SIABLOG

Drehstrom ist die weit verbreitete Bezeichnung für Dreiphasenwechselstrom. Hier liegt nicht nur eine Phase vor, sondern eben drei, aber jeweils um 120 Grad gegeneinander verschoben:

Zeitlicher Verlauf der Spannung

Das obige Bild zeigt den zeitlichen Verlauf, die Skalierung der vertikalen Achse ist willkürlich und spielt für das Verständnis keine Rolle. L1, L2 und L3 sind die drei Außenleiter. Man sieht, dass die Phase von Außenleiter L1 zum Zeitpunkt t=0s mit 0 Volt beginnt, L2 und L3 dagegen nicht. L2 ist um 120 Grad gegenüber L1 verschoben, L3 ist um 240 Grad gegenüber L1 verschoben und weitere 120 Grad später fängt ja wieder mit L1 alles von vorne an.

L1, L2 und L3 sind aber nur die Leitungen vom Erzeuger zum Verbraucher – wo sind die Rückleitungen? Es gibt hier nicht drei Rückleiter (für jeden Außenleiter einen), sondern einen gemeinsamen Rückleiter N für alle drei Außenleiter L1, L2 und L3. Schaut man sich obiges Diagramm genauer an, dann stellt man fest, dass zu jedem Zeitpunkt die Summe der Spannungen genau Null ergibt. Das ist kein Zufall, das liegt eben gerade an den drei in der Phase um jeweils 120 Grad gegeneinander verschobenen Außenleitern – und das hat Folgen:

Ist an jede Phase, also zwischen L1 und N, L2 und N, L3 und N ein exakt gleicher Verbraucher angeschlossen, dann sieht das Stromdiagramm so aus:

Zeitlicher Verlauf des Stromes

Die Skalierung der vertikalen Achse ist wiederum willkürlich und spielt für das Verständnis keine Rolle. Der Einfachheit halber werden rein ohmsche Verbraucher angenommen. Strom und Spannung liegen dann jeweils genau in Phase, der Strom lässt sich über das Ohmsche Gesetz ausrechnen. Auch hier zeigt sich, dass die Summe zu jedem Zeitpunkt Null ist – durch den gemeinsamen Rückleiter N also überhaupt kein Strom fließt. Das ist schön in der Zeigerdarstellung zu sehen:

Ströme in Zeigerdarstellung

Die Ströme I1, I2 und I3 sind um jeweils 120 Grad gegeneinander phasenverschoben. Die Summe der Ströme erhält man durch Vektoraddition – dazu muss man einfach die drei Vektoren hintereinanderhängen:

Addition der Ströme

Wie man sieht, landet man wieder am Ausgangspunkt, die Summe dieser drei Vektoren ist also Null.

Was passiert nun, wenn die Widerstände der drei Verbraucher unterschiedlich sind? Das Stromdiagramm sieht dann wie folgt aus:

Ungleich belastete Phasen

Die Ströme der Außenleiter L1, L2 und L3 haben immer noch dieselbe Phasenlage, aber unterschiedliche Maxima, da die unterschiedlichen Lastwiderstände der einzelnen Außenleiter über das Ohmsche Gesetz auch unterschiedliche Ströme zur Folge haben. Nun ist aber die Summe der Ströme in L1, L2 und L3 nicht mehr zu jedem Zeitpunkt genau Null, es fließt also über den Neutralleiter ebenfalls ein Strom – der Ausgleichsstrom, im Diagramm in grüner Farbe dargestellt.

Fazit bis jetzt:

• Sind alle Außenleiter L1, L2 und L3 exakt gleich belastet, fließt durch den gemeinsamen Rückleiter N kein Strom – dieser Leiter könnte sogar weggelassen werden.
• Sind die Außenleiter unterschiedlich belastet, fließt durch den Neutralleiter N ein Ausgleichsstrom – dafür ist der Leiter ja da.

In früheren Jahren hat man bei einfachen Festinstallationen, bei denen man genau wusste, dass die drei Außenleiter immer genau gleich belastet werden, z.B. bei einem Drehstrommotor, nicht selten auf den Neutralleiter verzichtet. Das gab es gerade auch im landwirtschaftlichen Bereich – daher die Bezeichnung “Bauerndrehstrom”.

Das kann interessante Folgen haben – hier der Versuch einer möglichst einfachen Erklärung, wohl wissend um verschiedene Auslassungen und Vereinfachungen, aber auch der Nichtphysiker und Nichtelektroingenieur soll ahnen können, was passiert und warum.

Schließt man an eine Installation ohne Neutralleiter andere Geräte als z.B. einen Drehstrommotor an und sind dabei die Außenleiter dann doch nicht mehr gleich belastet, bekommt man ein Problem: Die Summe der Ströme ist nicht mehr zu jedem Zeitpunkt genau Null, es müsste ein Ausgleichsstrom fließen – das geht aber nicht, eben weil der Neutralleiter fehlt. Im Zeigerdiagramm sehen die Ströme wie folgt aus:

Ungleiche Ströme

Die Vektoren sind nach wie vor um 120 Grad gegeneinander verdreht, die Beträge nun aber unterschiedlich. Die Addition dieser drei Vektoren führt nicht auf den Anfangspunkt zurück, es bleibt quasi “ein Strom übrig”:

Summierung der ungleichen Ströme

Bei vorhandenem Nullleiter ist das gar kein Problem, der Ausgleichsstrom fließt über diesen ab. Ohne Nullleiter bildet sich ein neuer Bezugspunkt, ein neuer Sternpunkt – zeichnerisch hier am Ende von I₃:

Verschobener Sternpunkt

Auf diesen Punkt beziehen sich nun die Spannungen der drei Außenleiter L1, L2 und L3. Es liegt nun eben nicht mehr an jedem Gerät dieselbe Spannung an! Ohne eine Rechnung kann man schon an der zeichnerischen Darstellung einiges ablesen:

• Gerät 1 hat den größten Widerstand, daher fließt der kleinste Strom I1, es bekommt nun die größte Spannung ab.
• Gerät 2 hat den kleinsten Widerstand, daher fließt der größte Strom I2, es bekommt nun die kleinste Spannung ab.

In der Zeichnung sieht das scheinbar unspektakulär aus, bei entsprechend großen Unterschieden der Lastwiderstände kann es jedoch sein, dass in einem Strang an dem Gerät weit über 400 Volt anliegen statt der üblichen 230 Volt – und das überleben die meisten Geräte nicht sehr lange. Diese Gefahr droht natürlich nicht nur, wenn von einer Installation, die bewusst ohne Neutralleiter ausgeführt wurde, Dreiphasenstrom abgenommen wird, sondern auch dann, wenn das Verlängerungskabel den Nullleiter nicht durchführt oder dieser gebrochen ist.