Synchronmaschinen

Machines Electriques
Elektrische Maschinen
Synchronmaschinen
Inhalt
1
2
Einleitung......................................................................................................................................................................... 3
Aufbau und Arten............................................................................................................................................................. 3
2.1 Die Außenpolmaschine.............................................................................................................................................. 3
2.2 Die Innenpolmaschine ............................................................................................................................................... 3
2.2.1
Der Ständer ...................................................................................................................................................... 3
2.2.2
Der Läufer ........................................................................................................................................................ 3
2.3 Erregung der Synchronmaschine ............................................................................................................................... 3
2.3.1
Fremderregung ................................................................................................................................................. 4
2.3.2
Eigenerregung .................................................................................................................................................. 4
2.3.3
Erregerschaltungen........................................................................................................................................... 4
3 Wirkungsweise als Synchrongenerator (Buch ab Seite 327)............................................................................................ 4
3.1 Leerlauf des Generators (Buch Seite 327) ................................................................................................................. 4
3.1.1
Leerlaufkennlinie Uq0 = f (IE)........................................................................................................................... 4
3.1.2
Entstehung der Dreiphasenwechselspannung beim Synchroninnenpolgenerator............................................. 5
3.2 Belastung des Generators........................................................................................................................................... 6
3.2.1
Spannungsverluste in den Strängen de 3~Wicklung (Buch Seite 328) ............................................................ 6
3.2.2
Ankerrückwirkung (Buch Seite 328 – 329)...................................................................................................... 6
3.2.3
Drehmomentbildung ........................................................................................................................................ 7
3.3 Ersatzschaltung und Zeigerdiagramme...................................................................................................................... 8
3.3.1
Das Verbraucher-Zählpfeilsystem (VZS, Buch Seite 329) .............................................................................. 8
3.3.2
Ersatzschaltung für einen Strang (Buch Seite 329) .......................................................................................... 9
3.3.3
Zeigerbilder des belasteten Generators ............................................................................................................ 9
3.3.4
Belastungskennlinien des Synchrongenerators (Inselbetrieb) ........................................................................ 11
3.3.5
Einstellung der Klemmenspannung bei Belastung des Generators ................................................................ 11
3.4 Kurzschluss des Generators (3-poliger Kurzschluss) .............................................................................................. 11
3.5 Drehmomentbildung ................................................................................................................................................ 11
3.6 Parallelbetrieb des Synchrongenerators am Dreiphasennetz ................................................................................... 11
3.6.1
Synchronisation.............................................................................................................................................. 11
4 Wirkungsweise als Synchronmotor (Buch ab Seite 335) ............................................................................................... 13
4.1 Wirkleistung ............................................................................................................................................................ 13
4.2 Drehmoment ............................................................................................................................................................ 13
4.3 Verluste.................................................................................................................................................................... 13
4.4 Blindleistung............................................................................................................................................................ 13
4.4.1
Belastung bei Nennerregung IE0N ................................................................................................................... 13
4.4.2
Belastung bei cosϕ1 = 1............................................................................................................................... 13
4.4.3
Belastung mit zusätzlicher induktiver Blindleistungslieferung...................................................................... 14
4.4.4
Belastung mit Unterregung ............................................................................................................................ 14
4.5 V-Kurven ................................................................................................................................................................. 15
4.6 Mechanische Pendelungen....................................................................................................................................... 15
4.7 Dämpfung ................................................................................................................................................................ 15
4.8 Anlauf ...................................................................................................................................................................... 15
4.8.1
Asynchroner Anlauf ....................................................................................................................................... 15
4.8.2
Frequenzanlauf............................................................................................................................................... 15
4.8.3
Anlaufmotor ................................................................................................................................................... 15
4.9 Drehzahlsteuerung ................................................................................................................................................... 15
MACEL
SYNCHRONMASCHINEN
2
Synchronmaschinen
(Buch ab S.322)
1 Einleitung
Buch Seite 322
2 Aufbau und Arten
•
Außenpolmaschine
•
Innenpolmaschine
•
o
Schenkelpolläufer
o
Vollpolläufer
o
Klauenpolläufer
Schaltzeichen
Innenpolmaschine
Außenpolmaschine
2.1 Die Außenpolmaschine
(Buch Seite 323 – 324)
2.2 Die Innenpolmaschine
(Buch Seite 324)
2.2.1
Der Ständer
(Buch Seite 324)
2.2.2
Der Läufer
(Buch Seite 325)
Man unterscheidet zwischen drei Läuferarten: dem Schenkelpolläufer (Buch Seite 325), dem Vollpolläufer (Buch
Seite 325 – 326) und dem Klauenpolläufer (Lichtmaschine im Kfz).
2.3 Erregung der Synchronmaschine
(Buch Seite 326)
Die Erregerleistung Pf beträgt 0,25% bis 5% von der Nennleistung PN. Es wird zwischen zwei Erregerarten
unterschieden: Fremderregung und Eigenerregung.
MACEL
SYNCHRONMASCHINEN
3
2.3.1
Fremderregung
Die Erregerleistung wird von einer unanhängigen Quelle geliefert.
2.3.2
Eigenerregung
Die Erregerquelle wird von der Synchronmaschine gespeist oder angetrieben.
2.3.3
Erregerschaltungen
a)
Gleichstromnebenschlussgenerator auf der gleichen Welle der Synchronmaschine (SM) speist die
Erregerwicklung der SM (Bild 4.170, a).
b) Fremderregter Gleichstromgenerator (Haupterregermaschine) speist die Erregerwicklung der SM.
Gleichstromnebenschlussgenerator
(Hilfserregermaschine)
liefert
die
Erregerleistung
der
Haupterregermaschine (Bild 4.170, b).
c)
Die Erregerwicklung der Synchronmaschine wird aus dem 3~Netz der Synchronmaschine mit Hilfe eines
Transformators und eines B6C-Gleichrichters gewonnen (statischer Gleichrichter). Eigenerregung aufgrund
von Remanenz! (Bild 4.170, c).
d) Bürstenlose Selbsterregung mit Synchronaußenpolmaschine. Die Außenpolmaschine wird über einen
Transformator und Regler erregt. Die im Läufer erzeugte Dreiphasenwechselspannung wird gleichgerichtet
(B6U) und durch die Welle zur Erregerwicklung der SM geführt (keine Schleifringe nötig, Bild 4.170, d).
3 Wirkungsweise als Synchrongenerator (Buch ab Seite 327)
3.1 Leerlauf des Generators (Buch Seite 327)
o
Im Polrad erzeugt der Erregerstrom IE (If) die Erregerdurchflutung ΘE (Θf) und im Eisen das Magnetfeld
ΦE (Φf).
o
Das Polrad rotiert mit der konstanten Drehzahl nd. So entsteht das Läuferdrehfeld (Erregerdrehfeld ΦdE).
o
Nach der Generatorregel (Generatorprinzip) entsteht in der Dreiphasenwicklung des Ständers eine
Dreiphasenwechselspannung mit dem Effektivwert: U q 0 = k ⋅ φ dE ⋅ n
oder allgemein nach der Trafohauptgleichung: U q 0 =
2π
2
⋅ φ dE ⋅ f ⋅ N
und der Frequenz: f = p ⋅ n
o
In der Regel wird eine konstante Frequenz f gefordert. Dann gilt: n = konstant; n = nd und f = p ⋅ n d .
o
Die Höhe der Leerlaufspannung Uq0 kann über das Drehfeld ΦdE mit Hilfe des Erregerstromes eingestellt
werden.
3.1.1
Leerlaufkennlinie Uq0 = f (IE)
Mit:
UR: Remanente Spannung
IE0: Bemessungserregerstrom im Leerlauf
Uq0N: Bemessungsspannung im Leerlauf
Der Verlauf der Kennlinie entspricht der Magnetisierungskennlinie des Eisens.
MACEL
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4
3.1.2
Entstehung der Dreiphasenwechselspannung beim Synchroninnenpolgenerator
Schnitt des Ständeraufbaus (Rechtsdrehsinn des Läufers):
U1
U1
V2
V2
W2
W1
W2
W1
V1
V1
U2
U2
U1
U1
V2
V2
W2
W1
W2
W1
V1
V1
U2
MACEL
U2
SYNCHRONMASCHINEN
5
3.2 Belastung des Generators
In der 3~Wicklung fließt ein 3~Wechselstrom. Dieser 3~Wechselstrom beeinflusst mit der Ankerrückwirkung das
Betriebsverhalten der Synchronmaschine.
3.2.1
Spannungsverluste in den Strängen de 3~Wicklung (Buch Seite 328)
a)
Wirkspannungsabfall:
b) Streuspannungsabfall:
3.2.2
Ankerrückwirkung (Buch Seite 328 – 329)
Das Ständermagnetfeld wird durch den 3~Strom erzeugt und wirkt bei ohm’scher Last senkrecht zum
Erregerdrehfeld. Das Ständerfeld wirkt dabei als Ankerquerfeld.
Beide Felder drehen synchron miteinander (Innenpolmaschine). Im Eisen entsteht ein resultierendes Feld.
Die induzierte Spannung Uq weicht von der induzierten Leerlaufspannung Uq0 ab.
Der Einfluss der Ankerrückwirkung (ARW) hängt von der Höhe und von der Phasenlage des Ständerstromes ab.
Die nachfolgenden Ständerschnitte zeigen den Synchrongenerator mit unterschiedlicher Belastungsart; die
Ankerrückwirkung hat jeweils einen unterschiedlichen Einfluss auf die induzierte Spannung Uq.
Ohm’sche Last:
U1
Beide Felder wirken senkrecht zueinander.
Die induzierte Spannung nimmt ab:
V2
W2
Uq < Uq0
nd
Es entsteht ein Drehmoment gegen die Drehrichtung.
W1
V1
U2
MACEL
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6
Induktive Last:
U1
Beide Felder wirken gegeneinander.
Die induzierte Spannung nimmt stärker ab:
V2
W2
Uq << Uq0
nd
Es entsteht kein Drehmoment.
W1
V1
U2
Kapazitive Last:
U1
Beide Felder wirken in die gleiche Richtung.
Die induzierte Spannung steigt:
V2
W2
Uq > Uq0
nd
Es entsteht kein Drehmoment.
W1
V1
U2
3.2.3
Drehmomentbildung
Polrad (Erregerfeld = Hauptfeld) und Ständerfeld (Ankerquerfeld) drehen synchron. Ihre räumliche Lage
zueinander ändert nicht.
Beide Felder bilden im Generatorbetrieb ein Drehmoment, das gegen den Antrieb gerichtet ist. Die Höhe des
Drehmoments hängt von der Höhe der beiden Felder und ihrer räumlichen Lage zueinander ab. Die räumliche
Lage wird durch die Art der Belastung beeinflusst.
MACEL
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3.3 Ersatzschaltung und Zeigerdiagramme
3.3.1
Das Verbraucher-Zählpfeilsystem (VZS, Buch Seite 329)
Schaltung:
a)
Ohm’scher Verbraucher
b) Induktiver Verbraucher
c)
MACEL
Kapazitiver Verbraucher
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3.3.2
Ersatzschaltung für einen Strang (Buch Seite 329)
Der reale Generatorstrang kann aus folgenden elektrischen Komponenten zusammengesetzt werden:
a)
Die ideale Wechselspannungsquelle mit der Leerlaufspannung Uq0.
b) Der ohm’sche Wirkwiderstand R mit dem inneren Spannungsverlust UR = I · R. Diese Komponente wird oft
vernachlässigt, da sie im Gegensatz zu den nachfolgenden Komponenten sehr klein ist.
c)
Der Streublindwiderstand Xσ mit dem inneren Spannungsverlust Uσ = I · Xσ.
d) Die Ankerrückwirkung. Sie wird in der Ersatzschaltung durch den Hauptblindwiderstand Xh mit dem
Spannungsabfall Uh = I · Xh berücksichtigt. Dabei gilt:
Vollständige Ersatzschaltung der Synchronmaschine
Vereinfachte Ersatzschaltung der Synchronmaschine
Masche M:
3.3.3
a)
Zeigerbilder des belasteten Generators
Ohm’sche Last
b) Induktive Last
MACEL
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9
c)
Kapazitive Last
d) Ohm’sch-induktive Belastung
e)
Ohm’sch-kapazitive Belastung
Bemerkung: Der Winkel ϑ zwischen U und Uq0 (Polachse des Läuferpols) wird Polradwinkel oder Lastwinkel genannt.
MACEL
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10
3.3.4
Belastungskennlinien des Synchrongenerators (Inselbetrieb)
Siehe Buch Seite 333.
3.3.5
Einstellung der Klemmenspannung bei Belastung des Generators
Siehe Buch Seite 333 – 334.
Die Einstellung der Klemmenspannung erfolgt nicht direkt, sondern indirekt über die Einstellung der induzierten
Spannung Uq0. Diese hängt, wie schon erwähnt, vom Erregerstrom IE ab. Die Erreger-Regulierkennlinien
beschreiben den Einstellvorgang.
3.4 Kurzschluss des Generators (3-poliger Kurzschluss)
Siehe zunächst Buch Seite 330 – 331).
Ersatzschaltung:
Zeigerbild:
3.5 Drehmomentbildung
Buch Seite 332 – 333
Interpretation der Drehmomentgleichung:
3.6 Parallelbetrieb des Synchrongenerators am Dreiphasennetz
3.6.1
Synchronisation
Die Generatorspannung wird so eingestellt, dass beim Parallelschalten in den Ständerwicklungen kein Strom
fließt. Dazu gilt folgende Bedingung, wie sie auch beim Parallelschalten von Transformatoren gilt:
Sind die Momentanwerte der Leiterspannungen in jedem Augenblick gleich groß, so decken sich die Sinuskurven
der beiden Spannungen:
MACEL
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Aus dieser allgemeinen Bedingung können vier überprüfbare Teilbedingungen abgeleitet werden. Sind alle vier
Bedingungen erfüllt, so kann der Generator stromlos an das Netz geschaltet werden:
a)
Gleiche Effektivwerte der Spannungen
Die Höhe der Generatorspannung wird mit Hilfe des Erregerstromes eingestellt. Zum Überprüfen werden
Doppelvoltmeter verwendet.
b) Gleiche Frequenzen der Spannungen
Die Frequenz der Generatorspannung hängt von der Läuferdrehzahl ab. Zum Überprüfen verwendet man
Zungenfrequenzmesser, oft als Doppelfrequenzmesser ausgeführt.
c)
Gleiche Phasenlage der Leiterspannungen
Die Phasenlage der Generatorspannung hängt von der Polradstellung ab. Durch kurzzeitiges
Beschleunigen oder Bremsen wird die Polradstellung so verändert, dass die Phasenlage der
Generatorspannung mit der entsprechenden Spannung des Netzes übereinstimmt. Das Überprüfen erfolgt
entweder mit Lampenschaltungen in Hell-, Dunkel- oder Umlaufschaltung und zusätzlichem
Nullvoltmeter oder mit einem Synchronoskop (Skala mit rotierendem Zeiger).
d) Gleiche Phasenfolge der drei Wechselspannungen
Die Bedingungen a), b) und c) müssen gleichzeitig für alle drei Stränge erfüllt sein. Die Phasenfolge kann
mit einem Phasenfolgemesser überprüft werden.
Heute erfolgt die Synchronisation mit automatisch arbeitenden Synchronisiereinrichtungen.
Ist eine der Bedingungen beim Parallelschalten nicht erfüllt, so fließt ein sehr hoher Ausgleichstrom, der den
Generator zerstören kann.
MACEL
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4 Wirkungsweise als Synchronmotor (Buch ab Seite 335)
4.1 Wirkleistung
Buch Seite 335.
4.2 Drehmoment
Buch Seite 335.
4.3 Verluste
Buch Seite 336.
4.4 Blindleistung
4.4.1
Belastung bei Nennerregung IE0N
Normalerregung (Leerlaufbemessungserregerstrom IE0N): Uq0 = U1N
Bei mechanischer Belastung an der Welle des Motors eilt das Polrad nach. Die Ständerwicklung nimmt
Wirkleistung und zusätzlich induktive Blindleistung auf. Der Ständerstrom ist gegenüber der Netzspannung
nacheilend.
4.4.2
Belastung bei cosϕ1 = 1
Der Erregerstrom wird über den Nennwert hinaus gesteigert bis I1 ein reiner Wirkstrom ist. Die Polradspannung ist
nun größer als die Netzspannung. Der Motor nimmt nur Wirkleistung aus dem Netz auf.
MACEL
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4.4.3
Belastung mit zusätzlicher induktiver Blindleistungslieferung
Gegenüber dem Fall in 4.4.2 wird der Erregerstrom weiter vergrößert. Der Ständerstrom wird nun voreilend zur
Netzspannung. Der Motor verhält sich nun wie ein Kondensator. Er nimmt Wirkleistung aus dem Netz auf und
liefert gleichzeitig induktive Blindleistung in das Netz.
Wird ein unbelasteter Synchronmotor übererregt betrieben, so liefert er nur induktive Blindleistung. Die Maschine
arbeitet dann als Phasenschieber.
4.4.4
Belastung mit Unterregung
Der Erregerstrom wird unter den Wert IE0N verringert. Bei gleicher Belastung vergrößert sich nun die induktive
Blindleistungsaufnahme.
Diese Betriebsart ist ungünstig für das speisende Netz. Außerdem verringert sich mit Uq0 das Kippmoment des
Motors.
MACEL
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4.5 V-Kurven
Buch Seite 336.
4.6 Mechanische Pendelungen
Buch Seite 336.
4.7 Dämpfung
Buch Seite 337.
4.8 Anlauf
Buch Seite 337 – 338.
Es können drei Anlaufarten unterschieden werden:
4.8.1
Asynchroner Anlauf
4.8.2
Frequenzanlauf
4.8.3
Anlaufmotor
4.9 Drehzahlsteuerung
Buch Seite 338.
Aufgaben zum Synchrongenerator und Synchronmotor
1) Ein Synchrongenerator hängt in Dreieck parallel zum 400V/50Hz-Drehstromnetz. Die Synchronreaktanz beträgt 3Ω.
a)
Zeichnen Sie das maßstabsgetreue Zeigerbild der Spannungen und des Stroms für den Fall, dass der
Generator nur Wirkleistung von 7kW abgibt! Bestimmen Sie hierfür die Strang- und Leiterstromstärke und
ermitteln Sie den Polradwinkel.
b) Die Erregerspannung wird bei gleichem Polradwinkel um 15% erhöht. Zeichnen Sie diesen Betriebsfall in das
Zeigerbild ein und ermitteln Sie die abgegebenen Leistungen sowie den Phasenverschiebungswinkel ϕ.
c)
Befindet sich der Generator nun im über- oder untererregten Zustand? Erklären Sie!
d) Was bewirkt eine Verstärkung der Antriebsleistung, d.h. eine Vergrößerung des Antriebsmoments und damit
des Polradwinkels ausgehend von Punkt b)? Erklären Sie!
2) Eine leer laufende Synchronmaschine ist an ein Netz geschaltet. Sie soll Wirkleistung und induktive Blindleistung in
das Netz einspeisen. Erklären Sie, wie die Synchronmaschine zu steuern ist!
3) Ein Synchronmotor wird in Stern an das 400V/50Hz-Drehstromnetz angeschlossen. Die Synchronreaktanz
(vereinfachtes Ersatzschaltbild) beträgt 2Ω. Bei Volllast ist der Polradwinkel gleich 18° wenn der Motor keinen
Blindleistungsaustausch hat.
a)
Zeichnen Sie für einen Strang das maßstabsgerechte Zeigerbild für den Volllastbetrieb (1cm =ˆ 10V).
Berechnen Sie den Bemessungsstrom und ermitteln Sie die Bemessungspolradspannung.
b) Ermitteln Sie anhand des Zeigerdiagramms die Einstellwerte, damit der Motor nur die Hälfte der
Bemessungswirkleistung aufnimmt und eine gleichgroße Blindleistung zur Kompensation induktiver
Verbraucher liefert!
c)
Der Motor wird ohne Last betrieben und die Polradspannung auf 250V eingestellt. Wie groß sind nun der
Polradwinkel und die abgegebenen bzw. aufgenommenen Leistungen? Wie bezeichnet man diesen Zustand?
MACEL
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