Machines Electriques Elektrische Maschinen. Synchronmaschinen

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1 Machines Electriques Elektrische Maschinen Synchronmaschinen

2 Inhalt 1 Einleitung Aufbau und Arten Die Außenpolmaschine Die Innenpolmaschine Der Ständer Der Läufer Erregung der Synchronmaschine Fremderregung Eigenerregung Erregerschaltungen Wirkungsweise als Synchrongenerator (Buch ab Seite 327) Leerlauf des Generators (Buch Seite 327) Leerlaufkennlinie U q0 = f (I E ) Entstehung der Dreiphasenwechselspannung beim Synchroninnenpolgenerator Belastung des Generators Spannungsverluste in den Strängen de 3~Wicklung (Buch Seite 328) Ankerrückwirkung (Buch Seite ) Drehmomentbildung Ersatzschaltung und Zeigerdiagramme Das Verbraucher-Zählpfeilsystem (VZS, Buch Seite 329) Ersatzschaltung für einen Strang (Buch Seite 329) Zeigerbilder des belasteten Generators Belastungskennlinien des Synchrongenerators (Inselbetrieb) Einstellung der Klemmenspannung bei Belastung des Generators Kurzschluss des Generators (3-poliger Kurzschluss) Drehmomentbildung Parallelbetrieb des Synchrongenerators am Dreiphasennetz Synchronisation Wirkungsweise als Synchronmotor (Buch ab Seite 335) Wirkleistung Drehmoment Verluste Blindleistung Belastung bei Nennerregung I E0N Belastung bei cosϕ 1 = Belastung mit zusätzlicher induktiver Blindleistungslieferung Belastung mit Unterregung V-Kurven Mechanische Pendelungen Dämpfung Anlauf Asynchroner Anlauf Frequenzanlauf Anlaufmotor Drehzahlsteuerung MACEL SYNCHRONMASCHINEN 2

3 Synchronmaschinen (Buch ab S.322) 1 Einleitung Buch Seite Aufbau und Arten Außenpolmaschine Innenpolmaschine o Schenkelpolläufer o Vollpolläufer o Klauenpolläufer Schaltzeichen Innenpolmaschine Außenpolmaschine 2.1 Die Außenpolmaschine (Buch Seite ) 2.2 Die Innenpolmaschine (Buch Seite 324) Der Ständer (Buch Seite 324) Der Läufer (Buch Seite 325) Man unterscheidet zwischen drei Läuferarten: dem Schenkelpolläufer (Buch Seite 325), dem Vollpolläufer (Buch Seite ) und dem Klauenpolläufer (Lichtmaschine im Kfz). 2.3 Erregung der Synchronmaschine (Buch Seite 326) Die Erregerleistung P f beträgt 0,25% bis 5% von der Nennleistung P N. Es wird zwischen zwei Erregerarten unterschieden: Fremderregung und Eigenerregung. MACEL SYNCHRONMASCHINEN 3

4 2.3.1 Fremderregung Die Erregerleistung wird von einer unanhängigen Quelle geliefert Eigenerregung Die Erregerquelle wird von der Synchronmaschine gespeist oder angetrieben 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 I E (I f ) die Erregerdurchflutung Θ E (Θ f ) und im Eisen das Magnetfeld Φ E (Φ f ). o Das Polrad rotiert mit der konstanten Drehzahl n d. So entsteht das Läuferdrehfeld (Erregerdrehfeld Φ de ). o Nach der Generatorregel (Generatorprinzip) entsteht in der Dreiphasenwicklung des Ständers eine Dreiphasenwechselspannung mit dem Effektivwert: U q0 = k φ de n oder allgemein nach der Trafohauptgleichung: U q0 = 2π φ 2 de f N und der Frequenz: f = p n o In der Regel wird eine konstante Frequenz f gefordert. Dann gilt: n = konstant; n = n d und f = p. n d o Die Höhe der Leerlaufspannung U q0 kann über das Drehfeld Φ de mit Hilfe des Erregerstromes eingestellt werden Leerlaufkennlinie U q0 = f (I E ) Mit: U R : Remanente Spannung I E0 : Bemessungserregerstrom im Leerlauf U q0n : Bemessungsspannung im Leerlauf Der Verlauf der Kennlinie entspricht der Magnetisierungskennlinie des Eisens. MACEL SYNCHRONMASCHINEN 4

5 3.1.2 Entstehung der Dreiphasenwechselspannung beim Synchroninnenpolgenerator Schnitt des Ständeraufbaus (Rechtsdrehsinn des Läufers): U1 U1 V2 W2 V2 W2 W1 V1 W1 V1 U2 U2 U1 U1 V2 W2 V2 W2 W1 V1 W1 V1 U2 U2 MACEL SYNCHRONMASCHINEN 5

6 3.2 Belastung des Generators In der 3~Wicklung fließt ein 3~Wechselstrom. Dieser 3~Wechselstrom beeinflusst mit der Ankerrückwirkung das Betriebsverhalten der Synchronmaschine Spannungsverluste in den Strängen de 3~Wicklung (Buch Seite 328) a) Wirkspannungsabfall: b) Streuspannungsabfall: Ankerrückwirkung (Buch Seite ) 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 U q weicht von der induzierten Leerlaufspannung U q0 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 U q. Ohm sche Last: U1 Beide Felder wirken senkrecht zueinander. V2 n d W2 Die induzierte Spannung nimmt ab: Uq < Uq 0 Es entsteht ein Drehmoment gegen die Drehrichtung. W1 V1 U2 MACEL SYNCHRONMASCHINEN 6

7 Induktive Last: U1 Beide Felder wirken gegeneinander. V2 n d W2 Die induzierte Spannung nimmt stärker ab: Uq << Uq 0 Es entsteht kein Drehmoment. W1 V1 U2 Kapazitive Last: U1 Beide Felder wirken in die gleiche Richtung. V2 n d W2 Die induzierte Spannung steigt: Uq > Uq 0 Es entsteht kein Drehmoment. W1 V1 U 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 SYNCHRONMASCHINEN 7

8 3.3 Ersatzschaltung und Zeigerdiagramme Das Verbraucher-Zählpfeilsystem (VZS, Buch Seite 329) Schaltung: a) Ohm scher Verbraucher b) Induktiver Verbraucher c) Kapazitiver Verbraucher MACEL SYNCHRONMASCHINEN 8

9 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 U q0. b) Der ohm sche Wirkwiderstand R mit dem inneren Spannungsverlust U R = 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 X h mit dem Spannungsabfall U h = I X h berücksichtigt. Dabei gilt: Vollständige Ersatzschaltung der Synchronmaschine Vereinfachte Ersatzschaltung der Synchronmaschine Masche M: Zeigerbilder des belasteten Generators a) Ohm sche Last b) Induktive Last MACEL SYNCHRONMASCHINEN 9

10 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 SYNCHRONMASCHINEN 10

11 3.3.4 Belastungskennlinien des Synchrongenerators (Inselbetrieb) Siehe Buch Seite Einstellung der Klemmenspannung bei Belastung des Generators Siehe Buch Seite Die Einstellung der Klemmenspannung erfolgt nicht direkt, sondern indirekt über die Einstellung der induzierten Spannung U q0. Diese hängt, wie schon erwähnt, vom Erregerstrom I E ab. Die Erreger-Regulierkennlinien beschreiben den Einstellvorgang. 3.4 Kurzschluss des Generators (3-poliger Kurzschluss) Siehe zunächst Buch Seite ). Ersatzschaltung: Zeigerbild: 3.5 Drehmomentbildung Buch Seite Interpretation der Drehmomentgleichung: 3.6 Parallelbetrieb des Synchrongenerators am Dreiphasennetz 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 SYNCHRONMASCHINEN 11

12 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 SYNCHRONMASCHINEN 12

13 4 Wirkungsweise als Synchronmotor (Buch ab Seite 335) 4.1 Wirkleistung Buch Seite Drehmoment Buch Seite Verluste Buch Seite Blindleistung Belastung bei Nennerregung I E0N Normalerregung (Leerlaufbemessungserregerstrom I E0N ): U q0 = U 1N 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 Belastung bei cosϕ 1 = 1 Der Erregerstrom wird über den Nennwert hinaus gesteigert bis I 1 ein reiner Wirkstrom ist. Die Polradspannung ist nun größer als die Netzspannung. Der Motor nimmt nur Wirkleistung aus dem Netz auf. MACEL SYNCHRONMASCHINEN 13

14 4.4.3 Belastung mit zusätzlicher induktiver Blindleistungslieferung Gegenüber dem Fall in 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 Belastung mit Unterregung Der Erregerstrom wird unter den Wert I E0N verringert. Bei gleicher Belastung vergrößert sich nun die induktive Blindleistungsaufnahme. Diese Betriebsart ist ungünstig für das speisende Netz. Außerdem verringert sich mit U q0 das Kippmoment des Motors. MACEL SYNCHRONMASCHINEN 14

15 4.5 V-Kurven Buch Seite Mechanische Pendelungen Buch Seite Dämpfung Buch Seite Anlauf Buch Seite Es können drei Anlaufarten unterschieden werden: Asynchroner Anlauf Frequenzanlauf 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 SYNCHRONMASCHINEN 15

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