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Kraftübertragung

[433] Kraftübertragung (Arbeitsübertragung) (transmission of power or energy; transmission ou transport d'énergie; trasporto di forza), die dauernde Fortleitung von Energiemengen auf eine gewisse Entfernung. Der Zweck ist fast immer der, daß man die Energie im großen erzeugen will, um sie dann für den Antrieb kleiner Maschinen an beliebigem Ort zur Verfügung zu haben. In anderen Fällen will man die Energie an einer Stelle erzeugen können, wo sie besonders preiswert zu beschaffen ist (Wasserkraftanlagen, Brennstoffzufuhr zu Wasser), worauf sie an den Ort der Verwendung übertragen werden muß.

Diese Fortleitung der Energie bezeichnet man oft als Kraftübertragung; sie sollte richtiger als Arbeits- oder Energieübertragung bezeichnet werden. Als praktisch meist verwendete Formen der Übertragung sind zu nennen die elektrische Kraftübertragung und die mechanische Kraftübertragung durch Druckwasser (hydraulisch) und Druckluft (pneumatisch). Bei jeder dieser Formen wird an einer Zentralstelle durch Primärmaschinen unter Aufwand mechanischer Arbeit die fortzuleitende Energieform erzeugt; in entfernter Stelle werden Sekundärmaschinen von der fortgeleiteten Energie betrieben.

Bei der elektrischen K. erzeugen Dynamomaschinen, die z.B. durch Dampfkraft betrieben werden, in einer Zentrale elektrischen Strom, der durch eine Drahtleitung fortgeleitet wird. Er dient an den Verbrauchsstellen zum Betrieb von elektrischen Motoren, sowie auch zur Beleuchtung. Die übertragene Arbeitsleistung ist gegeben durch das Produkt aus der übertragenen Stromstärke J (die in Ampere gemessen wird) und der Spannung (Potentialdifferenz) E zwischen den beiden Leitern, in denen die Übertragung stattfindet. Letztere wird in Volt gemessen. Man findet die übertragene Arbeitsleistung N in Watt (1 Kilowatt = 1000 Watt) nach der Formel

N^Watt = J^Amp × E^Volt (1)

Diese Formel gilt ohne weiters allerdings nur für Gleichstrom, der für die Übertragung größerer Energiemengen nur auf mäßige Entfernungen in Betracht kommt (ein oder wenige Kilometer). Für große Entfernungen eignet sich die Übertragung durch Gleichstrom deshalb nicht, weil man den Gleichstrom[433] nicht einfach transformieren kann. Da nämlich die Verluste in einer Leitung bestimmten Querschnittes mit dem Quadrat der Stromstärke zunehmen, nicht aber von der Spannung abhängen, so muß man bestrebt sein, die Fortleitung einer verlangten Energiemenge bei tunlichst hoher Spannung zu bewirken, damit nach Formel (1) die Stromstärke entsprechend klein ausfällt. Spannungen über 500 Volt sind aber mit Gleichstrommaschinen nicht leicht zu erzeugen, andererseits wäre die direkte Verwendung höherer Spannungen in Elektromotoren lebensgefährlich.

Mit Wechselstrom dagegen ist eine einfache Umsetzung der Spannung in ruhenden Transformatoren möglich. Vor allen Dingen läßt sich der hochgespannte Wechselstrom an der Verbrauchsstelle durch Transformatoren ohne alle beweglichen Teile, die also auch keine Aufsicht brauchen, in solchen von niederer Spannung und entsprechend höherer Stromstärke unter Aufrechterhaltung der Leistung – Formel (1) – verwandeln, so daß jede Gefährdung der Benützer vermieden wird. Auch die unmittelbare Erzeugung hochgespannten Stromes ist bei Wechselstrom nicht schwierig. Doch kann man Wechselstrom auch mit niederer Spannung und großer Stromstärke erzeugen und ihn in solchen von hoher Spannung und niedriger Stromstärke umwandeln, der sich zur Fortleitung wirtschaftlich eignet.

Der Wechselstrom wird verwendet als einphasiger Wechselstrom (Wechselstrom im engeren Sinne) oder auch als Drehstrom, zu dessen Fortleitung drei Leiter erforderlich sind, zwischen denen sich drei einfache Wechselströme in eigenartigerweise übereinander legen. Der Drehstrom ist besonders geeignet für den Antrieb von elektrischen Motoren; diese werden für Drehstrom einfacher als für Gleichstrom. Der Bau von Motoren für einphasigen Wechselstrom bereitet noch immer Schwierigkeiten; gerade für Bahnbetriebe wird trotzdem einphasiger Wechselstrom mehrfach angewendet, weil er wie Gleichstrom nur einen Fahrdraht verlangt. Sonst aber ist Drehstrom die für die K. meist verwendete Stromart.

Die Leistungsberechnung nach Formel (1) bezieht sich (genau) nur auf Gleichstrom. Für Wechsel- und Drehstrom ist die Leistung kleiner als das Produkt der Spannung und Stromstärke, sobald die Maxima der Stromwechsel und die Maxima der Spannungswechsel nicht gleichzeitig stattfinden, sobald also eine Phasenverschiebung um einen Winkel φ stattfindet. Es ist dann

N^Watt = J^Amp × E^Volt × cos φ (2)

cos φ heißt der Leistungsfaktor. Bei Drehstrom ist bei gewissen Schaltungen die rechte Seite überdies noch mit √3 zu multiplizieren, u.zw. wegen der Verwendung von drei Leitern.

Für die Fortleitung von Wechsel- und Drehstrom sind Spannungen von 10–20.000 Volt normal, doch sind schon Spannungen bis zu 100.000 Volt und mehr verwendet worden. Damit lassen sich Entfernungen von vielen hundert Kilometern wirtschaftlich überwinden. Je höher man die Spannung wählt, desto kleiner wird nach Formel (2) die Stromstärke, desto kleiner kann man also die Drahtdurchmesser halten; andererseits wachsen mit der Spannung die an die Isolierung zu stellenden Anforderungen. Wechselstrom wird für industrielle Zwecke in Europa meist mit 50 Perioden in der Sekunde verwendet, d.h. die Ströme und Spannungen in den Leitern wechseln 50mal sekundlich ihre Richtung. Auch Drehstrom hat meist 50 Perioden; die miteinander verketteten drei Wechselströme erzeugen dann ein Drehfeld, das 50mal sekundlich umläuft. Für elektrische Vollbahnen sind Periodenzahlen von 15 oder 16²/₃ üblich.

Neben der elektrischen treten die übrigen Formen der K. zurück und werden heute nur noch für Sonderfälle verwendet.

Bei der hydraulischen K. wird in der Zentrale Preßwasser unter einen Druck von 50 bis 250 Atm. gesetzt. Für die Fortleitung dienen Röhren aus Stahl mit besonderer Gummidichtung. Die übertragene Leistung in Pferdestärken ist gegeben durch das Produkt aus der Wassermenge, die übertragen wird, und der Spannung, bei der die Übertragung stattfindet. Es ist

N^PS = Q^cbm/sek × p^Atm × ¹⁰⁰⁰⁰/₇₅ (3)

Die Zahl 75 dient der Umrechnung von Meterkilogramm pro Sekunde in PS, die Zahl 10000 rührt her von der Umrechnung der Atmosphären in Kilogramm pro Quadratmeter (1 Atm. = 10.000 kg/m²). Auch bei Druckwasser wird die zur Übertragung einer bestimmten Leistung zu übertragende Wassermenge um so kleiner, je höher man den Druck wählt, um so enger werden alsdann die Rohrleitungen, allerdings auch um so starkwandiger.

Nachteile der Druckwasserübertragung gegenüber der elektrischen sind die Verwendung der umständlichen Rohrleitung gegenüber dem einfacheren elektrischen Kabel, die Möglichkeit des Einfrierens und die Unmöglichkeit wirtschaftlicher Regelung der mit Druckwasser betriebenen Maschinen. Auch ist mittels Druckwasser nur eine langsam hin- und hergehende Bewegung bequem zu erzeugen, schwieriger eine umlaufende, z.B. Brandtsche Gesteinsbohrmaschine. Die Verwendung der hydraulischen[434] K. bei Neuanlagen beschränkt sich daher im wesentlichen auf gewisse Verwendungen in der Schwerindustrie zur Erzeugung großer Kräfte in hydraulischen Pressen und zum Betätigen der den Pressen benachbarten Krane.

Die pneumatische oder Druckluftübertragung verwendet an Stelle des Preßwassers Druckluft. Diese wird in der Zentrale von einem ein- oder mehrstufigen Kompressor unter einen Druck von meist 50 Atm. gesetzt und in Rohrleitungen fortgeleitet. Die übertragene Leistung ist wie bei Druckwasser nach Formel (3) durch das Produkt aus dem übertragenen Luftvolumen und dem Übertragungsdruck gegeben.

Die Verwendung der Druckluftübertragung zur Versorgung ganzer Städte mit Energie, wie sie in Paris und Offenbach geschah, ist seit Einführung der elektrischen K. nicht mehr üblich. Viel verwendet wird noch heute die Druckluftübertragung zum Antreiben von Werkzeugmaschinen aller Art in Werkstätten, wobei sich die Übertragung auf mäßige Entfernungen beschränkt. Insbesondere Nietmaschinen, Stemmmaschinen und einfache Handkrane werden häufig durch Druckluft angetrieben, ferner ist die Verwendung der Druckluftbohrer (s. Gesteinsbohrmaschinen) bei Tunnelbauten zu erwähnen. In allen diesen Fällen, besonders aber im letzteren schätzt man es als eine gute Eigenschaft der Druckluftübertragung, daß sie zugleich eine mäßige Lüftung ergibt, sowie daß mit der Ausdehnung der Luft in den Arbeitsmaschinen auch noch eine Abkühlung, also eine Wärmeentziehung für die Umgebung, verbunden ist.

In den bisher genannten Fällen kommt es darauf an, Energie dauernd und in erheblicher Menge zu übertragen, um Menschenarbeit durch Maschinenkraft zu ersetzen und die Vorteile größerer Zentralisierung des Hauptbetriebes zu erreichen.

Gerade für die Zwecke des Eisenbahnwesens sind aber noch eine Reihe von Anwendungsformen zu nennen, die eher als K. im engeren Sinne zu bezeichnen wären, weil nicht so sehr der Energieaufwand an der Verwendungsstelle in Frage kommt, als vielmehr wirklich die Übertragung der Kraft als solcher. Man denke z.B. an die Betätigung von Stellwerken, Schranken, Bremsen u.a.m. In diesen Fällen ist zwar stets auch Energie von der Zentrale zur Verwendungsstelle zu übertragen. Hierbei ist aber, so z.B. bei der Druckluftbremse die Übertragung der Energie von der Lokomotive auf die Bremsen der einzelnen Wagen nur nebensächlich. Sie entspricht der Tatsache, daß zum Anziehen der Bremsen das Zurücklegen eines gewissen Bremsweges unvermeidlich ist. Während der Dauer des eigentlichen Bremsvorganges aber hat die Druckluft nur die Aufgabe, die Kraft zum Andrücken der Bremsklötze in regelbarer Stärke dauernd herzugeben, und von dem Augenblick an, wo die Bremsklötze sich mit voller Kraft an die Räder gelegt haben, wird nur noch eine Kraft, nicht aber mehr Energie übertragen (außer wenn etwa die Leitung undicht ist). Auch bei den Stellwerken handelt es sich nicht um dauernde Übertragung größerer Energiemengen.

Für diese Übertragung von Kraft kommen in erster Linie Elektrizität und Druckluft, gelegentlich auch Druckwasser zur Verwendung.

Über Einzelheiten vgl. die Aufsätze: Bremse, Druckluftbahnen, Elektrische Eisenbahnen, Gesteinsbohren, Kraftstellwerke, Werkstätten.

Gramberg.