Elektrische Maschinen und Antriebe

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1 Elektrische Maschinen und Antriebe Vorlesungsinhalt 1. Einleitung 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 3. Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern 4. Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen 5. Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 6. Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine 7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine 8. Die Synchronmaschine 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen 10. Gleichstromantriebe 9/1

2 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen Quelle: Siemens AG 9/2

3 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie 9.3 Elektrisch erregte Synchronmaschinen mit Dämpferwicklung (9.4 Die Dämpferwicklung bei Schieflast und Oberwellen) 9.5 Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (9.6 Anlauf und Synchronisierung von großen Synchronmaschinen) 9/3

4 Stromrichtergespeiste Polrad-Erregung Synchronmaschine Ständer- Drehstromwicklung B6C-Stromrichter Polradwicklung U f Schleifringe Schnellentregungswiderstand R v Stromrichtererregung: - Aus Netz-Drehspannungssystem wird mit gesteuertem Gleichrichter (B6C) variable Gleichspannung U f erzeugt (variabel über Zündwinkel ) - U f über zwei Schleifringe der Polradwicklung zugeführt 9/4

5 Erregung des Polrads über zwei Schleifringe Beispiel: Sechspoliger Schenkelpol-Synchronmotor: 15 kw, 380 V Y, 33.4 A, 50 Hz, 1000/min, cos = 0.8 Dämpferwicklung P P f = 8 A, U f = 110 V e,in m,out mot W 15000W, P P e,in m,out P f P f W % Schleifringseitiges Kugellager Plus- und Minus- Schleifring Sechspolige Polradwicklung des Synchronmotors Quelle: Fa. Dornhoff, Deutschland 9/5

6 Erreger-Gleichrichter (B6C) Sechspulsige Gleichrichtung über B6C-Thyristor-Gleichrichterbrücke aus dem Drehstromnetz L1, L2, L3 Netz Gesteuerter Brückengleichrichter: Variabler Zündwinkel : U f Schleifringe Polrad- Feldspule B6C- Gleichrichter brücke B6C: B: Bridge 6: 6-pulsig a) Maximale gleichgerichtete Spannung U f0 bei Zündwinkel = 0! b) Mittlere gleichgerichtete Spannung Null: U f = 0: bei Zündwinkel = 90! c) Maximal negative gleichgerichtete Spannung U f < 0 bei Zündwinkel = 180! C: Controlled (= Gleichgerichtete Spannung U f veränderbar über Ansteuerwinkel ) 9/6

7 B6C-Gleichrichtung Netz = 0 = 90 - Gleichgerichtete Spannung U d ST Erregerspannung U f! - Große nduktivität L f glättet f, ist nahezu Gleichstrom! U f 3 3 Uˆ Trafo cos U df,0 cos 9/7

8 Bürstenlose Erregung = KENE Schleifringe - Erregermaschine als Generator an Hauptmaschine gekuppelt: - Erregermaschine = Synchrongenerator als Außenpolmaschine: Ständer = "ruhendes Polrad", erzeugt ruhendes Magnetfeld. Läufer trägt Drehstromwicklung: dort Dreh-Spannungssystem induziert. - Angeschlossene mitrotierende B6-Diodenbrücke erzeugt U f, welche OHNE Schleifringe direkt der Feldwicklung der Hauptmaschine aufgeprägt wird. - KENE Bürsten, KENE Schleifringe. 9/8

9 Erregung des Polrads über einen rotierenden Gleichrichter (1) Beispiel: Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine 14 kva, 230 V Y, 25 A, 50 Hz, 1500/min, cos = 0.8 f = 1.1 A, U f = 34 V Rotierende Dreiphasen-Wicklung Rotierender Gleichrichter E = 0.18 A Vierpolige Polradwicklung der Synchronmaschine f E Sechspoliges still stehendes Polrad des Synchron-Außenpol- Generators U f Quelle: Siemens AG, Deutschland 9/9

10 Erregung des Polrads über einen rotierenden Gleichrichter (2) Beispiel: 3 MW-Schiffsgenerator Stator der Synchronmaschine Radiallüfter Lagerschild Erreger- Klemmenkasten Polradwicklung der Synchronmaschine Lager Polrad der Synchronmaschine Rotierende Außenpol- Erregermaschine Quelle: Taiyo Electric Co.; Ltd., Japan, Cat. No. M015-2, M006-5 Rotierende Drehfeldwicklung der Außenpol-Erregermaschine Rotierender Dioden- Gleichrichter 9/10

11 - Mit rotierender Erregermaschine! Beispiel: 3 MW-Schiffsgenerator Klemmenkasten Stator Polrad als Vollpolläufer Rotierender Diodengleichrichter Welle Gleitlager Außenpol-Erregermaschine Quelle: Taiyo Electric Co.; Ltd., Japan, Cat. No. M /11

12 Lade-Strom der Läufer-Feldspulen-nduktivität (1) reale lineare Spule: Widerstand R, L = konst. di( t) u( t) L i( t) R dt Feldspule (Erregerwicklung im Polrad): L f = L, R f = R! Anschalten einer Gleichspannung u(t) = U: - Lösung der linearen Differentialgleichung: - Anfangsbedingung i(0) = 0 homogene Lösung: i h ( t) C 1 e t / T di dt partikuläre Lösung: i R L U L i p ( t) K U / R Anfangsbedingung liefert C 1 : 0 Ladestrom der Spule: i( t) i ( 0) C1e ( U / R) 0 C1 U / U t / T 1 e Zeitkonstante: R R T L / R 9/12

13 Lade-Strom der Läufer-Feldspulen-nduktivität (2) U f t / T Lade-Erregerstrom der Erregerwicklung: i ( t) 1 e f Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3T f ) fließt der Gleichstrom: i f = f = U f /R f. f R f U f u f (t) = U f i f (t) Ladestrom i f (t) = f = U f /R f t T f = L f /R f 9/13

14 Entlade-Strom der Läufer-Feldspulen-nduktivität Entladen der Spule: u = 0 di dt Feldspule (Erregerwicklung im Polrad): L f = L, R f = R! i Lösung: L R 0 i i h Anfangsbedingung i(0) = i p i h C 2 e t / T 0 ( 2 2 i 0) C e U / R C U / R Abklingender Erregerstrom: i f ( t) U R f f e t / Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3T f ) fließt kein Erregerstrom mehr! T f f = U f /R f i f (t) T f = L f /R f Entladestrom t 9/14

15 Stoßerregung Stoßerregung: - Für möglichst raschen Läuferfeldaufbau! - Einprägen der "Deckenspannung" U fmax! - Erregerstrom wird in minimaler Zeit t 12 vom Ausgangswert f1 zum neuen Sollwert f2 geführt. - Bei offener Ständerwicklung ist die Zeitkonstante T die Feld- Leerlaufzeitkonstante T f = L f /R f. 9/15

16 Schnellentregung Vorwiderstand R v Erregerstromverlauf Schnellentregung: - Für möglichst raschen Läuferfeldabbau! - Einschalten eines Vorwiderstands R v (Schalter in Pos. 2), der die Feldzeitkonstante T f entsprechend verkleinert. T f * L f /( R f R Beispiel: Bei R v = 9R f sinkt T auf T f * = T f /10, z. B. von 3 s auf 0.3 s. Nach ca. 3 T f * = 1 s ist das Läuferfeld Null. v ) T f R /(1 R v f ) 9/16

17 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Elektrische Erregereinrichtungen - Gleichspannungsquelle (Stromrichter) und zwei Schleifringe - Rotierende Synchron-Außenpol-Erregermaschine mit Gleichrichter - Zeitkonstante für Feldaufbau und abbau - Stosserregung mit Deckenspannung - Schnellentregung mit Vorwiderstand 9/17

18 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie 9.3 Elektrisch erregte Synchronmaschinen mit Dämpferwicklung (9.4 Die Dämpferwicklung bei Schieflast und Oberwellen) 9.5 Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (9.6 Anlauf und Synchronisierung von großen Synchronmaschinen) 9/18

19 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie (n = konst.) Leerlauf- Kennlinie Kurzschluss- Kennlinie Zeigerdiagramm für Kurzschluss (R s = 0) Leerlaufkennlinie: Generatorbetrieb, offene Ständerwicklung: Ständerklemmenspannung ist "Polradspannung": U s0 ( f ) bzw. U s0 ( f). U s0 = U p = U h und f = m. U p = X dh. f Linear: Luftspaltmagnetisierung; gekrümmte Kennlinie: bei hohem f (hoher Läuferfluss): Eisen sättigt Kurzschlusskennlinie: Generatorbetrieb, kurz geschlossene Ständerwicklung: Ständerstrom = Kurzschlussstrom sk. m = f - sk klein, daher U h klein: magnetischer Arbeitspunkt A) Eisen nicht gesättigt. Kurzschlusskennlinie sk ( f ) bzw. sk ( f ) ist LNEAR. 9/19

20 Messen der Synchronreaktanz Wegen sk = U p / X d (bei R s = 0) folgt: Bei dem "Leerlauf-Erregerstrom" f0 ist die Leerlaufspannung die Nenn- Strangspannung: U s0 = U sn. Bei diesem Erregerstrom fließt im Kurzschlussfall der Kurzschlussstrom sk0 : U p( f 0) U sk0 X d X Synchronreaktanz: s0 Synchronreaktanz x d auf Nennimpedanz Z N = U sn / sn bezogen: d X d U X U sn d sn sk0 x d X Z d N U sn U sn sn fk sk0 sn sk0 f 0 9/20

21 Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis k K Die bezogene synchrone Reaktanz x d ist das Verhältnis des Kurzschluss-Erregerstroms zum Leerlauf-Erregerstrom. Deren Kehrwert heißt "Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis" k K = 1/x d. k K f 0 fk f f ( U s ( U s U sn 0,, s s 0) sn ) 1 x d Da f0 bei Eisensättigung höher ist als bei ungesättigtem Eisen, ist das gesättigte Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis größer als das ungesättigte. Daher ist die gesättigte Synchronreaktanz kleiner als die ungesättigte! x d, gesättigt xd, ungesättigt x d x d, ungesättigt x d, gesättigt 0 0 f0 f 9/21

22 X Synchronreaktanz X d d 2 f L d d s dh L L L Vollpolmaschine: a) ideal ungesättigtes Eisen ( Fe ): Nur Luftspalt wird magnetisiert: Magnetische Spannung: V = H L dh L h : L h, ungesättigt 0 2m 2 p N s k ws 2 p l Fe b) gesättigtes Eisen ( Fe < ): Zusätzlich zum Luftspalt muss auch der Flusspfad des Ständerfelds im Ständer- und Läufereisen magnetisiert werden, daher zusätzliche magnetische Spannung: V Fe L h, ungesättigt L h, gesättigt Lh, ungesättigt 1VFe / V 9/22

23 Bezogene synchrone Reaktanz x d = X d /Z N Synchrone Reaktanz X d ~ Hauptinduktivität X h ~ N s2 p /. Polzahl 2p Synchronreaktanz x d /p.u. Turbogeneratoren 2 ca. 2.0 Schenkelpolmaschinen PM-Maschinen mit Oberflächenmagneten Kippmoment M p0 ~ U s U p /X d, daher muss für großes Kippmoment X d ausreichend klein sein Gegensatz zur Asynchronmaschine, die vom Netz und nicht vom Läufer magnetisiert wird! Kippmoment M p0 Daher wird vor allem bei zweipoligen Synchronmaschinen ( p groß!) der Luftspalt groß gewählt! 9/23

24 Beispiele: Luftspaltweite der Synchronmaschine Beispiel: a) Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA, = 60 mm! b) Schenkelpolmaschine: 2p = 12, 70 MVA, = 27 mm! Quelle: E. Fuchs, EEE-PAS = 60 mm R = 380 mm Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA 9/24

25 Beispiel: Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis k K Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA: k K f 0 fk f f ( U s ( U s U sn 0, s, s 0) sn ) 1 x d Aus Leerlauf-/Kurzschlusskennlinie (siehe Bild) folgt: k K = 0.43, x d = 1/0.43 = 2.32 p.u. 9/25

26 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie - Gekrümmte (gesättigte) Leerlaufkennlinie (LL) bei n = konst. - Lineare (ungesättigte) Kurzschlusskennlinie (KS) bei n = konst. - Prüffeldmessung: Bestimmung von x d aus LL- und KS-Kennlinie - Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis k K = 1/x d - x d soll klein sein für hohes Kippmoment; deshalb bei 2p = 2: Luftspalt vergrößert = erhöhter Erregerbedarf 9/26

27 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie 9.3 Elektrisch erregte Synchronmaschinen mit Dämpferwicklung (9.4 Die Dämpferwicklung bei Schieflast und Oberwellen) 9.5 Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (9.6 Anlauf und Synchronisierung von großen Synchronmaschinen) 9/27

28 Nutzung der Dämpferwicklung - Synchronmaschinen am starren Netz: Dämpferwicklung bremst Pendelungen bei Laständerung rasch - Stromzwischenkreis-Umrichter und Synchronmaschine: Dämpferwicklung verringert Gesamt-nduktivität der Wicklung = Strom kann sich rascher ändern - Dämpferkäfig mit großem Stab-/Ringquerschnitt: Anlaufkäfig für asynchronen Anlauf am Netz ABER: - Synchronmaschine im nselbetrieb benötigt keinen Dämpfer - Spannungszwischenkreis-Umrichter und Synchronmaschine: keine Dämpferwicklung = Gesamt-nduktivität der Wicklung größer = Strom besser geglättet = sinusförmigerer Stromverlauf 9/28

29 Beispiel: Vollpolmaschine als drehzahlveränderbarer Walzwerksantrieb (Stromrichterbetrieb) (1) - Synchron-Vollpolmaschine, 12-polig, elektrisch erregt - Nennmoment: 1.78 MNm, /min - Nennleistung: 10.9 MW, /min - Betrieb mit cosφ = fach überlastbar kurzzeitig: Max. Drehmoment: 4.3 MNm Max. Leistung: 26.5 MW - 5.5m-Grobblech-Walzgerüst (Dillinger Hüttenwerke AG) 58.5 P N MW 60 Quelle: Siemens AG Deutschland 9/29

30 Beispiel: Vollpolmaschine im Stromrichterbetrieb (2) L d = L q, R s 0 U s jl d s q-achse 2 pn syn Betrieb mit = konst. s U s P e 10.9 MW Betrieb mit U p. cos = konst. s U p ~ p P e m U cos m U s s s M e Us p sin L ~ d s s s S 1.78 MNm p ( f ) M ~ 1/n d-achse - Normalerregt : cos = 1 - Umrichterscheinleistung S = Wirkleistung P e 0 n syn /min - Minimal mögliche Umrichterbemessungsleistung S = P e : Kostengünstige Lösung! 9/30

31 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Elektrisch und permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie 9.3 Elektrisch erregte Synchronmaschinen mit Dämpferwicklung (9.4 Die Dämpferwicklung bei Schieflast und Oberwellen) 9.5 Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (9.6 Anlauf und Synchronisierung von großen Synchronmaschinen) 9/31

32 Ein-Arm-Roboter mit PM-Synchronantrieben Umrichtergespeiste PM-Synchronmotoren mit Lagegebersteuerung Quelle: ABB Schweden 9/32

33 Beispiel: PM-Synchronmotor als Roboterantrieb Quelle: Kuka, Deutschland Ein-Arm-Roboter mit PM-Synchronantrieben Jede Achse des Roboters wird von einem umrichtergespeisten PM-Motor angetrieben. Polradlagegeber wird zur Umrichtersteuerung und als Positionsgeber verwendet = einfache Positionsregelung jeder Achse: Lageregelung. 9/33

34 PM-Synchronmotor Schnitt durch 6-polige PM- Synchronmaschine Geringe Läufermasse = geringes Läuferträgheitsmoment = hohe Drehbeschleunigung möglich Konstanter Luftspalt: L d = L q Quelle: Siemens AG PM-Erregung = keine Erregerverluste. Motor OHNE Kühlung betreibbar = einfaches, robustes Antriebssystem. Drehmomentenregelung: M e m s U p sq Stellgröße ist Ständerstrom s = sq, der bei q-stromeinprägung direkt dem Drehmoment proportional ist (einfaches Regelverfahren). / syn 9/34

35 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Permanentmagneterregte Synchronmaschinen - Selten-Erd-Magnete mit hoher Energiedichte im Läufer - Umrichtergespeiste Maschinen, meist ohne Dämpferkäfig - Hochdynamische Antriebe im unteren und mittleren Leistungsbereich - Details: Vorlesung Motor development - Große PM-Synchronmaschinen als Windgeneratoren: Details: Vorlesung Large generators & High Power Drives 9/35