Die neue Technik; die Physik der Quantencomputer (QC)

Was um alles in der Welt ist ein Quantencomputer? Wir wollen diese Technik hier vorstellen. Ein QC (Quantencomputer) hat ein Prozessor, welcher die Gesetze der Quantenmechanik nutzt – und das ist ganz neu. Im Unterschied zum herkömmlichen Computer arbeitet ein Quantencomputer nicht auf der Basis elektrischer Informationen in Form von 1 und 0. Statt dessen werden quantenmechanische Zustände mit Hilfe von QuBits verarbeitet. Und das ist genial – und bahnbrechend neu.

Einen herkömmlichen Computer kennt heute eigentlich jedes Kind. Man muss nicht wissen, wie so ein Gerät funktioniert. Phantastisch ist ein – sogar schon herkömmlicher – Computer aber allemal. Er – der Computer – ist die Hardware. Eben all das, was man anfassen kann, wo man gegen treten kann (sollte man aber nicht tun!). Aber man braucht auch clevere Software, also das BIOS (Basic Input Output System), und das OS (Operating System). Eben all das, was man nicht anfassen kann. Es sind letztlich die Befehle, das Betriebssystem, die Anweisungen, wie in diesen und jenen (Rechen)Fällen vorzugehen ist, um eine Lösung zu finden. Und die Software macht es auch überhaupt erst möglich, mit dem Computer zu interagieren, also z.B. Befehle einzugeben, über die Tastatur, oder die Eingabemaus. Schon heute (2021) können wir sogar per Sprachbefehl einem herkömmlichen Computer umfangreich steuern.

Bits und Bytes – für den (herkömmlichen) Computer

Wenn eine Beleuchtung eingeschaltet ist, kann sie auch ausgeschaltet sein. Von den Zwischenzuständen (gedimmt) mal abgesehen. Also kann diese Situation mit einem Bit und seinen beiden möglichen Zuständen 1 für „Lampe ein“ und 0 für „Lampe aus“ dargestellt werden. Wenn man 8 Bits zusammen fasst, hat man ein Byte. Stellt man sich für diese 8 Bit also 8 Leuchten vor, kann man mit einem Byte schon 256 verschiedene Zustände der 8 Leuchten darstellen. z.B. können alle Leuchten aus sein. Oder alle ein. Oder nur die vierte Leuchte ist eingeschaltet. So gibt es wie erwähnt 256 verschiedene Zustände. Die Z3 war übrigens der erste funktionsfähige Computer und wurde 1941 von Konrad Zuse und Helmut Schreyer gebaut.

Wann gibt es Quantencomputer zu kaufen?

IBM hat im Januar 2019 seinen ersten Quantencomputer auf dem Markt per Miete angeboten, konkret den Quantum System One. Dieses System hat 27 QuBits. Diese Quantencomputer können ganz besonders gut und ganz besonders schnell rechnen. Quasi in Lichtgeschwindigkeit. Aber aktuell nur bei exra für diese Quantencomputer zugeschnittene Rechenaufgaben. Das wird man aber alles noch verbessern. Immer mit der Ruhe! Aktuelle Quantencomputer haben bereits spezielle Rechenaufgaben in wenigen Minuten gelöst. Dafür brauchen die herkömmliche Computer 10000 Jahre. Da lohnt es sich schon, die Sache mit den Quantencomputern, den Qubits, und der Quantenphysik weiter zu erforschen!

Aber wie arbeitet ein Quantencomputer?

Gute Frage. Denn es gibt noch nicht viele Quantencomputer. Darum kann man die nicht mal eben kaufen, und aufmachen, um mal zu schauen, wie so ein Teil von innen aussieht. Und die wenigen sind ziemlich teuer. Ziemlich sehr teuer! Aktuell kostet der obige IBM Quantencomputer eine Monatsmiete von knapp 30.000,- Euro. Fakt ist, das herkömmliche Computer, solche die wir alle kennen, also mit Millionen von Transistoren in sog. Integrierten Schaltkreisen (Prozessoren) Bitinformationen (eben mit Bits) rechnen. Das wird mit Hilfe der bekannten herkömmlichen Physik der (Bau)Teile gemacht. Ein Quantencomputer kann aber nicht nur die bittypischen Zustände 0 und 1, sondern auch alle Zustände dazwischen ermitteln und verarbeiten. Diese Zwischenzustände werden als „Qubits“ bezeichnet. Das ist voll phantastisch! Denn Quantencomputer können mit Ihren Qubits – wenn sie das sollen – deren besondere Eigenschaft ausnutzen. Nämlich die vielen Zwischenzustände verarbeiten. Das ganze bitteschön gleichzeitig, und nicht seriell (nach einander). Die herkömmlichen Computer können mittels der Bits nur 0 oder 1 darstellen. Eine Münze liegt entweder mit der Zahl oder dem Kopf oben. Ein Qubit des Quntencomputer kann jedoch auch – sinnbindlich (aber in echt) – eine geworfene Münze während Ihres Höhen- und Abwartsfluges, während sie sich dreht, verarbeiten. Er, der QC kann also die Millionen Zwischenzustände der Münze berechnen, obwohl sie noch gar nicht „gelandet“ ist. Das Qubit des QC (Quantencomputer) kennt also nicht nur die klassischen Zustände 0 und 1, sondern noch Millionen weitere Zustände. Finde ich voll gut 🙂

Wie werden die Qubits geschrieben und gelesen?

Üblicherweise macht man das mit Microwellenstrahlung, oder mit Licht bzw. Lasern. Aber Google arbeitet an einem anderen Arbeitssystem. Dort werden elektrische Impulse genutzt, um die Qubits im Kreis fliegen bzw. fließen zu lassen. Aber auch hier ist Microwellenstrahlung nötig. Andere Forscher arbeiten aber auch an anderen Techniken. Hier wird dann mit Photonen (Lichtteilchen) gearbeitet, welche eine physikalische Umsetzung von Qubits darstellen.

Wie groß ist so ein Quantencomputer?

Bisher noch ziemlich groß. In aller Regel ist der Prozessor, welcher nicht nur die üblichen Bitzustände 0 und 1 wie ein herkömmlicher Computer es kann, mit all seinen Zusatzgeräten und Meßstellen so groß, wie ein ganzes (sehr großes) Zimmer. Aber die Rechenkünstler werden immer kleiner!

Team Monz von der Uni Innsbruck

Ein Team unter Leitung von Thomas Monz von der Universität Innsbruck ist es gerade im Juni/Juli 2021 gelungen, einen Quantencomputer in zwei 19 Zoll Serverracks unter zu bringen. So ein System muss jetzt nicht mehr in großen Industriehallen stehen, oder in Universitätshallen von Forschungseinrichtungen. Sowas passt jetzt auch in einem Rechenzentrum – und leistet dort Enormes! Bei diesem Quantencomputer werden 24 verschränkte Calcium Ionen in einer Magnetfalle als Qubits (also die vielen Zwischenzustände zwischen 0 und 1) verwendet. Diese Qubits werden mit Laser in verschiedene Energiezustände gebracht, was den vielen Nullen und Einsen (den Bits) eines herkömmlichen Siliziumcomputers entspricht. Die beiden Racks sind durch elektrische und optische Leitungen miteinander verbunden.

19 Zoll Quantencomputer, UNI Innsbruck
Team Monz, UNI Innsbruck. Schematischer Aufbau der beiden 19″ Racks des Quantencomputers. Copyright CC BY 4.0
Laut dem Team Monz der UNI Innsbruck arbeitet der modulare Quantencomputer sehr zuverlässig.

Muss das so kalt sein?

Oh ja. Denn bei Quantencomputern wird die sog. Quantenphysik, welche wahrlich völlig anders funktioniert, und nur von wenigen Menschen verstanden und erklärt werden kann, angewandt. Das Ganze funktioniert auch nur bei extremer Kälte. Nämlich beim absoluten Nullpunkt. Und der ist wahrlich ziemlich kalt! Wir reden hier über eine Temperatur, die im Bereich von -273 Grad Celsius liegen muss. Was für Lebewesen also ziemlich kalt und tödlich ist, ist für Quantencomputer ziemlich gut temperiert und notwendig.

Ein Beispiel zur Nutzung dieser Technik

Dieser IBM Quantencomputer wurde durch unsere Bundeskanzlerin Merkel mit einer entsprechenden Bitte und einer netten Förderung für diese Technik nach Baden-Württemberg in eine Industriehalle in der Nähe von Ehningen Nahe Stuttgart, in das Fraunhofer Institut geholt. Dort soll weiter an dieser Technik geforscht werden. Beispielsweise soll mit Simulationen ermittelt werden, welche chemischen Komponenten in einem Akku sich als „gut“ bewerten lassen – ohne den Akku überhaupt immer erst aufbauen und testen zu müssen. Gute Idee!

Der Zuse Z3 Computer, Infos auf Wikipedia.

Hier kann man eine Anfrage stellen, nach dem IBM Quantencomputer.

Hier der Link zur CC BY 4.0 Lizenz des obigen Bildes der Uni Insbruck (Team Monz).

YT Video, erklärt die Funktionsweise eines Quantencomputer.

Und Quarks kann auch gut Quantencomputer erklären 🙂

Welche Zukunft hat das Elektroauto?

In Amerika, in Frankreich, in Norwegen, in den Niederlanden, und in einigen anderen Ländern werden viel mehr E-Autos verkauft. Dort gehören E-Autos schon zum Alltag in der Stadt. Doch warum ist das in Deutschland nicht genau so? E-Autos gibt es schon genau so lange wie Verbrenner-Autos. Als vor über 100 Jahren die Autos auf die Straße kamen, war der E-Auto Anteil sogar ganz erheblich größer als heute. Es gab damals fast genauso viele E-Autos wie V-Autos.

Warum gibt es in Deutschland (Stand 2014) immer noch so wenig Elektroautos? Prof. Dudenhöffer (u.a. Inhaber des Lehrstuhls Automobilwirtschaft): Deutschland tut zu wenig für das E-Auto. Siemens zieht sich zurück, bei den Ladestationen, genauso wie auch die Energieversorger, beim aufstellen von Ladestationen. Deutschland, das Land der Erfinder und Entwickler, ist an letzter Stelle, wenn es um E-Mobilität geht.

Der Streetscooter, entwickelt für die Deutsche Post.
© Superbass / CC-BY-SA-4.0 (via Wikimedia Commons). Der Streetscooter wurde im Auftrag der Streetscooter GmbH für die Deutsche Post entwickelt.
Die Deutsche Post macht jetzt auf Elektro. Gut so!

Auch die Politik in Deutschland macht aktuell (Stand 2014) einfach immer noch viel zu wenig für E-Autos. Jeder 7. Arbeitsplatz ist in Deutschland von der Autoindustrie abhängig. Wenn Deutschland nicht bald reagiert, wird das Land der Erfinder, das Land „Made in Germany“ bald keine herkömmlichen V-Autos mehr verkaufen können, da diese dann bald keiner mehr haben will. Übrigens, „Made in Germany“ steht heute immer noch für „gute Qualität“. Doch früher stand es für „schlechte Qualität“. Damals vor rund 100 Jahren (Ende des 18. Jahrhundert) wurde damit vor alter, unmoderner importierter Technik aus Deutschland gewarnt.

Warum gibt es eine so große Abneigung – auch von der Politik – für E-Mobilität, eine Technik, welche umweltfreundlich ist? Fakt ist: es gibt in Deutschland keine staatliche Unterstützung. Bringen wir es auf dem Punkt: in Deutschland sind aktuell (Stand 2014) E-Autos immer noch unbeliebt, vielleicht sogar verhasst und ungewünscht. Laut Koalitionsvertrag (Stand 2014) sollen in 2020 schon min. 1 Million E-Autos in Deutschland unterwegs sein. Doch es ist fraglich, ob dieser „schön Traum“ auch wahr wird.

Die Zukunft vorweg genommen…

…hat Dieter Eckhard aus Ingelheim. Der Messingenieur hat schon fünf Elektroautos (Stand 2014). Schon 1997 hat er sein erstes E-Auto gekauft und war von dem Auto Marke „Hotzenblitz“ begeistert. Eckhard fährt fast jeden Tag elektrisch – mit seinen E-Autos. Dieter Eckhard ist ein Vorbild, und voll von seinen Elektrofahrzeugen überzeugt. Doch der Elektrowagenfreak ist eine Seltenheit, und so sind die Stromfahrzeuge derzeit keine sehr große Konkurrenz für Benziner und Diesel. Denn von den rund 43 Millionen Autos in Deutschland fahren nur rund 8000 mit Strom, ein verschwindend geringer Bruchteil. Das sind weniger als 0,0002 % Anteil Elektrofahrzeuge – der Rest fährt mit Verbrennermotoren (Diesel, Gas und Benzin). So leben die Menschen offenbar im 3. Jahrtausend – weil es erstmal einfach ist. Aber bald wird es teuer. Richtig teuer für alle. Nun, den meisten Fahrern sind die aktuellen (Stand 2014) E-Fahrzeuge zu teuer. Stromtankstellen fehlen auch. Und das Laden dauert im Vergleich zum Tanken oft recht lange, und auch die Urangst des deutschen Autofahrers, mit so einem Mobil liegen zu bleiben, sind die Hindernisse für diesen „schönen Traum“. Doch viele dieser völlig unnötigen Vorurteile sind nur vorgeschoben. Man muss einfach von der Sache „E-Fahrzeug“ überzeugt sein. Dann klappt das auch. Wo ein Wille ist, ist auch ein Weg.

Die Autoindustrie

In 2014 bringen die PKW Hersteller, angestachelt aus Fernost, immerhin 15 neue E-Fahrzeuge auf den Markt. Das ist erstaunlich. Meint es die Automobilindustrie jetzt ernst mit bezahlbaren Volt, Watt und Kapazität? Oder ist alles nur ein Bluff, um EU-Strafzahlungen für hohe CO2-Werte bei den beliebten Verbrennungsmotoren zu vermeiden? Fakt ist; keiner will so richtig ran an die E-Autos. Aber die EU macht Druck. Vieles was die EU macht, ist nicht so schön. Manches doch, wie in diesem Fall. Und die BRD hat hoch gesteckte Ziele. Na ja, sie muss sie haben. Sie will (oder muss?) bis 2020 eine Million Elektroautos auf Deutschlands Straßen haben. Sollen die da nur rumstehen (parken), oder auch fahren? Ist das machbar? Oder auch „nur ein schöner Traum“? Was steckt dahinter, wenn eine Regierung sowas ankündigt? Sind es die „vielen“ Arbeitsplätze der Autoindustrie?

Fest steht, dass sich nicht nur der Fahrzeugantrieb, sondern auch die Strukturen der Mobilität ändern müssen. Nur so kann man die Probleme der Zukunft meistern. Die verschiedenen Systeme wie Car-Sharing, Bus und Bahn müssen endlich besser vernetzt werden. Das E-Autos nicht teuer sein müssen, zeigen viele Beispiele. Gerade Zweitwagen, aber auch Taxen arbeiten sehr wirtschaftlich mit E-Antrieben. Aber wenn man nicht will, nun, dann will man eben nicht. Soll jeder für sich entscheiden!

Abschließende Beispiele

Weitere Informationen zu diesem Thema;

So, und wieder ist ein Artikel zu Ende…

…und ich danke Ihnen fürs lesen.

Ihr Jürgen Blumenkamp

Tesla und der Elektromotor

Elektroautos sind die bessere Option! Das war schon um 1900 klar. Doch durchsetzen konnte sich diese Technik leider noch nicht. Dabei gab es vor 100 Jahren mehr Elektroautos als solche mit Verbrennungsmotor. Wirklich wahr! Was steckt dahinter, wenn sich gute Technik nicht durchsetzen kann?

Schon seit über 100 Jahren (Stand 2010) gibt es PKWs – und andere Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Wussten Sie, dass es genau so lange auch schon PKWs – und andere Fahrzeuge – mit Elektroantrieb gibt? Diese hatten auch damals schon einen Akku – logisch, mit einem langen Kabel sind die nicht an einer „Leine“ rumgefahren – und konnten teilweise mit überzeugenden Leistungsdaten aufwarten. Doch ganz bestimmte „Kräfte“ waren damals (wie heute noch) im Spiel…

Der damalige deutsche Kaiser Wilhelm II (geboren 1859 in Berlin) hatte um 1900 mehrere Elektrofahrzeuge. Wenn wir das mit der aktuellen Regierung vergleichen, die hier überhaupt nicht schlecht geredet werden soll, wie viele E Fahrzeuge müsste diese dann heute haben?

Wie wurde die Elektrofahrzeugtechnik bis heute weiter entwickelt? Der Verbrennungsmotor wurde immer weiter forciert. Und die Entwicklung der Elektromotoren in den Fahrzeugen inclusive Akkutechnik stagnierte lange Zeit – eigentlich bis heute noch.

Der Verbrennungsmotor hat einen maximalen Wirkungsgrad von rund 35 %. Das ist jedoch nur unter einer ganz bestimmten Drehzahl möglich. In der Praxis ist dieser Wirkungsgrad, der Eta, viel geringer! Aber wir wollen doch günstig fahren, und nicht unnötig den Motor kühlen müssen. Mindestens 65% Wärmeabfall, nur für ein wenig Heizung im Auto? Zweifel kommen auf.

Das bedeutet, ein Verbrennungsmotor erzeugt sehr viel völlig unnötige, nicht nutzbare Wärme. Dabei erfordert der Verbrennungsmotor sogar noch eine gewaltige regelmässige Portion Wartung, und damit jede Menge Kosten – vom Spritkostenaufwand mal ganz abgesehen. E-Motoren haben rund 90 % Wirkungsgrad. Ein wirklich guter Wert, da kann man einfach nicht meckern!

Renomierte Firmen wie VW, BMW, Mercedes, die allesamt hohe Gewinne einfahren, und somit genug eigenes Geld haben, fordern vom Staat Millionenbeträge, um „neue Technik“, also neue Akkus für Fahrzeuge zu entwickeln. Und sie bekommen die Gelder oft auch. Doch was diese Firmen bisher zu Tage gebracht haben, kann noch nicht so recht überzeugen.

Letztlich ist der Verbrennungsmotor ein Auslaufmodell. Doch viele Autohersteller wollen nichts davon wissen. Es müssen die Fragen erlaubt sein: hat die deutsche Automobilindustrie, Stand 2014, den Anschluss verloren? Welche Zukunft hat ein PKW mit Verbrennungsmotor? Und welche Zukunft hat ein PKW mit Elektromotor? Also diese beiden Fragen sollte man nun doch leicht beantworten können.

Elon Musk, 2015
Elon Musk, innovativer Kopf von Tesla Motors Inc., 2015 auf dem Tesla Motors Annual Meeting. Urheber Bild: Steve Jurvetson, Flickr.
Inhaber eines innovativen E Auto Hersteller.

Gleichzeitig werden wir Bürger angehalten, uns endlich ein umweltfreundliches Auto zu kaufen. So geschehen zuletzt bei der „großen Abwrackprämie“ von 2009, die nur einen Sinn hatte: die Automobilindustrie, welche zu den größten Industrien, wenn nicht gar die Größte überhaupt gehört, wieder auf die Beine zu helfen. Doch was bewirkte umwelttechnisch die Abwrackprämie? Nun, es wurde letztlich nur alter Schrott gegen neuen Schrott eingetauscht. So kann das doch – eigentlich – nicht funktionieren. Oder? Viele alte Fahrzeuge – die verschrottet wurden – waren im übrigen gar nicht so umweltschädlich, wie immer gesagt wurde. Und viele neue – frisch verkaufte – waren auch nicht besonders umweltfreundlich. Man kann so ein Vorgehen einfach nicht verstehen. Es ist einfach zu kurz gedacht.

Wo genau kann man eigentlich heute (Stand 2014) ein umweltfreundliches Auto kaufen? Viel Auswahl gibt es freilich nicht. Denn alles was mit Benzin, Diesel oder Gas angetrieben wird, kann sicher nicht als umweltfreundliches Fahrzeug bezeichnet werden. Hybridfahrzeuge sind durchaus ein guter Ansatz – aber letztlich lediglich ca. 30% sparsamer, als leistungsgleiche Verbrennerfahrzeuge. Wir brauchen Fahrzeuge, welche 100% sparsamer sind! Und diese müssen auch günstig(er) sein als Verbrennerfahrzeuge. Das wird auch bald schon soweit sein. Hoffe ich…

Es muss dennoch vermutet werden, dass es – von wem oder was auch immer – ein starkes Interesse daran gibt, das wir Bürger alte Technik kaufen sollen. Denn diese alte Technik hat Ihre Entwicklungskosten lange eingespielt. Und diese alte Technik verursacht Folgekosten in Form von Wartung. Dies wieder bringt neues Geld in die Industriekassen, und damit letztlich in die Staatskassen. Wem ist also damit gedient, wenn wir nur noch mit Elektrofahrzeugen fahren? Keine Zündkerzen. Kein Auspuff. Kein Öl. Keine Einspritzpumpen, Kein Benzin, kein Diesel wird verkauft. Und keine/kaum Wartung. Viele Firmen, die genau und teilw. ausschl. diese Teile produzieren, würden pleite gehen. Teilweise stecken sehr viele Mitarbeiter dahinter….

In wie weit wäre die heutige Welt besser, wenn seit 1900 die Elektroautos immer mehr zugelegt hätten? Eine interessante Frage, wie ich finde.

Musk, Tesla, Model S
Tesla Model S Facelift an einem Supercharger. Bildurheber: Wikipedia, Unimog404
Ein richtig innovatives Auto. Das Modell S von Tesla. Es ist schnell (wenn es sein muss), sportlich und ausdauernd. Und mit E Motor! Finde ich richtig gut. Daumen hoch!

Doch es gibt auch – meist sehr kleine – Firmen, die den großen Firmen der Autoindustrie mal so richtig zeigen, wo der Hase lang laufen (fahren) könnte. Tesla Motors, ein US amerikanisches Unternehmen in Kalifornien baut z.B. elektrische Sportwagen, die sich auch vor Porsche und Co nicht verstecken müssen. Gleichzeitig wird eine sehr hohe Reichweite geboten, wenn man „normal“ fährt. Es geht doch.

Auch der kroatische Sportwagenhersteller Rimac fällt pos. auf. Unternehmensgründer Mate Rimac baut Elektrosportwagen als Einzelstücke. Die haben sogar dermaßen hohe Beschleunigungen und Endgeschwindigkeiten zu bieten, das viele andere Sportwagenhersteller mit Verbrennungsmotor hochrot werden. Dabei werden keine Komponenten zugekauft, sondern alles selber produziert, sogar die dafür notwendigen Werkzeuge. Daraus ergibt sich eine hohe Flexibilität, eine hohe Unabhängigkeit, aber auch die Tatsache, mit rel. wenig Geld sehr viel entwickeln zu können. Tatsächlich ist das Ergebnis, der Elektrosportwagen vom Typ „Concept One“ mehr als überzeugend. Mal ehrlich: wer wollte nicht gerne so ein modernes, innovatives Fahrzeug sein Eigen nennen?

Zu erwähnen ist noch, dass es in Deutschland mittlerweile mehrere Firmen gibt, welche jeden herkömmlichen Verbrenner PKW offiziell mit TÜV Abnahme zu einem Elektroantrieb verhelfen. Gut zu wissen ist auch, das der Gebrauchtwagenhändler Stüber in Obrigheim immer einige alte aber noch gut erhaltene Elektroautos im Lager hat. Da kann man doch nicht meckern 🙂 Im Gegenteil. Das erfreut!

Eines noch: Wer war Nikola Tesla eigentlich? Über ihn hatten wir (hier) noch nicht geschrieben. Er war ein Erfinder, Physiker und Elektroingenieur, und hat viele Dinge erfunden, z.B. auch den Elektromotor. Damit ist er praktisch der Urvater der heutigen Elektromaschinentechnik, also letztlich der heutigen Elektromotoren. Viele – z.T. auch abenteuerliche – Visionen hatte er. Oft wurde er nicht ernst genommen, wie so oft bei Visionären. Nikola Tesla wurde 1856 in Kroation geboren. Nachdem er lange Zeit in Geldnot war, und auch Studiengebühren nicht bezahlte, wurde er der Universität verwiesen, so jedenfalls die Auskunft von Wikipedia. 1884 zog er mit sehr bescheidenen Finanzmitteln nach New York, und arbeitete schon nach wenigen Tagen in der Firma von Thomas Alva Edison, welcher u.a. die Telegrafie erfand. Nikola Tesla verstarb 1943 in New York.

So Leute, jeder Beitrag hat mal ein Ende. Vielen Dank für das Lesen.

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

Drehstrom- Asynchronmaschine als Generator

Die Asynchronmaschine wird in aller Regel als Motor in verschiedensten Aufgabengebieten eingesetzt. Denn diese Maschine ist günstig, und gut. Doch auch als Generator kann diese Maschine gut eingesetzt werden.

Generatoren (Elektrisch) gibt es in verschiedenen Funktionsprinzipien. Die Asynchronmaschine ist auch als Generator gut geeignet. Auch in großen Windkraftanlagen (WKA) im Bereich von mehreren hundert kW bis hin zum Megawattbereich wird oft so eine Maschine in ähnlicher Bauart verwendet.

Der techn. Aufbau ist identisch mit dem Asynchronmotor, bzw. zur Asynchronmaschine. Es ist ja genau das gleiche „Gerät“, welches oft auch nicht umgebaut wurde. Es wird nur „andersherum“ eingesetzt. Die Asynchronmaschine (der Motor) wird mechanisch angetrieben (z.B. von einem Repeller, also von einem Flügelrad einer WKA (Windkraftanlage)) und erzeugt nun elektrische Energie. Doch reicht das aus, um auf diese simple Weise elektrischen Strom erzeugen zu können? Nicht ganz!

Asynchronmaschine, hier als Generator im Einsatz.
Bild oben; Urheber Biezl, Wikipedia. Ein vereinfachtes Schaltbild, wie eine Asynchronmaschine (eigentlich ein Motor) problemlos als Generator eingesetzt werden kann.
Minimumbeschaltung zum Einsatz als Stromgenerator.

Was ist erforderlich, um einen herkömmlichen Asynchronmotor als leistungsfähigen Generator einsetzen zu können? Nun, wenn es ganz einfach und kostengünstig gehen soll, macht man es so, wie es in „billigen“ Moppels, also die kleinen tragbaren Stromgeneratoren gemacht wird. Dort werden meist 3 Kondensatoren zwischen die Wicklungsanschlüsse geschaltet, wobei die Kapazität zur Leistung passen muss. Die Kondensatoren bilden zusammen mit den Spulen einen Schwingkreis (Kapazität / Induktivität). Der Motor wird so zum Generator und erzeugt Strom. Oben im Bild sieht man so eine Beschaltung. Fairerweise muss man hier aber auch erwähnen, das manche tragbare Stromgeneratoren noch einen modifizierten Generator haben.

Aber anders geht es natürlich viel besser! Und zwar bietet es sich an, einen herkömmlichen FU (Frequenzumrichter), welcher leistungsmässig min. die Leistung des Asynchronmotors hat, (der Generator) zu verwenden. Mit Hilfe des FU wird die „Wunschdrehzahl“ des Asynchrongenerator eingestellt, bei der die Stromproduktion beginnen soll. Sobald diese Drehzahl erreicht ist, bzw. etwas überstiegen ist – egal welche Drehzahl das auch immer sein mag – wird elektrische Energie erzeugt. Diese Energie findet sich im ZK (Zwischenkreis) des FU wieder, und kann (und muss) dort abgenommen, also abgeleitet werden. Wird sie nicht abgenommen, geht der FU in einen Fehlermodus, und trennt den Generator (Asynchronmaschine) vom FU. Achtung, in diesem Zustand läuft der Generator ohne jegliche Belastung, also im Leerlauf. Wenn also weiter mechanische Antriebsenergie zugeführt wird, kann diese nicht abgenommen werden. Ein Repeller (Propeller einer Windkraftanlage) würde dann also schnell (unzulässig) hohe Drehzahlen aufbauen! Hier sind also weitere Sicherheitseinrichtungen erforderlich!

Asynchronmaschine als Generator über einen Umrichter im Einsatz.
Bild oben; Urheber Biezl, Wikipedia. Hier eine Beschaltung die bereits einige Sicherheitsüberwachungen integriert hat.
Die Asynchronmaschine mit einem Umrichter als Stromgenerator einsetzen.

Achtung, bitte Vorsicht! Wir reden hier nicht über Kinderkram, sondern über lebensgefährliche Geräte, aufgrund der hohen Betriebsspannungen. Arbeiten Sie bitte nicht an FU und Asynchronmaschinen, wenn diese am lebensgefährlichen Stromnetz angeschlossen sind. Diese Arbeiten sind nur für ausgebildete Personen zulässig!

So, weiter möchte ich dieses Thema „Asynchronmotor“ hier in den Grundlagen nicht ausführen 🙂

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

Drehstrom-Asynchronmaschine

Hier geht es um einen ganz besonderen Motor, mit sehr universellen Eigenschaften: der Asynchronmotor, auch Asynchronmaschine, oder Drehstrom-Induktionsmaschine genannt. Dieser Motor ist wie fast jeder andere Elektromotor auch als Generator einsetzbar – sogar besonders einfach, da keine Umbauten erforderlich sind.

Jeder Elektromotor wandelt elektrischen Strom in Bewegungsenergie um. Der Strom wird in den Spulen (den Wicklungen) des Motors ein Magnetfeldes (Elektromagnetfeld) erzeugen. Je nach Motorprinzip (Motorart) wirkt dieses Magnetfeld auf ein Dauermagnetfeld oder auf ein anderes Elektromagnetfeld. Wie erwähnt besprechen wir hier lediglich den Asynchronmotor, welcher keine Dauermagneten hat. Umgekehrt kann ein Motor (auch ein Asynchronmotor) auch als Generator arbeiten. Dann wird mechanische Bewegungsenergie (Drehbewegung) in elektrische Energie umgewandelt.

Der (Drehstrom)Asynchronmotor: Ein Motor verbirgt in seinem Innern zwei wesentliche Komponenten. Den Stator (der feststehende Teil des Motors) und den Rotor (der drehende Teil des Motors). Der Rotor ist üblicherweise innen mittig, es ist dann ein „Innenläufer“. Vereinzelt – meist im kleineren Leistungsbereich anzutreffen, z.B. im Modellbaubereich – findet man auch „Aussenläufer“. Diese haben dann den Stator (das feststehende Teil des Motors) innen, und den Rotor (das drehende Teil des Motors) aussen. Bei diesen „speziellen“ Motoren handelt es sich jedoch nicht um eine typische Asynchronmaschine, sondern oft um eine permanent erregte Brushless Synchronmaschine. Diesen Spezialfall werden wir hier (heute) nicht weiter beschreiben.

Der Stator des Asynchronmotors: Der äußere Bereich ist mit Kupferwicklungen versehen, welche üblicherweise mit Drehstrom betrieben werden. Durch anlegen einer 3 phasigen Spannung (Anschluss an Drehstrom oder über einen FU, Frequenzumrichter), erzeugt das Paket mit den Wicklungen ein ganz spezielles Magnetfeld, nämlich das Drehfeld. Dieses Drehfeld (ein Magnetfeld) wirkt auf den zunächst noch stehenden Rotor.

Asynchronmaschine, Motor, FunktionsweiseDrehstrom-Asynchronmaschine (Motor), InnenaufbauAsynchronmaschine, Funktionsweise schematisch
Asynchron-Drehstrommaschine, Funktionsweise, PrinzipaufbauAsynchron-Drehstrommaschine, Innenaufbau. Wicklungen sind zu sehen.Asynchron-Drehstrommaschine, Funktionsweise, Schaltzeichen.
Funktion des Asynchron-Drehstrommotors

Vorteile: Liegen auf der Hand. Der Motor ist einfach und überschaubar aufgebaut. Es gibt praktisch keinen Verschleiß, ausser vielleicht zwei Kugellager. Die Kosten sind recht gering, weil es sich um Massenware handelt.

Nachteile: Eigentlich keine. So ein Motor muss natürlich an 3 phasigen Drehstrom betrieben werden. Ist dieser nicht vorhanden, z.B. nur 230 V Wechselstrom (also nur Null, Schutzleiter und eine Phase), so kann man – notfalls – einen Kondensator (Anlaufkondensator) zwischen zwei der drei Wicklungsanschlüsse schalten. Die Kapazität muss zur Leistung passen und beträgt etwa 70 uF pro kW Leistung. Allerdings geht sowas nur bis ca. 2 kW Leistung. Insgesamt ist diese Methode (mit Kondensator) nicht optimal, da der Wirkungsgrad der Asynchronmaschine auf diese Weise schlechter wird.

Heute wird diese Methode mit Kondensator einen Drehstrommotor an einer Phase zu betreiben, üblicherweise daher nicht mehr angewandt, da geeignete elektronische Ansteuerschaltungen (FU, Frequenzumrichter) recht günstig kaufbar sind. Drehstrommotoren können das Netz beim einschalten sehr stark belasten, und sogar zur Abschaltung des Netzes führen. Ab ca. 3 kW Leistung werden diese Motoren daher zunächst in Sternschaltung gestartet, um dann umzuschalten auf Dreieckschaltung. Dabei wird der Strom begrenzt. Besser ist jedoch die Verwendung eines FU.

Weiter unten finden Sie noch einen Hinweis zum Thema „Kühlschrank“ von einem Leser. Danke dafür 🙂

Der FU/Frequenzumrichter: Ein FU kann beinahe jede beliebige Drehzahl des Motors einstellen, sogar höhere Drehzahlen als das Netz selber erlaubt (Netz = 50 Hz). FU werden zwar üblicherweise auch an Drehstrom betrieben, können aber auch an 230 V AC (eine Phase) betrieben werden (bei geringerer Leistung), und stellen am Ausgang 3 Phasen für den Asynchronmotor zur Verfügung. FU (Frequenzumrichter) können auch mit Gleichspannung betrieben werden (dann min. ca. 320 V DC erforderlich, bzw. ca. 530 V DC bei größeren FUs).

Hinweis: Wenn eine Asynchronmaschine (Motor) an einem FU betrieben wird, und die Maschine (der Motor) abgebremst werden soll, so wird beim Abbremsen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Bei (sehr) kleinen Bremsenergiemengen kann der FU diese Energie selber aufnehmen und zwischenspeichern, und ggf. für den erneuten Start wieder einsetzen. Bei größeren Energiemengen muss die sich am ZK (Zwischenkreis) des FU aufbauende ggf. recht hohe Spannung natürlich abgeleitet werden. Geschieht dies nicht, geht der FU in Fehlerstellung und schaltet den Motor – der nun als Generator arbeitet – ab. Dieser Betriebsmodus (Asynchron-Generator) finden Sie hier und unten.

Achtung, bitte Vorsicht! Wir reden hier nicht über Kinderkram, sondern über lebensgefährliche Geräte, aufgrund der hohen Betriebsspannungen. Arbeiten Sie bitte nicht an FU und Asynchronmaschinen, wenn diese am lebensgefährlichen Stromnetz angeschlossen sind. Diese Arbeiten sind nur für ausgebildete Personen zulässig!

Halt, einen habe ich noch. Ende Dez. 2012 hat mich ein Leser (Mario Bode, Danke dafür) noch auf folgende Ergänzung zum Thema Kühlschrank hingewiesen; Kühlschränke haben keinen (separten) Motor, sondern einen Verdichter. In diesem Fall einen „Vollhermetischen Hubkolbenverdichter“. Es gibt zwar tatsächlich Verdichter, die mit (separaten) Motoren angetrieben werden, diese sind aber nur in Industriekälteanlagen zu finden. Der Antrieb eines Kühlschrankverdichters ist ein Elektromotor. Da aber SÄMTLICHE Teile dieses Verdichtertyps in einem Stück zusammengefaßt sind (und auch nicht getrennt werden können!!!), kann man beim Kühlschrank nicht von DEM Motor sondern nur vom Verdichter sprechen.

So, weiter möchte ich dieses Thema „Asynchronmotor“ hier in den Grundlagen nicht ausführen 🙂

Nochmals Danke an Mario, für die Korrektur zum Thema „Motor/Kühlschrank„.

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

Das ohmsche Gesetz

Das ohmsche Gesetz (Ohmsche Gesetz) beschreibt die Zusammenhänge zwischen dem Spannungsabfall auf einem ohmschen Leiter, der ja einen gewissen Widerstand hat. Und auf jedem Widerstand fällt eine Spannung ab (ein Verlust), welche vom Widerstand und von der Stromstärke abhängt.

Das Verhältnis von Spannungsabfall zu Stromstärke ist proportional, also verhältnisgleich. Doppelte Stromstärke bedeutet also auch doppelter Spannungsabfall. Doch es gibt noch weitere Faktoren, die den Spannungsabfall beeinflussen.

Das Ohmsche Gesetz wurde bereits 1826 von Georg Simon Ohm umfangreich beschrieben. Es beschreibt die Zusammenhänge von Spannung, Strom, Widerstand und Leistung an einem „idealen“, also von der Frequenz unabhängigen, und damit ohmschen Widerstand.

Es ist sehr wichtig und hilfreich, das ohmsche Gesetz, also die elektrischen Zusammenhänge von Spannung, Strom, Widerstand und Leistung zu verstehen. Nur dann können Schaltungen auch verstanden werden. Auch die Temperatur ist ein Faktor (von vielen weiteren), welche auf die entsprechenden Werte Einfluss nimmt.

Doch was bedeutet eigentlich „ohmscher Leiter“ oder „ohmscher Widerstand? Nun, es bedeutet, dass die Gesetze für Spannung, Strom, Widerstand und Leistung von der Frequenz unabhängig sind. Denn neben ohmschen Widerständen (also ohmsche Leiter, Stromleiter, Kabel) gibt es ja auch kapazitive und induktive Widerstände. Ein normales Kabel z.B. hat durchaus auch einen induktiven, und auch einen kapazitiven Widerstandsanteil, neben dem sowieso vorhandenen ohmschen Widerstandsanteil.

Das ohmsche Gesetz kann auch für nicht ohmsche Widerstände (also nicht ohmsche Leiter) eingesetzt werden. Diese spezielle Thematik soll an dieser Stelle jedoch nicht weiter behandelt werden.

Elektronik, ohmsches Gesetz, Strom, Spannung, Leistung, Stromquelle, Verbraucher, Widerstand.
Zusammenhänge im Ohmschen Gesetz
Tabelle des ohmschen Gesetzes

Im wesentlichen geht es beim Ohmschen Gesetz um drei sog. Hauptformeln. Freilich können aus zwei Werten weitere berechnet werden.

…..Spannung (Formelzeichen U für lat. ugure, in Volt)  => U = R mal I, also Widerstand mal Strom.

…..Widerstand (Formelzeichen R für engl. Resistor, in Ohm) => R = U/I also Spannung durch Strom.

…..Strom (Formelzeichen I für engl. Intensität, in Ampere) => I = U/R also Spannung durch Widerstand.

Oben im Bild sieht man die Stromquelle, welche ja letztlich auch einen eigenen (Innen)Widerstand hat. Dies alleine ist der Grund, warum eine Stromquelle „in die Knie geht“, wenn sie belastet wird. Es fällt schlicht ihre eigene Spannung an ihren eigenen Widerstand ab. Weiter sehen wir die Leitung. Auch auf Ihr fällt eine Spannung ab, eben weil ein Strom fließt, welcher einen Spannungsabfall an dem Widerstand der Leitung verursacht. Rechts der Verbraucher, an dem die Spannung anliegt.

Wie wichtig das Thema „Spannungsabfall“ ist, zeigt folgendes Beispiel;

Ein Verbraucher für 12 V DC verursacht angenommen einen Stromfluss von 10 A. Auf einer 1,5 mm2 dicken (bzw. dünnen) Stromleitung von z.B. 10 Meter Länge hat dies einen Spannungsabfall von mehreren Volt zur Folge. Das Verhältnis von Spannungsabfall zu Betriebsspannung ist hier also extrem ungünstig. Von den 12 V kommen vielleicht nur noch 10 oder 9 V am Verbraucher an. Das ist nur noch ca. 75 % der ursprünglichen Spannung.

Anders sieht es aus, wenn ein Verbraucher z.B. für 120 V DC ebenfalls einen Stromfluss von 10A verursacht. Auf der gleichen Leitung fällt dann zwar die gleiche Spannung in Volt ab, jedoch macht sich der aus wenige Volt bestehende Spannungsabfall in Bezug zur Höhe der Spannung der Spannungsquelle ganz erheblich weniger negativ bemerkbar. Von den 120 V kommen dann immer noch 117 Volt beim Verbraucher an.

Das bedeutet; große Leistungen sollten möglichst mit hohen Spannungen übertragen werden, da die Verluste (in Prozent) dann geringer sind. Das alleine ist auch der Grund, warum wir draußen Hochspannungsleitungen haben, mit bis zu 400.000 Volt. Wer kann so eine hohe Spannung gebrauchen? Niemand. Nicht mal Generatoren können eine so hohe Spannung erzeugen. Aber um die Leistung (z.B. eines Kraftwerkes) über lange Entfernungen möglichst verlustfrei übertragen zu können, wird die Spannung mit einem Trafo hochgesetzt, über bis zu tausende von Kilometern transportiert, um sie am Ende wieder mit einem Trafo herunter zu setzen. Das Verfahren ist teuer, aber dennoch effektiver, als z.B. eine 400V Drehstromspannung (Kraftstrom, Stern/Dreieck) über so lange Entfernungen zu transportieren – die Verluste wären unglaublich hoch.

So, weiter möchte ich dieses Thema „Ohmschen Gesetz“ hier in den Grundlagen nicht ausführen 🙂

Vielen Dank für´s lesen.

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

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