V301. Regelung von Wirk- und Blindleistung in elektrischen Netzen

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung in elektrischen Netzen letzte Überarbeitung: Das Verhalten einer Synchronmaschine im Netzparallelbetrieb wird mithilfe eines Maschinenprüfstands, der Antriebs- und Bremseinheit sowie Erreger- und Synchronisiereinrichtung beinhaltet, untersucht. Neben dem stationären Verhalten im Vierquadrantenbetrieb wird auch das dynamische Verhalten beim Zuschalten und an der Stabilitätsgrenze beleuchtet. Dadurch wird das für die elektrische Energieerzeugung wichtigste Betriebsmittel und sein Zusammenwirken mit dem Netz veranschaulicht. Der Aspekt Modellierung und theoretische Analyse wird mit praktischer Betriebsführung und Messung verknüpft. Die Anleitung ist von jedem Teilnehmer vor Versuchsbeginn gewissenhaft durchzuarbeiten. Insbesondere sind die Aufgaben in Kapitel 6 im Vorfeld zu lösen. Das erfolgreiche Bestehen des Versuchs erfordert ein testiertes Protokoll, das innerhalb von 2 Wochen nach der Teilnahme am Versuch einzureichen ist. Beachten Sie bei der Anfertigung die Richtlinien in Anhang C und nehmen Sie die Vorlage in Anhang D als Grundlage für die Ausarbeitung. Versuchsauswertungen, die nicht die Struktur der Vorlage aufweisen, werden nicht akzeptiert.

2 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 2 1 Einleitung Konventionen bei Zählpfeilsystemen Wesentliche Größen der Dreiphasensysteme Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme Leistungen und Verbraucher des Drehstromsystems Einphasige Ersatzdarstellung symmetrischer Dreiphasensysteme Leistungsmessung in symmetrischen Drehstromsystemen Betriebsverhalten der Synchronmaschine Aufbau der Synchronmaschine Ersatzschaltbild und Leistungsgleichungen des Synchrongenerators Statische Stabilität des Synchrongenerators am starren Netz Betriebsdiagramm der Synchronmaschine Versuchsaufbau Aufgabenstellung (theoretischer Teil) Aufgabenstellung (messtechnischer Teil) Inbetriebnahme des Maschinenprüfstands Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie Betriebsdiagramm der Synchronmaschine Dynamische Vorgänge beim Zuschalten der Synchronmaschine Betriebsarten der Synchronmaschine Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb Anhang A Lösungsblätter Anhang B Kenndaten der Synchronmaschine Anhang C Richtlinien für die schriftliche Ausarbeitung Anhang D Inhalte der schriftlichen Ausarbeitung... 32

3 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 3 1 Einleitung Der weitaus größte Teil der elektrischen Energie wird heute dreiphasig zum Verbraucher geleitet. Hierzu werden symmetrische Dreiphasensysteme verwendet. Gegenüber dem einfachen Wechselstromsystem besitzen Sie folgende Vorzüge: Einfache Möglichkeit zur Drehfelderzeugung (deshalb auch Drehstromsysteme genannt). Beim vollständigen System (Null-Leiter vorhanden) hat man die Wahl zwischen zwei Spannungen verschiedener Größe. Bei symmetrischer Belastung ist der Augenblickswert der Leistung konstant. Der Bedarf an Leitermaterial und die Übertragungsverluste sind in Bezug auf die übertragene Leistung geringer. Die Frequenz beträgt allgemein 50 Hz. Die USA und ein Teil Japans verwenden 60 Hz. Zur Betrachtung der prinzipiellen Eigenschaften von Dreiphasensystemen spielt aber die Frequenz keine Rolle.

4 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 4 2 Konventionen bei Zählpfeilsystemen Bei der Ersatzdarstellung elektrischer Netzwerke unterscheidet man im Prinzip zwei Zählpfeildarstellungen: das Erzeugerzählpfeilsystem (EZS) und das Verbraucherzählpfeilsystem (VZS) Der Unterschied zwischen beiden besteht in der Richtungsdefinition von Strom- und Spannungspfeil. Das EZS definiert die Wirkleistungsabgabe positiv, d.h. Strom- und Spannungspfeil sind an Quellen und Senken gleichgerichtet. Dadurch wird erzeugte Leistung, sei es Wirk- oder Blindleistung, positiv gezählt. Das VZS definiert die Wirkleistungsaufnahme positiv, d.h. Strom- und Spannungspfeil sind an Quellen und Senken entgegen gerichtet. Dadurch werden sowohl aufgenommene Wirkleistung als auch induktive (=aufgenommene) Blindleistung positiv gezählt. Abbildung 1: Zählpfeilsysteme im Vergleich Es ist unerheblich nach welchem System die Zählpfeile angeordnet werden, da auch die Kombination beider Systeme in einem Netzwerk möglich ist. Zu beachten ist lediglich, dass bei der Definition der Vorzeichen des Leistungsflusses die Strom- und Spannungszählpfeile des entsprechenden Elementes herangezogen werden müssen, da bei Kombination beider Systeme z.b. die Wirkleistungsabgabe nicht an allen Elementen das gleiche Vorzeichen aufweist!

5 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 5 3 Wesentliche Größen der Dreiphasensysteme 3.1 Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme (Drehstromsysteme) sind dadurch charakterisiert, dass zum einen die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen 120 beträgt und zum anderen die Spannungsbeträge aller Phasen gleich groß sind. Derartige Spannungssysteme können daher in folgender komplexer Schreibweise dargestellt werden: j 0 Phase L1: U 1 U e (1) j120 Phase L2 : U 2 U e (2) Phase L : o j U 3 U e (3) Die Größe U ist der Spannungsbetrag der einzelnen Phase gegen Erdpotential, die sogenannte Leiter-Erdspannung, die natürlich in symmetrischen Drehstromsystemen für alle Phasen gleich groß ist. Weiterhin kann in einem Drehstromsystem aber auch die Spannung zwischen zwei Phasen, die sogenannte verkettete Spannung oder Dreieckspannung abgegriffen werden. Für diese Spannung gilt ersichtlich: U 0 0 j 0 j U 1 U 2 U e U e 3 U e 0 j30 (4) U j 240 j 0 j U 3 U 1 U e U e 3U e (5) U j120 j 240 j90 23 U 2 U 3 U e U e 3 U e (6) Die verkettete Spannung des symmetrischen Drehstromsystems ist also um den Faktor 3 größer als die Leiter-Erdspannung. Die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasenspannungen beträgt 120, während die beiden Drehstromsysteme um 30 gegeneinander verschoben sind. Die Lage aller Spannungszeiger in der komplexen Ebene zeigt Abbildung 2.

6 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 6 In der elektrischen Energieversorgung kommen, abgesehen von einigen Sonderformen wie Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ), praktisch nur spannungssymmetrische Drehstromsysteme für die Energieübertragung zum Einsatz. Im Rahmen dieses Versuchs wird ebenfalls ein dreiphasiges symmetrisches Spannungssystem vorausgesetzt. U 31 U 3 U 12 L 1 U U 1 U 3 U U 2 U 12 L 3 U 23 L 2 U 2 Abbildung 2: Spannungszeiger im Drehstromsystem U Leistungen und Verbraucher des Drehstromsystems Verbraucher können im Drehstromsystem grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Arten angeschlossen werden, nämlich in Sternschaltung resp. Dreieckschaltung. Beide Anschlussformen sind für einen Verbraucher in Abbildung 3 dargestellt. Für einen symmetrischen Verbraucher ergeben sich keine nennenswerten Unterschiede in beiden Anschlussarten, es kann von außen nicht einmal festgestellt werden, ob der Verbraucher im Stern oder Dreieck geschaltet ist. Die Summe aller drei Phasenströme ist in diesem Falle Null, weshalb der Neutralleiter der Sternschaltung stromlos bleibt und entfallen kann (Hochspannungsnetze werden in guter Näherung symmetrisch betrieben, so dass kein vierter Leiter benötigt wird).

7 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 7 Verbraucher in Sternschaltung Für einen Verbraucher in Sternschaltung nach Abbildung 3 a) gilt mit der Verbraucherimpedanz Z und dem Lastwinkel L: U i Phasenstrom : I i ; i 1, Z 2, 3 (7) 1 Scheinleistung : S U I 1 U 2 I 2 U 3 I 3 3U I e j L (8) Wirkleistung: P Re{ S } 3U I cos (9) L Blindleistung : Q Im{ S } 3U I sin (10) L Verbraucher in Dreieckschaltung Für einen Verbraucher in Dreieckschaltung nach Abbildung 3 b) gilt mit der Verbraucherimpedanz Z und dem Lastwinkel L: Aufgrund des symmetrischen Verbrauchers sind die Ströme in den Verbraucherzweigen (I12, I23, I31) gleich groß, der Betrag dieser Dreieckströme sei I. Aus der Beziehung: I 1 I 12 I 31 (11) ergibt sich dann, dass der Dreieckstrom I um 3 kleiner als der Phasenstrom I ist. Mit diesen Überlegungen lassen sich die Leistungen des Verbrauchers errechnen zu: Scheinleis tung : S U 12 I 12 U 23 I 23 j L 3 U I e 3 U U 31 I I e 31 j L (12) Wirkleistung : P 3 U I cos 3U I cos (13) L L Blindleistung : Q 3 U I sin 3U I sin (14) L L

8 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 8 Für symmetrischen Betrieb gilt demnach ganz allgemein: Die Leistungsbestimmung aus den Phasengrößen ist unabhängig von der Schaltungsart der Verbraucher. An den Verbraucherelementen liegt bei Dreieckschaltung die um 3 größere verkettete Spannung an. Dagegen ist der Strom durch die Verbraucherelemente um 3 kleiner als bei entsprechender Sternschaltung gleicher Leistung. I 1 L1 L1 I 2 L 2 I 3 L 3 Z Z Z L 2 L 3 I 1 I 3 I 2 Z Z Z N I 0 a) Sternschaltung b) Dreieckschaltung Abbildung 3: Anschlussarten eines Verbrauchers im Dreiphasensystem 3.3 Einphasige Ersatzdarstellung symmetrischer Dreiphasensysteme Bei symmetrischem Betrieb eines Dreiphasensystems genügen die Größen einer Phase zur vollständigen Beschreibung des Systemzustandes. Dementsprechend kann ein symmetrisches Drehstromsystem durch eine einphasige Ersatzschaltung dargestellt werden. Diese Ersatzschaltung wird beschrieben durch die Leiter- Erdspannung U, den Phasenstrom I sowie die Impedanzen einer Phase gegen Erde. Die verkettete Spannung tritt in der einphasigen Ersatzdarstellung natürlich nicht mehr auf und in Dreieckschaltung angeschlossene Verbraucher sind in eine äquivalente Sternschaltung (mittels Dreieck-Stern-Umwandlung) umzurechnen. Zu beachten ist außerdem, dass die Leistung der einphasigen Ersatzschaltung nur 1/3 der dreiphasigen Leistung beträgt, so dass Leistungsangaben entsprechend umgerechnet werden müssen!

9 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite Leistungsmessung in symmetrischen Drehstromsystemen Wirkleistungsmessung Es genügt, die Leistung einer Phase zu messen, da das Netz symmetrisch betrieben wird. Besitzt das System einen Null-Leiter, so erfolgt die Messung wie in Abbildung 4 a gezeigt. In diesem Fall ergibt sich die gemessene Wirkleistung des Verbrauchers zu: P mes U Iw mit : Iw Wirkstromder gemessenenphase (15) und damit die dreiphasige Wirkleistung zu: P ges 3 P 3U I (16) mes w Besitzt das System keinen Null-Leiter, gestaltet sich die Messung schwieriger. Entweder kann über einen sogenannten Sternpunktbildner (das ist ein sehr hochohmiger Verbraucher in Sternschaltung) ein künstlicher Sternpunkt geschaffen werden, gegen den wiederum die Leiter-Erdspannung abgegriffen werden kann, oder es wird eine Messung nach Abbildung 4 b (sogenannte Aron-Schaltung ) mit zwei Wattmetern durchgeführt. Hier ergibt sich ersichtlich: 0 1mes Re{ U 31 I 1 } U I cos ( 210 L P ) (17) P 0 2mes Re { U 23 I 2 } U I cos ( 30 L ) (18) Dabei sei L der Phasenwinkel der Verbraucherimpedanz. Die dreiphasige Leistung des Verbrauchers bestimmt sich damit dann zu: P ges P U I (19) 2mes P1 mes 3U I cos L 3 w

10 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 10 Zu beachten ist, dass diese Schaltung auch bei unsymmetrischen Verbrauchern angewendet werden kann, sofern kein Null-Leiter vorhanden ist. L 1 P mes L 1 P 1mes L 2 L 3 Sym. Last L 2 L 3 P 2mes Sym. Last N a) Messung mit Null-Leiter b) Messung ohne Null-Leiter Abbildung 4: Wirkleistungsmessung bei einem symm. Drehstromverbraucher L 1 Q mes L 2 L 3 Sym. Last N Abbildung 5: Blindleistungsmessung bei einem symm. Drehstromverbraucher Blindleistungsmessung Für die Messung der Blindleistung ist es unerheblich, ob der Null-Leiter vorhanden ist oder nicht. Es wird hier die Tatsache ausgenutzt, dass jeweils eine verkettete Spannung um 90 phasenverschoben zu einer Phasenspannung ist (Abbildung 2), so dass bei der Schaltung des Wattmeters nach Abbildung 5 gerade die Blindleistung in Phase 1 gemessen wird. Es ergibt sich:

11 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 11 Re { U 0 23 I 1 } U I cos ( L 90 ) 3 U I sin L ˆ Q (20) mes und damit die dreiphasige Blindleistung: Q ges 3 Q 3U I sin (21) mes L

12 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 12 4 Betriebsverhalten der Synchronmaschine 4.1 Aufbau der Synchronmaschine Synchronmaschinen sind elektromechanische Energiewandler, die sowohl im Motorals auch im Generatorbetrieb eingesetzt werden können. Das Betriebsverhalten im Motor- und Generatorbetrieb unterscheidet sich abgesehen von der Wirkleistungsflussrichtung nicht, so dass hier nur der praktisch bedeutsamere Generatorbetrieb beschrieben ist. Wesentliches Merkmal der Synchronmaschine ist die belastungsunabhängige Drehzahl im stationären Betrieb, was bedeutet, dass Stator- und Rotordrehfeld synchron laufen. Die Drehzahl n ist dabei mit der Polpaarzahl p der Maschine und Netzfrequenz f gegeben zu: n f p (22) Man unterscheidet zum einen zwei- und vierpolige Maschinen, sogenannte Turbogeneratoren, deren Erregerwicklung praktisch über den gesamten Rotorumfang verteilt ist, so dass der Rotor einen nahezu homogenen Zylinder bildet. Derartige Maschinen sind mit einer Drehzahl von U/min resp U/min (bezogen auf 50 Hz) geeignet als Generatoren für Dampf- und Gasturbinen. Zum anderen sind die hochpoligen Maschinen zu erwähnen (z.b. 16-, 24-, 48-polige Maschinen), sogenannte Schenkelpolmaschinen, deren Erregerwicklung in ausgeprägten Polen untergebracht ist, so dass hier der Rotor keinen homogenen Zylinder bildet. Derartige langsam laufende Maschinen werden vorwiegend als Wasserkraftgeneratoren eingesetzt. Aufgrund des inhomogenen Rotorzylinders der Schenkelpolmaschinen ist die mathematische Behandlung dieses Maschinentyps ungleich schwieriger, so dass im Rahmen dieses Versuchs nur die einfacher zu behandelnden Turbogeneratoren berücksichtigt werden. 4.2 Ersatzschaltbild und Leistungsgleichungen des Synchrongenerators Der symmetrisch betriebene Synchrongenerator kann in einem einphasigen Ersatzschaltbild als eine komplexe Spannungsquelle E mit dem Innenwiderstand R + jx dargestellt werden. Der ohmsche Anteil R des Innenwiderstandes kann dabei für die meisten stationären Rechnungen vernachlässigt werden, so dass sich das in Abbildung 6 gezeigte Ersatzschaltbild ergibt.

13 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 13 jx I G E U G Abbildung 6: Ersatzschaltbild des symm. betriebenen Synchrongenerators Die Spannungsquelle E, auch Polradspannung genannt, entsteht durch Induktion des Rotorfeldes im Stator. Bezieht man nun die Spannungsgleichungen der Maschine auf die Klemmenspannung UG des Generators, so erhält man unter Berücksichtigung des Polradwinkels (Phasenwinkel zwischen E und UG) sowie des Lastwinkels (Phasenwinkel zwischen UG und IG) die Beziehung: E e U j X I e (23) j j G G Daraus ergeben sich die Leistungsgleichungen: P G 3U G E X G sin (24) 2 3U G EG 3U G QG cos (25) X X Die Polradspannung E ist dabei abhängig vom Erregerstrom ir, während der Polradwinkel durch das mechanische Moment der Antriebsmaschine beeinflusst werden kann. Für einen beliebigen Arbeitspunkt im Generatorbetrieb zeigt Abbildung 7 das Zeigerdiagramm der Maschine zu dem Ersatzschaltbild nach Abbildung 6.

14 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 14 E jx I G U G I G Abbildung 7: Zeigerdiagramm (übererregter Synchrongenerator) 4.3 Statische Stabilität des Synchrongenerators am starren Netz Die Leistungsgleichungen für Turbogeneratoren (Vollpolläufer): Q G P G P P sin K K 3U cos X 2 G mit P K 3UG E X (26) Dabei ist PK die maximal abgebbare Wirkleistung des Generators, die auch Kippleistung genannt wird. Da der Polradwinkel durch das mechanische Antriebsmoment beeinflusst wird, kann die Wirkleistungsabgabe der Maschine in Abhängigkeit von der Antriebsleistung als Funktion von dargestellt werden. Dies ist ersichtlich für den Turbogenerator eine sin-funktion, wobei für 0 die Wirkleistungsabgabe negativ wird. Das entspricht demnach einer Wirkleistungsaufnahme, so dass die Maschine als Motor betrieben wird. Das Leistungsverhalten ist aber im Motor- und Generatorbetrieb wie anfangs bereits erwähnt identisch. Abbildung 8 zeigt die Wirkleistungsabgabe der Synchronmaschine als Funktion des Polradwinkels.

15 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 15 P Motorbetrieb P K instabil 2 P mech stabil A stabil 2 B instabil Generatorbetrieb P K Abbildung 8: Wirkleistungskennlinie für einen Vollpolläufer Im stationären Betriebszustand sind mechanische und elektrische Leistung im Gleichgewicht. Es ergeben sich zwei potentielle Arbeitspunkte (Punkt A und B, Abbildung 8). Für den Arbeitspunkt A gilt: Wird durch eine externe Störung (z.b. Laständerung) größer, steigt die elektrische Wirkleistung PG, so dass die Maschine gebremst wird und wieder in den Arbeitspunkt A läuft. Dies gilt sinngemäß für eine Verkleinerung von. Für den Arbeitspunkt B gilt: Bei Zunahme von durch eine externe Störung nimmt die elektrische Leistung ab, so dass die Maschine beschleunigt wird und aus dem Arbeitspunkt B herausläuft. Die Maschine wird instabil und fällt außer Tritt, d.h. Rotor und Statordrehfeld laufen nicht mehr synchron. Gleiche Betrachtungen gelten für den Motorbetrieb. Damit ist die Synchronmaschine am starren Netz statisch stabil für / 2 / 2 Bei Schenkelpolmaschinen ist die Betrachtung der statischen Stabilität nicht so einfach durchführbar. Genauere Angaben dazu finden sich in der im Anhang aufgeführten Literatur. (27)

16 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 16 Bei konstanter Antriebsleistung ( = konst.) und starrer Netzspannung (UG = konst.) hängt die Blindleistung nur vom Erregerstrom ir ab. Durch entsprechende Wahl des Erregerstromes kann die Blindleistung QG daher negativ, null oder positiv werden. D.h. durch Steuerung des Erregerstromes kann die Maschine Blindleistung abgeben oder aufnehmen, was bei der Spannungsregelung im elektrischen Netz aber auch im Phasenschieberbetrieb älterer Kompensationsanlagen ausgenutzt wird. In diesem Zusammenhang sind zwei Begriffe definiert, die unabhängig vom Wirkleistungsarbeitspunkt die Blindleistungsverhältnisse der Maschine beschreiben: übererregter Betrieb QG 0; die Maschine gibt Blindleistung an das Netz ab. Sie wirkt für das Netz wie eine Kapazität. untererregter Betrieb QG 0; die Maschine nimmt Blindleistung aus dem Netz auf. Sie wirkt für das Netz wie eine Induktivität.

17 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite Betriebsdiagramm der Synchronmaschine Die Belastbarkeit einer Synchronmaschine wird durch ihre Baugröße und die Konstruktion der Maschine bestimmt (Kühlung der Rotor- und Statorwicklung, Eisensättigung, Auslegung der Erregung etc.). Daher sind vorgegebene technische Grenzwerte zuverlässig einzuhalten. Die Forderung, dass der Synchrongenerator nicht mehr als seine maximale Scheinleistung Smax, für die die Maschine gebaut ist, abgeben darf, wird im Diagramm durch einen Halbkreis dargestellt. Smax wird durch die maximal zulässige Erwärmung der Statorwicklung vorgegeben. Die minimal und maximal abgebbare (Generator-)Wirkleistung PG,min und PG,max wird durch die Turbine begrenzt. Bei Wasserkraftgeneratoren ist PG,min=0, PG,max wird durch die maximale Durchflussmenge des Wassers bestimmt. Bei thermischen Kraftwerken werden diese Grenzwerte durch den minimalen und maximalen Dampfstrom durch die Turbine festgelegt. Sie sind als horizontale Geraden in Abbildung 9 dargestellt. Abbildung 9 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine

18 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 18 Aus den Leistungsgleichungen (26) folgt: tan ² tan (28) Für PG=0 folgt daher für Punkt A, der die Blindleistung darstellt, die im untererregten Betrieb maximal aufgenommen werden kann: ² (29) Wird ein Generator ohne Abgabe von Wirkleistung betrieben befindet er sich Phasenschieberbetrieb. Zur Erzeugung von Blindleistung muss von der Turbine keine Arbeit geleistet werden. Bei alleiniger Erzeugung bzw. Aufnahme von Blindleistung befindet sich der Generator im Phasenschieberbetrieb. Die meisten der sich am Netz befindlichen Generatoren verfügen über eine Spannungsregelung, die die minimale Polradspannung Emin vorgibt. Die maximale Polradspannung Emax ist durch die maximal zulässige Erwärmung der Statorwicklung vorgegeben. Diese Grenzwerte lassen sich im Betriebsdiagramm durch zwei Kreise mit dem Radius darstellen, wobei für die Polradspannung die jeweiligen Extremwerte eingesetzt werden. (30) Eine weitere Grenze des Betriebsdiagramms ist die Stabilitätsgrenze im untererregten Stabilitätsbereich. Der theoretische Wert dieser Grenze liegt bei 90.Im Allgemeinen wird jedoch 70 gewählt. Somit entsteht eine Gerade im Punkt A mit der Steigung. Das vollständige Betriebsdiagramm und der daraus resultierende Betriebsbereich sind in Abbildung 9 dargestellt.

19 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 19 5 Versuchsaufbau Das Verhalten der Synchronmaschine wird mittels des in Abbildung 10 skizzierten Versuchsaufbaus untersucht. Es werden dabei die folgenden Komponenten verwendet: (1) Servomotor als Antrieb oder Bremse für die Synchronmaschine (2) Synchronmaschine (3) Antriebs- oder Bremseinheit für den Servomotor. Diese kann Momenten- oder Drehzahlgeführt betrieben werden (4) Trenntransformator. Dieser entkoppelt die Generatorklemmen- von der Netzspannung. (5) Erregereinrichtung für die Synchronmaschine. Diese wird ausschließlich open-loop betrieben, d.h. sie regelt den Erregerstrom und nicht die Klemmenspannung des Generators. (6) Synchronisiereinrichtung. Diese zeigt Spannungsbetrags-, Frequenz- und Phasenwinkelabweichungen an. (7) Trennschalter. Dieser wird im Rahmen des manuellen Synchronisierens betätigt. (8) Multifunktionales Leistungsmessgerät. (9) Versorgungseinheit der Versuchstafel (nicht relevant für den prinzipiellen Aufbau). (10) Netznachbildung. Hier werden Leitungen durch konzentrierte Elemente nachgebildet (findet in diesem Versuch keine Verwendung).

20 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 20 (6) (1) (2) M SM F, U, φ (7) (8) U, I, P, Q (10) (3) (5) (4) M soll, n soll I e,soll Starres Netz 0,4kV, 50Hz Abbildung 10: Prinzipschaltbild des Versuchsaufbaus Die Komponenten des Maschinenprüfstands gliedern sich in einen Maschinensatz, der Prüftafel und Antriebseinheit sowie Trenntransformator (Abbildung 11). 5, 6, 7, 8, Abbildung 11: Maschinenprüfstand

21 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 21 Erreger- und Synchronisiereinrichtung mit Netzkuppelschalter sind neben einem multifunktionalen Messgerät und der Netznachbildung in Form eines Tafelaufbaus zusammengefügt (Abbildung 12). Die Inbetriebnahme des Maschinenstands erfolgt in folgenden Schritten: 1. Trenntrafo und Drehstromversorgung einschalten (Entriegelung Not-AUS; FI ein; Schlüsselschalter ein; Motorschutzrelais ein); Drehspulmessinstrument des Doppelspannungsmessgerätes zeigt netzseitige Leiter-Erd-Spannung an 2. Digitalmultimeter einschalten und Messbereichseinstellung DC wählen 3. Digitales Steuergerät für Servoantrieb/-bremse einschalten 4. Gleichstromversorgung aktivieren (Poti in Nullstellung drehen; Einschalten; Start-Taster drücken) Abbildung 12: Tafel des Maschinenprüfstands

22 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 22 Abbildung 13: Antriebseinheit des Servomotors Nun erfolgt das eigentliche Hochfahren der Synchronmaschine (Typ A): Digitales Steuergerät mit "Set-Mode"-Taste in "Speed Control"-Modus schalten Zur Aktivierung des Steuergerätes die Taste "RUN" drücken und über die Tasten bzw. bei "Speed" auf die synchrone Drehzahl erhöhen (aktuelle Drehzahl im Menü 0051) Die Erregerspannung über das Poti der Gleichstromversorgung langsam erhöhen, bis der Spannungsbetrag des zweiten Zeigers des Doppelzeigerspannungsmessgerätes mit der Netzspannung übereinstimmt. Befindet sich das Synchronoskop in der "12-Uhr-Stellung", wird die Maschine an das Netz geschaltet Die Maschine läuft nun synchron am Netz und die eigentlichen Versuche (Leerlauf, Generator- und Motorbetrieb) können durchgeführt werden.

23 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 23 Ein neuerer Versuchsstand verfügt über eine automatische Umschaltung zwischen Drehzahl- und Momentenregelung und wird dementsprechend wie folgt hochgefahren (Typ B): Digitales Steuergerät mi der Set-Mode -Taste in den Modus Synchronization schalten Das Steuergerät mit der Taste RUN aktivieren Mithilfe des Drehimpulsgebers den Maschinensatz auf die synchrone Drehzahl bringen Die Erregerspannung über das Poti der Gleichstromversorgung langsam erhöhen, bis der Spannungsbetrag des zweiten Zeigers des Doppelzeigerspannungsmessgerätes mit der Netzspannung übereinstimmt. Befindet sich das Synchronoskop in der "12-Uhr-Stellung", wird die Maschine an das Netz geschaltet Der Wechsel zum momentengeführten Betrieb wird automatisch durchgeführt. Das Soll-Moment kann anschließend über den Drehimpulsgeber gewählt werden.

24 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 24 6 Aufgabenstellung (theoretischer Teil) Dieser Teil ist vor Versuchsbeginn schriftlich vorzubereiten! Der Synchrongenerator eines Kraftwerks speist in ein starres 20-kV-Netz. Er hat die folgenden Kennwerte: Ug=20kV Emax=30kV Emin=10kV δmax=70 Smax=20MVA Pmin=2MW Pmax=18MW x d =22Ω a) Warum vereinfacht die Modellierung des Netzanschlusspunktes als starres Netz die Betrachtung des gegebenen Falles erheblich? b) Konstruieren Sie das zugehörige einphasige Ersatzschaltbild (ESB) im EZS. c) Konstruieren Sie das Betriebsdiagramm des Generators. Hinweise dazu finden sie in den Vorlesungsunterlagen. d) Der Generator speist mit 15 MVA bei einem Verschiebungsfaktor cos(φ) von 0,8 (kapazitiv) ein. Konstruieren Sie das zugehörige Zeigerdiagramm. e) Bestimmen Sie die theoretische Kippleistung des Generators

25 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 25 7 Aufgabenstellung (messtechnischer Teil) 7.1 Inbetriebnahme des Maschinenprüfstands Identifizieren Sie zunächst die vorliegenden Komponenten anhand der Abbildungen in der Versuchsanleitung und verschalten Sie sie gemäß Abbildung 10. Die Wicklungen der Synchronmaschine werden dabei im Stern verschaltet. Lassen Sie ihren Aufbau vom Versuchsbetreuer kontrollieren, bevor Sie den Maschinensatz in Betrieb nehmen. Anfahren des Maschinensatzes: Schalten Sie den Prüfstand ein und verwenden Sie das multifunktionale Messgerät, um das Anliegen der Netzspannung hinter dem Netzschalter zu prüfen. Kontrollieren Sie die Hilfsspannungsversorgung der Antriebseinheit für den Servo sowie der Erregereinrichtung. Fahren Sie Anschließend den Maschinensatz über den Servomotor hoch bis auf Nenndrehzahl. Die Bedienung des Servomotors ist in Kapitel 5 beschrieben. Wie viele Pole hat die Synchronmaschine? Synchronisierung: Um eine Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator einer Synchronmaschine zu erreichen, muss der Rotor erregt werden. Stellen Sie den Soll-Erregerstrom auf Null und schalten Sie die Erregereinrichtung zu. Erhöhen Sie langsam den Erregerstrom bis an den Statorklemmen der Synchronmaschine Nennspannung anliegt. Synchronisieren Sie die Maschine auf das Netz. Korrigieren Sie Abweichungen in Spannungsbetrag und frequenz. Kuppeln Sie Synchronmaschine und Netz über den Kuppelschalter, sobald das Synchronoskop die Zwölf-Uhr-Stellung anzeigt. Generator- und Motorbetrieb der Synchronmaschine: Schalten Sie die Antriebseinheit des Servomotors ab. Betreiben Sie den Servomotor momentengeführt und wechseln Sie dabei zwischen Generator- und Motorbetrieb der Synchronmaschine. Erhöhen Sie das Moment dabei jeweils vorsichtig, um instabile Betriebszustände zu vermeiden. Warum ist ein drehzahlgeführter Betrieb des Servos bei Betrieb am Netz nicht sinnvoll? Deaktivieren Sie den Erregerstrom der Synchronmaschine, wenn sie sich nicht dreht, indem Sie zunächst den Sollwert langsam reduzieren und anschließend die Erregung abschalten.

26 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie Betreiben Sie die Synchronmaschine im Leerlauf bei Nenndrehzahl, d.h. bei geöffnetem Kuppelschalter. Welcher Spannung im ESB entspricht bei dieser Betriebsart die Klemmenspannung? Tragen Sie Erregerstrom gegen Klemmenspannung anhand von zehn Messpunkten auf (s. entsprechende Tabelle in Anhang A). Ermitteln Sie anhand einer Ausgleichsgeraden den Faktor kierr, der in vereinfachender Weise einen proportionalen Zusammenhang zwischen Klemmenspannung und Erregerstrom im Leerlauf angibt. 7.3 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine Konstruieren Sie das Betriebsdiagramm der Synchronmaschine für den Generatorbetrieb. Entnehmen Sie die Grenzen den Kenndaten der Synchronmaschine (Anhang B) und der Erreger-Leerlauf-Kennlinie. Um der Stabilitätsgrenze nicht zu nah zu kommen, wird, wie bei Kraftwerksgeneratoren üblich, der Polradwinkel auf 70 begrenzt. Tragen Sie die berechneten Grenzen in das entsprechende Lösungsblatt ein und konstruieren Sie das Betriebsdiagramm unter Wahl eines sinnvollen Maßstabs. 7.4 Dynamische Vorgänge beim Zuschalten der Synchronmaschine Schalten Sie die Synchronmaschine bei unterschiedlichen Phasenwinkeldifferenzen auf das Netz. Beginnen Sie mit einer ideal synchronen Zuschaltung (Synchronoskop auf zwölf-uhr ). Trennen Sie die Maschine wieder vom Netz und schalten Sie sie bei einer größeren Phasenwinkeldifferenz zu. Achten Sie auf Geräusche und Vibrationen. Wiederholen Sie den Vorgang bis maximal der neun-uhr, bzw. drei-uhr- Stellung. Erläutern Sie ihre subjektiven Eindrücke. 7.5 Betriebsarten der Synchronmaschine Phasenschieberbetrieb der Synchronmaschine Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Phasenschieber, d.h. mit deaktivierter Servo-Antriebseinheit. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten untererregter Phasenschieber übererregter Phasenschieber Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und konstruieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger- Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Vernachlässigen Sie dabei die Wirkleistungsaufnahme des Maschinensatzes. Tragen Sie die Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm ein. Ist ein Phasenschieber sinnvoll, auch wenn er keine Wirkleistung umsetzt?

27 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 27 Generatorbetrieb der Synchronmaschine Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Generator. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten Untererregter Generator Übererregter Generator Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und konstruieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger- Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Tragen Sie die Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm ein. Im untererregten Betrieb gerät die Synchronmaschine leicht in den instabilen Zustand. Erhöhen Sie in diesem Fall entweder die Erregung oder verringern Sie das Antriebsmoment. Motorbetrieb der Synchronmaschine Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Motor. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten Untererregter Motor Übererregter Motor Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und konstruieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger- Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Tragen Sie die Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm ein. Im untererregten Betrieb gerät die Synchronmaschine leicht in den instabilen Zustand. Erhöhen Sie in diesem Fall entweder die Erregung oder verringern Sie das Bremsmoment. 7.6 Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb Die maximale Wirkleistung einer Synchronmaschine, die sog. Kippleistung, wird auf der Stabilitätsgrenze erreicht. Welchem Polradwinkel entspricht das? Warum wird dieser Arbeitspunkt in der Realität nicht (gewollt) angefahren. Bestimmen Sie für den Synchrongenerator die Kippleistung bei einem Erregerstrom von 0,2 A, 0,5 A, 1 A sowie 1,2 A und tragen Sie diese gegen den Erregerstrom auf. Wie groß ist dabei die jeweilige Blindleistungsaufnahme resp. abgabe? Erläutern Sie Ihre Ergebnisse. Tragen Sie die vier Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm ein und erläutern Sie, warum sie im unzulässigen Betriebsbereich liegen.

28 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 28 Anhang A Lösungsblätter Tabelle 1: Wertetabelle für die Erreger-Leerlaufkennlinie (0) Ierr [A] UG [V] kierr = V/A Tabelle 2: Grenzen im Betriebsdiagramm (7.3) Grenze Smax Pmax Pmin δmax Emin Emax Wert 70 Tabelle 3: Messwerte für die Betriebsarten der Synchronmaschine (7.5) Untererregter Phasenschieber U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var 0 Übererregter Phasenschieber U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var 0 Untererregeter Generator U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var Übererregter Generator U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var Untererregter Motor U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var Übererregter Motor U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var

29 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 29 Tabelle 4: Kippleistung der Synchronmaschine (7.6) Erregerstrom Ierr in A 0,2 0,5 1,0 1,2 Kippleistung Pk in W (3-phasig) Blindleistung Q in Var (3-phasig)

30 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 30 Anhang B Kenndaten der Synchronmaschine Xd nnenn Ierr,max Imax Pmax 360 Ω /min 1,6 A 2,66 A 0,8 kw

31 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 31 Anhang C Richtlinien für die schriftliche Ausarbeitung Verfassen Sie einen zusammenhängenden Text, der die in der Vorlage (Anhang D) angegebenen Punkte enthält und Fragen beantwortet. Frage-Antwort-Strukturen werden nicht akzeptiert! Halten Sie sich an die vorgegebene Gliederung. Beachten sie folgende Richtlinien: Umfang: mind. 10 DIN A4 Seiten Schriftgröße 12; Zeilenabstand: 1,5 zusätzlich die ausgefüllte Lösungsblätter (Anhang A) Zum Inhalt: Der Bericht sollte auf Wiederholungen der Aufgabenstellung verzichten und die wesentlichen Ergebnisse des Versuches diskutieren. Zur Sprache: Wissenschaftlich neutral/objektiv und aktuell d.h. keine persönlichen Formulierungen (kein ich, wir, man ), im Präsens schreiben (keine Vergangenheit)! Abgabe: Spätestens vier Wochen nach Versuchsdurchführung digital als PDF an jonas.von-haebler@tu-dortmund.de (die Ausarbeitung wird auf Plagiate geprüft)

32 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 32 Anhang D Inhalte der schriftlichen Ausarbeitung 1. Einleitung (1) Aufbau und Funktion der Synchronmaschine (2) Vor- und Nachteile von Synchronmaschinen im Einsatzgebiet der Stromerzeugung in Großkraftwerken 2. Allgemeines zur vorliegenden Synchronmaschine (1) Wie viele Pole hat die Synchronmaschine? (2) Warum ist ein drehzahlgeführter Betrieb des Servos beim Betrieb der Synchronmaschine am Netz nicht sinnvoll? (3) Warum müssen reale Synchrongeneratoren in Großkraftwerken synchronisiert werden? (4) Welche Synchronisationsmöglichkeiten gibt es und wie funktionieren sie? 3. Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie (1) Welcher Spannung im ESB entspricht bei dieser Betriebsart die Klemmenspannung? (2) Tabelle 1: Wertetabelle für die Erreger-Leerlaufkennlinie (3) UG-IERR-Kennlinie, kerr über eine Ausgleichsgerade bestimmen. Erläutern und bewerten Sie die Kennlinie! 4. Betriebsarten der Synchronmaschine (1) Vorgehensweise beim Erstellen von Zeigerdiagrammen (2) Phasenschieberbetrieb: 2 Zeigerdiagramme: übererregt Untererregt (3) Ist ein Phasenschieber sinnvoll, obwohl er keine Wirkleistung umsetzt? (4) Generatorbetrieb: 2 Zeigerdiagramme: übererregt Untererregt (5) Was ist die übliche/häufigste Betriebsart eines großen Synchrongenerators? (6) Motorbetrieb: 2 Zeigerdiagramme: übererregt untererregt (7) Erläuterung der Zeigerdiagramme (8) Wie kann die Wirk -und Blindleistungsaufnahme bzw. abgabe Beeinflusst werden?

33 V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung Seite 33 (9) In welchen Bereich läuft die Maschine stabil und warum? (statische Stabilität) Gehen Sie dabei speziell auf die Wirkleistungskennlinie eines Vollpolläufers ein! 5. Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb (1) Bei welchem Polradwinkel ist die Kippleistung erreicht? (2) PK(IERR)-Diagramm anhand Tab.4 (3) Erläutern Sie ihre Ergebnisse. 6. Betriebsdiagramm der Synchronmaschine (1) Grenzen im Betriebsdiagramm und Begründung der jeweiligen Grenzen. Erläutern Sie dabei was die Grenzen aussagen und woraus sie folgen. (2) Betriebsdiagramm im Generatorbetrieb (3) folgende Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm eintragen: a. 2 mal Generator (über/untererregt aus 7.5) b. 2 mal Phasenschieber (über/untererregt aus 7.5) c. 4 Kippleistungspunkte aus 7.6 (4) Erläutern Sie, warum die Betriebspunkte an der Kippleistungsgrenze im unzulässigen Betriebsbereich liegen. (5) Bewerten Sie das Betriebsdiagramm!