5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 1

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1 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 1 Aufbau Die Synchronmaschine besitzt im Ständer (Stator, Anker) im Allgemeinen eine verteilte Drehstromwicklung, die mit der Wicklung im Stator der Asynchronmaschine vergleichbar ist. q = 2 Der Läufer (Polrad) besitzt eine Gleichstrom-Erregerwicklung (bei Kleinmaschinen auch Dauermagnete) und kann wegen f 2 = 0 massiv ausgeführt werden. Das Polrad dreht sich synchron mit dem Ständerdrehfeld, d. h. mit der Drehzahl fn n =, f N : Netzfrequenz (5.1-1) p Man unterscheidet zwischen Schenkelpolmaschinen (salient pole machine) für 2p 4 Vollpolmaschinen (Turbogeneratoren) für 2p = 2, bei sehr großen Generatoren (Grenzleistungsgeneratoren) auch 2p = 4 q = 4

2 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 2 Mit üblichen Ständerwicklungen sind die Bemessungsspannungen von SM auf maximal 27kV begrenzt. D. h. es wird immer ein sogenannter Maschinentransformator benötigt, der die Klemmenspannung auf das Niveau des Versorgungsnetzes hochtransformiert. In jüngster Zeit wird mit Hilfe von Kabelwicklungen versucht (ABB: Powerformer, Bild 5.1-2a), die Bemessungsspannung der SM zu erhöhen um den Maschinentransformator einzusparen. Aktuell erreicht man 45kV (1998).

3 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 3 Die im Außenbereich des Polrades angebrachte Dämpferwicklung, welche vom Aufbau her der Käfigwicklung des Asynchronmotors entspricht, hat folgende Aufgaben: Dämpfung der Polradpendelung, Dämpfung der gegenläufigen Felder bei unsymmetrischer Belastung (Generator), Asynchroner Anlauf Abschirmung der Erregerwicklung gegen asynchrone Felder bei Störungen (Überspannungen) Herabsetzung der Überspannung in der unbeteiligten Phase beim zweipoligen Kurzschluss Die Klemmenbezeichnung der Statorstränge wird wie bei der Asynchronmaschine mit U1-U2, V1-V2 und W1-W2 bezeichnet. Die Anschlussklemmen der Erregerwicklung tragen die Bezeichnung F1-F2 Im Vergleich zu Asynchronmaschinen besitzen Synchronmaschinen große Luftspalte bis etwa 15cm. Dies bedeutet keine wesentliche Verschlechterung des Betriebsverhaltens, da der Rotor nicht über den Luftspalt magnetisiert werden muss. Die Baugröße von Synchrongeneratoren ist durch die mechanische Belastbarkeit der Polräder begrenzt. Bei Schenkelpolmaschinen sind Umfangsgeschwindigkeiten von v max 160m s beherrschbar. Die Erregerwicklung wird mit Hilfe von Spulenstützen gesichert (Bild 5.1-3).

4 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 4 Zur Verbesserung der Kühlung der Erregerwicklung wird diese bei kleineren Maschinen als einlagige Wicklung mit vorgezogenen Windungen ausgeführt (Bild 5.1-4).Große Generatoren sind direkt leitergekühlt mit Luft, Wasserstoff, Öl oder Wasser (Bild 5.1-5) Die Läufer von Turbogeneratoren werden möglichst einschließlich der Wellenenden aus einem Schmiedestück hergestellt. Nur sehr große Läuferkörper werden aus mehreren Schmiedestücken zusammengesetzt. Als Material kommt Molybdän-Chrom-Nickel-Stahl zum Einsatz. Die beherrschbare Umfangsgeschwindigkeit begrenzt den ausführbaren Läuferdurchmesser bei 50Hz auf maximal 1250mm. Die Umfangsgeschwindigkeit nimmt einen Wert von 196m/s an und an der Läuferoberfläche herrscht eine Radialbeschleunigung von 6300-facher Erdbeschleunigung!

5 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 5 Sehr große Turboläufer erreichen eine Länge von bis zu 8m. Sie arbeiten dann zwischen der zweiten und dritten Biegeharmonischen. Eine weitere Steigerung der Länge ist mechanisch nicht beherrschbar. Die Erregerwicklung besteht aus 2p Spulengruppen mit 5 bis 8 Spulen ungleicher Weite (Bild 5.1-7). Die Wickelköpfe werden mit Kappen aus nichtmagnetischem Stahl gegen die Fliehkräfte abgestützt. Zur Vermeidung der Stromverdrängung in der Statorwicklung werden bei großen Generatoren sogenannte Roebelstäbe eingesetzt, wo die isolierten Einzelstäbe so angeordnet werden, dass sie mit den gleichen Nutenstreufluss verkettet sind. (Bild 5.1-9).

6 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 6 Eine Erhöhung der Bemessungsleistung von großen Kraftwerksgeneratoren lässt sich wegen mechanischen Grenzen nur durch Verbesserung der Kühlung erreichen. Als Kühlmittel werden Luft, Wasserstoff, Öl und Wasser angewendet. Wärmeabführvermögen (Luft = 1): Luft Wasserstoff Öl Wasser 1 3 (2 bar) (3 bar) Das leichte Wasserstoffgas verursacht kleinere Gasreibungsverluste als Luft. Bei Grenzleistungsgeneratoren wird die direkte Leiterkühlung mit Wasser verwendet. Seit Mitte der 70ger Jahre versucht man mit Hilfe supraleitender Materialien, zumindest die Verluste im Läufer der Synchronmaschine ganz zu eliminieren. Man ist jedoch bis heute wegen der hohen Kosten und enormer Probleme nicht über das Stadium der Versuchsmaschine hinausgekommen. Im Stator ist der Einsatz supraleitender Materialien wegen der dort herrschenden Wechselfelder nicht möglich.

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8 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 8 Ausführungsformen

9 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite Bürstenloser

10 5.1 SM: Aufbau und Ausführungsformen Seite 10 Bei kleinen Antrieben (unter ca. 10kW) sind die Rotoren in den meisten Fällen mit Permanentmagneten erregt. Sie werden z.b. selbstanlaufend am starren Netz in Textilmaschinen (Bild a) oder als reine Reluktanzläufer (Bild ) in Uhren etc. eingesetzt. Wird die Position des Statorfeldes in Abhängigkeit der Rotorposition geregelt, kann die Synchronmaschine nicht mehr außer Tritt fallen. Ihr Verhalten entspricht dann einer "Gleichstrommaschine". Bürstenlose Gleichstrommaschine Servomotor (Bild c)

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