Netzfrequenz

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Mit Netzfrequenz bezeichnet man die in einem Stromnetz herrschende Frequenz des elektrischen Stroms.

Die Einheit der Frequenz ist das Hertz, abgekürzt Hz. Diese Einheit leitet sich von der Sekunde als SI-Basiseinheit der Zeit ab als 1 Hz = 1/s. Die Einheit Hertz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz benannt.
Gleichstrom hat die Frequenz 0 Hz. Wechselstrom und Drehstrom haben eine Netzfrequenz > 0 Hz.

[Bearbeiten] Netzfrequenzen und Netze

In Europa wird für das allgemeine Stromnetz eine Netzfrequenz von 50 Hz verwendet. Einige Eisenbahnen verwenden davon abweichende Netzfrequenzen. So arbeiten die ÖBB und die Deutsche Bahn z. B. mit einem Fahrstrom der Frequenz 16,7 Hz.
In Amerika (Karte) verwendet man im Allgemeinen ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 60 Hz. Für Eisenbahnen und industrielle Abnehmer findet man dort auch eine Netzfrequenz von 25 Hz vor. Die Netzfrequenz hat auch eine "Tonhöhe", die manchmal gut wahrzunehmen ist. 50 Hz entsprechen fast dem Ton G1; wobei überwiegend seine Obertöne hörbar sind.

Diese vor allem im Bahnbereich vergleichsweise niedrigen Netzfrequenzen resultieren aus der technologischen Entwicklung der ersten elektrischen Maschinen: Man konnte Anfang des 20. Jahrhundert elektrische Maschinen größerer Leistung nur bei diesen niedrigen Frequenzen bauen. Dies ist zwar seit Mitte des 20. Jahrhundert technologisch nicht mehr gegeben und es wäre auch möglich, im Bahnbereich höhere Frequenzen wie 50 Hz einzusetzen - was eine leichtere Stromversorgung aus dem Verbundnetz ermöglichen würde. Wegen des großen Umstellungsaufwandes werden jedoch diese damals eingeführten niedrigen Netzfrequenzen im Bahnbereich auch noch heute beibehalten.

In spezialisierten Bereichen, so z. B. in Flugzeugen und deren Bordnetzen, trifft man manchmal auch auf höhere Netzfrequenzen, z. B. 400 Hz, da sich mit höheren Frequenzen kleinere und leichtere Transformatoren bauen lassen und die technologische Entwicklung im Flugzeugbereich zu späteren Zeiten als im Bahnwesen einsetzte.

[Bearbeiten] Kriterien zur Wahl der Netzfrequenz

Die Wahl der Netzfrequenz ist ein Kompromiss aus verschiedenen technischen Randbedingungen. Die Festlegung erfolgte in der Anfangszeit der Elektrifizierung, also um die Jahrhundertwende zwischen dem 19. und dem 20. Jahrhundert. Die maßgeblichen Randbedingungen waren also diejenigen, die sich zu jenem Zeitpunkt ergaben. Hier sind einige davon:

Im Gegensatz zu Gleichstrom kann man Wechselstrom durch Transformatoren in der Spannung umsetzen. Dadurch wird ermöglicht, dass man verhältnismäßig niedrige und damit relativ ungefährliche Spannungen zum Endverbraucher führt, während man hohe Spannungen für die Minimierung von Verlusten in Überlandleitungen einsetzen kann.
Höhere Frequenzen erlauben es, kleinere Transformatorkerne zu verwenden. Die Transformatoren werden dadurch bei gleicher Leistung kleiner, leichter und billiger.
Höhere Frequenzen erzeugen größere Verluste in Leitungen durch den Skin-Effekt. Dadurch wird in der Praxis die maximale wirtschaftliche Dicke einer Leitung festgelegt.
Die Netzfrequenz in einem Verbundsystem muss überall gleich und synchronisiert sein.
Höheren Frequenzen entsprechen kürzere Wellenlängen. In räumlich weit verteilten Verbundsystemen machen sich dadurch eher Phasenverschiebungen bemerkbar, wodurch die Synchronisation erschwert wird.
Die Netzfrequenz steht in direktem Bezug zur Drehzahl von Generatoren und von Motoren, und zu deren Polzahl. Eine Steigerung der Frequenz erfordert entweder eine Steigerung der Drehzahl (mögliche Probleme mit Fliehkräften und/oder Lagern) oder eine Vergrößerung der Polzahl (größerer technischer Aufwand und dadurch höhere Kosten).
Eine Frequenzumsetzung ist aufwendig. Man setzt dafür Stromrichter ein. Zu Beginn der Elektrifizierung stand als Umsetzer nur eine Kopplung aus Motor und Generator zur Verfügung. Transformatoren sind nicht in der Lage, die Frequenz umzusetzen. Heutzutage werden dafür Wechselrichter und entsprechende Leistungselektronik eingesetzt. Im Bereich der Energieversorgung und zur Kopplung asynchroner Stromnetze finden die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) und die HGÜ-Kurzkopplung Anwendung.

[Bearbeiten] Messung

Zungenfrequenzmesser

Da Abweichungen von der korrekten Netzfrequenz oft zu Problemen führen, vor allem in Verbundnetzen oder bei der Parallelschaltung mehrerer Stromerzeuger, ist es von immenser Wichtigkeit, die Netzfrequenz zu überwachen. So können bei Problemen Maßnahmen zum Schutz des Netzes eingeleitet werden, zum Beispiel Lastabwurf.

Zur Messung der Netzfrequenz gibt es drei verschiedene Bauarten von Instrumenten. Klassischerweise werden Zungenfrequenzmesser oder Zeigerfrequenzmesser eingesetzt. Seit Einführung der digitalen Messtechnik kann aber auch mit elektronischen Frequenzmessern gearbeitet werden.