewegungen sind meist über Turbinen, Wasser-, oder Windräder in rotierender Form vorhanden. Nun möchte man diese Rotation effektiv in elektrischen Strom umwandeln. Dazu wird ;hier für die Erklärung des Effektes, in dem Magnetfeld eine Spule rotiert, so dass andauernd Magnetfeldlinien durch den Leiter geschnitten werden und damit die Elektronen verschoben werden. Dabei fällt auf, das mal mehr Magnetfelder durchschritten und an den „Stirnseiten“ weniger. Folglich werden mal stärker Elektronen verschoben und mal wenige bzw. an den „toten“ Punkten eben gar kein Effekt erzielt.

Die generierte Spannung an diesem Punkt ist gleich null. Dann dreht sich das Magnetfeldaus Sicht des Leiters um, und die geneierte Spannung erhält damit ein umgekehrtes Vorzeichen. Betrachtet man den im zeitlichen Verlauf mit der Drehbewegung und die Höhe der generierten Spannung, erkennt man eine Wellenform, welche durch die frühe Mathematik schon als Sinusform beschrieben wurde. Setze wir nun nicht die Zeit, sondern Winkelbegriffe für eine Umdrehung ein, so haben wir die formale Möglichkeit die Spannungsform mathematisch zu beschreiben unabhängig von Zeitbegriffen und sind somit unabhängig von der Geschwindigkeit mit der das ganze rotiert. Erst wenn wir mit der realen Zeitachse arbeiten wollen müssen wir die Winkelgeschwindigkeit zu den Winkelwerten in Bezug setzen.

ω = 2 π f
und T = 1 / f

ω = Kreisfrequenz
π = ½ Periodendauer oder einer ½ Umdrehung (entspricht hier 180°)
f = Frequenz Hertz (Hz)
T = Periodendauer

Generator Prinzip
Die Drehbewegung durch das statische Magnetfeld erzeugt die typische Sinusform der Spannung.

Die zu einem x-beliebigen Zeitpunkt gemessene Spannung, also keine gemittelte Spannungsmessung, wird in der Formelsprache mit dem Kleinbuchstaben u bezeichnet. Würde man die Maximalwerte erfassen, so würde man die Maximal auftretende Spannung, die nach 5ms bzw. nach 90° der Drehung, welche man auch nach den Winkelfunktionen als ein ½ π gesprochen Phi definieren kann, auftreten. Bei unserer Netzspannung ist die Scheitelspannung û, einmal unberücksichtigt von den erlaubten Schwankungen des Versorgungsunternehmens, in der Regel 325V. Nun kommt wieder die Mathematik ins Spiel, welche uns anhand der Scheitelspannung zu jedem Zeitpunkt der Wechselspannung die dann anstehende Spannung mit Hilfe der Sinusfunktion zu berechnen erlaubt.

u = û sin (a)
u = Spannung zu einem x-beliebigen Zeitpunkt.
û = Scheitelspannung, die maximale Spannung gegen Null.
α= Winkel der Periode der immer wiederkehrenden Verlaufsform.

In der Elektronik, wenn man die entsprechenden Bauteile heraussuchen muss, dann wird an manchen Stellen das Bauteil mit der positiven wie auch mit der negativen Spitzenspannung belastet. So ist der Wert der Scheitelspannung die auch Spitzenspannung genannt wird (ûs), von der positiven und der negativen Halbwelle zu berücksichtigen. So muss dann z.B. den Kondensator entsprechen der Spitzen-Spitzen-Spannung (ûss) und ein wenig Reserve dimensionieren.

 

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Leistung

Aber wenn wir unsere Geräte in der Veranstaltungstechnik nutzen und anschließen, dann reden wir bei der Netzspannung meist von den Effektivwerten und nicht von Spitzen- oder momentaner zum Zeitpunkt x anliegender Spannung. Der Effektivwert ist das, was das Gerät wirklich an Leistung abgibt. Und jetzt ist der Schwenk zur Leistung angebracht. Denn wie warm bzw. Hell nun ein Glühdraht einer PAR-Lampe wird, ist von dem Produkt aus Spannung und Strom abhängig. Je höher die Spannung, umso mehr Strom wird Fließen, umso heißer wird der Draht.

P = U x I

Da wir URI bereits das letzte Mal behandelt haben setzen wir nun voraus dass wir die Formel einfach einsetzen können.
In P = U x I setzen wir I mit U/R ein, und erhalten
P = U x U/R nun Fassen wir U * U zusammen und erhalten:
P = U² /R

P = Leistung in Watt (W)
U = Spannung in Volt (V)
I = Strom in Ampere (A)
R = Widerstand in Ohm (Ω)

Da wir aber nun eine Wechselspannung haben, ändern sich ständig die Werte. Aber wir wollen ja die Leistung generell wissen und nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt. Also wird von dem Schwankenden der durchschnitt genommen also gemittelt. Wir suchen den Mittelwert der Leistung. Da nach obiger Formel der Widerstand konstant ist, aber für die Leistung die Spannung im Quadrat steht, benötigen wir folgerichtig auch den quadratischen Mittelwert für unsere Effektivangabe. Das kann man bei einmal durch ein Integral lösen, in der Messtechnik durch das Aussummieren und Teilen der Einzelwerte oder bei der Sinusform durch folgende Formel berechnen.

Ueff = U = û / √ 2 = 0,707 * û
Oder real eingesetzt: 325V * 0,707 = 229,775 rund 230V Wechselspannung oder wie der Amerikaner zu sagen pflegt AC Alternate Current.

Das Verhältnis Scheitelwert zu Effektivwert hat man den Namen Scheitelfaktor gegeben. Der Scheitelfaktor wird oft bei preiswerten Messinstrumenten eingesetzt. Abgesehen von Dreheisen Messinstrumenten, welche Konstruktionsbedingt immer den Effektivwert angeben, egal welche Spannungsform anliegt, Werden bei Drehspulinstrumenten und der Messung von Wechselspannungen der Scheitelfaktor eingesetzt, da beim Drehspulinstrument der Scheitelwert nach einem Gleichrichter und Glättungskapazität angezeigt wird. Das erfolgt auch bei günstigen Digitalmultimetern so. Das ist im Prinzip auch richtig, solange wir ausschließlich Sinusförmige Signale messen. Wenn wir aber nach einem Dimmer eine phasenangeschnittene Spannung oder Strom messen, dann hat die Phasen angeschnittene Spannung im quadratischen Mittelwert einen ganz anderen Faktor.

Das Messergebnis wird falsch. Deshalb gibt es bei den Digitalmultimetern das Merkmal True RMS. Echtes Root Mean Square – zu deutsch echter Quadratischer Mittelwert, zu beachten. Ein TRMS Digitalmultimeter berechnet, indem durch eine sehr hohe Anzahl von Messungen, eine Abtastungen der Spannungsform, sogenannten Sampeln – Abtastraten (je höher um so besser), die anliegende Spannungsform aufgezeichnet wird und daraus die mathematische Berechnung des quadratischen Mittelwertes erfolgt. Mit einem True RMS Multimeter ist es also möglich die Effektivwerte nach Dimmern oder auch Ströme nach Schaltnetzteilen richtig zu messen, denn auch Schaltnetzteilströme folgen nicht unbedingt der Form eines Sinus, doch dazu ein andermal mehr.

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Drehstrom

In unserem privaten Wohnzimmer begegnet uns meist die einphasiger Netzspannung. Würde man einphasig bleiben, dann müsste man aber immer Hilfsmittel anwenden um Maschinen im Sinne von Drehmotoren anzutreiben und diese hätten oft nicht die benötigte Kraft. Denn man kann nachvollziehen, dass je nach Stellung des Rotors im Ständer (Stator), es sein kann, das der Motor gar nicht startet, oder auch in die falsche Richtung loslaufen könnte bei einphasiger Netzspannung. Deshalb hat man schon sehr früh in der Elektrifizierung damit angefangen zwei weitere Sinusspannung hinzuzufügen, die mit Ihrem Maximalwerten hintereinander versetzt sind, so dass sich ein Magnetfeld innerhalb einer kreisrunden Anordnung eine Drehbewegung bildet. Da ein Kreis 360° umfasst und man eine volle Umdrehung durchführen will, teilt man den Kreis durch Drei und erhält so eine Folge von 120° versetzen Sinus-Spannungsformen. Damit ist es auch möglich einen Rotor durch das vertauschen zweier Phasen in der Drehrichtung zu ändern. Kurz, die dreiphasige Stromversorgung ist Grant für einen drehenden Motor und hat so landläufig den Namen Drehstrom verdient.

Weiterhin ist es eine sehr günstige Art und Weise Energie zu übertragen, denn um Strom über diese drei Zeitversetzten Phasen zu übertragen, benötigt man nicht wie man meinen könnte sechs Zuleitungen, sondern prinzipiell nur drei Adern. Mit drei Phasen kann man dreimal soviel Energie übertragen werden wie mit einer Phase, dagegen ist der Aufwand der Verkabelung bzw. die Anzahl der Adern mit prinzipiell 3 Leitern gegenüber bei drei einzelnen Phasen die eigentlich 6 Adern benötigen, erheblich minimiert. So gesehen wird mit den drei Adern ganz schön Kraft übertragen womit der Begriff Kraftstrom nachvollziehbar ist. Dabei sind die drei um 120° versetzten Phasen Ausschlag gebend und nicht die Höhe des Stromes. Wie beim Generator ist das Prinzip zwischen Motor und Generator ebenfalls gleich und vom Prinzip her umkehrbar.

drei Phasen Generator Prinzip
Prinzipieller Darstellung zur Erzeugung von 3 Phasiger Spannung, welche um 120 zueinander versetzt sind.
Generator am Diesel
Drehstromgenerator angetrieben durch einen Diesel hier als Notstromagregat.

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Die Summe ist Null

Aber warum benötigt man prinzipiell zur Energieübertragung von Drehstrom nur drei Adern? Schalten wir die drei Spulen von dem Generator an einen Verbraucher an, wie im Bild mit der Stern Dreieckschaltung gezeigt wird, erkennen wir, dass die Summe der Ströme oder Spannungen in der zusammengeführten Leitung Null wird – in der Regel zumindest, denn es gibt natürlich auch Sonderfälle, wo die Summe nicht Null wird und das auch noch bei symmetrischer Belastung bzw. gerade nur dann, doch dazu später. Jetzt betrachten wir uns erst einmal den Spannungsverlauf des 3 Phasiger Spannung des Generators. Durch die gleichmäßige Aufteilung in drei Abschnitten a 120° eines Kreises, kann man nun zu jedem Zeitpunkt bzw. Phasenwinkel hingehen und die drei Spannungen addieren. So wird man sehen dass z.B. die große positive Spannung gleich ist wie die zu dem gleichen Zeitpunkt anliegenden negativen Spannungen der anderen zwei Spulen. Ist z.B. die Spannung von Spule U gleich null, so ist die Spannung der Spule V genau so groß wie die negative Spannung der Spule W. Das ist das Geheimnis, das man eigentlich nur drei Leitungen zur Energieübertragung für Motore benötigt, denn in der Summe sind jeweils die Spannungen oder Ströme im symmetrischen 3 Phasenbetrieb gleich Null.

In der Praxis sehen wir das bei vielen Kettenzüge, deren Steckverbinder nur Vierpolig ausgeführt sind. Der vierte Pol ist der Schutzleiter, der für die Sicherheit benötigt wird. Ansonsten haben die Steckverbinder für Drehstrom 5 Pole, einen Schutzleiter, einen Null oder Neutralleiter und die drei Phasenführenden Leitungen. Die prinzipielle Ausführung mit vier Leitungen zur Energieübertragung (drei Phasen ein Neutralleiter / den Schutzleiter jetzt einmal außen vor gelassen) ist die Regel da man damit mit geringsten Materialaufwand Energie übertragen kann.

Zeigerdiagramm
Spannungen und Ströme können als Vektor dargestellt werden, um die Zeitlichen Bezüge innerhalb einer Periode übersichtlich darzustellen. Addieren wir die drei Vektoren, so erhalten wir bei symmetrischer Belastung Null als Ergebnis.

Wenden wir die Trigonomie mit Ankathete zur Hypotenuse an, so erhalten wir anhand des Spannungsdreiecks:

½ U12
Cos (30°) = ———-
Ustr1

Umgestellt erhalten wir dann

U12 = 2 * cos (30°) * Ustr1

bzw. U12 = Ustr1 * √ 3

mit
Ustr1 = Spannung der 1. Phase gegen den Neutralleiter bzw. Null. Bei uns sind dies 230V.
U12 = Spannung zwischen Phase 1 und Phase 2. Damit haben wir ca. 400V.

Die Wurzel aus 3 erhält beim “Drehstrom” damit eine erhebliche Bedeutung und wird auch als Verkettungsfaktor benannt. Die Spannung zwischen Leiter und Leiter ist demnach um den Faktor 1,732 größer als zwischen Leiter und einem Null- (Neutral-) Leiter. Wir haben bis jetzt immer vorausgesetzt dass die Summe gleich Null ist bei symmetrischer Belastung. Bei symmetrischer Belastung wie bei einem Motor haben die drei Wicklungen mit gleichen Widerstandswerten der drei Wicklung und dementsprechend die gleiche Leistung und damit sind die Ströme und Spannungen an allen drei Phasen gleich. Sind alle drei Phasen gleich belastet sprechen wir von symmetrischer Belastung und die Summe der Ströme könnte Null sein. Was ist nun eine unsymmetrische Belastung?

Wenn wir einphasige Verbraucher anschließen wie z.B. Movinglights an einer Unterverteilung, oder PAR-Scheinwerfer an einen dreiphasigen Dimmer, dann verlassen wir die symmetrische Belastung, da nun der Verbraucher eine einzelne Phase zwischen der Phase und einem Nullleiter – dem Neutralleiter angeschlossen wird. Damit kommen wir zum nächsten Thema beim Drehstrom bzw. dreiphasiger Spannung. Uns stehen im 3-Phasensystem zwei verschieden hohe Spannungen zur Verfügung. In der Regel sind unsere Verbraucher in der Veranstaltungstechnik auf 230V Netzspannung eingestellt. Das Bedeutet von der Netzversorgung die ja aus drei Phasenspannungen besteht ist die normale Anwendung zwischen Phase und Neutralleiter.

Motore wie z.B. Kettenzüge können dagegen mit Ihren Wicklungen so aufgebaut sein, das Sie 400V Versorgungsspannung benötigen um die volle Leistung bringen zu können. Dann muss die Spannungsversorgung Phase zu Phase mit 400V erfolgen. In der Motorentechnik spricht man dann von Dreiecksschaltung. Einige Maschinen wie z.B. in der Schreinerei im Theaterbetrieb haben eine Stern Dreieck Umschaltung. Damit werden zum Anfahren erst einmal die Wicklungen mit 230V versorgt, um dann wenn eine gewisse Drehzahl aufgenommen wurde auf Dreieckschaltung zu wechseln und dann die volle Leistung der Maschine zur Verfügung steht.

Stern Dreieck Schaltung
Bei einer Dreieckschaltung sind die Leiterspannungen untereinander gleich der Spannung der Einzellasten, den Strangspannungen. Dagegen teilen sich die Ströme. Der Strangstrom ist hier um den Faktor Wurzel 3 kleiner als der Leiterstrom.

Spannend wird die Betrachtung der Zeigerdiagramme, wenn man nun mit keiner symmetrischen Belastung, sondern wie bei einem Dimmerbetrieb vorwiegend asymmetrischen Belastung arbeitet. Da Dimmer in Sternschaltung angeschlossen werden, da das Leuchtmittel des Scheinwerfers in der Regel für 230 Volt ausgelegt ist, betrachten wir diesen Fall für asymmetrische Belastung. Anhand des Zeigerdiagramms kann man erkennen, dass bei unsymmetrischer Belastung im Neutralleiter ein Ausgleichstrom fließt. Kritisch kann es werden, wenn der Nullleiter unterbrochen wird. Denn dann kann kein Ausgleichsstrom fließen, sondern muss über die anderen Zuleitungen fließen. Es verschiebt sich der Sternpunkt. Folglich können auch die Strangspannungen unterschiedliche Werte annehmen. So kann es vorkommen, dass in solch einem Störungsfall bei Ansteuerung von nur wenigen Prozent eine PAR 64 voll leuchtet, da nun nicht wie zu erwarten 230V Phasenangeschnitten werden, sondern je nach asymetrischer Belastung und verschobenen Sternpunkt bis zu 400V an der Dimmerelektronik verarbeitet werden. Ein Hochziehen auf 100 % wird mit Sicherheit das Leuchtmittel zerstören und evtl. auch den Dimmer in Mitleidenschaft ziehen. Aus diesem Grund sind Camlock-Steckverbinder, die oft von auswärtigen Tournee-Betrieben nach Deutschland mitgebracht werden, mit äußerster Vorsicht zu genießen. Bei diesem Steckverbindersystem werden die Stromleitungen als Einzelader mit eigenem Steckverbinder ausgeführt.

Man muss beim Ein- und Abstecken tunlichst die Reihenfolge einhalten und keinesfalls den Neutralleiter zuerst ziehen. Es sind zwar Anschlusspanels erhältlich, die ein An- und Abstecken durch Verriegelung nur in der richtigen Reihenfolge zulassen, aber diese sind eher selten anzufinden. In der Praxis kann es vorkommen, dass bei Abnahme der Bühne die Verwendung derselben untersagt wird, da diese Gefahr nicht ausgeschlossen werden kann. Als Kompromiss wurde schon das eine oder andere Mal die Schaffung eines technischen Betriebsraumes bei denen kein anderer als die Elektrofachkraft bzw. die dazu befugte Person Zutritt erhält, vereinbart, und wenn der Raum auch nur ein zugriffsicherer Käfig ist.

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Nulleiter beobachten

Jetzt versucht man seine Scheinwerfer auf den Dimmern oder Unterverteilungen so gleichmäßig wie möglich auf die drei Phasen auf zu teilen. Und nach Adam Riese wäre bei absoluter einphasiger Asymmetrie der Strom im Nulleiter maximal so hoch wie der einseitig belasteten Phase. Bei jeder weiteren Belastung anderer Phasen würde die Summe im Nulleiter weiter sinken. Aus dem Grund werden die Kabel für Drehstrom so dimensioniert, dass der Nullleiter den gleichen Querschnitt erhält wie die einer Phase, da kein höherer Strom auf dem Nulleiter zu erwarten ist, sondern bei symmetrischer Belastung eben zu null wird. Soweit die Theorie. Jedoch mit der Einführung von Elektronischen Vorschaltgeräten und Schaltnetzteilen, sorgen diese Leistungselektroniken dafür, dass nun nicht der der Strom dem Spannungsverlauf folgt, sondern zeitlich völlig unterschiedlich gepulst sein kann.

Es gibt Elektroniken, die die unsägliche Eigenschaft haben bei einer Halbperiode der Spannung erst nach 60° für weitere 60° den Strom zu ziehen. Werden solche Geräte gleichmäßig im dreiphasen Netz verteilt, ist die Summe der Ströme nicht mehr Null wie anzunehmen wäre, sondern höher als ein einzelner Phasenstrom. Auch die Frequenz des Stromes hat sich dann im Nullleiter verdreifacht. Die Folge des höheren Nulleiterstromes ist die Überlastung des Nullleiters. Die Gefahr dass der Nullleiter an den Kontakstellen verschmoren wird, ist gegeben. Leider werden bei uns in Deutschland in der Regel nur die Phasen abgesichert und nicht die Nullleiter. Für diesen seltenen Sonderfall wäre es praktisch, wenn die Unterverteilung ein Stommesser beinhaltet um den Überstrom auf den Nullleiter anzeigen zu können.

3 Phasenstrom mit hohen Nulleiter Belastung
Die Summe von drei 1/3 Phase pulsenden Strömen auf einem drei Phasen Netz ist eine Frequenz von 150 Hz auf und 1,7 Fach höherer Strom dem Nulleiter als auf einer Phase.  (Quelle: Coemar) (Bild: Coemar)
3 Phasenstrom ohne Nulleiterstrom
Vergleich dazu von Konventionellen Verbrauchern und der Summe auf dem Nulleiter (Quelle: Coemar)

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Mehrphasige Netz-Stecker

Auch Drehstrom bzw. Kraftstrom, oder sollten wir lieber sagen 3 Phasiger Wechselstrom muss an viele Geräte in der Veranstaltungstechnik angeschlossen werden. Dazu gehören die Kettenzüge, allgemein Maschinen-Motore, aber auch sehr große Nebelmaschinen benötigen für Ihre Heizelemente 3 Phasigen Strom, wobei dann nur die benötigte Leistung Ausschlag gebend ist und nicht die Reihenfolge und der 120° versetzten Spannungen um ein Drehfeld zu erzeugen. Am meisten hat man jedoch als Veranstaltungstechniker mit Unterverteilungen und evtl. noch Dimmern zu tun, welche die dreiphasige Versorgung benötigen.

Wie wir bereits wissen ist eine Richtlinien für uns in der Veranstaltungstechnik die SQP4 „Mobile elektrische Anlagen in der Veranstaltungstechnnik“. Dort finden wir auch niedergeschrieben wer bei uns in der Veranstaltungstechnik auch was zusammenstecken darf, denn wie wir bereits erfahren haben gibt es Steckverbinder wie Powerlock, die alleine durch die Reihenfolge des Steckens der Adern erhebliches Gefahrenpotential beinhalten. So ist in der SQP4 beschrieben, das CEE Steckdosen bis 125A im lastfreien Zustand durch elektrotechnisch unterwiesene Personen hergestellt werden dürfen. Einzelleitersteckverbinder (Powerlock) Anschlusskästen, Klemmarbeiten in Verbraucheranlagen, Verteilungen oder an Transformatoren nur sind nur durch die Elektrofachkraft erlaubt, während am Netz des Energieversorgers nur in Abstimmung durch den Konzessionsträger möglich ist.

Verteiler mit CEE
Typisches Anschlussfeld einer Veranstaltungsstätte. Hier sind die CEE Steckverbinder für 16A, 32A, 63A und 128A vorhanden. Grundsätzlich ist das CEE Steckverbindersystem nach DIN EN 60309 in IP 44 ausgeführt, Jedoch findet man auch IP 67 Ausführungen welche an den Rinförmigen Kragen zu erkennen ist und ein Bajonettverschluss mit Dichtgummi aufweist um das Eindringen von Wasser zu verhindern.
Anschluss mit Klemmen
Werden höhere Ströme benötigt, ist der Haus-Elektriker gefragt. Er kann dann über Klemme höhere Leistungen wie hier an den Klemmkasten anschließen.
Mobiler Verteiler
Gerade auf Stadtfesten findet man mobile Stromverteilerkästen die dann mit den benötigten Drehstromanschüsse ausgestattet sein können.
Touring Verteiler
Während bei den Indoorveranstaltungen meist Verteilungen wie hier zu Einsatz kommen. Unten ist am Verteiler die Zuleitung in Form von Powerlocksteckverbinder zu sehen. Dem Thema Unterverteilung werden wir uns an anderer Stelle ausführlich widmen. (Bild: Herbet Bernstädt)
Powerlock Verbindung
Powerlock Verbindung bei einem open Air Festival. Powerlock sind Einzelkabel für Kabel von meist 120mm² 150mm² oder 240mm² und können dementsprechend hohe Leistungen übertragen. Gerade bei den hohen Querschnitten ist ein 5 separate Powerlockkabel einfacher zu handhaben bzw. zu tragen als wenn man ein Fünfadriges Kabel herstellen würde, welches dann, wenn überhaupt, nur noch von Gewichthebern zu verlegen wären. Powerlock Steckverbinder T4 erlauben eine Übertragung von 400A währen T6 in der Lage ist 660A zu leiten. Es gibt Anschlussbuchsen auf den Markt die dafür sorgt, dass man die Powerlock nur in einer bestimmten Reihenfolge aus und einstecken kann. Wie hier im Bild zu sehen ist ein abstecken auch des Schutzleiters und auch den Nulleiters ohne die Verbindung der Phasen zu öffnen möglich und stellt frei zugänglich eine Gefahrenquelle dar. (Bild: Herbert Bernstädt)
Cee Stecker
Cee Stecker und Kupplung, hier als ein Adapter um 32A Verteilung an 16A 3Ph Anzuschließen. Dies wäre erlaubt, da die Sicherungsorgane bei zu hoher Belastung auslösen. Umgekehrt wäre es nicht möglich. So wie beim Einphasigen Wechselstrom der CEE Stecker in der Farbe Blau den Betriebsbereich von bis zu 250V gekennzeichnet hat, zeigt hier die rote Farbe an, das der Steckverbinder bis 480V betrieben werden kann, was bei einer Spannung von Phase zu Phase von 400V auch notwendig ist. (Bild: hbernstaedt.de)
cee Bezeichnung am Stecker
Die Bezeichnung auf dem Stecker gibt folgende Information:
16-6h bedeutet das der Stecker 16A pro Phase erlaubt. Die 6h sagt aus das der Dicker ausgeführte Schutzleiter auf der 6 Uhr Position befindet, wobei die Führungsnase des Steckers ebenfalls bei der 6 Uhr Position befindet.
3P + N + (Erde) bedeutet das drei Pole für die Phasenleitung L1, L2 und L3 vorgesehen sind. N bezeichnet einen Pol für den Neutralleiter und (Erde) ist das Symbol für den Schutzleiter-Pol, welcher immer nacheilend ausgeführt ist. Nacheilend bedeutet, das diese Verbindung beim ziehen des Steckers als letztes seinen Kontakt verliert, damit das Gerät immer geerdet bleibt und erst dann die Erdung verliert, wenn wirklich keine Phase mehr angesteckt ist.
CEE Belegung
Die Verdrahtung von einem 3 Phasen Steckverbinder. Interessant wird es, wenn man z.B. eine drei-Phasen Stromschiene an einem Dimmer anschließen muss. Denn dann sollte man darauf achten das die richtigen Phasen die vom Dimmertyp zu Dimmertyp an den unterschiedlichen Ausgängen geroutet werden auch zu den Stromschiene finden. Diese Ankopplung sollte auch nur über Multicorsteckverbinder erfolgen und nicht über Schukostecker, da der Schukostecker auch verpolt eingesteckt werden kann und damit eine Phase direkt auf den Nulleiter gesteckt wird und damit der Kurzschluss Programm ist.
Cee Stecker Adapter
Eine andere Art von zulässigen Adapter. Da beim Drehstromstecker nach CEE
die einzelne Phase mit 16A
(Bild: hbernstaedt.de)
Kettenzugsteuerung
Typische VBG D8 Kettenzugsteuerung. Die Zuleitung erfolgt meist mit einem 5poligen CEE Phasenwenderstecker, (siehe dazu folgende Bildreihe) um die Drehrichtung der 3 Phasen Drehfeldes umkehren zu können. Dagegen sind die CEE Steckverbinder zu den Motoren nur 4 Polig ausgeführt, da bei den Motoren von einer symetrischen Belastung der drei Phasen ausgegangen wird und damit der Nulleiter entfallen kann. Der Schutzleiter bleibt natürlich bei dem Einsparungsbedürfniss außen vor und ist eben der 4. Pol.

 

Phasenwendestecker
Phasenwendestecker, zwei Phasen können mit einem Schraubendreher im Stecker von Außen vertauscht werden, so das man nicht den Stecker selbst öffnen muss. Wie man das Rechtsdrehfeld messtechnisch sicherstellen kann werden wir uns beim Thema Messtechnik für die Veranstaltungstechnik widmen. (Bild: hbernstaedt.de)
Schwarzer Stecker
Hier hat sich ein Kettenzughersteller seinen Steckverbinder in schwarz herstellen lassen. Dieser 4 Polige Steckverbinder ist für bis zu 415V zugelassen und sollte nicht verwechselt werden mit dem Schwarzen CEE Steckverbinder aus der CEE Norm. Denn dort sind die CEE-Steckverbinder in Schwarz eine Kennzeichnung dass diese für Spannungen bis 690V zugelassen sind. Die Schwarzen CEE Stecker lassen sich auch nicht auf die roten Steckverbinder stecken, da diese Ihren dickeren Schutzleiterpol an einer anderer Position und zwar an der 7-Uhr Position befindet und so nicht auf dem roten Stecker, deren Schutzleiter-Pol auf der 6-Uhr Position befindet, passt.
Major Trenntrafo
Wenn wir schon bei den Farben sind, finden wir in der Veranstaltungstechnik auch gelbe CEE Steckverbinder. Diese sind nur für Spannungen bis 130V und werden bei uns in der Veranstaltungstechnik Für den Einsatz von Blindern eingesetzt, welche mit 110V arbeiten. Hier im Bild ein Trafo zum Betrieb von einem Singel-Blinder an 230V.

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DC

Setzen wir eine Solorzelle dem Licht aus, so produziert diese Solarzelle eine Gleichspannung. Auch wenn wir unterschiedliche Metalle aus der Spannungsreihe und einen Elektrolyt zusammenbringen wird eine Spannung erzeugt und wir nenne dies dann eine Batterie. Auch Akkumulatoren werden aufgeladen, indem ein chemischer Prozess dafür sorgt das Ladungsträger sich an Pole binden. Der verbreitete Akku ist zweifelsfrei der Bleiakku. Allen gemeinsam ist die Lieferung von Gleichstrom bzw. Gleichspannung. Diese Einfache Spannungsform ist optimal um in der Elektronik Vorgänge zu steuern und regeln. In der Analogen Informationsverarbeitung entspricht die Höhe der Spannung einer Wertung. In der Digitaltechnik sorgen Impulse zwischen hohe und niedrigen Gleichspannungswerten für den Informationsgehalt. Nur zur Energieübertragung ist es vor vorteilhafter, wenn die Elektronen vor und zurück wandern also gar nicht richtig weg vom Fleck bewegen, als bei Gleichspannung bei der die Elektronen wirklich weit wandern müssen und das immer in dieselbe Richtung. Im englischen Heißt die Gleichspannung direct current.

Zink-Kohle-Batterie
Zink-Kohle Batterie – Spannung ist über die Zeit konstant.
Notstrom Batterie
Eine Batterieanlage Lieferant für eine typische Gleichspannung. Hier für eine Notbeleuchtungsanlage. Klassische Leuchtmittel mit einer Wolframwendel verarbeiten auch

Gleichspannungen ohne Unterschied zur Wechselspannung, denn es gilt ja nur den Draht zur erhitzen und das erledigt eine Gleichspannung genau so gut. Hier ist es sogar leichter, da die anliegende Spannung zu jeder Zeit „relativ“ gleich ist und nicht wie bei Wechselspannung gemittelt werden muss. Bei Gleichspannung hat man gleich den Effektivwert. Kritisch wird die Gleichspannung wenn man z.B. von Halogenlicht auf LED-Beleuchtung wechselt und im Haus eine Notstrombeleuchtung mit 230V Gleichspannung betrieben wird, denn nicht Jede Treiberelekrtonik von LEDs kann auch mit Gleichspannung umgehe. Dies sollte man beim Wechsel auf Energiesparende LED Technik beachten.


Mehr Grundlagen Elektrotechnik werden auf folgenden Seiten behandelt:

Allgemein:

Übertragungstechnik:

Elektronische Bauelemente:

Elektronische Schaltungen:

Eine Übersicht aller Themen finden Sie Hier.

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