8.8.3 Ortskurve - Christiani Akademie

184
8.8.3
8.8 Theorie der Asynchronmaschine
Ortskurve
Die Ersatzschaltung einer Asynchronmaschine ist
näherungsweise die Reihenschaltung eines konstanten, induktiven Blindwiderstandes und eines
mit dem Schlupf gegensinnig veränderlichen Wirkwiderstandes (Bild 1). In dieser Ersatzschaltung ist
der Blindwiderstand eine Folge des Magnetisierungsstromes, der Wirkwiderstand eine Folge der
Belastung des Motors. Der Magnetisierungsstrom
ist annähernd gleichbleibend, deshalb ist auch der
induktive Blindwiderstand konstant. Der Wirkwiderstand ändert sich, wenn sich auch die Belastung des Motors ändert.
U
R
XL
s
s Schlupf
1
Stark vereinfachte Ersatzschaltung der Asynchronmaschine
1
0,8
0,6
cosƒ, ¡w
Je nach Größe des Wirkwiderstandes, also der
Belastung des Motors, ändert sich die Stromaufnahme und auch der Leistungsfaktor cos j.
Beispiel:
ƒD
0,4
B
D
¡C
¡D
¡B
0,2
In der Ersatzschaltung Bild 1 sei XL = 0,5 Ω und R zwischen 0 Ω und 6 Ω veränderlich. Die Stromstärken sind
bei U = 10 V nach Betrag und Richtung (cos j) für
5 Punkte zu berechnen.
C
¡Dw @ P1
¡E
0
A
M
E
¡b
Lösung:
2
Punkt
R
I = U/1R 2+XL2
cos j = R/1R 2+XL2
A
B
C
D
E
6Ω
1Ω
0,5 Ω
0,25 Ω
0Ω
0 A,
8,9 A
14,1 A
17,9 A
20 A ,
1
0,89
0,71
0,45
0
Ortskurve zu Bild 1
R
XL
s
¡1
Berechnet man die Stromzeiger, die sich für einzelne Wirkwiderstände ergeben, so sieht man,
dass die Endpunkte der Stromzeiger auf einem
Halbkreis liegen (Bild 2). Man bezeichnet die Kurve
der Endpunkte von Stromzeigern einer Schaltung
mit einem veränderlichen Widerstand als Ortskurve.
¡0
XL1
U
3
Vereinfachte Ersatzschaltung der Asynchronmaschine
Die Ortskurve der vereinfachten Ersatzschaltung einer Asynchronmaschine ist ein Halbkreis.
K
B
Die Ersatzschaltung Bild 1 ist für die praktische Anwendung zu stark vereinfacht. Insbesondere zeigt
sie nicht, dass im Leerlauf (R = 6 Ω) ein Leerlaufstrom I0 aufgenommen wird. Deshalb verwenden
wir eine Ersatzschaltung, bei welcher der Reihenschaltung von R und XL eine Induktivität mit XL1
parallel geschaltet ist (Bild 3). Der Halbkreis der
Ortskurve bleibt dadurch unverändert, jedoch beginnen jetzt die Stromzeiger um den Leerlaufstrom
weiter links (Bild 4).
¡1k
¡1
U1
ƒk
0 ¡0
L
M
E
4
Ortskurve zu Bild 3
11.4 Anlassen von Drehfeldmotoren
273
11.4.7 Elektronische Motorstarter
Der Drehstrom-Kurzschlussläufermotor wirkt im
Augenblick des Einschaltens wie ein kurzgeschlossener Transformator. Deshalb tritt im Augenblick
des Einschaltens der Einschaltstrom auf, der dem
Stoßkurzschlussstrom des Transformators entspricht (Bild 1). Im ungünstigsten Fall kann der Einschaltstrom fast doppelt so groß sein wie der Anzugsstrom und damit etwa das 15fache des Bemessungsstroms betragen. Der Gleichstromanteil des
Einschaltstromes klingt innerhalb einiger Perioden
der Netzspannung ab, sodass der Motor den abnehmenden Anzugsstrom aufnimmt, der mit zunehmender Drehzahl zum Betriebsstrom absinkt. Einschaltstrom und Anzugsstrom können durch Herabsetzen der Motorspannung verringert werden.
Einschaltstrom
Anzugsstrom
i
Betriebsstrom
t
Anschnittsteuerung, Abschnittsteuerung und Sektorsteuerung
Die Herabsetzung der Spannung kann durch die
Anschnittsteuerung (Phasenanschnitt), durch Abschnittsteuerung oder durch Sektorsteuerung (Bild
2) erfolgen. Gesteuert wird jeweils der Außenleiter.
Für Drehstrom werden meist wie bei den Halbleiterschützen nur zwei Außenleiter gesteuert, sodass ein zweipoliger elektronischer Motorstarter
vorliegt (Bild 3). Dann enthält der Motorstarter
zwei Triacs oder zwei Gegenparallelschaltungen
von Thyristoren mit dem dazu gehörigen IC für die
Erzeugung der Zündimpulse. Beim dreipoligen
Motorstarter werden alle drei Außenleiter gesteuert, sodass z. B. drei Gegenparallelschaltungen von
Thyristoren vorhanden sind.
Gegenüber der Spannungsherabsetzung durch
Vorwiderstände haben die genannten elektronischen Steuerungen einen erheblichen Vorteil. In
Vorwiderständen tritt eine erhebliche Leistung auf,
sodass insbesondere ein länger dauernder Betrieb
mit Vorwiderständen unwirtschaftlich ist. Bei den
elektronischen Steuerungen ist der Widerstand der
Thyristoren bzw. Triacs vor der Zündung sehr groß,
sodass praktisch kein Strom fließt. Nach der Zündung ist der Widerstand der Thyristoren sehr klein,
sodass diese zwar einen starken Strom führen, jedoch fast keinen Spannungsfall hervorrufen. Dadurch ist der Leistungsverlust in ihnen klein. Entsprechendes gilt für die Abschnittsteuerung.
Bei den elektronischen Steuerungen treten nur
kleine Leistungsverluste auf.
Wegen des ungünstigen Einflusses der Anschnittsteuerung und der Abschnittsteuerung auf das
Netz sind die VNB (Versorgungs-Netz-Betreiber)
bestrebt, die Anschnittsteuerung im öffentlichen
Netz zu begrenzen. Sie soll nur dann angewendet
werden, wenn eine andere Steuerung nicht aus-
1
Stromverlauf beim Kurzschlussläufermotor nach dem
Einschalten
i
u
u, i
0
qt
a
u
i
u, i
0
qt
b
i
u
u, i
0
a
qt
b
2
Anschnittsteuerung (oben), Abschnittsteuerung (Mitte),
Sektorsteuerung (unten)
Steuerteil
Ï
Mikrocomputer
4
4
3
Prinzipschaltung des zweipoligen elektronischen
Motorstarters
12.3 Mittelspannungsnetze
315
Zur Kennzeichnung der einfachen Leiterseile gibt
man den Querschnitt und das Material an, z. B.
185-E-Al für 185 mm2 aus Aluminium. Für Verbundseile gibt man die Querschnitte an und das
Material, z. B. 680/85 Al/St für 680 mm3 Aluminium
und 85 mm2 Stahl.
Funkenstrecke
Die Leiterseile werden von Masten getragen. Dabei
sind sie an Isolatoren befestigt, die an der Traverse
(querliegender Teil) des Mastes angeschraubt sind
(Bild 1). Isolatoren nennt man Stützisolatoren
(Stützer), wenn sie das Leiterseil stützen. Hängeisolatoren sind Stabisolatoren, die an der Traverse
hängend befestigt sind und unten das Leiterseil
tragen. Abspannisolatoren sind Stabisolatoren, die
zum Abspannen des Leiterseils dienen, sodass sie
durch horizontale Kräfte beansprucht sind.
Nach Material des Mastes unterscheidet man Holzmaste, Betonmaste, Stahlrohrmaste, Stahlblechmaste sowie Stahlgittermaste und nach ihrer Aufgabe Tragmaste (liegen im geraden Verlauf der
Freileitung). Abspannmaste (Maste an Endpunkten, an Abzweigpunkten oder bei starker Änderung
des Leitungsverlaufes) sowie Verteilungsmaste
(Maste für Anschlüsse von Gebäuden oder für
Netzausläufer, Bild 1). Kreuzungsmaste sind Maste, die beiderseits von Freileitungskreuzungen gesetzt werden. Sie sind besonders sorgfältig gebaut, damit eine Berührung der Freileitungen vermieden wird.
Traverse
Überspannungsableiter
Kabelendverschluss
1
Übergang von Kabelnetz auf Freileitungsnetz
L1
¡b12
12.3.3 Elektrische Wirkung auf die
Umgebung
Je nach Art des Mittelspannungsnetzes und nach
Stärke des Laststromes überwiegt die induktive
oder die kapazitive Blindleistung (Bild 3). Beim
schwach belasteten Kabelnetz überwiegt die kapazitive Blindleistung, sonst die induktive Blindleistung.
L2
C1E
¡b2E
C2E
¡b23
¡b1E
L3
¡b3E
C3E
2
Koppelkapazitäten und Erdkapazitäten beim
Dreileiternetz
200
kVar
km
Leerlauf
induktiv
Elektrische Felder sind mit jedem Spannung
führenden Leiter verbunden. Im Dreileiternetz bestehen Koppelkapazitäten und Erdkapazitäten, die
kapazitive Ströme und kapazitive Blindleistungen
zur Folge haben (Bild 2).
C23
Volllast
100
50
0
Freileitung
- 50
Kabel
kapazitiv
Magnetische Felder treten um jeden von Strom
durchflossenen Leiter auf. Sie sind besonders stark
bei Einleiterkabeln und bei Freileitungen mit
großem Leiterabstand. Dabei wird durch Induktion
eine Gegenspannung erzeugt. Infolgedessen ist
der induktive Blindwiderstand der Leitungen groß
und damit auch der Blindleistungsbelag (Blindleistung je km Leitungslänge).
C13
¡b13
Blindleistungsbelag
Thermische Belastung (Wärmebelastung) tritt bei
Stromfluss infolge des Wirkwiderstandes der Leiter auf. Dadurch muss der Abstand zwischen den
Leitern im Kabelnetz ausreichend groß sein.
C12
3
Blindleistungsbelag bei einem Mittelspannungsnetz
318
12.4 Hochspannungsnetze
Der Einebenenmast ist kostengünstig und ermöglicht wegen der symmetrischen Leiterführung symmetrische Spannungen. Meist trägt der Mast mehrere Dreileitersysteme. Nachteilig ist die erforderliche breite Trasse (Platz für die gesamte Übertragung). Deshalb hat sich in Deutschland der
Donaumast (nach der Gegend der ersten Realisierung) durchgesetzt. Bei Bedarf können am Donaumast mehr als zwei Systeme untergebracht werden.
Abspannisolator
Hängeisolator
12.4.3 Netzaufbau der Höchstspannungsnetze
Höchstspannungsnetze werden meist durch Freileitungen verwirklicht. Bei der HGÜ und in Ausnahmefällen werden auch Kabel wie beim 110-kV-Netz
verwendet, wobei die Isolierung entsprechend
stärker ist. Außerdem liegt unter dem PE-Mantel
des Kabels eine Aluminiumfolie. Diese verhindert
das Eindiffundieren (Eindringen einzelner Moleküle) von Wasser in die VPE-Isolierung. Derartige
Kabel sind querwasserdicht.
Zweierbündel
Leiterseile
Bei einem Bündelleiter ist die elektrische Feldstärke
an der Leiteroberfläche kleiner als bei einem einzelnen Leiter (Bild 3). Bei Höchstspannung wäre sonst
die Feldstärke so groß, dass die Leiteroberfläche
glimmt (Gasentladung). Die damit verbundenen
Verluste bezeichnet man als Koronaverluste.
1
Zweierbündel an einer Verdrillungsstelle
L1
L3
L2
L1
L3
L2
10 km
10 km
10 km
2
Verdrillungsplan
400
400
Die Leiterseile sind wie im Mittelspannungsnetz
aufgebaut. Jedoch sind bei Wechselstrom-Höchstspannungen mehrere Leiterseile zu einem Bündelleiter verbunden (Bild 1). Je nach Anzahl der einzelnen Leiterseile unterscheidet man Zweier-,
Dreier- oder Viererbündel. Die einzelnen Leiterseile
werden etwa aller 50 m durch Distanzhalter voneinander getrennt gehalten. Nachteilig ist beim
Donaumast, dass die Leiter verschiedene Koppelkapazitäten untereinander und zur Erde haben.
Deshalb wendet man im Abstand von mehreren
Kilometern eine Verdrillung der Leiter an (Bild 1).
Jedes der drei Leiterseile wird so geführt, dass es
die verschiedenen Lagen zur Erde zu gleichen Teilen durchläuft (Bild 2).
Bündelleiter setzen die Koronaverluste herab.
3
Isolatoren
Die Bündelleiter werden mit Isolatoren an den Traversen der Maste befestigt. Diese sind aus Porzellan gefertigte Langstabisolatoren (Bild 1). Die
Länge dieser Isolatoren ist von der Bemessungsspannung des Netzes abhängig. Man unterscheidet Hängeisolatoren und Abspannisolatoren.
Elektrisches Feld eines Viererbündels
Für besonders stabile Ausführung gibt es Sonderformen, z. B. im Gebirge wegen der dort hohen Belastung durch Eis (Bild 1, folgende Seite).
320
12.4 Hochspannungsnetze
schalten der Steuerung ein Betrieb in beiden Richtungen möglich.
Verwendet werden Stromrichterschaltungen, die
für den Vierquadrantenbetrieb geeignet sind, also
ähnlich dem Netzstromrichter des U-Umrichters
(Seite 297). Der bei den U-Umrichtern vorhandene
Zwischenkreis ist bei der HGÜ die Gleichstromstrecke. Als Bauelemente werden bei der klassischen HVDC wassergekühlte Fotothyristoren verwendet, weil dann keine Hochspannung an der
Steuereinrichtung auftritt. Jeder Stromrichterzweig besteht wegen der hohen Spannung aus
einer umfangreichen Reihenschaltung dieser Thyristoren.
Bei den großen Übertragungsleistungen von bis
1000 MW enthält eine Konverterstation umfangreiche Anlagen (Bild 1). Auf der jeweiligen Seite des
Drehstromnetzes liegt ein Drehstromtransformator, z. B. für eine Mehrphasenspannung von sechs
Phasen (Bild 3, Seite 115). Dadurch ist eine zwölfpulsige Gleichrichtung möglich, die zu einem nur
wenig welligen Gleichstrom führt (Bild 2). Bei Bedarf wird in die Gleichstromleitung eine Drosselspule eingefügt.
Die Konverterstationen einer HGÜ-Anlage sind
gleich ausgeführt und erlauben eine Energieübertragung in beiden Richtungen.
www.siemens.de
www.abb.com
Gleichspannungsnetz der HGÜ
1
Ansicht einer Konverterstation von innen
OberschwingungsFilter
B12C
L1
L2
L3
P
_
_
N
¡
¡
Zweileiter- Gleichstromleitung
B12C
SechsphasenTransformator
L1
P
_
_
N
L2
L3
2
Schaltung einer HGÜ-Anlage
Man verwendet Freileitungsnetze und Kabelnetze.
Meist wird der Gleichstrom über metallische Leiter
übertragen, wobei beide Leiter (positiver Leiter P
und negativer Leiter N) gegen Erde jeweils auf halbem Potenzial liegen. Bei einer Netzspannung von
400 kV beträgt dann gegen Erde bei P die Spannung + 200 kV und – 200 kV bei N.
P
Für große Strecken werden Freileitungsnetze verwendet. Als Maste kommen Stahlgittermaste mit
zwei Leiterseilen zum Einsatz (Bild 3). Bei der Gleichstrom-Kurzkopplung zum Verbinden zweier Netze
von unterschiedlicher Frequenzkonstanz kommen
auch Kabelnetze mit Einleiterkabeln in Betracht.
N
U
+U
2
-U
2
3
Bei alten Anlagen wurde auch die Erde an Stelle
des Leiters P verwendet. Davon ist man aber abgekommen, da an den Erdelektroden Korrosion auftritt und die Umwelt zwischen den Konverterstationen beeinträchtigt ist.
Die Verwendung der Erde zur Leitung des Gleichstromes führt zur Korrosion der Erdelektroden.
Stahlgittermast für HGÜ
Ein Sonderfall der HGÜ ist die Durchquerung von
Meeresteilen mittels Einleiter-Seekabel. Da verwendet man oft das Wasser zur Leitung des
Gleichstromes, um das teure zweite Seekabel zu
sparen (Bild 1, folgende Seite).
13.10 Planung von elektrischen Anlagen
13.10 Planung von elektrischen Anlagen
365
Aufgaben der früheren Projektphasen
Projektmanagement
Projektinhalt festlegen
Für das Umsetzen von Projekten im Umfeld elektrischer Anlagen ist sicherzustellen, dass
Bezug zu anderen Projekten herstellen
● die Aufgabenstellung genau beschrieben und
mit dem Auftraggeber abgestimmt ist,
● die elektrischen, baulichen und sicherheitsrelevanten Randbedingungen vor der Umsetzung
bekannt sind,
Projektrisiken betrachten
Wirtschaftlichkeit analysieren
Projektziele definieren
Projektabgrenzung vornehmen
Projektvoraussetzungen festlegen
● die Aufwände und der Terminplan der Umsetzung bekannt sind,
Projektorganisation festlegen
● die zu entwickelnde elektrische Anlage der Aufgabenstellung entspricht und dass
Projektphasenplan aufstellen
● bei Projektende eine aktuelle Dokumentation
vorliegt.
Deshalb ist für elektrische Anlagenprojekte, deren
Entwicklungsaufwände mehrere Wochen betragen, zu Projektbeginn eine Projektplanung vorzunehmen (Bild 1). Eine Projektorganisation mit den
am Projekt beteiligten Personen ist festzulegen.
Die Aufgaben und Zuständigkeiten der am Projekt
Beteiligten sind zu definieren. Der Projektleiter
muss die Projektarbeit planen, koordinieren und
steuern. Bei großen Projekten sollte der Projektleiter an ein Entscheidergremium berichten, welches
auch aus Mitgliedern der auftraggebenden Unternehmensleitung besteht.
Projektarbeitspakete definieren
1
Inhalt der Projektplanung
Projekt Förderband
Projektleitung A. Maier
...
Konzeption
Beschaffung
P. Müller
K. Schulz
Analyse Bestandteile von
Fördereinrichtungen
Analyse Sensoren, Aktuatoren
Analyse Betriebssysteme
Analyse Bedienungselemente
Als wesentliche Aufgabe zum Realisieren von elektrischen Anlagenprojekten ist die Projektstrukturierung in Form von Arbeitspaketen (definierte Aufgaben) mit Verantwortlichen zu nennen (Bild 2).
Dies muss sehr sorgfältig erfolgen. Anhand der Arbeitspakete ist der Projektumfang erkennbar, d. h.
● Zeitaufwände für Untersuchungen und Entwicklungen,
● Kosten für Investitionen hinsichtlich elektrischer
und mechanischer Komponenten und Betriebsmittel sowie
● Zeitaufwände für die Inbetriebnahme und bei
Bedarf Schulung der aufzubauenden Anlage
sind zu erarbeiten.
Als Grobstruktur kann hierbei oft zunächst eine Untergliederung nach Anlagenkonzeption, Beschaffung, Umsetzung, Inbetriebnahme, Einführung und
Projektmanagement angenommen werden (Bild 2).
Eine Kosten-Nutzen-Betrachtung des umzusetzenden Projektes sollte nach Festlegung der Arbeitspakete und deren Bewertung hinsichtlich Investitionskosten und Aufwände durchgeführt werden, um
die Wirtschaftlichkeit zu beurteilen.
Anlagenplanung
2
Auszug aus dem Projektstrukturplan (PSP)
mit Arbeitspaketen
Lastenheft
Verwaltungsangaben:
Version, Autor, Datum, Kunde
Kurzbeschreibung der Aufgabe
Aufgabenbeschreibung ausführlicher:
● Funktion der Anlage,
● Sicherheitsanforderungen,
● Berücksichtigung existierender
Standards und Vorschriften,
● Serviceanforderungen
Randbedingungen:
örtliche Gegebenheiten
Sonstiges:
● Umfang und Art der Dokumentation,
● Fertigstellungstermin,
● Kostenvorstellung
3
Bestandteile des Lastenheftes (Beispiel)