Geschichte Drehstrom

Die Erfindungen im Bereich Wechselstrom, Wechselstrommotoren, Wechselstromgeneratoren, Energieübertragung, Mehrphasensysteme ist komplex. Das KIT (Karlsruher Institut für Technologie) hat die Erfindungen für die Elektromotoren chronologisch zusammengefasst.
Dabei wird folgendes deutlich:
Nach der Entwicklung der Gleichstrommotoren folgt ca. 1880 die Phase mit Wechselstrom für die Energieerzeugung und Energieübertragung.
Vorteile von Wechselstrom:
– Einfacher zu erzeugen
– man kann mit Transformatoren die Spannungen verändern, was für die Energieübertragung wichtig ist.

Dabei stellte man fest, dass für die Motoren Mehrphasensysteme sinnvoll sind, damit man ein Drehfeld erzeugen kann. Das ist die Bedingung für bürstenlose Motoren, die synchron oder asynchron mit dem magnetischen Drehfeld drehen.
Hier experimentieren nun verschiedene Erfinder teilweise zeitgleich. Dabei werden Namen wie Tesla, Ferraris, Bradley, Haselwander, Dolivio-Dobrowolsky genannt. Die meisten dieser Personen kannten sich. Alle haben zu diesem Thema Patente angemeldet.
Der Durchbruch beim Mehrphasenwechselstrom war das 3 phasige Modell mit 3x 120 Grad phasenverschobenen Wechselspannungen, weil hier die Summe der 3 Spannungen immer 0 ergibt, was keine Rückleitungen nötig macht. Die Verbraucher werden einfach zusammengeschlossen im Nullpunkt, denn dort ist die Summe der drei Spannungen null. Das hatte durchschlagende Vorteile. Man konnte nun mit nur drei Leitungen Energie übertragen und gleichzeitig ein Drehfeld zur Verfügung stellen das im Motor in der Summe ein homogenes Drehmoment zur Verfügung stellt, was zu hoher Laufruhe führt. Wegen dieser Vorteile wird dieses Prinzip ohne größere Veränderungen auf der ganzen Welt eingesetzt. Die Drehstrommotoren werden überall eingesetzt von der Festplatte im PC, im Modellbau bezeichnet als Brushless-Motoren, in E-Autos, in Lokomotiven, in Werkzeugmaschinen , usw.
Seit man mit Elektronik (Frequenzumrichter) den 3 Phasen Drehstrom nachbilden kann, fällt für die Antriebstechnik der einzige Nachteil weg: Die Drehzahl der Motoren hängt von der Frequenz des Drehfeldes ab. Somit konnte man ohne die modernen Frequenzumrichter nur eingeschränkt die Drehzahl der Motoren einstellen.

Haselwander war der erste, der das Potential des 3-Phasen-Wechselstroms erkannte und in die Tat umsetzte.

Diese Patentzeichnung von Friedrich-August Haselwander hat die Welt bis heute grundlegend verändert. Es gibt wohl nur wenige Patente die häufiger angewendet werden ohne größere Veränderung seit ca. 130 Jahren.

  • 1887 – Friedrich August Haselwander in Offenburg baut und erprobt einen dreiphasigen Synchrongenerator mit ruhendem Ringanker und umlaufendem Innenpolmagnet, erhält im Prioritätenstreit aber keinen Patentschutz
  • 1887 – Haselwander baut den ersten Dreiphasen-Synchrongenerator, 100 V, 960 min-1, 32 Hz und beleuchtet damit eine Hutfabrik in Offenburg
  • 1887 – In der Hutfabrik “Adrion” in Offenburg läuft erstmals ein von F. A. Haselwander erfundener Drehstrom-Asynchronmotor
  • 1888 – Haselwander,F.A. meldet Prinzip der Drehstromübertragung zum Patent an
    Quelle: VDE Chronik der Elektrotechnik

Leider hat er bei den Patentanmeldungen wenig Glück. Er findet auch keinen würdigen Partner, der seine Ideen finanziert. Nach dem AEG mit Dolivio-Dobrowolsky das Potential der Erfindungen Haselwanders erkennt, wird Haselwander in einen Rechtsstreit gezwungen, den er nicht finanzieren kann. Dolivio-Dobrowolsky war übrigens einige Male in Haselwanders Werkstatt in Offenburg. Die VDE Chronik nennt auch Haselwander als Erfinder des Drehstrom Asynchronmotors, obwohl Dolivio-Dobrowolsky als Patentinhaber und Erfinder des Drehstrom-Asynchronmotors gilt.

Heute gilt:
Haselwander hatte als erster die Konzeption einer Drehstrom-Kraftübertragung mit dreiphasigen Synchronmaschinen und drei Übertragungsleitungen. Er baute als erster eine derartige Anlage und übergab diese Anlage als erster dem praktischen Betrieb.

oder:

Friedrich August Haselwander erfindet das symmetrische Dreiphasensystem mit drei Leitern und baut den ersten Dreiphasen-Synchrongenerator mit ausgeprägten Polen. Allerdings verbietet die Postbehörde den Betrieb der Maschine aus Angst vor Störungen der Telegrafenlinie. Auch die Patentbemühungen Haselwanders scheitern.

oder

Ein erster Dreiphasen-Stromgenerator wurde 1887 von dem deutschen Erfinder Friedrich August Haselwander (1859-1932) vorgestellt. Es handelte sich um einen Dreiphasenwechselstromgenerator, den er in der mechanischen Werkstatt der Firma Bilfinger entwickelte; dieser wurde ab 1887 drei Jahre in der Hutfabrik Adrion für Beleuchtungszwecke in Betrieb genommen. Die Post untersagte der Hutfabrik Adrion 1890 den weiteren Betrieb, da sie angeblich eine Telegrafenleitung störte. Den Generator führte Haselwander 1891 auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt vor. Er blieb jedoch ein Prototyp, den er noch zu Lebzeiten dem Deutschen Museum in München übergab, wo die Anlage sich bis heute befindet. Haselwander erhielt für seine Erfindung im Jahr 1889 ein Patent. Haselwander übertrug das Patent an eine ihn beschäftigende Firma “Wilhelm Lahmeyer & Co” in Frankfurt am Main. Als 1892 die AEG Lahmeyer übernahm, verlor Haselwander damit seine Patentrechte.
Quelle: Psiram

oder

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.[5]

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.
Quelle: Wikipedia

oder

Drehstrom-Patente
Die Idee zum Drehstrom und seiner Möglichkeit einer Fernübertragung wurde 1888 zunächst von Friedrich August Haselwander zum Patent angemeldet. Dabei handelte es sich um ein von ihm bereits in der Praxis erprobtes System.

Die Patentanmeldung wurde jedoch so zunächst nicht akzeptiert mit der Argumentation, Generator (G, links) und Motor (M, rechts) hätten mit der Fernübertragung nichts zu tun. Erst seine 2. Anmeldung am 30.06.1889 führte dann zum Erfolg.
Mittlerweile (1887) erhielt in den USA Nicola Tesla ein Patent auf einen Zweiphasen-Generator-Motor und er hat in einer Patentanmeldung von 1888 eine Drehstrom-Übertragung mit (nur) 3 Leitungen beschrieben.
Zwischenzeitlich hat von Dolivo-Dubrowolsky seinerseits einen Patentanspruch auf den Drehstrom angemeldet und am 08.03.1889 ein Patent erhalten. Seinen Drehstrom-Motor führte er im September 1889 der Fachwelt vor, unter anderem auch Thomas Alpha Edison. Der hielt den Wechselstrom aber für ein Unding und wollte davon absolut nichts wissen. (Edison stritt sich auch auf z.T. unfaire Weise mit Westinghouse, ob Gleich- oder Wechselstrom besser sei. So sorgte Edison dafür, daß der “Elektrische Stuhl” in den USA mit Wechselstrom betrieben wurde und stellte das als Beispiel für die Gefährlichkeit des Wechselstromes dar.)
Haselwander hatte das Pech, daß ihm aus formalen Gründen nicht die Priorität für den Drehstrom zuerkannt werden konnte.
Quelle: Radiomuseum

oder

Friedrich August Haselwander (1859–1932)

This German technician was inspired while meditating on a dc dynamo he had in his workshop for repair. The electric-arc dynamo had a Thomson-Houston armature, including three coils with a common internal connection and a three-segment commutator. For experimental purposes, he replaced the commutator by three sliprings to which he carried the outer coil ends. This, indeed, was the birth of the three-phase dynamo. Haselwander is also credited with having built the first three-phase synchronous generator with salient poles in 1887. Furthermore, he recognized the principle of three-phase power transmission with two synchronous machines and three transmission wires, a system he presented in 1888 as a world premiere.
übersetzt:
Dieser deutsche Techniker wurde inspiriert, als er über einen Gleichstromdynamo nachdachte, den er zur Reparatur in seiner Werkstatt hatte. Der Lichtbogendynamo hatte einen Thomson-Houston-Anker, bestehend aus drei Spulen mit einem gemeinsamen Innenanschluss und einem Dreisegment-Kommutator. Zu Versuchszwecken ersetzte er den Kommutator durch drei Schleifringe, an denen er die äußeren Spulenenden trug. Dies war in der Tat die Geburtsstunde des Drehstromdynamos. Haselwander wird auch zugeschrieben, 1887 den ersten Drehstrom-Synchrongenerator mit ausgeprägten Polen gebaut zu haben. Außerdem erkannte er das Prinzip der Drehstrom-Energieübertragung mit zwei Synchronmaschinen und drei Übertragungsdrähten, ein System, das er 1888 vorstellte als eine Welt Premiere.
Quelle: Early Three-Phase Power Winner in the development of polyphase ac von Dr.Ing Gerhard Neidhöfer

Dr. Ing Gerhard Neidhöfer beschreibt auch Nicola Teslas Bemühen um ein Drehfeld:
Nikola Tesla (1856–1943)

This Croatian-born Serbian inventor appears as the most active contributor to the development of polyphase systems. Following his early emigration to the United States, he had a varied career with his own enterprise, as a short-time employee of Thomas Edison, and as an advisor to the Westinghouse Electric Company. Above all, he was a gifted inventor.
It was in late 1887 when Tesla filed for several U.S. patents in the field of polyphase ac generators, power transmission, transformers, motors, and lighting. In May 1888, he gave a lecture to the AIEE titled “A New System of Alternate Current Motors and Transformers.” Tesla explained a rotating magnetic field as being “a progressing shifting of the magnetism produced by progressive movement of the magnetic poles.” This peculiar wording reflects Tesla’s way of thinking and may prove that he did not know Ferraris’s specific notations.
One of the many figures in Tesla’s basic patent, is representative of the invention and symbolizes a two-phase generator and motor connected together. In the same patent, Tesla mentioned a generator with three coils, the ends of which are led to six insulated contact rings with collecting brushes connected to those of a motor by six wires, thus forming three independent circuits. This, indeed, was very close to the proper three-phase system but without the final step of having the three independent circuits integrated in a system of interlinked circuits with a common neutral point, needing three terminals only. In another patent shortly after this, Tesla states the same as Haselwander, with reference to the Thomson-Houston armature, that the three coil ends could be led to three continuous rings for taking off the alternating currents that operate the motor, the latter also being provided with three symmetrically arranged coils. This statement is another of Tesla’s few comments on three-phase arrangements.
Among polyphase systems, Tesla strongly preferred two-phase configurations as is evident from his many statements in this regard. This fact greatly influenced Americans of his generation.
übersetzt:
Dieser in Kroatien geborene serbische Erfinder scheint der aktivste Mitwirkende an der Entwicklung von Mehrphasensystemen zu sein. Nach seiner frühen Emigration in die Vereinigten Staaten hatte er eine abwechslungsreiche Karriere mit einem eigenen Unternehmen, als Kurzzeitmitarbeiter von Thomas Edison und als Berater der Westinghouse Electric Company. Vor allem war er ein begnadeter Erfinder.
Es war Ende 1887, als Tesla mehrere US-Patente im Bereich mehrphasiger Wechselstromgeneratoren, Stromübertragung, Transformatoren, Motoren und Beleuchtung anmeldete. Im Mai 1888 hielt er vor der AIEE einen Vortrag mit dem Titel „A New System of Alternate Current Motors and Transformers“. Tesla erklärte ein rotierendes Magnetfeld als „eine fortschreitende Verschiebung des Magnetismus, der durch fortschreitende Bewegung der Magnetpole erzeugt wird“. Diese seltsame Formulierung spiegelt Teslas Denkweise wider und könnte beweisen, dass er die spezifischen Notationen von Ferraris nicht kannte.
Eine der vielen Figuren in Teslas Basispatent, ist repräsentativ für die Erfindung und symbolisiert einen zweiphasigen Generator und Motor, die miteinander verbunden sind. Im selben Patent erwähnt Tesla einen Generator mit drei Spulen, deren Enden zu sechs isolierten Kontaktringen mit Sammelbürsten geführt werden, die über sechs Drähte mit denen eines Motors verbunden sind und so drei unabhängige Stromkreise bilden. Dies kam in der Tat dem eigentlichen Dreiphasensystem sehr nahe, jedoch ohne den letzten Schritt, die drei unabhängigen Stromkreise in ein System miteinander verbundener Stromkreise mit einem gemeinsamen Sternpunkt zu integrieren und nur drei Anschlüsse zu benötigen. In einem weiteren Patent kurz darauf gibt Tesla ebenso wie Haselwander unter Bezugnahme auf den Thomson-Houston-Anker an, dass die drei Spulenenden zu drei durchgehenden Ringen geführt werden könnten, um die den Motor betreibenden Wechselströme abzunehmen, wobei letztere auch sind mit drei symmetrisch angeordneten Spulen versehen. Diese Aussage ist ein weiterer von Teslas wenigen Kommentaren zu Dreiphasen-Anordnungen.
Unter den mehrphasigen Systemen bevorzugte Tesla stark zweiphasige Konfigurationen, wie aus seinen vielen diesbezüglichen Äußerungen hervorgeht. Diese Tatsache hat die Amerikaner seiner Generation stark beeinflusst.

oder:

Nikola Tesla (Kroate, serbische Wurzeln) beschäftigt sich bereits 1882 während seines Studiums in Graz/Österreich mit dem Mehrphasensystem.
Er wandert 1884 nach Amerika aus und gründet 1886 in New York eine eigene Firma und ein Entwicklungslabor. 
Inzwischen war es Ferraris 1885 gelungen, einen zweiphasigen Induktionsmotor zu bauen (siehe unten). 
Tesla weiß davon nichts und erfindet den Induktionsmotor ein zweites Mal. Auch er baut eine Reihe von funktionsfähigen Modellen auf.
Tesla überwirft sich noch 1886 mit seinen Investoren und muss seinen Lebensunterhalt nun zwei Jahre lang als Hilfsarbeiter fristen, während er parallel an seinen Erfindungen weiterarbeitet.
1887 reicht Tesla die ersten Patente für ein Zweiphasen-Wechselstromsystem mit vier Leitungen ein, das aus einem Generator, einem Übertragungssystem und einem Mehrphasenmotor besteht.
George Westinghouse aus Pittsburgh wird im Mai 1888 durch Teslas bemerkenswerten Vortrag vor dem American Institute of Electrical Engineers aufmerksam und kauft die mittlerweile über 40 zählenden Patente für 1 Mio $. Zusätzlich nimmt er Tesla für ein Jahr als Berater in Dienst.

KIT Karlsruhe:
Tesla erkennt jedoch weiterhin nicht die speziellen Vorteile des dreiphasigen Wechselstroms und konzentriert sich in der Folgezeit auf ein- und zweiphasige Maschinen mit Wechselstrom hoher Frequenzen (125 Hz und 133 Hz). Letztlich scheitert er beim Bau eines brauchbaren Induktionsmotors und verlässt Pittsburgh und die Westinghouse Company unbefriedigt im Jahre 1889. Westinghouse stellt die Entwicklungen dieses Maschinentyps daraufhin ganz ein.
Erst nachdem die AEG mit den Dobrovolsky Maschinen (siehe unten) zweifelsfrei bewiesen hatte, dass zuverlässige dreiphasige Induktionsmotoren gebaut werden können, beginnt Westinghouse 1892 mit eigenen Entwicklungen an dreiphasigen Motoren, die 1893 zum Erfolg führen. Allerdings ohne Mitwirkung Teslas, der sich inzwischen anderen Themen zugewandt hat.
Quelle: KIT Karlsruhe


Auswertung F.-A. Haselwander und Nicola Tesla zum Mehrphasen- Wechselstrom (Drehstrom) System:


N. Tesla kann die Erfindung der weltweit verwendeten 3phasen Drehstrommotoren nicht zugeschrieben werden. Die Motoren, die Tesla gebaut hat, waren nicht praxistauglich. Tesla hat den von Haselwander erfundenen verketteten Drehstrom (3 Leiter System, die Verbraucher werden im Sternpunkt zusammengeschlossen) lange nicht verstanden.

Dolivio-Dobrovolsky schreibt man zurecht die praxistaugliche Einführung des asynchronen Drehstrommotors mit Käfigläufer zu. Jedoch war er zuvor einige Male Gast in Haselwanders Werkstatt in Offenburg. Der Mitarbeiter von Haselwander, ein Josef Georg Beyle hat im Jahr 1937 folgendes wörtlich gesagt: “Einer der unangehnehmsten Bekannten, die ich bei Haselwander kennen lernte, war ein Ingenieur Dobrowolski. Er hat Haselwander ausgehorcht und dann selbst den Drehstrom angemeldet. Aber es ist Tatsache, daß unsere Drehstrommaschine am 12. Oktober 1887 ohne jede Vorprüfung in der Hutfabrik Adrion in der verlängerten Wilhelmstraße in Betrieb genommen wurde, und damit Licht- und Kraftstrom nahezu 3 Jahre erzeugt wurden.”
Quelle: Franz Huber: Haselwanders Drehstrom; Die Welterfindung in einer kleinen Stadt 1987; Seite 15


Quellen/Literatur:

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Historische Entwicklung elektrischer Antriebe im Buch “Grundlagen der Elektromobilität von Prof. Dr. Martin Doppelbauer KIT

Hompage Gewerblich-Technische Schule Offenburg

Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom Anfänge der modernen Antriebstechnik Inhaltsverzeichnis
Friedrich August Haselwander WIKIPEDIA