Drehstrom-Zähler für Haushalt und Gewerbe

Wir werden sie bald vermissen, die "Schwarzen Stromzähler" in unseren häuslichen Verteilungen für den Strom. Denn eine EU-Verordnung schreibt – mit an den Stromverbrauch oder an eigene PV-Anlagen auf dem Hausdach gebundene terminliche Bedingungen – den Austausch gegen "intelligente Zähler" vor. Diese erfassen ohne bewegte Teile den Stromverbrauch vollelektronisch und übermitteln ihn auch noch an den Netzbetreiber bzw. Stromlieferanten zur Abrechnung. Aber noch ist es nicht so weit, denn aktuell gibt es noch technische Probleme und rechtliche Einwände.

Jüngere werden irgendwann nicht mehr wissen, welche Bedeutung diese schwarzen Gehäuse mit der sich – durch ein Fenster sichtbaren – drehenden Scheibe haben. Daher nutzen Sie die Gelegenheit, sich bei uns im TMK über die Entstehungsgeschichte und die Wirkungsweise dieses Elektrizitätszählers zu informieren.

Sie funktionieren mit ihrer – sich je nach aktuellem Stromverbrauch langsamer oder schneller  drehenden Scheibe nach dem Induktionsprinzip. Nach ihrem Erfinder Galileo Ferraris (1847 – 1897), einem italienischen Physiker und Ingenieur, werden sie auch Ferraris-Zähler, die rotierende Scheibe auch Ferraris-Scheibe genannt.

Bei einigen unserer TMK-Exponate erscheinen in den Beschreibungen mathematische Begriffe wie der Cosinus eines Winkels und dann auch der elektrotechnische Begriff "cos φ" für die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei Wechsel- und Drehstrom: Ferraris stellte 1884 als erster Elektrotechniker fest, dass dies bei der Berechnung einer Leitung zur Energieübertragung von großer Bedeutung ist, denn der durch Induktivitäten im Stromkreis hervorgerufene Blindstrom belastet die Leitung, verursacht Wärme und Verluste, trägt aber nicht zur Wirkleistung und Wirkarbeit bei. Ein Jahr später fand er aufgrund von Versuchen mit polarisiertem Licht und daraus folgenden Analogieüberlegungen, dass zwei phasenverschobene Wechselströme mit gleicher Frequenz ein magnetisches Drehfeld erzeugen, und dies führte 1888 zu seinem ersten Wechselstrommotor, den parallel dazu auch Nikola Tesla erfand. Diese Entwicklung gipfelte in 1889 im bis heute meistverwendeten Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer des genialen AEG-Chefelektrikers Michael Ossipowitsch v. Dolivo-Dobrowolsky.

Entscheidend für den – seit mehr als einem Jahrhundert gebräuchlichen und umgangssprachlich so genannten – "Stromzähler" war Ferraris´ Entdeckung des Drehfeldes: Dieses wird im Wechselstromzähler durch eine von der Spannung gespeiste Spule auf einer Seite einer drehbar gelagerten Aluminiumscheibe und einer vom verbrauchten Strom gespeisten Spule auf der anderen Seite erzeugt. Und da die Spannungsspule eine hohe Induktivität hat, ist der durch sie fließende Strom gleicher Frequenz auch erheblich phasenverschoben gegenüber dem der Stromspule.

In der nebenstehenden Prinzipskizze eines Wechselstromzählers sind, wie vorstehend beschrieben, oberhalb der drehbaren Alu-Scheibe die Spannungsspule (1) und unterhalb die Stromspule (2) erkennbar. Zusammen erzeugen sie ein Drehfeld, welches in der Alu-Scheibe Wirbelströme hervorruft und durch deren Auswirkung ein Drehmoment in der Scheibe entsteht; sie beginnt also, sich zu drehen. Je höher der Strom durch die Stromspule, also der Verbrauch, desto schneller dreht sich die Scheibe. Und da auch die Spannung des Netzes sich ändern kann, wird z. B. bei höherer Spannung das Magnetfeld der Spannungsspule stärker, das Drehmoment also auch höher; umgekehrt gilt das Gleiche. Bei unserem Exponat Drehstromzähler wurden die Stromspule oberhalb – durch die starken Kupferdrähte im unteren Bildteil erkennbar – und die Spannungsspule unterhalb der unteren drehbaren Alu-Scheibe angeordnet. Als Drehstromzähler benötigt er drei Messsysteme, die an zwei Alu-Scheiben angeordnet sind.

Zur Einstellung der richtigen Phasenlage der magnetischen Triebflüsse dient eine verstellbare Schelle (5) auf einer Widerstandsschleife, welche eine auf der Stromspule angebrachte zusätzliche Wicklung (9) bedämpft und damit deren Phasenlage zur Spannungsspule verändert. Bei dem im TMK ausgestellten Zähler für die Installation in Wohnungen und Privathäusern ist diese Funktion durch eine mit dem Zeichen"φ" gekennzeichnete Verstellung am Kern der Spannungsspule realisiert.

Damit aber aus der Alu-Scheibe zusammen mit dem Drehfeld kein Kurzschlussläufermotor – wenn auch nur geringster Leistung – wird, ist im Zähler ein die Scheibe umgreifender Bremsmagnet (3) angebracht, der über sein Magnetfeld ebenfalls einen Wirbelstrom erzeugt. Mit der Feineinstellschraube (4) kann das Bremsmoment korrekt eingestellt werden.

Ein am oberen Teil der Läuferachse angebrachtes Leerlaufhäkchen (6) verhindert zusammen mit einem von der Spannungsspule des Leiters L1 magnetisierten hier unsichtbaren Leerlaufwinkel (7) ein Leerlaufen des Zählers und sorgt dafür, dass der rote Strich am Umfang der Alu-Scheibe bei Nicht-Strombezug nach kurzer Zeit im Zählerfenster durch Vor- oder Rücklauf sichtbar wird und dort stehen bleibt.

Die drei Messwerke des Drehstromzählers, jeweils bestehend aus den Spannungs- und Stromspulen, bilden über ihre auf die Alu-Scheibe wirkenden Drehmomente das Produkt aus Spannung U und Strom I. Das ist die zu jeder Zeiteinheit bezogene Leistung P in Watt und über die Zeit t, in der die Scheibe je nach Leistungsbezug mit unterschiedlicher Drehzahl läuft, die bezogene Arbeit W in Ws, Wh und letztlich kWh. Die Umdrehungen der Alu-Scheibe werden über ein "Getriebe" auf ein Rollenzählwerk übertragen und zeigen die bezogene Arbeit (Energie) mit Nachkommastellen an.

Noch wesentlich weitergehende Informationen über die "Ferraris"-Zähler erhalten Sie bei einem Besuch des TMK durch Download einer PDF-Datei mit weiteren Detailbildern.

Text und Zählerfoto: Wolfgang Dünkel, TMK

Bildquelle Messprinzip: AEG-Hilfsbuch 2, Kapitel 8.6 Elektrizitätszähler, ISBN 3 87087 022 2, Elitera-Verlag, Berlin, 1971

(last update 26.11.2022)

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