Das lateinische Wort „generare“ bedeutet hervorholen oder erzeugen. Wie aber funktioniert ein Stromgenerator? Der Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Die Umwandlung von einer Energieform in die andere ist physikalisch durch den Energieerhaltungssatz begründet, allerdings geht das meistens nicht ohne „Reibungsverluste“.
In den Fällen, wo die Energieumwandlung nahezu vollständig bewerkstelligt werden kann, spricht man von einem hohen Wirkungsgrad. Der Generator ist prinzipiell eine Art Umkehrung des Elektromotors, der bekanntlich elektrische Energie in eine Rotation, also in Bewegungsenergie umsetzt. Wie funktioniert ein Stromgenerator ist also ganz einfach.
Michael Faraday entdeckte 1831 das dahinter stehende Prinzip der elektromagnetischen Induktion, er ist eine wirklich interessante Persönlichkeit, über die es sich lohnt, nachzulesen.
Es geht beim elektrischen (Induktions)Generator darum, mechanische Energie in elektrische Leistung zu wandeln. Wenn im Folgenden eher das Wort Leistung verwendet wird, dann soll der Leser sich bitte daran erinnern, dass Leistung physikalisch nichts weiter als Energie pro Zeit bzw. Arbeit pro Zeit ist.
Arbeit bzw. Energie ist Kraft mal Weg und hat daher die physikalische Dimension: kg m2/s2
Die Leistung P (power) bedeutet Energie pro Zeit, ihre physikalische Dimension ist daher: kg m2/s3 = W (Watt oder Joule pro Sekunde).
Die mechanische Leistung entnimmt ein Generator der Drehung einer Welle. Aber warum dreht sich diese Welle? Ihre mechanische Drehung wird beim Generator in aller Regel durch einen Benzin- oder Dieselmotor in Gang gesetzt. Die Umwandlung dieser Rotationsbewegung in elektrische Energie beruht auf der Lorentzkraft, ein physikalisches Prinzip, das besagt, dass in einem Magnetfeld auf bewegte elektrische Ladungen (das ist Strom) eine senkrecht dazu wirkende Kraft ausgeübt wird.
Die Lorentzkraft K = v x B
Fett markiert sind hier die gerichteten vektoriellen Größen K (Kraft), v (velocity) und B (magnetische Flussdichte). Diese einfache Gleichung mit dem vektoriellen Kreuzprodukt beschreibt, dass negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen im Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden, wodurch sich zwischen beiden Seiten eine elektrische Spannung aufbaut. Auch beim Gewitter spielt dieses Prinzip eine Rolle.
Der Rotor (manchmal auch Läufer genannt) dreht sich in Bezug auf das feststehende Stator-Gehäuse (manchmal auch Ständer genannt). Der Rotor selbst kann ein Elektromagnet (Spule mit Eisenkern) sein, oder er besteht aus einem Dauermagneten, auf jeden Fall stellt er ein umlaufendes magnetisches Gleichfeld dar, das in den Leiterwicklungen des Stators eben durch jene „geheimnisvolle“ Lorentzkraft eine elektrische Spannung induziert.
Die elektrische Leistung des Generators entspricht der mechanischen Leistung abzüglich auftretender Verluste. Diese Tatsache wird durch die Leistungsgleichung des elektrischen Generators ausgedrückt. Der Anteil der Verlustleistung Pv hängt ab von der mechanischen Reibung, aber auch von den elektrischen Widerständen, die zu Wärmeverlusten führen.
Die Stärke des magnetischen Erregerfeldes ist maßgeblich verantwortlich für die elektrische Spannung bzw. Leistung des Generators. Diese fundamentale Erkenntnis wird zum Beispiel in Kraftwerken, aber auch bei den Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen beim Lichtmaschinenregler ausgenutzt.
Der erste Wechselstromgenerator wurde 1832 auf Anregung von André-Marie Ampère von Hippolyte Pixii gebaut, denn er stellte sich die Frage wie funktioniert ein Stromgenerator. Seine Antwort war, dass hier direkt unterhalb von zwei Spulen ein Hufeisenmagnet kreiste . Der dabei entstehende Wechselstrom wurde noch innerhalb der Maschine mittels eines Kommutators gleichgerichtet. Ebenfalls im Jahre 1832 baute Michael Faraday seine sogenannte Unipolarmaschine.
Er verwendete einen achsensymmetrischen zylinderförmigen Permanentmagneten, der durch Drehung eine „Unipolarinduktion“ und damit direkt einen Gleichstrom erzeugen konnte. Dasselbe denkwürdige „Jahr des Generators 1832″ bescherte der Menschheit auch noch den schwingenden Generator von Salvatore Dal Negro, und selbstverständlich ließ es sich auch das Genie Carl Friedrich Gauß nicht nehmen, einen nicht rotierenden Generator zu konstruieren.
Für den Einsatz in der Industrie hatte sich 1849 erstmals ein Wechselstromgenerator von Alliance durchgesetzt. Der Zweck seines Einsatzes war die elektrische Zerlegung von Wasser (Elektrolyse). Der dabei entstehende Wasserstoff wurde dringend für die Produktion von Leuchtgas zum Beispiel für die Straßenbeleuchtung benötigt. (Erdöl- und Erdgasförderung setzte erst deutlich später ein.)
Aber auch die Entwicklung des Zeppelins, der zunächst mit Wasserstoff befüllt wurde, war eine wichtige Motivation für die Massenproduktion dieses äußerst flüchtigen und explosiven Gases. Darüber hinaus wurden Generatoren (ohne Kommutator) für den Betrieb der sogenannten Bogenlampen in französischen oder englischen Leuchttürmen gebraucht. Das für damalige Verhältnisse extrem helle Licht wurde von einem Plasma emittiert, das nur in einem sehr starken elektrischen Feld erzeugt werden kann, vergleichbar mit den heutigen elektrischen Schweißgeräten.
Kein Geringerer als Werner von Siemens entdeckte 1866 das dynamoelektrische Prinzip, woraus er sogleich einen Generator ohne Permanentmagnet entwickelte, der als erste „Dynamomaschine“ in die Geschichte der Technik einging. Auf der immerwährenden Suche des Menschen nach dem „Perpetuo mobile“ hatten zuvor schon Ányos Jedlik (1851) sowie Søren Hjorth (1854) Elektromagnete verwendet, die von der Maschine selbst mit elektrischer Energie versorgt wurden.
Erwähnenswert sind in diesem Zusammenhang auch die Namen Samuel Alfred Varley sowie Charles Wheatstone, die sich zur gleichen Zeit wie Werner von Siemens mit dem Prinzip des Elektromagneten in Verbindung mit dem Generator beschäftigten. Gerade die Variante von Wheatstone sollte später eine größere Bedeutung bei großtechnischen Anwendungen erfahren.
Auf der „Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung“ wurden 1891 in Frankfurt am Main Wechselstrommaschinen vorgestellt, die extra zur Erzeugung des Mehrphasenwechselstroms hergestellt worden waren. Friedrich August Haselwander hatte den ersten dreiphasigen Generator dieser Art schon im Jahre 1887 gebaut. Darüber hinaus wurden damals auch ein Generator der Firma Brown, Boveri & Cie sowie eine Wechselstrommaschine von Schuckert präsentiert.
Im Jahre 1892 wurde von Franz Pichler in der Steiermark das erste Zweiphasen-Kraftwerk der Österreichisch-Ungarischen Monarchie (k.u.k.) in der Raabklamm bei Weiz gebaut und in Betrieb genommen. Wenige Jahre später wurde dieser Generator für Drehstrom umgewickelt, er war dort immerhin bis 1971 in Betrieb.
Danach setzte regelrecht ein Boom ein beim Bau von Kraftwerken, die auf dem Betrieb von Mehrphasen-Generatoren basierten. Die mechanische (kinetische) Energie wurde meistens direkt der Wasserkraft, aber zum Teil auch dem Wasserdampf (Turbinen) entnommen.
Das erste Großkraftwerk weltweit ging 1895 am Niagara ans Netz. Im selben Jahr stellte das Elektrizitätswerk Budapest ein Dampfkraftwerk in Betrieb, und nur drei Jahre später entstand in Europa ein Flusskraftwerk der „Kraftübertragungswerke Rheinfelden“.
