Clarke-Transformation

Die Welttage der Frauen und der Ingenieure waren kurz aufeinander letzte und vorletzte Woche. Grund genug hier das Thema Frau im Ingenieurberuf nochmals aufzunehmen. Was hat die erste Ingenieurin in den USA mit unserem Beruf, dem Power-Engineer, zu deutsch Starkstromingenieur zutun? Wir verdanken ihr eine einfache Methode zur Berechnung von unsymmetrischen Drehstromsystemen. Praktisch brauchen wir diese Methode zum Ermitteln von ein oder zweipoligen Kurzschlüssen mit oder ohne Erdberührung. Doch wer war diese Frau?

Edith Clarke

Edith Clarke, seit dem 12. Lebensjahr Vollwaise, war die erste Ingenieurin in den USA. Doch zu vor investierte sie das Erbe ihrer Eltern in ihre Ausbildung, obwohl ihr davon abgeraten wurde. Sie studierte Mathematik und schloss mit einem Bachelor of Arts ab, was ihre spätere Arbeit als Ingenieurin prägen sollte. Sie arbeitete kurz vor dem Ersten Weltkrieg als Human Computer bei American Telephone & Telegraph (AT&T) unter dem berühmten George Ashley Campbell, der Mitbegründer der elektrischen Filter- und Modulationstechnik. Daneben studierte Clarke abends Elektrotechnik. Gegen Ende des Krieges ging sie dann an das Massachusetts Institute of Technology (MIT) und schloss 1919 mit einem Master ab. Als Ingenieurin stellte man sie damals nicht ein. Bei General Electric (GE) betreute sie die Computer des Turbine Engineering Department. Daneben entwickelte sie in der Freizeit den Clarke Calulator, eine Art Rechenschieber mit dem man Gleichungen der Hochspannungsübertragungstechnik bis zu zehn mal schneller lösen konnte und meldete 1921 das Patent US1552113 dafür an. Als man sie immer noch nicht als Ingenieurin beschäftigen wollte, verliess sie GE im gleichen Jahr, um als Professorin am Constantinople Women’s College in der Türkei zu lehren. Erst ein Jahr darauf holte GE die massive unterschätzte Clarke zurück und stellte sie im Central Station Engineering Department ein. Nach dem Zweiten Weltkrieg verliess sie GE und begann zwei Jahre später als Professorin am Electrical Engineering Department der University of Texas, wo sie noch 10 Jahre lehrte. Sie wurde 2015 postum in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen und ist in den USA so populär, dass auch Smartphonehüllen und T-Shirts gedruckt werden.

Edith Clarke (*10. Februar 1883 im Howard County, Maryland; † 29. Oktober 1959 in Maryland

Sie schrieb zahlreiche Publikationen und hielt Vorträge. Sie kannte die Mathematik besser als viele ihrer Kollegen und entwickelte Methoden die erheblich komplexe Probleme einfach löste. Sie schrieb dazu eine Buch in zwei Bänden. Darin war unter anderen auch die heute noch sehr bedeutende, nach ihr benannte Transformation, mit welcher unsymmetrische Drehstromsysteme in ihre symmetrischen Komponenten zerlegt werden können. Die Methode ermöglicht eine einfache Berechnung aller unsymmetrischen Betriebs- und Fehlerzustände eines Drehstromsystems.

Symmetrische Komponenten

Die Darstellung zeigt, wie grafisch aus einer unsymmetrischen Last aus drei Aussenleiter und deren Winkel α die symmetrischen Komponenten bestimmt werden. Die Grundeinstellung des dargestellten Modells ist symmetrisch (I1 = I2 = I3) und die Winkelstellung in der Mitte für α1 = 0°, α2 = 120°, α3 = 240°. Sie können +/-180° verstellt werden. Eine rein induktive oder rein kapazitive Last kann jedoch nur +/- 90° erreichen.


Um ein reines Gegensystem darzustellen, müssen die Regler I1 = I2 = I3 und die Winkel zum Beispiel α1 = 120° α2 = 0°, α3 = 240° gestellt werden.


Um ein reines Nullsystem darzustellen müssen die Regler alle auf den selben Winkel und den selben Strom gestellt werden.

Die Berechnung fundiert auf der Auswertung der Symmetrisierungsmatrix S und des Vektors i welche auf Edith Clarke zurück geht.

Und in der Kurzschreibweise heisst das:

Über die Einzelheiten und was die a und a2 bedeuten, lesen Sie im der ET3/21 mehr. Und hier auf Power-Affairs.ch gehen wir dann im April vertieft darauf ein.

Fazit

Frauen in Ingenieurberufen bringen auch heute sehr viele tolle Ideen ein. Für die Energiewende brauchen wir mehr von diesen genialen Ingenieurinnen.

Wie Edith Clarke machen auch heute die Frauen viel weniger Lärm um ihre Arbeit, als ihre männlichen Kollegen dies oft tun. In zweierlei Hinsicht sollten wir Männer davon lernen: 1. Mit Lärm macht man noch keine grosse Arbeit. 2. Wenn jemand unspektakulär von ihrer Arbeit spricht, dann ist es vielleicht eine Frau, die gerade eine ganz tolle Idee präsentiert. Also genau hinhören, es kann wertvoll sein!

Quellen:

Electrifying Story of Engineer Edith Clarke
Wikipedia (de und en)
Portrait aus Wikipedia (en)

Verschiedene technische Quellen:
Wilfried Knies, Klaus Schierack, Elektrische Anlagentechnik S. 164 ff.
René Flosdorff, Günther Hilgarth, Elektrische Energieverteilung S. 144 ff.
Wilfried Zemke, Alexander Scherer, Elektroenergietechnik Grundlagen, Tabellen S. 17 ff.

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