6.4. Drehstrom-Synchronmaschine (DSM)

Transkript

1 PD Dr.-Ing. habil. W. Michalik 6.4. Drehstrom-ynchronmaschine (DM) Geschichtliche Entwicklung der ynchronmaschine Mitte des vorigen Jh.: Einphasige M, als Einphasengeneratoren zur Versorgung von Beleuchtungsanlagen. 1887: Dreiphasige ynchrongeneratoren, unabhängig voneinander von F. A. Haselwander und Bradley entwickelt. Folgezeit: Ausbildung der chenkelpolmaschine und dem Turbogenerators. Weiterentwicklung: DM als Generator: Hängt eng mit dem Ausbau der elektrischen Energieversorgung und der immer größeren Generator-Einheitsleistung zusammen. DM als Motor: Für konstante Antriebsdrehzahlen, oder die Möglichkeit des Phasenschieberbetriebs, also in Industrie und Gewerbebetrieben Funktionsweise und Aufbau der DM Elektrisch oder permanentmagneterregter Läufer im rotierenden Drehfeld. Prinzip: ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab. utzmoment entwickelt sich nur, wenn gilt: Rotordrehzahl = Drehfelddrehzahl, n = n d. ynchronismus zwischen Drehfeldfrequenz und Rotordrehzahl erforderlich! Die tatorwicklung (Ankerwicklung) wird im Regelfall dreiphasig wie bei der DAM ausgeführt. Die Erregerwicklung (Feldwicklung) wird von einem Gleichstrom durchflossen, der in vielen Anwendungen über zwei chleifringe zugeführt wird. Anstelle der stromdurchflossenen Wicklungen können auch Permanentmagnete zum Aufbau des Gleichfelds benutzt werden. Leerlauf Bild 7.1. Leerlauf der DM Im Leerlauf stehen sich ordpole des tators und üdpole des Rotors und umgekehrt gegenüber, wobei trotz großer Anzugskraft wegen fehlendem Hebelarm kein Moment entsteht: n = n d ; M = 0. kript Akt03_06b.doc 99

2 Dr.-Ing. habil. W. Michalik Belastung Bild 7.. Belastung der DM n = n d ; M>0 Läuferarten: -Elektrisch erregt: Bei motorischer Belastung läuft der Rotor weiterhin mit Drehfelddrehzahl um, hinkt aber dem tatorfeld um den Polradwinkel ϑ < 0 hinterher. Dadurch steht an der Welle ein mechanisches Antriebsmoment zur Verfügung, das etwa sinusförmig vom Polradwinkel abhängt. Bei ϑ = 90 erreicht das Moment seinen Maximalwert M ( 90 ) = M K = Kippmoment, bei dessen Überschreitung die ynchronmaschine kein Antriebsmoment mehr entwickeln kann und somit ausläuft. 1) Vollpolläufer, auch Turboläufer, Induktor (zylindrischer Läufer aus massivem tahl, rotationssymmetrisch, aber verteilte Wicklung zur Erzeugung eines sinusförmigen Luftspaltfeldes, im allg. z p =1..., kleiner Ankerdurchmesser, große axiale Länge, chnellläufer Turbogenerator ) chenkelpolläufer, auch Polrad (ausgeprägte geometrische Pole aus massivem oder geblechtem Eisen, pezielle Formgebung der Polschuhe, Luftspalt von Polmitte zu Polkanten erweitert zur Erzeugung eines sinusförmigen Luftspaltfeldes (für sinusförmig induzierte pannung), im allg. z p >, großer Ankerdurchmesser, kleine axiale Länge, Langsamläufer Wasserkraftgenerator, Hydrogenerator Der Polschuh wird in der Regel lamelliert ausgeführt, um Wirbelstöme in ihm und damit Zusatzverluste zu vermeiden, da die Feldkurve infolge der utung des tatorblechpakets Oberwellen enthält. Die Dämpferwicklung (Dämpferkäfig) ermöglicht den asynchronen Anlauf von ynchronmotoren und dämpft die Pendelungen des Läufers nach schlagartigen Laständerungen oder etzspannungsschwankungen. kript Aktorik Akt04_06b.doc 100

3 PD Dr.-Ing. habil. W. Michalik Erregerwicklung tänderwicklung (Ankerwicklung) Erregerwicklung tänderwicklung (Ankerwicklung) Vollpolmaschine Bild 6.1: Grundsätzlicher Aufbau elektrisch erregter DM chenkelpolmaschine Polsystem auf bewegtem Läufer: Innenpolmaschine (typische Konstruktion) Polsystem auf feststehendem tänder: Außenpolmaschine (chleifringe erforderlich!, für kleinere Leistungen, chenkelpolausführung, seltene Konstruktion) -Permanentmagneterregt (PMM) An die Konstruktion gebundene Magnetisierung des Läufers mit Dauermagneten. Diese M werden fast ausschließlich als tellmotore eingesetzt. Häufig angewendete Permanentmagnete: dfeb (eodym Eisen Bohr) mco (Kobalt amarium) AliCo (Aluminium ickel Kobalt) tänder einer Vollpolsynchronmasche Bild 6.4: DM mit =100 MVA, z p = 1 Vollpolläufer einer ynchronmaschine kript Akt03_06b.doc 101

4 Dr.-Ing. habil. W. Michalik DM bis ca. 10 kw: permanenterregte tellmotoren, bis ca.100 kw: permanent- und elektrisch erregte Antriebsmotoren von ca. 400 kw... 0 MW: elektrisch erregte Antriebsmotoren direkt am etz, Regelantriebe ynchronmaschine - chaltbilder chaltungen am (starren) Drehstromnetz für Antriebe mit konstanter Drehzahl M M 3 G Y elektrisch erregter Motor permanentmagneterregter Motor elektrisch erregter Generator (in ternschaltung) Die D-Vollpolmaschine Drehmomentengleichung: Berechnungsmöglichkeiten: 1. Über das Kraftwirkungsgesetz. Über eine Leistungsbilanz -90 Motorbetrieb M M k 90 β Ergebnis: 3U M = sin M K sin ω X ε β = β mech d Rückwärtsdrehung des Läufers durch Belastungsmoment: β<0 (Motorbetrieb) bzw. Vorwärtsdrehung durch Antriebsmoment: β>0 () β<90 0 : stabiler Betrieb, β>90 0 : instabiler Betrieb D Motorbetrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie: f D = = konst. z p M k =Kippmoment M k M M k M kript Aktorik Akt04_06b.doc 10

5 PD Dr.-Ing. habil. W. Michalik U jx jβ Ankerstromgleichung: I A = ( 1 ε e ) Mit dem Erregergrad ε = U M,p U d und der Polradspannung u = u = DM untererregung: DM wirkt wie pule (Aufnahme induktiver Blindleistung) DM übererregung: DM wirkt wie Kondensator (Aufnahme kapazitiver Blindleistung) M,p p dψ dt p 3 π ϕ π Motorbetrieb P el >0 Aufnahme kapazitiver Blindleistung 3 π ϕ π P el <0 Aufnahme kapazitiver Blindleistung U ϕ 0 ϕ π Motorbetrieb P el <0 Aufnahme induktiver Blindleistung π I A ϕ π P el <0 Aufnahme induktiver Blindleistung Bild 6.7: Betriebszustände der ynchronmaschine Merke: Änderung des Erregerstroms bedeutet Änderung des Blindleistungsaustausches mit dem etz trom-drehmoment-kennlinie: I A durch P vcua Generator Motor M Eine Drehzahlsteuerung ist nur über eine Frequenzsteuerung des tatorfeldes möglich. Hierzu wird ein Frequenzumrichter verwendet. kript Akt03_06b.doc 103

6 Dr.-Ing. habil. W. Michalik Anwendung der D-Vollpolmaschine Kraftwerksgenerator Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken nahezu ausschließlich mit ynchronmaschinen Vollpol-ynchrongenerator (Turbogenerator) (Läuferdurchmesser D 1, m, Blechpaketlänge l 7 m); Antrieb durch Dampfturbinen, 1, GVA, p = 1, = 3000 min -1, f = 50 Hz ( < GVA, p = ; Kernkraftwerke) Wirkleistungssteuerung: Änderung der Antriebsleistung der Arbeitsmaschine (Turbine, Motor) Blindleistungssteuerung: Änderung der Erreger- (Gleichstrom-) Leistung untererregt Aufnahme induktiver Blindleistung übererregt Abgabe induktiver Blindleistung (überwiegende sart) ohmscher Betrieb onderfall beim Übergang vom unter- zum übererregten Be trieb; cosϕ = 1 pannungsänderung des etzes: Gleichzeitige Erregungssteuerung der Kraftwerks- generatoren Die D-chenkelpolmaschinen -Aufbau der chenkelpolmaschine Durch die Läufergeometrie mit ausgeprägten Polen liegt keine ymmetrie mehr vor, was zu unterschiedlichen Induktivitäten der Längsache (d-achse, in Richtung des Erregerfeldes) und der Querachse (q-achse, quer zum Erregerfeldes) führt. L1 L L3 i d-achse ψ A L1 L L3 ψ A q-achse d-achse kript Aktorik Akt04_06b.doc q-achse 104

7 PD Dr.-Ing. habil. W. Michalik Es gilt für elektrisch erregte DM: R md < R mq und ψ ad > ψ aq für I A = konst. Unterschiedliche Reaktanzen bzw. Induktivitäten in d- und q-achse (synchrone Reaktanz X d und X q ) mit L d >L q Es gilt für permanentmagneterregte DM (PMM): R md > R mq L d < L q q d θ α Bild 6.8: Querschnitt durch einen permanentmagneterregten Läufer eines DM mit radial angeord- neten Magneten - Drehmoment der chenkelpolmaschine: 3U 3U 1 1 M sin sin mech X ε β = + ω d ω mech Xq X β d synchrones Moment Reaktionsmoment zwei Anteile! ynchrones Moment: siehe Vollpolmaschine Reaktionsmoment: Durch magn. Asymmetrie, auch bei nicht erregter Maschine vorhanden Reluktanzmaschine M M yn M M +M K +δ K M Rel δ Bild 6.9: Abhängigkeit der Drehmomente einer D-M mit chenkelpolläufer (L mq < L md ) vom Polradwinkel δ Motorbetrieb δ K M K kript Akt03_06b.doc 105

8 Dr.-Ing. habil. W. Michalik -Drehzahlsteuerung: ur mit Frequenzumrichter bei u/f=konst. -Anlauf und ynchronisierung: Aufgabenstellung: Der ynchrongenerator soll möglichst stoßfrei und ohne daß ein Ausgleichsstrom fließt, mit dem starren Drehstromnetz verbunden werden. Für diesen Zweck sind vier ynchronisierungsbedingungen einzuhalten. Bedingung Kontrolle Eingriffsmöglichkeit 1. Gleiche Phasenfolge Drehrichtungsanzeige Tausch zweier Phasen. Frequenzgleichheit Drehzahlmessung Drehzahländerung 3. pannungsgleichheit Voltmeter Erregerstrom ändern 4. Gleiche Phasenlage Zweistrahloszillgraph Kurzzeitige n-änderung -Anlaufhilfen: - Asynchroner Anlauf (mit der Dämpferwicklung der DM) - Anlauf mit Hilfsmotor - Frequenzanlauf (Kombination mit Umrichter) -Anwendung der D-chenkelpolmaschine 1. chenkelpol-ynchrongenerator in Wasserkraftwerken. chenkelpol-ynchronmotor für - niedertourige, durchgängig betriebene größere Lasten (z.b. Kolbenkompressoren, große Pumpen,...) - Phasenschieberbetrieb (Verbesserung des cos ϕ im etz) kript Aktorik Akt04_06b.doc 106