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Wechselstrom Drehstrom und Netzgrößen – Phasenverschiebungen anschaulich erklären

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Wechselstrom Drehstrom und Netzgrößen – Phasenverschiebungen anschaulich erklären

Einleitung

Warum kommen Strom und Spannung manchmal zeitversetzt an? Und was unterscheidet diesen Versatz von den drei Phasen des Drehstroms?

In diesem praxisorientierten aiMOOC lernst Du, Wechselstrom, Phasenverschiebung, Drehstrom und wichtige Netzgrößen anhand von Signaldiagrammen, Stromlaufbildern, Videos und einer digitalen Schaltungssimulation kennen.

Zielgruppe: Elektrotechnische Ausbildung, Berufsschule und technische Weiterbildung.

Lernzeit: Sieben kurze Lerneinheiten von etwa 5 bis 12 Minuten, anschließend Übungen und ein Ausbildungsfall.

Lernziele: Du kannst einen zeitlichen Versatz im Signaldiagramm erkennen, sein Vorzeichen erklären, den Phasenwinkel berechnen, Stern- und Dreieckschaltung unterscheiden und den Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung, Leistungsfaktor und Leiterstrom begründen.

Wichtig: Alle experimentellen Aufgaben werden ausschließlich digital simuliert. Alternativ dürfen geeignete, geprüfte, berührungssichere Schulungsmodelle im vorgesehenen Sicherheitskleinspannungsbereich unter fachkundiger Anleitung eingesetzt werden. Arbeiten an realen elektrischen Anlagen dürfen ausschließlich entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen im jeweils zulässigen Rahmen durchführen. Ein Quiz, ein Lernnachweis oder ein erfolgreicher Simulationsversuch stellt niemals eine Freigabe für Elektroarbeiten dar.

Lerneinheit 1: Wechselstrom als Sinuskurve

Lernzeit: 5 Minuten

Bei sinusförmigem Wechselstrom verändern sich Spannung und Stromstärke periodisch. Eine vollständige Wiederholung heißt Periode.

Bildauftrag: Suche im Signaldiagramm die Amplitude, die Periodendauer und den Effektivwert.

Netzgröße	Bedeutung	Beispiel
Frequenz f	Schwingungen pro Sekunde	50 Hz
Periodendauer T	Zeit einer vollständigen Schwingung	20 ms
Effektivspannung U	Effektivwert einer Wechselspannung	230 V
Scheitelwert Û	Größter Betrag der Momentanspannung	etwa 325 V bei sinusförmigen 230 V

Merke: T = 1 / f. Bei 50 Hz dauert eine Periode 20 ms. Für eine Sinusspannung gilt Û = √2 · U.

Video: Liniendiagramm und Zeigerdiagramm – Wechselgrößen grafisch darstellen.

Mini-Auftrag: Markiere auf einer gezeichneten Sinuskurve zwei aufeinanderfolgende positive Maxima. Der zeitliche Abstand ist eine Periode.

Lerneinheit 2: Was bedeutet Phasenverschiebung?

Lernzeit: 6 Minuten

Zwei sinusförmige Größen gleicher Frequenz sind gleichphasig, wenn ihre entsprechenden Nulldurchgänge und Maxima gleichzeitig auftreten.

Gleichphasige Signale: Die markanten Zeitpunkte fallen zusammen.

Bei einer Phasenverschiebung tritt dieselbe Stelle der Kurve früher oder später auf.

Signaldiagramm: Die horizontale Verschiebung zeigt den zeitlichen Versatz.

Umrechnung:

Phasenwinkel in Grad = 360° · Zeitversatz / Periodendauer

Bei 50 Hz gilt:

Phasenwinkel	Zeitversatz
30°	etwa 1,67 ms
90°	5 ms
120°	etwa 6,67 ms
180°	10 ms

Beispiel: Strom erreicht seinen positiven Maximalwert 5 ms später als Spannung. Bei 50 Hz bedeutet das einen Stromnachlauf von 90°.

Vorzeichenkonvention in diesem Kurs: φ = Phasenwinkel der Spannung gegenüber dem Strom. Ein positiver Winkel bedeutet, dass der Strom der Spannung nacheilt; ein negativer Winkel bedeutet Stromvorlauf.

Für sinusförmige Größen kann man schreiben:

u(t) = Û · sin(2πft)

i(t) = Î · sin(2πft − φ)

Mini-Auftrag: Zeichne zwei gleich schnelle Sinuskurven. Verschiebe die Stromkurve um eine Viertelperiode nach rechts und begründe, warum der Strom nacheilt.

Lerneinheit 3: Widerstand, Spule und Kondensator

Lernzeit: 8 Minuten

Bei sinusförmiger Anregung verhalten sich ideale Grundbauelemente unterschiedlich.

Bauelement	Strom und Spannung	Phasenwinkel φ
Ohmscher Widerstand	Strom und Spannung gleichphasig	0°
Ideale Spule	Strom eilt der Spannung nach	+90°
Idealer Kondensator	Strom eilt der Spannung voraus	−90°

Induktive Phasenverschiebung

Stromlaufbild einer RL-Reihenschaltung: Widerstand und Spule.

Bei einer ideal induktiven Last liegt die Spannung zeitlich vor dem Strom.

Merksatz: An der idealen Spule kommt der Strom später.

Video: Phasenverschiebung an der Spule, mit Zeigerdiagramm.

Kapazitive Phasenverschiebung

Bei einer ideal kapazitiven Last liegt der Strom zeitlich vor der Spannung.

Merksatz: Am idealen Kondensator kommt der Strom früher.

Video von Lehrer MaPhy: Vergleich von Widerstand, Spule und Kondensator.

Gemischte Wechselstromschaltung

Stromlaufbild einer RLC-Reihenschaltung.

Bei einer kombinierten RLC-Last hängt der Phasenwinkel von den Bauelementwerten und der Frequenz ab. Er beträgt nicht automatisch 90°.

Mini-Auftrag: Beschreibe anhand der drei Signaldiagramme, welche Kurve zuerst ihren positiven Maximalwert erreicht.

Lerneinheit 4: Phasenverschiebung sicher simulieren

Lernzeit: 10 Minuten

Du verwendest ausschließlich den digitalen Schaltungssimulator CircuitJS/Falstad.

Interaktiven Schaltungssimulator öffnen

Offizielle Beschreibung der Beispielschaltungen

Das Programm zeigt virtuelle Stromkreise und die zeitlichen Verläufe elektrischer Größen. Es stellt keine reale elektrische Verbindung her.

Simulation A: Drei Grundlasten vergleichen

Öffne im Simulator das Menü Circuits → A/C Circuits → Impedances of Same Magnitude.

Diese nachgewiesene Beispielschaltung vergleicht einen Widerstand, eine Spule und einen Kondensator mit gleich großen Impedanzbeträgen.

Beobachte den Verlauf von Spannung und Strom bei allen drei virtuellen Lasten.
Ermittle, bei welcher Last die Signale gleichzeitig ihre Maxima erreichen.
Entscheide, wo Stromvorlauf und wo Stromnachlauf auftreten.
Fertige einen Screenshot an und markiere die zugehörigen Kurven.

Feedback: Beim Widerstand stimmen die Phasen überein. Bei der Spule folgt der Strom nach, beim Kondensator eilt er voraus. Unterschiedliche Kurvenhöhen allein beweisen keine Phasenverschiebung; ausschlaggebend sind entsprechende Zeitpunkte.

Simulation B: Einzelne Lasten untersuchen

Wähle nacheinander die Beispiele A/C Circuits → Capacitor und A/C Circuits → Inductor.

Beobachte die Zeitdiagramme und beschreibe die Lage von Spannung und Strom. Vergleiche dazu die Abbildungen aus Lerneinheit 3.

Zusatzversuch: Verändere in der Simulation die Frequenz und beobachte, wie sich der Strombetrag verändert.

Feedback: Bei idealen Elementen bleibt die Phasenbeziehung Spule +90° beziehungsweise Kondensator −90° bestehen. Die Beträge der Blindwiderstände sind frequenzabhängig: X_L = 2πfL und X_C = 1 / (2πfC). Bei einer festen Quellspannung beeinflusst das den Strombetrag.

Sicherheitsgrenze: Übertrage diese Versuchsanordnung niemals eigenständig auf eine Netzsteckdose, einen Schaltschrank oder ein reales Betriebsmittel. Auch ein gewöhnliches Oszilloskop ist ohne geeignete Messtechnik und Qualifikation kein sicheres Messmittel für beliebige Netzanschlüsse.

Lerneinheit 5: Drehstrom – drei versetzte Spannungen

Lernzeit: 8 Minuten

Dreiphasenwechselstrom besteht im symmetrischen Grundmodell aus drei sinusförmigen Spannungen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude. Sie sind jeweils um 120° gegeneinander verschoben.

Die drei Spannungen erreichen ihre positiven Maxima zeitlich nacheinander. Die Linienfarben sind ausschließlich Diagrammfarben und keine verbindliche deutsche Leiterkennzeichnung.

Bei 50 Hz entsprechen 120° einem Versatz von rund 6,67 ms.

Achtung – zwei unterschiedliche Phasenwinkel:

Vergleich	Bedeutung
Spannung L1 gegenüber Spannung L2	120° im symmetrischen Drehstromsystem
Spannung gegenüber Strom derselben Last	Abhängig vom Lastverhalten, beispielsweise induktiv oder kapazitiv

Die 120° zwischen den drei Netzspannungen sagen also noch nichts darüber aus, ob der Strom einer angeschlossenen Last ihrer Spannung voraus- oder nacheilt.

Video: Grundlagen des Drehstromsystems sowie Stern- und Dreieckschaltung.

Sternschaltung

Schematische Sternschaltung mit gemeinsamem Sternpunkt.

In einer symmetrischen Sternschaltung liegt an jedem Strang die Strangspannung an. Bei einem üblichen 230/400-V-System beträgt sie näherungsweise 230 V.

Dreieckschaltung

Schematische Dreieckschaltung: Die drei Stränge bilden einen geschlossenen Ring.

Im selben 230/400-V-System liegt bei der Dreieckschaltung an jedem Laststrang die Außenleiterspannung von 400 V an.

Wichtig: Die Bilder erklären Schaltungsprinzipien und sind keine Arbeitsanleitungen zum Anschließen von Motoren. Die geeignete Betriebsart eines realen Motors ergibt sich unter anderem aus seinen Herstellerangaben und seiner Bemessung.

Mini-Auftrag: Markiere in den beiden Schaltungsbildern die drei Laststränge und erkläre den Unterschied zwischen Sternpunkt und Dreieck.

Lerneinheit 6: Netzgrößen und elektrische Leistung

Lernzeit: 7 Minuten

Im üblichen europäischen Niederspannungs-Drehstromnetz gelten die Nennwerte:

Größe	Typischer Nennwert
Frequenz	50 Hz
Spannung Außenleiter gegen Neutralleiter	230 V
Spannung zwischen zwei Außenleitern	400 V
Periodendauer	20 ms

Die Beziehung im symmetrischen System lautet:

U zwischen Außenleitern = √3 · U eines Strangs gegen Neutralleiter

Damit ergeben 230 V · √3 ungefähr 400 V.

Dies sind Nennwerte, keine Aussage über eine garantierte Momentanspannung.

Wirk-, Blind- und Scheinleistung

Leistungsdreieck mit Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung und Phasenwinkel.

Größe	Zeichen	Einheit	Bedeutung
Wirkleistung	P	Watt	Im Mittel umgesetzte Leistung
Blindleistung	Q	var	Pendelnder Energieaustausch mit elektrischen und magnetischen Feldern
Scheinleistung	S	VA	Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom
Leistungsfaktor	cos φ	dimensionslos	Verhältnis P zu S bei sinusförmigen Größen

Für eine symmetrische, sinusförmige Drehstromlast gilt:

P = √3 · U_LL · I_L · cos φ

U_LL bezeichnet die Spannung zwischen zwei Außenleitern; I_L bezeichnet den Außenleiterstrom.

Merke: Bei gleicher Wirkleistung und Spannung erfordert ein kleinerer positiver Leistungsfaktor einen größeren Leiterstrom.

Bei verzerrten, nichtsinusförmigen Signalen reicht cos φ allein zur Beschreibung des gesamten Leistungsfaktors nicht aus.

Lerneinheit 7: Ausbildungsfall Lüftungsantrieb

Lernzeit: 12 Minuten

Die Situation

Du befindest Dich in der Ausbildung in einem Betrieb mit einer industriellen Lüftungsanlage.

Eine Elektrofachkraft erklärt Dir die elektrische Belastung eines Drehstromantriebs. Deine Aufgabe besteht darin, das Verhalten eines vereinfachten digitalen Lastmodells zu untersuchen.

Du arbeitest ausschließlich mit Schaltungsbildern, Berechnungen und Simulationen. Die Anlage selbst bleibt unberührt.

Gegebene Werte des simulierten, symmetrischen Betriebszustands:

Größe	Wert
Außenleiterspannung U_LL	400 V
Netzfrequenz	50 Hz
Elektrische Eingangs-Wirkleistung P	2,4 kW
Leistungsfaktor cos φ	0,80
Lastcharakter	Induktiv

Die Wirkleistung bezeichnet ausdrücklich die elektrische Eingangsleistung, nicht die mechanische Abgabeleistung eines Motors.

Basisaufgabe: Signalverhalten erkennen

Auftrag: Zeichne eine Spannungs- und eine Stromkurve für eine induktive Last. Markiere, welche Kurve vorauseilt.

Begründetes Feedback: Die Spannung eilt dem Strom voraus. Der Stromaufbau wird durch das induktive Verhalten verzögert. Ein realer Motor besitzt zusätzlich ohmsche Anteile, weshalb der Phasenwinkel im Allgemeinen kleiner als 90° ist.

Anwendungsaufgabe: Leiterstrom berechnen

Auftrag: Berechne den Außenleiterstrom für den angegebenen Betriebspunkt.

Lösung:

I_L = P / (√3 · U_LL · cos φ)

I_L = 2400 W / (√3 · 400 V · 0,80)

I_L ≈ 4,33 A

Begründetes Feedback: Der Leistungsfaktor muss im Nenner stehen. Wer ihn weglässt, unterschätzt den Leiterstrom. Die Formel ist auf den beschriebenen symmetrischen, sinusförmigen Betriebspunkt beschränkt.

Transferaufgabe: Was ändert ein besserer Leistungsfaktor?

Auftrag: Vergleiche rechnerisch mit einer hypothetischen Last, die dieselben 2,4 kW elektrische Wirkleistung bei derselben Außenleiterspannung und cos φ = 1 aufnimmt.

Lösung:

I_L = 2400 W / (√3 · 400 V · 1)

I_L ≈ 3,46 A

Der Strom beträgt im Vergleich zu 4,33 A nur noch rund 80 % des ursprünglichen Werts.

Begründetes Feedback: Bei gleichbleibender elektrischer Wirkleistung und Spannung sinkt in diesem Idealmodell der benötigte Leiterstrom. Daraus folgt nicht automatisch, dass ein realer Motor verlustfrei arbeitet oder seine mechanische Leistung verändert wird. Die Dimensionierung und eine mögliche Blindleistungskompensation realer Anlagen gehören in die Verantwortung qualifizierter Fachkräfte.

Gestufte Hilfen für den Ausbildungsfall

Hilfe 1 – Den Ansatz finden

Entscheide zuerst, welche Größe gesucht wird: Außenleiterstrom I_L. Notiere die gegebene elektrische Wirkleistung P, die Außenleiterspannung U_LL und den Leistungsfaktor cos φ.

Hilfe 2 – Die Formel wählen

Beginne mit P = √3 · U_LL · I_L · cos φ. Stelle nach I_L um und rechne 2,4 kW vor dem Einsetzen in 2400 W um.

Hilfe 3 – Das Ergebnis überprüfen

Berechne zuerst √3 · 400 · 0,80 ≈ 554,3. Teile danach 2400 durch 554,3. Prüfe abschließend die Einheit Ampere und die Annahme einer symmetrischen Last.

Kompetenztraining mit Feedback

Bearbeite zunächst die Aufgabe und öffne erst anschließend die Rückmeldung.

Basis

Aufgabe B1: Ein Signal wiederholt sich 50-mal pro Sekunde. Bestimme seine Periodendauer.

Feedback anzeigen

Richtig sind 20 ms. Aus T = 1/f folgt 1/50 s = 0,02 s. Millisekunden und Sekunden müssen korrekt umgerechnet werden.

Aufgabe B2: Zeichne Strom und Spannung für einen idealen Widerstand.

Feedback anzeigen

Die beiden Sinuskurven besitzen dieselben Nulldurchgänge und Maximalzeitpunkte. Ihre Amplituden können verschieden sein; Gleichphasigkeit verlangt keine gleichen Zahlenwerte von Strom und Spannung.

Aufgabe B3: Ordne Spule und Kondensator den Begriffen Stromvorlauf und Stromnachlauf zu.

Feedback anzeigen

Die ideale Spule verursacht Stromnachlauf, der ideale Kondensator Stromvorlauf. Prüfe die zeitliche Lage der Maxima, nicht die Richtung der vertikalen Auslenkung.

Anwendung

Aufgabe A1: Spannung und Strom sind bei 50 Hz um 2,5 ms versetzt. Bestimme den Betrag des Phasenwinkels.

Feedback anzeigen

45° ist richtig: 360° · 2,5/20 = 45°. Ob der Winkel positiv oder negativ ist, hängt davon ab, welches Signal vorausläuft.

Aufgabe A2: In einer Sternschaltung liegt eine symmetrische Strangspannung von 230 V an. Berechne die Außenleiterspannung.

Feedback anzeigen

230 V · √3 ≈ 398 V, also näherungsweise der Nennwert 400 V. Der Faktor √3 entsteht aus der geometrischen Differenz zweier um 120° versetzter Spannungszeiger.

Aufgabe A3: Begründe anhand der Formel für die Wirkleistung, warum ein kleinerer Leistungsfaktor bei gleicher elektrischer Wirkleistung den Strom erhöht.

Feedback anzeigen

Weil I_L = P/(√3 · U_LL · cos φ) gilt, wird bei einem kleineren cos φ der Nenner kleiner und der erforderliche Strom größer. Die Aussage gilt unter den angenommenen sinusförmigen, symmetrischen Bedingungen.

Transfer

Aufgabe T1: Jemand behauptet: „Im Drehstromnetz sind Strom und Spannung immer um 120° verschoben.“ Beurteile die Aussage.

Feedback anzeigen

Die Aussage vermischt zwei verschiedene Beziehungen. Die drei symmetrischen Netzspannungen sind untereinander um 120° versetzt. Die Verschiebung zwischen Strom und Spannung eines Laststrangs hängt dagegen von der Last ab.

Aufgabe T2: Vergleiche eine rein ohmsche und eine induktive symmetrische Last mit gleicher Wirkleistung und Spannung.

Feedback anzeigen

Bei der ideal ohmschen Last ist cos φ = 1. Bei einer induktiven Last mit einem Leistungsfaktor unter 1 ist der Leiterstrom größer. Die Beschreibung benötigt zusätzlich eine klare Angabe der Vergleichsbedingungen.

Aufgabe T3: Ein Azubi hat alle Quizfragen richtig beantwortet und möchte deshalb selbstständig eine reale Drehstromanlage untersuchen. Beurteile das Vorgehen.

Feedback anzeigen

Das Vorgehen ist nicht zulässig. Ein Wissenstest belegt weder die erforderliche elektrotechnische Qualifikation noch eine Beauftragung, Gefährdungsbeurteilung oder die erforderlichen betrieblichen Schutzmaßnahmen. Die Simulation vermittelt Wissen, aber keine Arbeitsfreigabe.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie lange dauert eine Periode einer sinusförmigen Wechselspannung mit 50 Hz? (20 Millisekunden) (!5 Millisekunden) (!50 Millisekunden) (!100 Millisekunden)

Welche Phasenbeziehung gilt für einen idealen ohmschen Widerstand? (Strom und Spannung sind gleichphasig) (!Strom eilt um 90 Grad voraus) (!Strom eilt um 90 Grad nach) (!Die Frequenz des Stroms ist doppelt so groß)

Wie verhält sich der Strom an einer idealen Spule im sinusförmigen Wechselstromkreis? (Er eilt der Spannung um 90 Grad nach) (!Er eilt der Spannung um 90 Grad voraus) (!Er ist immer gleich null) (!Er hat die doppelte Frequenz der Spannung)

Wie verhält sich der Strom an einem idealen Kondensator bei sinusförmigem Wechselstrom? (Er eilt der Spannung um 90 Grad voraus) (!Er eilt der Spannung um 90 Grad nach) (!Er bleibt ständig unverändert) (!Er ist immer gleichphasig zur Spannung)

Welchem Phasenwinkel entspricht ein Versatz von 5 Millisekunden bei 50 Hz? (90 Grad) (!30 Grad) (!120 Grad) (!180 Grad)

Welchen Winkel haben die drei Spannungen eines symmetrischen Drehstromsystems jeweils zueinander? (120 Grad) (!45 Grad) (!90 Grad) (!180 Grad)

Welche Nennspannung liegt im üblichen europäischen Niederspannungsnetz zwischen Außenleiter und Neutralleiter? (230 Volt) (!24 Volt) (!400 Volt) (!690 Volt)

Welche Nennspannung liegt im üblichen 230 und 400 Volt Drehstromnetz zwischen zwei Außenleitern? (400 Volt) (!50 Volt) (!120 Volt) (!230 Volt)

Was bewirkt ein kleinerer Leistungsfaktor bei gleicher Wirkleistung und Spannung in einem symmetrischen sinusförmigen Drehstromsystem? (Der erforderliche Leiterstrom steigt) (!Die Frequenz verdoppelt sich) (!Die Außenleiterspannung verschwindet) (!Der erforderliche Leiterstrom wird immer null)

Welche Aussage gilt nach einem erfolgreich absolvierten Lernquiz? (Eine Arbeitsfreigabe erfordert unabhängig vom Quiz die erforderliche Qualifikation und Beauftragung) (!Das Quiz erlaubt eigenständige Arbeiten an Netzspannung) (!Eine bestandene Simulation ersetzt die Sicherheitsunterweisung) (!Eine erreichte Punktzahl erlaubt jede elektrische Messung)

Memory

Ordne die zusammengehörenden Fachbegriffe und Erklärungen zu.

Sinuskurve	Periodisch verlaufende Schwingung
Periodendauer	Dauer einer vollständigen Wiederholung
Frequenz	Anzahl der Schwingungen je Sekunde
Stromvorlauf	Früher eintretendes Strommaximum
Stromnachlauf	Später eintretendes Strommaximum
Sternpunkt	Gemeinsamer Verbindungspunkt dreier Stränge
Wirkleistung	Im Mittel umgesetzte elektrische Leistung
Phasenwinkel	Winkelmaß eines zeitlichen Versatzes

Drag and Drop

Ordne jedem Fachbegriff die passende Beschreibung zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Fachliche Beschreibung
Ohmscher Widerstand	Gleichphasigkeit von Strom und Spannung
Induktive Last	Nacheilender Strom
Kapazitive Last	Vorauseilender Strom
Sternschaltung	Gemeinsamer Sternpunkt
Dreieckschaltung	Ringförmige Verbindung der Laststränge
Effektivwert	Vergleichswert für gleiche Wärmewirkung
Leistungsfaktor	Verhältnis von Wirk- und Scheinleistung bei Sinusgrößen

Kreuzworträtsel

Sinus	Wie heißt die charakteristische Kurvenform einer harmonischen Wechselspannung?
Spule	Welches ideale Bauelement verursacht einen Stromnachlauf?
Kondensator	Welches ideale Bauelement verursacht einen Stromvorlauf?
Drehstrom	Wie heißt ein System aus drei um jeweils 120 Grad versetzten Wechselspannungen?
Sternpunkt	Wie heißt der gemeinsame Verbindungspunkt der Laststränge einer Sternschaltung?
Effektivwert	Welche Kenngröße einer Wechselspannung beschreibt ihren gleichwertigen Effekt in Bezug auf eine ohmsche Wärmewirkung?

LearningApps

Die folgende Suchansicht kann ergänzende Übungen zum Kursthema anzeigen. Externe Suchtreffer sind keine fachlich geprüften Prüfungsaufgaben.

Lückentext

Eine sinusförmige Wechselspannung ist eine periodische

.

Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde heißt

.

Bei einer Frequenz von 50 Hertz dauert eine Periode

Millisekunden.

Ein zeitlicher Versatz zwischen zwei sinusförmigen Größen gleicher Frequenz heißt

.

Bei einer idealen ohmschen Last beträgt der Phasenwinkel

Grad.

Bei einer idealen Spule eilt der Strom der Spannung

.

Bei einem idealen Kondensator eilt der Strom der Spannung

.

Die drei Spannungen eines symmetrischen Drehstromsystems sind um jeweils

Grad gegeneinander verschoben.

Im üblichen Niederspannungs-Drehstromnetz beträgt die Nennspannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter

Volt.

Zwischen zwei Außenleitern beträgt die Nennspannung desselben Netzes

Volt.

Das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung heißt bei sinusförmigen Größen

.

Die im Mittel umgesetzte elektrische Leistung wird als

bezeichnet.

Das Symbol der elektrischen Scheinleistung ist

.

Ein digitales Schaltungsexperiment ersetzt keine elektrotechnische

.

Offene Aufgaben

Wähle Aufgaben passend zu Deinem Lernstand. Verwende für alle Experimente ausschließlich den digitalen Simulator oder ein ausdrücklich für die Ausbildung zugelassenes berührungssicheres Schulungsmodell unter fachkundiger Anleitung.

Leicht

Sinuskurve gestalten: Zeichne eine komplette Schwingung und beschrifte Amplitude, Nulldurchgänge und Periodendauer.
Bildvergleich erstellen: Gestalte eine Lernkarte mit zwei zeitlich versetzten Kurven und erkläre in drei Sätzen den Unterschied zwischen Vorlauf und Nachlauf.
Begriffe erklären: Produziere ein 30-sekündiges Erklärvideo über Frequenz, Periodendauer und Effektivwert. Zeige ausschließlich Grafiken oder Simulationen.
Vergleichsbild zeichnen: Stelle die Phasenbeziehungen von Widerstand, idealer Spule und idealem Kondensator nebeneinander dar.

Standard

Digitales Experiment dokumentieren: Untersuche die drei idealen Grundlasten in Falstad und präsentiere einen beschrifteten Screenshot mit Erklärung.
Drehstrom-Animation gestalten: Entwickle mit einem digitalen Zeichenwerkzeug drei Sinuskurven, deren Maxima um 120 Grad versetzt sind.
Netzgrößen-Infografik erstellen: Erkläre zeichnerisch den Zusammenhang zwischen 230 V Strangspannung und 400 V Außenleiterspannung im symmetrischen Netz.
Interview führen: Befrage eine Elektrofachkraft über die Bedeutung des Leistungsfaktors im Betrieb. Dokumentiere ihre Erklärungen ohne Eingriffe in elektrische Anlagen und beachte betriebliche Datenschutzregeln.

Schwer

Simulationsvergleich entwickeln: Vergleiche in einem digitalen Modell zwei Lastzustände mit unterschiedlichem Leistungsfaktor bei gleicher Wirkleistung und Spannung. Erkläre die Änderung des Leiterstroms.
Motorfall analysieren: Unterscheide anhand eines frei erfundenen Motordatensatzes elektrische Eingangsleistung, mechanische Abgabeleistung, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor.
Fehlvorstellungen untersuchen: Entwickle ein Lernplakat, das den Unterschied zwischen dem 120-Grad-Versatz der Netzspannungen und dem Strom-Spannungs-Versatz einer Last mit Begründungen erklärt.
Digitales Sicherheitskonzept erstellen: Plane für eine Ausbildungsgruppe ein Lernprojekt mit Stromlaufbildern und digitalen Simulationen. Begründe, welche Tätigkeiten ohne Qualifikation und Beauftragung ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Lernkontrolle

Diese Aufgaben prüfen Zusammenhänge, Begründungen und die Übertragung auf neue Situationen. Sie werden durch eine Lehrkraft oder entsprechend qualifizierte Ausbildende bewertet.

Diagrammanalyse: Zwei unbekannte sinusförmige Signale besitzen dieselbe Frequenz, aber verschiedene Maximalzeitpunkte. Bestimme ihren zeitlichen Versatz, berechne den Winkel und erläutere, wie Du Vorlauf oder Nachlauf erkennst.
Lastvergleich: Erkläre anhand dreier Stromlaufbilder und Signaldiagramme, warum Widerstand, ideale Spule und idealer Kondensator unterschiedliche Phasenbeziehungen besitzen.
Drehstrombeurteilung: Widerlege die Behauptung, zwischen Strom und Spannung müsse wegen des Drehstromsystems immer ein Winkel von 120 Grad liegen.
Netzanalyse: Begründe mithilfe eines Zeigerdiagramms, weshalb bei einem symmetrischen 230/400-V-System die Spannung zwischen zwei Außenleitern größer ist als die Strangspannung.
Leistungsanalyse: Vergleiche zwei symmetrische sinusförmige Drehstromlasten mit gleicher elektrischer Wirkleistung und Außenleiterspannung, aber unterschiedlichen Leistungsfaktoren. Berechne die Außenleiterströme und erläutere den Zusammenhang.
Sicherheitstransfer: Eine lernende Person beherrscht Simulationen und Rechnungen sehr gut. Erkläre, weshalb daraus keine Berechtigung zur Durchführung realer Elektroarbeiten entsteht und welche betrieblichen Voraussetzungen unabhängig davon erforderlich sind.

Bewertungshinweise: Eine vollständige Lösung enthält fachlich richtige Aussagen, einen nachvollziehbaren Lösungsweg, passende Einheiten, begründete Annahmen, geeignete Diagramme und die Beachtung der Sicherheitsgrenzen.

Lernnachweis

Ein Lernnachweis kann als digitales Portfolio oder in einem begleiteten Fachgespräch erfolgen.

Signaldiagramm: Du dokumentierst eine korrekte Sinuskurve und berechnest einen Zeitversatz und Phasenwinkel.
Bauelementvergleich: Du erklärst die Phasenbeziehungen an Widerstand, Spule und Kondensator.
Simulationsnachweis: Du zeigst einen Screenshot mit erkennbaren Schaltungs- und Zeitdiagrammen sowie einer fachlichen Auswertung.
Drehstromverständnis: Du erläuterst den 120-Grad-Versatz der Netzspannungen und unterscheidest ihn von der lastabhängigen Strom-Spannungs-Verschiebung.
Netzgrößen: Du unterscheidest Frequenz, Periodendauer, Effektivwert, Strangspannung, Außenleiterspannung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung.
Anwendungsfall: Du berechnest für den simulierten Lüftungsantrieb den Leiterstrom und bewertest die Veränderung des Leistungsfaktors.
Sicherheitsreflexion: Du begründest, warum die Lernleistung keine fachliche Qualifikation, betriebliche Beauftragung oder Arbeitsfreigabe ersetzt.

Nachweisform: Fachliche Rückmeldung durch eine Lehrkraft oder qualifizierte ausbildende Person anhand der dokumentierten Arbeitsergebnisse. Eine erreichte Quizpunktzahl ist weder ein Befähigungsnachweis für Elektroarbeiten noch eine Freigabe.

OERs zum Thema

Wikipedia: Dreiphasenwechselstrom

Weitere Grundlagen:

Wikipedia: Wechselstrom – Sinusform, Effektivwert und elektrische Leistungsgrößen.
Wikipedia: Phasenverschiebung – Definition des zeitlichen und winkelmäßigen Versatzes.
Wikipedia: Sternschaltung – Strangspannung und Sternpunkt.
Wikipedia: Dreieckschaltung – Dreieckverbindung der Laststränge.

Geprüfte fachliche Quellen

LEIFIphysik: Spule im Wechselstromkreis – induktive Phasenverschiebung und Blindwiderstand.
LEIFIphysik: Kondensator im Wechselstromkreis – kapazitive Phasenverschiebung und Blindwiderstand.
LEIFIphysik: Zeigerdiagramme – grafischer Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Phase.
Falstad: Dokumentation der Schaltungsbeispiele – nachgewiesene virtuelle Wechselstromschaltungen.
DGUV Vorschrift 3 mit Durchführungsanweisungen – elektrotechnische Sicherheitsverantwortung und Anforderungen an Arbeiten an elektrischen Anlagen.

Die externen Fachquellen dienen als Belege und Vertiefung. Ihre Texte und fremden Grafiken wurden nicht in den Kurs kopiert.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

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Phasenverschiebung kapazitiv.svg	Hyperstryke, gemeinfrei
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Simulation: Falstad/CircuitJS wird über die nachgewiesene offizielle Website aufgerufen. Es werden keine ausführbaren Simulationsdateien oder fremden Quellcodes als OER weiterverbreitet.

Quellenprüfung: 8. Oktober 2026. Die fachlichen Aussagen beziehen sich auf sinusförmige Wechselgrößen und, soweit angegeben, symmetrische Drehstromsysteme. Abweichende Betriebszustände erfordern gegebenenfalls weiterführende Verfahren.