Dreiphasenwechselstrom

Dreiphasentransformator mit Vierdrahtausgang für 208Y/120 Volt: ein Draht für den Nullleiter, die anderen für die Phasen A, B und C ⓘ

Dreiphasiger Strom (abgekürzt 3φ) ist eine gängige Form des Wechselstroms, die bei der Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung verwendet wird. Es handelt sich um eine Art mehrphasiges System mit drei Leitern (oder vier Leitern einschließlich eines optionalen Nullleiters) und ist die weltweit am häufigsten verwendete Methode zur Stromübertragung in Stromnetzen. ⓘ

Die dreiphasige Stromversorgung wurde in den 1880er Jahren von mehreren Personen entwickelt. Bei der Dreiphasenstromversorgung sind die Spannungen und Ströme auf den drei Leitungen um 120 Grad phasenverschoben. Da es sich um ein Wechselstromsystem handelt, können die Spannungen mit Hilfe von Transformatoren leicht auf Hochspannung für die Übertragung und wieder auf Niederspannung für die Verteilung erhöht werden, was eine hohe Effizienz ermöglicht. ⓘ

Ein Dreileiter-Drehstromkreis ist in der Regel wirtschaftlicher als ein entsprechender einphasiger Zweileiter-Stromkreis mit der gleichen Spannung zwischen Leitung und Erde, da weniger Leitermaterial für die Übertragung einer bestimmten Strommenge benötigt wird. Dreiphasenstrom wird hauptsächlich direkt zum Antrieb großer Induktionsmotoren, anderer Elektromotoren und anderer schwerer Lasten verwendet. Kleine Verbraucher verwenden oft nur einen einphasigen Zweileiter-Stromkreis, der von einem dreiphasigen System abgeleitet sein kann. ⓘ

Als Dreiphasenwechselstrom – nach Bezug auch als Dreiphasenwechselspannung oder kurz als Drehstrom bezeichnet – wird in der Elektrotechnik eine Form von Mehrphasenwechselstrom benannt, die aus drei einzelnen Wechselströmen oder Wechselspannungen gleicher Frequenz besteht, die zueinander in ihren Phasenwinkeln fest um 120° verschoben sind. ⓘ

Umgangssprachlich wird der Dreiphasenwechselstrom als Starkstrom bezeichnet, was nicht korrekt oder zumindest ungenau ist. Nachvollziehbar wird die Bezeichnung aus dem Umstand, dass bei gleichem Materialaufwand die doppelte elektrische Leistung wie bei einphasigem Wechselstrom transportiert werden kann. ⓘ

Anwendung findet das Dreiphasensystem vor allem im Bereich der elektrischen Energietechnik für Transport und Verteilung von elektrischer Energie in Stromnetzen. Beispiele dafür sind die überregionalen Drehstrom-Hochspannungs-Übertragungsnetze, Niederspannungsnetze im Bereich der lokalen Stromversorgung oder Drehstrommaschinen, die als Antrieb von Aufzügen oder in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. ⓘ

Es lassen sich Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren mit geringerem Kernquerschnitt als gleich leistungsstarke einphasige Transformatoren herstellen. Der Einsatz des Dreiphasensystems ist ab einigen Kilowatt wirtschaftlich sinnvoll und begründet die Bedeutung im Bereich der elektrischen Energietechnik. ⓘ

Historischer Drehstromgenerator ⓘ

Terminologie

Die Leiter zwischen einer Spannungsquelle und einer Last werden als Leitungen bezeichnet, und die Spannung zwischen zwei beliebigen Leitungen wird als Leitungsspannung bezeichnet. Die zwischen einer beliebigen Leitung und dem Nullleiter gemessene Spannung wird als Phasenspannung bezeichnet. Bei einem 208/120-Volt-Netz beispielsweise beträgt die Netzspannung 208 Volt und die Phasenspannung 120 Volt. ⓘ

Geschichte

Erste Synchronmaschine von Haselwander mit dreiphasigem Stator und vierpoligem Rotor (Polrad) ⓘ

Dreipolige Drehstromoberleitung und Siemens-Drehstromtriebwagen auf der Militärbahn bei Berlin 1903 ⓘ

Hellsjö Kraftwerk 1895 ⓘ

Die erstmalige Erwähnung von mehrphasigem Wechselstrom ist mit mehreren Namen verbunden. Der Italiener Galileo Ferraris untersuchte 1885 mehrphasige Wechselströme. Aus den Versuchsergebnissen definierte er das Drehfeldprinzip. Nikola Tesla befasste sich ab 1882 mit der Thematik von Mehrphasenwechselströmen und konstruierte 1887 einen Zweiphasen-Wechselstrommotor, der das Drehstromnetz in Amerika einführen sollte. Die fast gleichzeitigen Entwicklungen von Galileo Ferraris und Nikola Tesla waren durch diverse Patente geschützt, es kam dabei auch zu rechtlichen Auseinandersetzungen. Unabhängig patentierte Charles Schenk Bradley in den Jahren 1887 und 1888 Ideen zu verschiedenen Mehrphasensystemen, konnte seine Ideen aber nur unzureichend praktisch umsetzen. ⓘ

Der erste Dreiphasen-Synchrongenerator wurde 1887 von dem deutschen Erfinder Friedrich August Haselwander gebaut, ein Patentantrag im gleichen Jahr wurde zunächst abgelehnt, dann aber 1889 anerkannt. Jedoch wurde von großen Elektrounternehmen, die die Bedeutung der Erfindung erkannten, Einspruch gegen die Patenterteilung eingelegt und der Streitwert für einen Rechtsstreit auf 30 Millionen Mark veranschlagt, den Haselwander für sich nicht riskieren konnte. Haselwander war als Oberingenieur bei Wilhelm Lahmeyer & Co in Frankfurt am Main tätig und übertrug der Firma sein Patent. Als 1892 die AEG Lahmeyer übernahm, verlor Haselwander damit seine Patentrechte. ⓘ

Bei der AEG in Deutschland arbeitete unabhängig von diesen Ereignissen 1888 Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski mit Dreiphasen-Wechselstrom und führte dafür den Begriff „Drehstrom“ ein. Der zugehörige von ihm erfundene Asynchronmotor wurde Anfang 1889 erstmals von AEG ausgeliefert. Die ersten Maschinen leisteten 2 bis 3 PS. Ein zur gleichen Zeit gebauter Motor von Haselwander konnte sich nicht durchsetzen, weil man dessen Patente wieder aberkannte und zudem die Verwendung untersagte, weil eine Störung der Telegraphenleitungen befürchtet wurde. ⓘ

Die erste Energieübertragung mit hochtransformiertem Dreiphasenwechselstrom erfolgte 1891 in Deutschland bei der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt im Rahmen der internationalen elektrotechnischen Ausstellung 1891 in Frankfurt am Main. Die Versuchsstrecke lag zwischen dem Zementwerk in Lauffen am Neckar und der Ausstellung in Frankfurt am Main, eine Entfernung von 175 km mit einer Spannung von 15 kV und einer übertragenen Leistung von etwa 173 kW. Die Anlage war von Doliwo-Dobrowolski und Oskar von Miller konstruiert worden. 1897 errichtete die AEG in Berlin-Oberschöneweide das erste Drehstromkraftwerk Deutschlands (Kraftwerk Oberspree). ⓘ

Unter der Leitung von Ernst Danielson, Chefkonstrukteur bei der Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA) in Västerås wurde zwei Jahre nach dem Versuch in Deutschland in Schweden die erste kommerzielle Anwendung durchgeführt, und zwar zwischen dem See Hellsjön und dem zwölf Kilometer entfernten Bergbaugebiet Grängesberg in Bergslagen, Dalarna. Die Spannung betrug dort 9,5 kV und die übertragene Leistung nahezu 220 kW. Zuvor war das Gebiet mechanisch mittels Kunstgestänge mit Arbeitsenergie versorgt worden. ⓘ

In dem 1898 an der deutsch-schweizerischen Grenze im Rhein in Betrieb gegangenen Alten Wasserkraftwerk von Rheinfelden wurde weltweit erstmals in großtechnischem Maßstab Dreiphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz erzeugt. Diese Frequenz ist heute in vielen Ländern die Netzfrequenz. Die Budapester Maschinenfabrik Ganz & Cie ließ unter dem Chefkonstrukteur Kálmán Kandó 1899 eine 1,5 Kilometer lange Versuchs-Eisenbahnstrecke auf der Altofener Donauinsel sowie 1900 die Werksbahn der Munitionsfabrik Wöllersdorf bei Wiener Neustadt für den Betrieb mit 3 kV anlegen. ⓘ

Denkmal am Bahnhof Berlin Marienfelde zur Erinnerung an den Geschwindigkeitsweltrekord ⓘ

Ab 1899 erforschte die Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen (St.E.S.) den elektrischen Bahnbetrieb bei hoher Geschwindigkeit. Dazu wurde die Militäreisenbahn bei Berlin für den Drehstrom-Betrieb mit einer dreipoligen Oberleitung versehen. Auf dem Höhepunkt der Versuche erreichte am 28. Oktober 1903 ein Drehstrom-Triebwagen der AEG die damalige Rekordgeschwindigkeit von 210 Kilometern pro Stunde. ⓘ

Die Eisenbahngesellschaft Rete Adriatica (RA) eröffnete 1902 die Veltlinbahn, als erste mit Hochspannung elektrifizierte Hauptbahnlinie der Welt. Dafür lieferte ebenfalls Ganz & Cie die Versorgung mit 3 kV und 15,6 Hz sowie die zugehörigen Lokomotiven. Dieses „Trifase“-System wurde später auf ganz Norditalien ausgeweitet und bestand unter der Ferrovie dello Stato bis 1976. Der Drehstromantrieb konnte sich bei Bahnen in den Folgejahrzehnten erst dann durchsetzen, als die Leistungselektronik in Form von Frequenzumrichtern es ermöglichte, im Fahrzeug Drehstrom variabler Frequenz aus dem einphasigen Bahnstrom zu erzeugen. ⓘ

Der erste Wechselstrommotor wurde von dem italienischen Physiker Galileo Ferraris entwickelt. Es handelte sich um einen Zweiphasenmotor, für den vier Drähte erforderlich waren. ⓘ

Zwei Monate später erhielt Nikola Tesla das US-Patent 381.968 für einen dreiphasigen Elektromotor, das am 12. Oktober 1887 angemeldet worden war. Aus Abbildung 13 dieses Patents geht hervor, dass Tesla seinen Drehstrommotor über sechs Drähte vom Generator gespeist sehen wollte. ⓘ

Diese Wechselstromgeneratoren erzeugten Systeme von Wechselströmen, die um bestimmte Beträge gegeneinander phasenverschoben waren, und waren für ihren Betrieb auf rotierende Magnetfelder angewiesen. Die daraus resultierende Quelle für mehrphasigen Strom fand bald weite Verbreitung. Die Erfindung des Drehstromgenerators ist ebenso wie der Leistungstransformator von zentraler Bedeutung für die Geschichte der Elektrifizierung. Diese Erfindungen ermöglichten die wirtschaftliche Übertragung von Strom über große Entfernungen. Die Drehstromtechnik ermöglichte die Nutzung der Wasserkraft (durch Wasserkraftwerke in großen Staudämmen) an abgelegenen Orten, so dass die mechanische Energie des fallenden Wassers in Elektrizität umgewandelt werden konnte, die dann an jedem Ort, an dem mechanische Arbeit zu verrichten war, einem Elektromotor zugeführt werden konnte. Diese Vielseitigkeit war der Auslöser für die Entwicklung von Stromübertragungsnetzen auf den Kontinenten rund um den Globus. ⓘ

Prinzip

Normalisierte Wellenformen der Momentanspannungen in einem Dreiphasensystem in einem Zyklus mit nach rechts zunehmender Zeit. Die Phasenfolge ist 1-2-3. Dieser Zyklus wiederholt sich mit der Frequenz des Stromnetzes. Im Idealfall sind die Spannung, der Strom und die Leistung jeder Phase um 120° zu den anderen versetzt. ⓘ

Dreiphasige Stromübertragungsleitungen ⓘ

Dreiphasentransformator (Békéscsaba, Ungarn): links sind die Primärleitungen, rechts die Sekundärleitungen ⓘ

In einem symmetrischen dreiphasigen Stromversorgungssystem führen drei Leiter jeweils einen Wechselstrom mit der gleichen Frequenz und Spannungsamplitude in Bezug auf eine gemeinsame Referenz, jedoch mit einer Phasendifferenz von einem Drittel einer Periode (d. h. 120 Grad phasenverschoben) zwischen ihnen. Der gemeinsame Bezugspunkt ist in der Regel mit der Erde und häufig mit einem stromführenden Leiter, dem so genannten Neutralleiter, verbunden. Aufgrund der Phasendifferenz erreicht die Spannung an einem beliebigen Leiter ihren Spitzenwert ein Drittel einer Periode nach einem der anderen Leiter und ein Drittel einer Periode vor dem verbleibenden Leiter. Diese Phasenverschiebung ermöglicht eine konstante Leistungsübertragung an eine ausgeglichene lineare Last. Sie ermöglicht auch die Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds in einem Elektromotor und die Erzeugung anderer Phasenanordnungen mit Hilfe von Transformatoren (z. B. ein Zweiphasensystem mit einem Scott-T-Transformator). Die Amplitude der Spannungsdifferenz zwischen zwei Phasen ist ${\sqrt {3}}$ (1,732...) mal die Amplitude der Spannung der einzelnen Phasen. ⓘ

Die hier beschriebenen symmetrischen Dreiphasensysteme werden einfach als Dreiphasensysteme bezeichnet, da es zwar möglich ist, asymmetrische Dreiphasensysteme (d. h. mit ungleichen Spannungen oder Phasenverschiebungen) zu entwerfen und zu realisieren, diese aber in der Praxis nicht verwendet werden, da ihnen die wichtigsten Vorteile symmetrischer Systeme fehlen. ⓘ

In einem Dreiphasensystem, das eine ausgeglichene und lineare Last speist, ist die Summe der Momentanströme der drei Leiter gleich Null. Mit anderen Worten: Der Strom in jedem Leiter ist gleich groß wie die Summe der Ströme in den beiden anderen Leitern, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Der Rückweg für den Strom in einem beliebigen Phasenleiter sind die beiden anderen Phasenleiter. ⓘ

Eine konstante Leistungsübertragung und die Aufhebung der Phasenströme sind mit einer beliebigen Anzahl (größer als eine) von Phasen möglich, wobei das Verhältnis von Kapazität zu Leitermaterial doppelt so hoch ist wie bei einphasiger Leistung. Zwei Phasen führen jedoch zu einem weniger gleichmäßigen (pulsierenden) Strom zur Last (was eine gleichmäßige Stromübertragung erschwert), und mehr als drei Phasen verkomplizieren die Infrastruktur unnötig. ⓘ

Dreiphasige Systeme können eine vierte Leitung haben, die in der Niederspannungsverteilung üblich ist. Dies ist der Neutralleiter. Der Nullleiter ermöglicht die Versorgung von drei separaten einphasigen Netzen mit einer konstanten Spannung und wird üblicherweise für die Versorgung mehrerer einphasiger Lasten verwendet. Die Anschlüsse sind so angeordnet, dass in jeder Gruppe möglichst gleich viel Strom von jeder Phase abgenommen wird. Im weiteren Verlauf des Verteilernetzes sind die Ströme in der Regel gut ausgeglichen. Transformatoren können so verdrahtet werden, dass sie sekundärseitig einen Vierleiter und primärseitig einen Dreileiter haben, wobei unsymmetrische Lasten und die damit verbundenen sekundärseitigen Neutralströme zulässig sind. ⓘ

Phasenfolge

Die Verdrahtung der drei Phasen ist in der Regel durch Farben gekennzeichnet, die je nach Land variieren. Die Phasen müssen in der richtigen Reihenfolge angeschlossen werden, um die beabsichtigte Drehrichtung von Drehstrommotoren zu erreichen. So funktionieren beispielsweise Pumpen und Lüfter nicht in umgekehrter Richtung. Die Beibehaltung der Phasenidentität ist erforderlich, wenn zwei Quellen gleichzeitig angeschlossen werden könnten; eine direkte Verbindung zwischen zwei verschiedenen Phasen ist ein Kurzschluss. ⓘ

Vorteile

Im Vergleich zu einer einphasigen Wechselstromversorgung mit zwei Leitern (Phase und Nullleiter) kann eine dreiphasige Versorgung ohne Nullleiter und mit der gleichen Phase-Erde-Spannung und Stromkapazität pro Phase die dreifache Leistung mit nur 1,5 mal so vielen Leitern (d. h. drei statt zwei) übertragen. Damit verdoppelt sich das Verhältnis von Kapazität zu Leitermaterial. Das Verhältnis von Kapazität zu Leitermaterial erhöht sich auf 3:1 bei einem ungeerdeten dreiphasigen und einem mittig geerdeten einphasigen System (bzw. 2,25:1, wenn beide Erdungen den gleichen Querschnitt wie die Leiter haben). Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad, geringerem Gewicht und saubereren Wellenformen. ⓘ

Dreiphasige Stromversorgungen haben Eigenschaften, die sie in Stromverteilungssystemen wünschenswert machen:

• Die Phasenströme heben sich in der Regel gegenseitig auf und summieren sich bei einer linearen symmetrischen Last zu Null. Dies ermöglicht es, die Größe des Neutralleiters zu verringern, da er keinen oder nur einen geringen Strom führt. Bei einer symmetrischen Last führen alle Phasenleiter den gleichen Strom und können daher gleich groß sein.
• Die Leistungsübertragung in eine lineare symmetrische Last ist konstant. Bei Motor-/Generatoranwendungen hilft dies, Vibrationen zu reduzieren.
• Dreiphasige Systeme können ein rotierendes Magnetfeld mit einer bestimmten Richtung und konstanter Größe erzeugen, was die Konstruktion von Elektromotoren vereinfacht, da keine Anlaufschaltung erforderlich ist. ⓘ

Die meisten Haushaltsverbraucher sind einphasig. In nordamerikanischen Wohngebieten kann ein Mehrfamilienhaus mit dreiphasigem Strom versorgt werden, während die Haushaltsverbraucher einphasig angeschlossen sind. In Gebieten mit geringerer Bevölkerungsdichte kann ein einphasiger Strom für die Verteilung verwendet werden. Einige leistungsstarke Haushaltsgeräte wie Elektroherde und Wäschetrockner werden über ein zweiphasiges System mit 240 Volt oder über zwei Phasen eines dreiphasigen Systems mit 208 Volt versorgt. ⓘ

Erzeugung und Verteilung

Animation des Drehstroms ⓘ

Linkes Bild: elementarer Sechsleiter-Drehstromgenerator, bei dem jede Phase ein separates Paar Übertragungsdrähte verwendet. Rechtes Bild: elementarer Dreileiter-Drehstromgenerator, bei dem sich die Phasen nur drei Drähte teilen können. ⓘ

Im Kraftwerk wandelt ein elektrischer Generator die mechanische Leistung in einen Satz von drei elektrischen Wechselströmen um, einen aus jeder Spule (oder Wicklung) des Generators. Die Wicklungen sind so angeordnet, dass die Ströme die gleiche Frequenz haben, aber die Spitzen und Täler ihrer Wellenformen versetzt sind, um drei komplementäre Ströme mit einer Phasentrennung von einer Drittelperiode (120° oder 2π⁄3 Radiant) zu erzeugen. Die Generatorfrequenz beträgt in der Regel 50 oder 60 Hz, je nach Land. ⓘ

Im Kraftwerk wird die Spannung der Generatoren durch Transformatoren auf ein für die Übertragung geeignetes Niveau gebracht, um die Verluste zu minimieren. ⓘ

Nach weiteren Spannungsumwandlungen im Übertragungsnetz wird die Spannung schließlich auf die Standardnutzung transformiert, bevor der Strom an die Kunden geliefert wird. ⓘ

Die meisten Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge erzeugen Dreiphasen-Wechselstrom und gleichrichten ihn mit einer Diodenbrücke zu Gleichstrom. ⓘ

Anschlüsse von Transformatoren

Eine Transformatorwicklung in Dreieckschaltung wird zwischen die Phasen eines Drehstromnetzes geschaltet. Ein "Stern"-Transformator verbindet jede Wicklung von einem Phasendraht mit einem gemeinsamen Nullpunkt. ⓘ

Es kann ein einzelner Dreiphasentransformator oder drei Einphasentransformatoren verwendet werden. ⓘ

In einem "offenen Dreieck" oder "V"-System werden nur zwei Transformatoren verwendet. Ein geschlossenes Dreieck, das aus drei Einphasentransformatoren besteht, kann wie ein offenes Dreieck funktionieren, wenn einer der Transformatoren ausgefallen ist oder entfernt werden muss. Im offenen Dreieck muss jeder Transformator den Strom für seine jeweilige Phase sowie den Strom für die dritte Phase transportieren, weshalb die Kapazität auf 87 % reduziert ist. Wenn einer der drei Transformatoren fehlt und die verbleibenden zwei einen Wirkungsgrad von 87 % haben, beträgt die Kapazität 58 % (2⁄3 von 87 %). ⓘ

Wenn ein delta-gespeistes System zur Erkennung von Streustrom gegen Erde oder zum Schutz vor Überspannungen geerdet werden muss, kann ein Erdungstransformator (in der Regel ein Zickzack-Transformator) angeschlossen werden, damit Erdschlussströme von jeder Phase zur Erde zurückfließen können. Eine weitere Variante ist ein geerdetes Dreiecksystem, bei dem es sich um ein geschlossenes Dreieck handelt, das an einer der Verbindungsstellen der Transformatoren geerdet ist. ⓘ

Dreileiter- und Vierleiterschaltungen

Sternschaltung (Y) und Dreieckschaltung (Δ) ⓘ

Es gibt zwei grundlegende Dreiphasenkonfigurationen: Sternschaltung (Y) und Dreieckschaltung (Δ). Wie im Diagramm dargestellt, sind für eine Dreieckschaltung nur drei Drähte zur Übertragung erforderlich, während eine Sternschaltung einen vierten Draht haben kann. Der vierte Draht, sofern vorhanden, dient als Nullleiter und ist normalerweise geerdet. Bei den Bezeichnungen Drei- und Vierleiter wird der Erdungsdraht, der sich über vielen Übertragungsleitungen befindet, nicht mitgezählt; er dient ausschließlich dem Fehlerschutz und führt bei normalem Gebrauch keinen Strom. ⓘ

Ein Vierleitersystem mit symmetrischen Spannungen zwischen Phase und Nullleiter ergibt sich, wenn der Nullleiter an den "gemeinsamen Sternpunkt" aller Versorgungswicklungen angeschlossen ist. In einem solchen System haben alle drei Phasen die gleiche Spannungshöhe im Verhältnis zum Nullleiter. Es wurden auch andere unsymmetrische Systeme verwendet. ⓘ

Das Vierleiter-Sternsystem wird verwendet, wenn eine Mischung aus einphasigen und dreiphasigen Lasten versorgt werden soll, z. B. gemischte Beleuchtungs- und Motorlasten. Ein Anwendungsbeispiel ist die lokale Verteilung in Europa (und anderswo), wo jeder Kunde nur von einer Phase und dem Nullleiter (der den drei Phasen gemeinsam ist) gespeist werden kann. Wenn eine Gruppe von Kunden, die sich den Neutralleiter teilen, ungleiche Phasenströme bezieht, führt der gemeinsame Neutralleiter die aus diesen Ungleichgewichten resultierenden Ströme. Elektroingenieure versuchen, das dreiphasige Stromversorgungssystem für einen beliebigen Standort so auszulegen, dass die von jeder der drei Phasen entnommene Leistung an diesem Standort so weit wie möglich gleich ist. Die Elektroingenieure versuchen auch, das Verteilernetz so zu gestalten, dass die Lasten so weit wie möglich ausgeglichen sind, da die gleichen Prinzipien, die für die einzelnen Räume gelten, auch für das weiträumige Verteilernetz gelten. Daher bemühen sich die Versorgungsunternehmen, die auf jeder der drei Phasen entnommene Leistung auf eine große Zahl von Verbrauchern zu verteilen, so dass sich im Durchschnitt eine möglichst ausgeglichene Last an der Entnahmestelle ergibt. ⓘ

Eine Dreieck-Stern-Konfiguration über einen Transformatorenkern (beachten Sie, dass ein praktischer Transformator normalerweise eine unterschiedliche Anzahl von Windungen auf jeder Seite hat). ⓘ

Für den Hausgebrauch können einige Länder, wie z. B. das Vereinigte Königreich, eine Phase und den Nullleiter mit einer hohen Stromstärke (bis zu 100 A) an ein Haus liefern, während andere Länder, wie z. B. Deutschland, drei Phasen und den Nullleiter an jeden Kunden liefern können, allerdings mit einer niedrigeren Absicherung, typischerweise 40-63 A pro Phase, und "gedreht", um den Effekt zu vermeiden, dass die erste Phase stärker belastet wird. ⓘ

Ein Transformator für ein "Hochschenkel-Delta"-System, das für gemischte einphasige und dreiphasige Lasten im selben Verteilernetz verwendet wird. Dreiphasige Lasten wie z. B. Motoren werden an L1, L2 und L3 angeschlossen. Einphasige Lasten werden zwischen L1 oder L2 und dem Nullleiter oder zwischen L1 und L2 angeschlossen. Die Phase L3 hat das 1,73-fache der Spannung von L1 oder L2 gegen den Nullleiter, so dass dieser Zweig nicht für einphasige Lasten verwendet wird. ⓘ

Basierend auf der Sternschaltung (Y) und der Dreieckschaltung (Δ). Im Allgemeinen gibt es vier verschiedene Arten von Drehstromtransformator-Wicklungsanschlüssen für Übertragungs- und Verteilungszwecke.

• Sternschaltung (Y) - Die Sternschaltung (Y) wird für kleine Ströme und hohe Spannungen verwendet.
• Delta (Δ) - Delta (Δ) wird für große Ströme und niedrige Spannungen verwendet.
• Dreieck (Δ) - Stern (Y) wird für Aufwärtstransformatoren, z. B. in Kraftwerken, verwendet.
• Stern (Y) - Dreieck (Δ) wird für Abspanntransformatoren verwendet, d. h. am Ende der Übertragung. ⓘ

In Nordamerika wird manchmal eine hochbeinige Dreieckschaltung verwendet, bei der eine Wicklung eines im Dreieck geschalteten Transformators, der die Last speist, in der Mitte angezapft wird und diese Mittelanzapfung geerdet und als Nullleiter angeschlossen ist, wie im zweiten Diagramm dargestellt. Diese Anordnung erzeugt drei verschiedene Spannungen: Wenn die Spannung zwischen der Mittelanzapfung (Nullleiter) und jeder der oberen und unteren Anzapfungen (Phase und Gegenphase) 120 V (100 %) beträgt, beträgt die Spannung über den Phasen- und Gegenphasenleitungen 240 V (200 %) und die Spannung zwischen Nullleiter und "hohem Bein" ≈ 208 V (173 %). ⓘ

Der Grund für die Dreieckschaltung ist in der Regel die Versorgung großer Motoren, die ein Drehfeld benötigen. In den betreffenden Räumlichkeiten werden jedoch auch die "normalen" nordamerikanischen 120-V-Stromversorgungen benötigt, von denen zwei abgeleitet werden (180 Grad "phasenverschoben") zwischen dem "Nullleiter" und einem der Phasenpunkte mit Mittelabgriff. ⓘ

Ausgeglichene Stromkreise

Im perfekt symmetrischen Fall teilen sich alle drei Leitungen gleichwertige Lasten. Aus der Betrachtung der Stromkreise lassen sich Beziehungen zwischen Netzspannung und -strom sowie Lastspannung und -strom für im Stern- und Dreieck geschaltete Lasten ableiten. ⓘ

In einem symmetrischen System erzeugt jede Leitung die gleichen Spannungswerte bei gleichem Phasenwinkel zueinander. Mit V₁ als Referenz und V₃, das V₂ nacheilt, das V₁ nacheilt, haben wir unter Verwendung der Winkelnotation und V_LN die Spannung zwischen der Leitung und dem Nullleiter:

${\begin{aligned}V_{1}&=V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ },\\V_{2}&=V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ },\\V_{3}&=V_{\text{LN}}\angle {+120}^{\circ }.\end{aligned}}$ ⓘ

Diese Spannungen speisen entweder eine im Stern- oder im Dreieck geschaltete Last ein. ⓘ

Stern (Wye; Y)

Dreiphasiger Wechselstromgenerator, der als Stern- oder Sternquelle an eine im Stern oder Stern angeschlossene Last angeschlossen ist. ⓘ

Die von der Last wahrgenommene Spannung hängt vom Anschluss der Last ab; im Falle des Sterns ergibt der Anschluss jeder Last an eine Phase (Leitung-Neutralleiter) Spannungen:

${\begin{aligned}I_{1}&={\frac {V_{1}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle (-\theta ),\\[2pt]I_{2}&={\frac {V_{2}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle \left(-120^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\frac {V_{3}}{\left|Z_{\text{total}}\right|}}\angle \left(120^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}$ ⓘ

Dabei ist Ztotal die Summe der Impedanzen von Leitung und Last (Ztotal = Z_LN + Z_Y), und θ ist die Phase der Gesamtimpedanz (Ztotal). ⓘ

Die Phasenwinkeldifferenz zwischen Spannung und Strom jeder Phase ist nicht notwendigerweise 0 und hängt von der Art der Lastimpedanz, Z_y, ab. Induktive und kapazitive Lasten bewirken, dass der Strom der Spannung entweder nacheilt oder vorauseilt. Der relative Phasenwinkel zwischen jedem Leitungspaar (1 zu 2, 2 zu 3 und 3 zu 1) beträgt jedoch immer noch -120°. ⓘ

Ein Phasendiagramm für eine Sternschaltung, in dem V_ab eine Netzspannung und Van eine Phasenspannung darstellt. Die Spannungen sind ausgeglichen wie folgt:

• V_ab = (1∠α - 1∠α + 120°) √3 |V|∠α + 30°
• V_bc = √3 |V|∠α - 90°
• V_ca = √3 |V|∠α + 150°

(α = 0 in diesem Fall.) ⓘ

Durch Anwendung des Kirchhoff'schen Stromgesetzes (KCL) auf den Nullleiterknoten summieren sich die drei Phasenströme zum Gesamtstrom in der Nullleitung. Im symmetrischen Fall:

$I_{1}+I_{2}+I_{3}=I_{\text{N}}=0.$ ⓘ

Delta (Δ)

Dreiphasen-Wechselstromgenerator, angeschlossen als Sternquelle an eine im Dreieck geschaltete Last ⓘ

In der Dreieckschaltung sind die Verbraucher über die Leitungen geschaltet, so dass die Verbraucher Spannungen von Leitung zu Leitung sehen:

${\begin{aligned}V_{12}&=V_{1}-V_{2}=\left(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 30^{\circ }={\sqrt {3}}V_{1}\angle \left(\phi _{V_{1}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{23}&=V_{2}-V_{3}=\left(V_{\text{LN}}\angle {-120}^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle {-90}^{\circ }={\sqrt {3}}V_{2}\angle \left(\phi _{V_{2}}+30^{\circ }\right),\\[3pt]V_{31}&=V_{3}-V_{1}=\left(V_{\text{LN}}\angle 120^{\circ }\right)-\left(V_{\text{LN}}\angle 0^{\circ }\right)\\&={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}\angle 150^{\circ }={\sqrt {3}}V_{3}\angle \left(\phi _{V_{3}}+30^{\circ }\right).\\\end{aligned}}$ ⓘ

(Φ_v1 ist die Phasenverschiebung für die erste Spannung, die üblicherweise mit 0° angenommen wird; in diesem Fall ist Φ_v2 = -120° und Φ_v3 = -240° oder 120°). ⓘ

Weiter:

${\begin{aligned}I_{12}&={\frac {V_{12}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(30^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{23}&={\frac {V_{23}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(-90^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{31}&={\frac {V_{31}}{\left|Z_{\Delta }\right|}}\angle \left(150^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}$ ⓘ

wobei θ die Phase der Deltaimpedanz (Z_Δ) ist. ⓘ

Die relativen Winkel bleiben erhalten, so dass I₃₁ gegenüber I₂₃ gegenüber I₁₂ um 120° nacheilt. Die Berechnung der Leitungsströme mit Hilfe von KCL an jedem Deltaknoten ergibt:

${\begin{aligned}I_{1}&=I_{12}-I_{31}=I_{12}-I_{12}\angle 120^{\circ }\\&={\sqrt {3}}I_{12}\angle \left(\phi _{I_{12}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{12}\angle (-\theta )\end{aligned}}$ ⓘ

und in ähnlicher Weise für jede andere Leitung:

${\begin{aligned}I_{2}&={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(\phi _{I_{23}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{23}\angle \left(-120^{\circ }-\theta \right),\\[2pt]I_{3}&={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(\phi _{I_{31}}-30^{\circ }\right)={\sqrt {3}}I_{31}\angle \left(120^{\circ }-\theta \right),\end{aligned}}$ ⓘ

wobei wiederum θ die Phase der Dreieckimpedanz (Z_Δ) ist. ⓘ

Eine Dreieckskonfiguration und ein entsprechendes Phasendiagramm der Ströme. Die Phasenspannungen sind gleich den Netzspannungen, und die Ströme werden wie folgt berechnet:

• I_a = I_ab - I_ca = √3 I_ab∠-30°
• I_b = I_bc - I_ab
• I_c = I_ca - I_bc

Die übertragene Gesamtleistung beträgt:

• S_3Φ = 3V_PhaseI*_{Phase ⓘ}

Die Betrachtung eines Phasendiagramms oder die Umrechnung von der Phasendarstellung in die komplexe Darstellung zeigt, dass die Differenz zwischen zwei Netz-Neutral-Spannungen eine um den Faktor √3 größere Netz-Spannung ergibt. Wenn eine Dreieckskonfiguration eine Last über die Phasen eines Transformators schaltet, liefert sie die Netzspannungsdifferenz, die um den Faktor √3 größer ist als die Netzspannung, die an eine Last in der Sternkonfiguration geliefert wird. Da die übertragene Leistung V²/Z beträgt, muss die Impedanz in der Dreieckskonfiguration dreimal so groß sein wie in der Sternkonfiguration, damit die gleiche Leistung übertragen werden kann. ⓘ

Einphasige Lasten

Außer in einem hochschenkligen Dreiecksystem und einem über Eck geerdeten Dreiecksystem können einphasige Lasten zwischen zwei beliebigen Phasen angeschlossen werden, oder eine Last kann von der Phase zum Nullleiter angeschlossen werden. Die Verteilung einphasiger Lasten auf die Phasen eines Dreiphasensystems gleicht die Last aus und ermöglicht eine möglichst wirtschaftliche Nutzung von Leitern und Transformatoren. ⓘ

In einem symmetrischen Dreiphasen-Vierleitersystem im Sternpunkt haben die drei Phasenleiter die gleiche Spannung zum Nullleiter des Systems. Die Spannung zwischen den Außenleitern beträgt das √3-fache der Spannung zwischen Außenleiter und Nullleiter:

$V_{\text{LL}}={\sqrt {3}}V_{\text{LN}}.$ ⓘ

Die Ströme, die von den Kunden zum Transformator zurückfließen, teilen sich alle den Nullleiter. Wenn die Lasten gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt sind, ist die Summe der zurückfließenden Ströme im Neutralleiter annähernd Null. Jede unsymmetrische Phasenbelastung auf der Sekundärseite des Transformators führt zu einer ineffizienten Nutzung der Transformatorleistung. ⓘ

Wenn der Versorgungsnullleiter unterbrochen ist, wird die Spannung zwischen den Phasen nicht mehr aufrechterhalten. Bei Phasen mit höherer relativer Belastung sinkt die Spannung, und bei Phasen mit geringerer relativer Belastung steigt die Spannung bis zur Spannung von Phase zu Phase an. ⓘ

Ein Hochschenkeldreieck bietet ein Phase-Neutral-Verhältnis von V_LL = 2 V_LN , allerdings wird eine Phase mit LN belastet. Auf einer Seite des Transformatorherstellers wird empfohlen, dass die LN-Last nicht mehr als 5 % der Transformatorleistung beträgt. ⓘ

Da √3 ≈ 1,73, ergibt die Definition von V_LN als 100% V_LL ≈ 100% × 1,73 = 173%. Wenn V_LL auf 100 % festgelegt wurde, ergibt sich V_LN ≈ 57,7 %. ⓘ

Unsymmetrische Lasten

Wenn die Ströme auf den drei stromführenden Leitern eines Drehstromnetzes nicht gleich sind oder keinen exakten Phasenwinkel von 120° aufweisen, ist die Verlustleistung größer als bei einem perfekt ausgeglichenen System. Die Methode der symmetrischen Komponenten wird zur Analyse unsymmetrischer Systeme verwendet. ⓘ

Nichtlineare Lasten

Bei linearen Lasten trägt der Neutralleiter nur den Strom, der durch die Unsymmetrie zwischen den Phasen entsteht. Gasentladungslampen und Geräte mit Gleichrichter-Kondensator-Frontend, wie z. B. Schaltnetzteile, Computer, Bürogeräte usw., erzeugen Oberschwingungen dritter Ordnung, die auf allen Versorgungsphasen gleichphasig sind. Folglich addieren sich solche Oberschwingungsströme in einem Sternpunktsystem (oder im geerdeten (Zickzack-)Transformator in einem Dreiecksystem) im Neutralleiter, was dazu führen kann, dass der Neutralleiterstrom den Phasenstrom übersteigt. ⓘ

Dreiphasige Lasten

Dreiphasige elektrische Maschine mit rotierenden Magnetfeldern ⓘ

Eine wichtige Klasse von Drehstromverbrauchern ist der Elektromotor. Ein Drehstrom-Asynchronmotor hat einen einfachen Aufbau, ein hohes Anlaufmoment und einen hohen Wirkungsgrad. Solche Motoren werden in der Industrie für viele Anwendungen eingesetzt. Ein Drehstrommotor ist kompakter und kostengünstiger als ein einphasiger Motor derselben Spannungsklasse und Leistung, und einphasige Wechselstrommotoren mit mehr als 10 PS (7,5 kW) sind unüblich. Drehstrommotoren vibrieren auch weniger und halten daher länger als Einphasenmotoren gleicher Leistung, die unter den gleichen Bedingungen eingesetzt werden. ⓘ

Widerstandsheizungen wie elektrische Heizkessel oder Raumheizungen können an Drehstromsysteme angeschlossen werden. Auch die elektrische Beleuchtung kann in ähnlicher Weise angeschlossen werden. ⓘ

Netzfrequenzflimmern im Licht ist schädlich für Hochgeschwindigkeitskameras, die bei der Übertragung von Sportveranstaltungen für Zeitlupenwiederholungen eingesetzt werden. Es kann reduziert werden, indem zeilenfrequenzbetriebene Lichtquellen gleichmäßig auf die drei Phasen verteilt werden, so dass der beleuchtete Bereich von allen drei Phasen beleuchtet wird. Diese Technik wurde bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking erfolgreich eingesetzt. ⓘ

Gleichrichter können eine dreiphasige Quelle verwenden, um einen Gleichstromausgang mit sechs Impulsen zu erzeugen. Das Ausgangssignal solcher Gleichrichter ist wesentlich gleichmäßiger als bei einphasigen Gleichrichtern und fällt im Gegensatz zu einphasigen Gleichrichtern zwischen den Impulsen nicht auf Null ab. Solche Gleichrichter können zum Laden von Batterien, für Elektrolyseverfahren wie die Aluminiumherstellung oder für den Betrieb von Gleichstrommotoren verwendet werden. "Zick-Zack-Transformatoren können das Äquivalent einer sechsphasigen Vollwellengleichrichtung mit zwölf Impulsen pro Zyklus erzeugen, und diese Methode wird gelegentlich eingesetzt, um die Kosten für die Filterkomponenten zu senken und gleichzeitig die Qualität des resultierenden Gleichstroms zu verbessern. ⓘ

Dreiphasenstecker, der in der Vergangenheit bei Elektroherden in Deutschland verwendet wurde ⓘ

Ein Beispiel für eine dreiphasige Last ist der elektrische Lichtbogenofen, der in der Stahlherstellung und bei der Raffination von Erzen verwendet wird. ⓘ

In vielen europäischen Ländern sind Elektroöfen in der Regel für eine dreiphasige Einspeisung mit festem Anschluss ausgelegt. Einzelne Heizgeräte werden oft zwischen Phase und Nullleiter geschaltet, um den Anschluss an einen einphasigen Stromkreis zu ermöglichen, wenn kein Dreiphasenanschluss verfügbar ist. Andere übliche dreiphasige Verbraucher im häuslichen Bereich sind zisternenlose Wassererwärmungssysteme und Speicherheizungen. In Europa und im Vereinigten Königreich haben sich die Haushalte auf eine Nennspannung von 230 V zwischen jeder Phase und der Erde geeinigt. (Die meisten Häusergruppen werden von einem dreiphasigen Straßentransformator gespeist, so dass einzelne Räume mit überdurchschnittlichem Bedarf über einen zweiten oder dritten Phasenanschluss versorgt werden können. ⓘ

Phasenumwandler

Phasenumwandler werden eingesetzt, wenn dreiphasige Geräte an einer einphasigen Stromquelle betrieben werden sollen. Sie werden eingesetzt, wenn kein dreiphasiger Strom zur Verfügung steht oder die Kosten nicht vertretbar sind. Solche Umformer können auch die Frequenz variieren und so eine Geschwindigkeitsregelung ermöglichen. Einige Eisenbahnlokomotiven verwenden eine einphasige Stromquelle, um dreiphasige Motoren anzutreiben, die über einen elektronischen Antrieb gespeist werden. ⓘ

Ein rotierender Phasenumrichter ist ein Drehstrommotor mit speziellen Anlaufvorrichtungen und Leistungsfaktorkorrektur, der ausgeglichene Dreiphasenspannungen erzeugt. Bei richtiger Auslegung können diese Drehstromumrichter den zufriedenstellenden Betrieb eines Drehstrommotors an einer einphasigen Quelle ermöglichen. In einem solchen Gerät erfolgt die Energiespeicherung durch die Trägheit (Schwungradeffekt) der rotierenden Komponenten. Ein externes Schwungrad befindet sich manchmal an einem oder beiden Enden der Welle. ⓘ

Ein Drehstromgenerator kann von einem Einphasenmotor angetrieben werden. Diese Motor-Generator-Kombination kann sowohl die Funktion eines Frequenzumrichters als auch die Phasenumwandlung übernehmen, erfordert aber zwei Maschinen mit all ihren Kosten und Verlusten. Die Motor-Generator-Methode kann auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bilden, wenn sie in Verbindung mit einem großen Schwungrad und einem batteriebetriebenen Gleichstrommotor verwendet wird; eine solche Kombination liefert eine nahezu konstante Leistung im Vergleich zu dem vorübergehenden Frequenzabfall, der bei einem Notstromaggregat auftritt, bis der Notstromgenerator anspringt. ⓘ

Kondensatoren und Spartransformatoren können zur Annäherung an ein Dreiphasensystem in einem statischen Phasenwandler verwendet werden, aber die Spannung und der Phasenwinkel der zusätzlichen Phase sind möglicherweise nur für bestimmte Lasten nützlich. ⓘ

Frequenzumrichter und digitale Phasenwandler verwenden leistungselektronische Geräte, um aus einer einphasigen Eingangsleistung eine symmetrische dreiphasige Versorgung zu erzeugen. ⓘ

Prüfung

Die Überprüfung der Phasenfolge in einer Schaltung ist von großer praktischer Bedeutung. Zwei dreiphasige Stromquellen dürfen nur dann parallel geschaltet werden, wenn sie die gleiche Phasenfolge haben, z. B. beim Anschluss eines Generators an ein stromführendes Verteilernetz oder bei der Parallelschaltung zweier Transformatoren. Andernfalls verhält sich die Verbindung wie ein Kurzschluss, und es fließt ein Überstrom. Die Drehrichtung von Drehstrommotoren kann durch Vertauschen zweier beliebiger Phasen umgekehrt werden; es kann unpraktisch oder schädlich sein, eine Maschine zu testen, indem man den Motor kurzzeitig unter Strom setzt, um seine Drehung zu beobachten. Die Phasenfolge zweier Stromquellen kann überprüft werden, indem die Spannung zwischen Klemmenpaaren gemessen wird und festgestellt wird, dass Klemmen mit sehr niedriger Spannung zwischen ihnen dieselbe Phase haben, während Paare, die eine höhere Spannung aufweisen, auf unterschiedlichen Phasen liegen. ⓘ

Wenn die absolute Phasenidentität nicht erforderlich ist, können Phasendrehungsprüfgeräte verwendet werden, um die Rotationsfolge mit einer Beobachtung zu identifizieren. Das Phasendrehungsprüfgerät kann einen Miniatur-Drehstrommotor enthalten, dessen Drehrichtung direkt durch das Gehäuse des Geräts beobachtet werden kann. Ein anderes Muster verwendet ein Lampenpaar und ein internes Phasenverschiebungsnetzwerk zur Anzeige der Phasendrehung. Ein anderer Gerätetyp kann an einen stromlosen Drehstrommotor angeschlossen werden und die durch Restmagnetismus induzierten kleinen Spannungen feststellen, wenn die Motorwelle von Hand gedreht wird. Eine Lampe oder eine andere Anzeige leuchtet auf, um die Spannungsabfolge an den Klemmen für die jeweilige Drehrichtung der Welle anzuzeigen. ⓘ

Alternativen zum Dreiphasensystem

Gespaltener Phasenstrom

Wird verwendet, wenn kein dreiphasiger Strom zur Verfügung steht, und ermöglicht die Bereitstellung der doppelten normalen Betriebsspannung für Lasten mit hoher Leistung.

Zwei-Phasen-Strom

Verwendet zwei Wechselspannungen mit einer 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen ihnen. Zweiphasige Stromkreise können mit zwei Leiterpaaren verdrahtet werden, oder es können zwei Drähte kombiniert werden, so dass nur drei Drähte für den Stromkreis erforderlich sind. Die Ströme im gemeinsamen Leiter summieren sich auf das 1,4-fache des Stroms in den einzelnen Phasen, daher muss der gemeinsame Leiter größer sein. Zweiphasige und dreiphasige Systeme können durch einen von Charles F. Scott erfundenen Scott-T-Transformator miteinander verbunden werden. Sehr frühe Wechselstrommaschinen, insbesondere die ersten Generatoren an den Niagarafällen, arbeiteten mit einem zweiphasigen System, und es gibt noch einige Überbleibsel zweiphasiger Verteilersysteme, aber dreiphasige Systeme haben das zweiphasige System bei modernen Anlagen verdrängt.

Monozyklische Leistung

Ein asymmetrisches, modifiziertes Zweiphasensystem, das von General Electric um 1897 verwendet wurde und von Charles Proteus Steinmetz und Elihu Thomson gefördert wurde. Dieses System wurde entwickelt, um Patentverletzungen zu vermeiden. Bei diesem System wurde ein Generator mit einer einphasigen Vollspannungswicklung für Beleuchtungslasten und mit einer kleinen Teilwicklung (in der Regel 1/4 der Netzspannung) gewickelt, die eine Spannung in Quadratur zu den Hauptwicklungen erzeugte. Mit dieser zusätzlichen Wicklung sollte das Anlaufmoment für Induktionsmotoren erzeugt werden, während die Hauptwicklung die Beleuchtungslasten versorgte. Nach dem Auslaufen der Westinghouse-Patente für symmetrische zwei- und dreiphasige Stromverteilungssysteme wurde das monozyklische System nicht mehr verwendet; es war schwierig zu analysieren und hielt nicht lange genug, um eine zufriedenstellende Energiemessung zu entwickeln.

Systeme hoher Phasenordnung

sind für die Stromübertragung gebaut und getestet worden. Für solche Übertragungsleitungen werden in der Regel sechs oder zwölf Phasen verwendet. Hochphasige Übertragungsleitungen ermöglichen die Übertragung von etwas weniger als proportional höherer Leistung durch ein bestimmtes Volumen, ohne dass an jedem Ende der Leitung ein Hochspannungs-Gleichstrom-Konverter (HGÜ) erforderlich ist. Allerdings sind dafür entsprechend mehr Geräte erforderlich.

DC

In der Vergangenheit wurde Wechselstrom verwendet, weil er für die Übertragung über große Entfernungen leicht auf höhere Spannungen umgewandelt werden konnte. Die moderne Elektronik kann jedoch die Gleichspannung mit hoher Effizienz erhöhen, und bei Gleichstrom fehlt der Skineffekt, so dass die Übertragungsdrähte leichter und billiger sind und Hochspannungs-Gleichstrom über lange Strecken geringere Verluste aufweist. ⓘ

Farbcodes

Die Leiter eines Drehstromnetzes werden in der Regel durch einen Farbcode gekennzeichnet, um eine ausgeglichene Belastung zu ermöglichen und die richtige Phasendrehung für Motoren zu gewährleisten. Die verwendeten Farben können der internationalen Norm IEC 60446 (später IEC 60445), älteren Normen oder gar keiner Norm entsprechen und können sogar innerhalb einer einzigen Anlage variieren. So werden beispielsweise in den USA und Kanada unterschiedliche Farbcodes für geerdete (geerdete) und ungeerdete Systeme verwendet. ⓘ

Land		Phasen						Nullleiter, N		Schutzerde, PE ⓘ
		L1		L2		L3
Australien und Neuseeland (AS/NZS 3000:2007, Abbildung 3.2, oder IEC 60446, wie von AS:3000 genehmigt)			Rot, oder braun		Weiß; früher gelb		Dunkelblau, oder grau		Schwarz, oder blau			Grün/gelb gestreift; (Anlagen vor 1966, grün.)
Kanada	Vorgeschrieben		Rot		Schwarz		Blau		Weiß, oder grau			Grün vielleicht gelb gestreift oder nicht isoliert
	Isolierte Systeme		Orange		Braun		Gelb		Weiß, oder grau			Grün evtl. gelb gestreift
Europäisch CENELEC (Europäische Union und andere; seit April 2004, IEC 60446, später IEC 60445-2017), Vereinigtes Königreich (seit 31. März 2004), Hongkong (ab Juli 2007), Singapur (ab März 2009), Russland (seit 2009; GOST R 50462), Argentinien, Ukraine, Weißrussland, Kasachstan, Südkorea (ab Jan. 2021)			Braun		Schwarz		Grau		Blau			Grün/gelb-gestreift
Ältere europäische (vor IEC 60446, je nach Land unterschiedlich)
Großbritannien (vor April 2006), Hongkong (vor April 2009), Südafrika, Malaysia, Singapur (vor Februar 2011)			Rot		Gelb		Blau		Schwarz			Grün/gelb gestreift; vor ca. 1970, grün
Indien			Rot		Gelb		Blau		Schwarz			Grün evtl. gelb gestreift
Chile - NCH 4/2003			Blau		Schwarz		Rot		Weiß			Grün evtl. gelb gestreift
Ehemalige UdSSR (Russland, Ukraine, Kasachstan; vor 2009), Volksrepublik China (GB 50303-2002 Abschnitt 15.2.2)			Gelb		Grün		Rot		Himmelblau			Grün/gelb-gestreift
Norwegen (vor der Übernahme durch CENELEC)			Schwarz		Weiß/Grau		Braun		Blau			Gelb/grün-gestreift; vorher gelb, oder unisoliert
Vereinigte Staaten	Übliche Praxis		Schwarz		Rot		Blau		Weiß, oder grau			Grün vielleicht gelb gestreift oder nicht isoliert
	Alternative Praxis		Braun		Orange (delta)		Gelb		Grau, oder weiß			Grün
					Violett (im Stern)

Energieübertragung

Drehstromtransformator; blau: Stahlträgerprofile für den Eisenkern, rot: mit Gießharz-Isolation vergossene Wicklungen, schwarz: Kabelverbindung der Wicklungen für Dreieckschaltung ⓘ

Zur Energieübertragung in Stromnetzen werden wegen der Materialeinsparung fast ausschließlich Dreiphasensysteme im Rahmen der Drehstrom-Hochspannungs-Übertragung verwendet. Ausnahmen stellen in einigen Ländern Bahnstromnetze dar, die historisch bedingt als Einphasennetze aufgebaut sind, und für Verbindung zwischen zwei Punkten unter speziellen Bedingungen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Drehstrom kann in Stromnetzen durch Leistungstransformatoren, üblicherweise als Dreiphasentransformatoren in Umspannwerken ausgeführt, zwischen den verschiedenen Spannungsebenen technisch einfach und mit hohem Wirkungsgrad von über 99 % transformiert werden. Im Prinzip könnten in Dreiphasensystemen auch drei separate Einphasen-Transformatoren nebeneinander verwendet werden – für jeden Außenleiter einer. Dies wird in Grenzfällen, beispielsweise bei großen Schieflasten oder um Transportprobleme (Gewicht, Abmessungen) zu reduzieren, angewandt. Einen geringeren Materialeinsatz verursacht es, wenn stattdessen ein Dreiphasenwechselstrom-Transformator mit drei- oder fünfschenkligem Eisenkern eingesetzt wird. Durch die Verkettung der magnetischen Flüsse der drei Sternströme lässt sich Eisen im Kern einsparen. Ferner hat ein Drehstromtransformator geringere Eisenverluste als drei Einphasen-Transformatoren mit gleicher Gesamtleistung, da die Verluste mit der Eisenkern-Masse linear ansteigen. Eine spezielle Schaltung von zwei Transformatoren, die Scottschaltung, erlaubt es, Dreiphasensysteme in Zweiphasensysteme oder auch Vierphasensysteme bei möglichst symmetrischer Belastung des Dreiphasensystems umzuwandeln. ⓘ

Im Gegensatz zu Gleichstromnetzen können Wechselspannungsnetze und somit auch Dreiphasensysteme als vermaschte Netze oder als Verbundnetz betrieben werden, wo mehrere Stromerzeuger an verschiedenen Punkten des Netzes Energie einspeisen und an unterschiedlichen Punkten elektrische Energie für die Verbraucher entnommen wird. Alle Erzeuger müssen dabei synchron arbeiten. Die Steuerung der Leistungsflüsse zur Vermeidung von Überlastungen einzelner Leitungen erfolgt in vermaschten Netzen über die Einstellung der Knotenspannungen und die Beeinflussung der Blindleistung über die Phasenlage. Dazu bestehen in den Leistungstransformatoren Stufenschalter für die Spannungssteuerung, für die Blindleistungsflüsse so genannte Phasenschiebertransformatoren oder Synchrongeneratoren, die als Phasenschieber arbeiten, und Spulen bzw. Kondensatorbatterien zur Blindleistungskompensation. Seit Ende der 1990er-Jahre kommt zur Leistungsflussbeeinflussung auch Leistungselektronik im Rahmen der Flexible-AC-Transmission-Systems (FACTS) zur Anwendung. ⓘ

Bei Gleichspannungsnetzen wie HGÜ fehlt die Möglichkeit, über eine Phasenverschiebung wie bei Drehstrom die Leistungsflüsse in einem Verbundnetz zu steuern. Deshalb kann hohe Gleichspannung derzeit nur für direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen benutzt werden. Der Vorteil von hoher Gleichspannung zur Energieübertragung besteht darin, dass die kapazitiven Ladeleistungen bei langen Leitungen oder Erdkabeln keine Rolle spielen. Deshalb werden HGÜ-Punktverbindungen vor allem bei Freileitungslängen über 750 km und bei Seekabeln von einigen 10 km bis zu einigen 100 km Kabellänge eingesetzt. ⓘ

Drehfeld

Der Dreiphasenwechselstrom bietet eine einfache Möglichkeit, ein gleichmäßiges Drehfeld zu erzeugen. Dieses Drehfeld wird im Rahmen von Drehstrommaschinen für Antriebe (Motorbetrieb) oder zur Gewinnung elektrischer Energie (Generatorbetrieb) genutzt. ⓘ

Drehstrommaschinen unterteilen sich in die

• Synchronmaschinen, bei denen der Rotor mit der gleichen Drehzahl wie das Stator-Drehfeld rotiert, und die
• Asynchronmaschinen, bei denen der Rotor eine vom Stator-Drehfeld verschiedene Drehzahl aufweist. Die in Prozent angegebene Differenz zwischen den Drehzahlen des Rotors und des Stator-Drehfelds wird als Schlupf bezeichnet. ⓘ

• Visualisierung des Drehfeldes in einer Drehstrom-Synchronmaschine
• 

  Abfolge und Größenänderung der phasenversetzten Magnetfelder der Einzelspulen

• 

  Darstellung in Zeigeraddition. Die Zeigerspitze als Symbolisierung der jeweiligen Moment-Summen beschreibt einen exakten Kreis. ⓘ

Durch Vertauschen zweier beliebiger Außenleiter kann die Richtung des Drehfeldes im Dreiphasensystem umgekehrt werden, was zur Richtungsumkehr von Drehstrommotoren bei der Wende-Schützschaltung ausgenutzt wird. Zur Messung der Richtung des Drehfeldes dient das Drehfeldmessgerät. In elektrischen Energienetzen ist das Drehfeld als rechtsdrehend festgelegt. ⓘ

Schnittmodell einer Drehstrom-Asynchronmaschine ⓘ

Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufern sind einfach aufgebaut, robust, betriebssicher, wartungsfrei und wirtschaftlich. Sie besitzen keinen Kommutator, der sich abnutzen kann und Funkstörungen hervorruft, und arbeiten zuverlässiger als einphasige Wechselstrommotoren. Bei elektrischen Maschinen werden die Anschlüsse mit den Buchstaben U, V und W, ggf. um einen Index erweitert, bezeichnet. Im englischsprachigen Raum sind die Bezeichnungen A, B und C üblich. ⓘ

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren wird durch elektronische Schaltungen, die sogenannten Umrichter, aus der Gleichspannungsversorgung ein Drehstrom mit Drehfeld erzeugt. ⓘ

Zum Starten von großen Drehstrommotoren werden Schaltungen wie die Stern-Dreieck-Schaltung, Anlasstransformator, Sanftanlauf-Gerät oder elektronische Wechselrichter verwendet. ⓘ

Besonderheiten

Dreiphasennetze

In Niederspannungsnetzen und in Höchstspannungsnetzen wie der 400-kV-Transportnetzebene ist der Sternpunkt starr geerdet, in Mittelspannungsnetzen und auf der mit 110 kV betriebenen Verteilnetzebene sind die sogenannten gelöschten Netze üblich. Die Art der Sternpunktbehandlung spielt eine Rolle bei der Fehlerbehandlung in Drehstromsystemen. ⓘ

Niederspannungsnetze sind in der Regel mit geerdetem Neutralleiter als Vierleitersysteme ausgeführt, auch um den Anschluss einphasiger Verbraucher zu ermöglichen. Im Hochspannungsbereich sind Dreileitersysteme üblich. Im Niederspannungsbereich sind verschiedene Drehstromsteckverbinder üblich, wie die CEE-Drehstromsteckverbinder nach IEC 60309 oder in Deutschland und Österreich die Perilex-Drehstromsteckverbinder bzw. in der Schweiz die T15- und T25-Steckverbinder gemäß SN 441011. ⓘ

Unter der Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen findet sich eine weltweite Zusammenstellung einphasiger Anschlüsse im Lichtnetz. ⓘ

Zur Wirk- und Blindleistungsmessung in Dreiphasennetzen sind in der Aronschaltung zwei Leistungsmesser erforderlich; im Hochspannungsbereich wie Umspannwerken werden Strom- und Spannungswandler zur gefahrlosen Messung zwischengeschaltet. ⓘ

Symmetrierung einphasiger Lasten

Schaltung zur Symmetrierung einer einphasigen Last R ⓘ

Bei großen einphasigen Verbrauchern wie etwa bei Induktionsöfen ist es zur Vermeidung von Schieflasten notwendig, die Leistung gleichmäßig auf die drei Außenleiter des Dreiphasensystems zu verteilen. Das geschieht durch Hinzufügen von Blindwiderständen. Als Beispiel soll die im Bild dargestellte Schaltung dienen; ihr mittlerer Knoten ist nicht mit dem Neutralleiter verbunden. Die Leistung, die im Wirkwiderstand R des Ofens umgesetzt wird, soll durch Ströme zustande kommen, die in jeder Zuleitung gleich groß und jeweils in Phase mit der zugehörigen Sternspannung sind. Die Spannung am Widerstand ist in dieser Schaltung dreimal so groß wie eine normale Sternspannung. Die Spannung an den Blindwiderständen ist so groß wie eine Dreiecksspannung. Die Blindwiderstände sind ⓘ

$\omega \mathrm {L} ={\frac {\mathrm {1} }{\omega \mathrm {C} }}={\frac {\mathrm {R} }{\sqrt {3}}}$ ⓘ

für den Fall, dass im Bild L₂ L₁ um 120° vor- und L₃ L₁ um 120° nacheilt. Parasitäre Komponenten wie eine Induktivität der ohmschen Last oder der Widerstand der Spule sind dabei nicht berücksichtigt. Der entscheidende Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, dass sich die Werte der Bauelemente im Betrieb nicht stetig verändern lassen und so Laständerungen nicht angepasst werden können. ⓘ

Mathematische Methoden

Bei Dreiphasensystemen kommen die Methoden der komplexen Wechselstromrechnung zur Anwendung. Grafische Darstellungen in Zeigerdiagrammen werden benutzt um Verfahren wie die symmetrischen Komponenten zur Behandlung von asymmetrischen Dreiphasensystemen erweitert. Bei Drehfeldmaschinen und zur Beschreibung des Drehfeldes hat die Raumzeigerdarstellung und die Vektorregelung mit Transformationen wie der Clarke- und D/q-Transformation Bedeutung, die die drei Achsen in eine komplexe Ebene mit zwei Achsen abbilden. ⓘ