Elektrische Maschinen und Antriebe

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1 Elektrische Maschinen und Antriebe Vorlesungsinhalt 1. Einleitung 2. Drehelder in elektrischen Maschinen 3. Mathematische Analyse von Lutspalteldern 4. Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen 5. Die Schleiringläuer-Asynchronmaschine 6. Die Kurzschlussläuer-Asynchronmaschine 7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine 8. Die Synchronmaschine 9. Erregereinrichtungen und Kennlinien 10. Gleichstromantriebe Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/1 nstitut ür Elektrische

2 9. Erregereinrichtungen und Kennlinien der Synchronmaschine Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/2 nstitut ür Elektrische

3 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Erregereinrichtungen und Kennlinien 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlau- und Kurzschlusskennlinie Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/3 nstitut ür Elektrische

4 Stromrichtergespeiste Polrad-Erregung Synchronmaschine Ständer- Drehstromwicklung B6C-Stromrichter Polradwicklung Schleiringe Schnellentregungs-Widerstand R v Stromrichtererregung: - Aus Netz-Drehspannungssystem wird mit gesteuertem Gleichrichter (B6C) variable Gleichspannung erzeugt (variabel über Zündwinkel ) - über zwei Schleiringe der Polradwicklung zugeührt Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/4 nstitut ür Elektrische

5 Erregung des Polrads über zwei Schleiringe Beispiel: Sechspoliger Schenkelpol-Synchronmotor: 15 kw, 380 V Y, 33.4 A, 50 Hz, 1000/min, cos = 0.8 ü.e. Dämperwicklung = 8 A, = 110 V P P e,in m,out mot W 15000W, P P e,in m,out P P W % Schleiringseitiges Kugellager Radiallüter Sechspolige Polradwicklung des Synchronmotors Plus- und Minus- Schleiring Quelle: Fa. Dornho, Deutschland Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/5 nstitut ür Elektrische

6 Diode und Thyristor KEN SCHALTEN! ENSCHALTEN! Diode: Thyristor: GK G A: Anode K: Kathode G: Gate K A K A AK Diode leitet, wenn AK positiv! Diode lässt sich nicht ausschalten. Sperrt, wenn Strom (durch äußeren Eingri) erlischt, aber nur, wenn danach AK < 0! Sperrt, wenn AK < 0, bis zur Durchbruchspannung D! AK Thyristor leitet, wenn AK und GK positiv = Einschalten über GK! Thyristor lässt sich nicht ausschalten. Sperrt, wenn Strom (durch äußeren Eingri) erlischt, auch bei AK > 0! Sperrt, wenn AK < 0, bis zur Durchbruchspannung D! Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/6 nstitut ür Elektrische

7 Thryristor-Gleichrichter ür Einphasen-Wechselspannung Wirkungsweise des Thyristors (idealisiert): Wechselspannung u, Gate-Spannung u G und gleichgerichtete Spannung u d : u u u 0 u 0 u 0 G G 0 0 i i 0 0 i 0 u G u Strom i ließt weiter, auch wenn u G wieder abgeschaltet wird! : Zündwinkel Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/7 nstitut ür Elektrische

8 Sechspulsige Brücken (B6)-Gleichrichtung R S T R S T B6 ngesteuerte Gleichrichtung: Diodenbrücke B6C Gesteuerte Gleichrichtung: Thyristorbrücke Steuerwinkel B6C: Bridge, six-pulse, controlled Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/8 nstitut ür Elektrische

9 Gesteuerte B6C-Gleichrichtung Netz Netz = 0 t t = 90 - Mittelwert der gleichgerichteten Spannung sinkt mit steigendem Steuerwinkel - Mittelwert ist Null bei = 90 - Mittelwert ist negativ bei > 90 d 3 ˆ, 3 cos d,0 cos Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/9 nstitut ür Elektrische

10 ngesteuerte vs. gesteuerte B6-Gleichrichtung Brückengleichrichter: ngesteuert: Maximale gleichgerichtete Spannung d0 (entspricht Zündwinkel = 0) Gesteuert: Variabler Zündwinkel ; d ist im Mittel positiv 0 90 ; d ist im Mittel Null bei = 90 Beispiel: = 35 d ist im Mittel negativ ; Die gleichgerichtete Spannung u d (t) ist die Erregerspannung u (t) Trotz der Welligkeit von u (t) ist wegen der GROSSEN, glättend wirkenden nduktivität L der Erregerstrom (nahezu) ein Gleichstrom: i (t) d, d, d,0 cos d,0 d, Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/10 nstitut ür Elektrische

11 Erreger-Gleichrichter (B6C) Sechspulsige Gleichrichtung über B6C-Thyristor-Gleichrichterbrücke aus Drehstromnetz L1, L2, L3: Gleichgerichtete Spannung d = Erregerspannung, veränderbar über Ansteuerwinkel! Große nduktivität L glättet = (nahezu) Gleichstrom! B6C: B: Bridge, 6-pulsig, Controlled () Netz Schleiringe Polrad- Feldspule B6C- Gleichrichter brücke 3 3 ˆ Trao cos d,0 Gesteuerter Brückengleichrichter: Variabler Zündwinkel : cos Maximale gleichgerichtete Spannung 0 bei Zündwinkel = 0! Mittlere gleichgerichtete Spannung Null: = 0: bei Zündwinkel = 90! Maximal negative gleichgerichtete Spannung < 0 bei Zündwinkel = 180! Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/11 nstitut ür Elektrische

12 Bürstenlose Erregung = KENE Schleiringe Schutz: Z-Dioden Erregermaschine als Generator an Hauptmaschine gekuppelt: - Erregermaschine = Synchrongenerator als Außenpolmaschine: Ständer = "ruhendes Polrad", erzeugt ruhendes Magneteld. Läuer trägt Drehstromwicklung: dort Dreh-Spannungssystem induziert. - Angeschlossene mitrotierende B6-Diodenbrücke erzeugt, welche OHNE Schleiringe direkt der Feldwicklung der Hauptmaschine augeprägt wird. - KENE Bürsten, KENE Schleiringe. Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/12 nstitut ür Elektrische

13 Erregung des Polrads über einen rotierenden Gleichrichter Beispiel: Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine 14 kva, 231 V Y, 35 A, 50 Hz, 1500/min, cos = 0.8 ü.e. AS-Lager = 1.1 A, = 34 V BS-Lager Radiallüter Rotierende Dreiphasen- Wicklung q = 1 Rotierender Gleichrichter E = 0.18 A Vierpolige Polradwicklung der Synchronmaschine q r = 2 E Sechspoliges still stehendes Polrad des Synchron-Außenpol- Generators Quelle: Siemens AG, Deutschland über E verändert! Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/13 nstitut ür Elektrische

14 Beispiel: Vollpol-Synchron-Generator (Notstromdiesel-Aggregat) Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine, 14 kva, 231 V Y, 35 A, 50 Hz, 1500/min, cos = 0.8 ü.e., Erregerwicklung: = 1.1 A, = 34 V P P e,out S N cos N W W Wirkungsgrad ohne P : = 85.0% S P M N m,in N gen 3 N N P P P e,out m,in P m,in e,out / / W /(2 n P N VA ) /( / 60) 83.9 Nm % Wirkungsgrad mit P : = 84.76% (OHNE Außenpolgenerator und Gleichrichter) Wirkungsgrad mit P : = 84.63% (MT Außenpolgenerator, = 0.7; Gleichrichter, = 0.97, ) Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/14 nstitut ür Elektrische

15 Lade-Strom der Läuer-Feldspulen-nduktivität (1) u (t) i (t) Anschalten einer Gleichspannung u (t) = : - Lösung der linearen Dierentialgleichung: - Anangsbedingung i (0) = 0 homogene Lösung: i h ( t) Anangsbedingung lieert C 1 : C i 1 e t / T t / T Ladestrom der Spule: i ( t) 1 e Feldspule (Erregerwicklung im Polrad) als reale lineare Spule (L = konst., R = konst.) di ( t) u ( t) L i ( t) R dt di partikuläre Lösung: dt i p R L L i ( t) K / 0 ( 0) C1 e ( / R ) 0 C1 R Zeitkonstante: T L / R / R R Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/15 nstitut ür Elektrische

16 Lade-Strom der Läuer-Feldspulen-nduktivität (2) t / T Lade-Erregerstrom der Erregerwicklung: i ( t) 1 e Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3. T ) ließt der Gleichstrom: i = = / R. R u (t) = i (t) Ladestrom i (t ) = = /R 0 t T = L /R Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/16 nstitut ür Elektrische

17 Entlade-Strom der Läuer-Feldspulen-nduktivität Entladen der Spule: u = 0 (Steuerwinkel = 90 ) i (t) Abklingender Erregerstrom: i Feldspule (Erregerwicklung im Polrad): L = konst., R = konst.! di dt R i 0 L t / T i ih i p ih C2 e 0 ( 0) C2 e / R C2 Lösung: Anangsbedingung i (0) = / R i ( t) R e t / Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3. T ) ließt kein Erregerstrom mehr! T = /R t = 0 i (t) T = L /R Entladestrom t Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/17 nstitut ür Elektrische

18 Stoßerregung Stoßerregung: - Für möglichst raschen Läuereldaubau! - Einprägen der "Deckenspannung" max (Steuerwinkel = 0) - Erregerstrom wird in minimaler Zeit t 12 < T vom Ausgangswert 1 zum neuen Sollwert 2 geührt. - Bei oener Ständerwicklung ist die Zeitkonstante T die Feld-Leerlauzeitkonstante T = L /R Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/18 nstitut ür Elektrische

19 Schnellentregung = Möglichst rascher Feldabbau T * L /( R R v ) T /(1 R R v ) Vorwiderstand R v Erregerstromverlau a) Mit Schnellentregungswiderstand: Einschalten eines Vorwiderstands R v (Schalter in Pos. 2), der die Feldzeitkonstante T entsprechend verkleinert. Beispiel: Bei R v =9R sinkt T von T au T * = T /10, z. B. von 3 s au 0.3 s. Nach ca. 3. T * = 1 s ist das Läuereld Null. b) Mit Gegenspannung durch den Stromrichter: = maximal (z. B. 150 < 180 ): Negative Spannung zwingt gegen Null. Dann sperren Thyristoren. Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/19 nstitut ür Elektrische

20 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenassung: Elektrische Erregereinrichtungen - Gleichspannungsquelle (Stromrichter) und zwei Schleiringe - Rotierende Synchron-Außenpol-Erregermaschine mit Gleichrichter - Zeitkonstante ür Feldaubau und abbau - Stosserregung mit Deckenspannung - Schnellentregung mit Vorwiderstand oder Gegenspannung < 0 Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/20 nstitut ür Elektrische

21 Elektrische Maschinen und Antriebe 9. Erregereinrichtungen und Kennlinien 9.1 Elektrische Erregereinrichtungen 9.2 Leerlau- und Kurzschlusskennlinie Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/21 nstitut ür Elektrische

22 Leerlau- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.) Generatorbetrieb: Angetriebene, im Läuer erregte Synchronmaschine: > 0 s = 0 s0 sk s = 0 Gen. Leerlau-Betrieb: oene Ständerwicklung: Ständerklemmenspannung = = Polradspannung s0 ( ) bzw. s0 ( ): s0 = p = h Gen. Kurzschluss-Betrieb: kurz geschlossene Ständerwicklung: Ständerstrom = = Kurzschlussstrom sk sk ( ) bzw. sk ( ) Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/22 nstitut ür Elektrische

23 Leerlau- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.) Zeigerdiagramme ür Kurzschluss (R s = 0) m s 0 Leerlau (0) Kurzschluss (k) jx d = h jx d s0 h sk = m s0 = p = h p jx h 0 s sk h jx h m h jx h m jx s s p jx h jx d sk Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/23 nstitut ür Elektrische

24 Leerlau- und Kurzschlusskennlinie (n = konst.) Leerlau- Kennlinie Kurzschluss- Kennlinie Zeigerdiagramm ür Kurzschluss (R s = 0) Leerlaukennlinie: s0 ( ) bzw. s0 ( ). s0 = p = h und = m. p = X dh. Linear: Lutspaltmagnetisierung; gekrümmte Kennlinie: bei hohem (hoher Läuerluss): Eisen sättigt Kurzschlusskennlinie: sk ( ) bzw. sk ( ) m = - sk klein, daher h klein: magnetischer Arbeitspunkt A Eisen nicht gesättigt. Kurzschlusskennlinie sk ( ) bzw. sk ( ) ist LNEAR Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/24 nstitut ür Elektrische

25 Messen der Synchronreaktanz Wegen sk = p / X d (bei R s = 0) olgt: a) Bei "Leerlau-Erregerstrom" 0 ist die Leerlauspannung die Nenn-Strangspannung: s0 = sn b) Bei Erregerstrom 0 ließt bei Klemmenkurzschluss der Kurzschlussstrom sk0 : sk0 ( p 0 s0 X d X d ) X sn d Synchronreaktanz: X d sn sk0 Synchronreaktanz x d au Nennimpedanz Z N = sn / sn bezogen: x d X Z d N sn sn sn k sk0 sn sk0 0 Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/25 nstitut ür Elektrische

26 Leerlau-Kurzschluss-Verhältnis k K Die bezogene synchrone Reaktanz x d ist das Verhältnis des Kurzschluss-Erregerstroms k zum Leerlau-Erregerstrom 0. Deren Kehrwert heißt "Leerlau-Kurzschluss-Verhältnis" k K = 1/x d. k K 0 k ( s ( s sn 0,, s s 0) sn ) 1 x d Da 0 bei Eisensättigung höher ist als bei ungesättigtem Eisen, ist das gesättigte Leerlau-Kurzschluss-Verhältnis größer als das ungesättigte. Daher ist die gesättigte Synchronreaktanz kleiner als die ungesättigte! x d, gesättigt xd,ungesättigt x x d d,ungesättigt x d,gesättigt Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/26 nstitut ür Elektrische

27 X Vollpolmaschine: Synchronreaktanz X d d 2 L d d s dh a) deal ungesättigtes Eisen ( Fe ): Nur Lutspalt wird magnetisiert: Magnetische Spannung: V = H L L L L dh L h : L h, ungesättigt 0 2m 2 p N s k ws 2 p l Fe b) Gesättigtes Eisen ( Fe < ): Zusätzlich zur Magnetisierung des Lutspalts (V ) muss auch der Flusspad des Ständerelds im Ständer- und Läuereisen magnetisiert werden, daher zusätzliche magnetische Spannung: V Fe L h, ungesättigt L h, gesättigt Lh, ungesättigt 1VFe / V Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/27 nstitut ür Elektrische

28 Bezogene synchrone Reaktanz x d = X d /Z N Synchrone Reaktanz X d = X dh + X s Hauptinduktivität X h ~N s2 p /. Polzahl 2p Synchronreaktanz x d /p.u. Turbogeneratoren 2 ca. 2.0 Schenkelpolmaschinen PM-Maschinen mit Oberlächenmagneten Kippmoment M p0 ~ s p /X d, daher muss ür großes Kippmoment X d ausreichend klein sein Gegensatz zur Asynchronmaschine: Bei ihr muss X h groß sein, da vom Netz und nicht vom Läuer magnetisiert wird! Kippmoment M p0 Daher ist vor allem bei zweipoligen Synchronmaschinen ( p groß!) der Lutspalt groß! Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/28 nstitut ür Elektrische

29 Lutspaltweite der Synchronmaschine Beispiel: a) Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA, = 60 mm (großer Lutspalt!) b) Schenkelpolmaschine: 2p = 12, 70 MVA, = 27 mm! Quelle: E. Fuchs, EEE-PAS = 60 mm R = 380 mm Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/29 nstitut ür Elektrische

30 Beispiel: Leerlau-Kurzschluss-Verhältnis k K Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA: k K 0 k ( ( s s sn 0, s, s 0) sn ) 1 x d Aus Leerlau-/Kurzschlusskennlinie (siehe Bild) olgt: k K = 0.43, x d = 1/0.43 = 2.32 p.u. Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/30 nstitut ür Elektrische

31 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenassung: Leerlau- und Kurzschlusskennlinie - Gekrümmte (gesättigte) Leerlaukennlinie (LL) bei n = konst. - Lineare (ungesättigte) Kurzschlusskennlinie (KS) bei n = konst. - Prüeldmessung: Bestimmung von x d aus LL- und KS-Kennlinie - Leerlau-Kurzschluss-Verhältnis k K = 1/x d - x d soll klein sein ür hohes Kippmoment; deshalb bei 2p = 2: Lutspalt vergrößert = erhöhter Erregerbedar Pro. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/31 nstitut ür Elektrische