Synchron-Schenkelpolmaschine Aufbau

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1 Synchron-Schenkelolmaschine Aufbau Drehstrom I s in Ständerwicklung erzeugt Drehfeld (hier 12 Pole). 12 Erregersulen im Läufer ( Polrad ) über Schleifringe mit Gleichstrom ( Feldstrom I f ) erregt. Es entsteht ein 12-oliges Läuferfeld. Das Ständer-Drehfeld zieht den magnetisierten Läufer SYNCHRON mit.

2 Synchrongeneratoren Wasserturbinen Wasserturbinen drehen langsam: Flußkraftwerk: niedriger Wasserdruck, hoher Volumenstrom: KAPLAN- u. FRANCIS-Turbinen: n ca. 80/min bis ca. 400/min Seicherkraftwerke: hoher Wasserdruck, kleiner Volumenstrom: PELTON-Turbinen: n ca. 500/min bis 1000/min Einsatz hocholiger Schenkelol-Synchron-Generatoren: f = 50 Hz = n. Bs.: n = 300/min = 5/s: Polzahl 2 = 2(f/n) = 2(50/5) = 20

3 Synchrongeneratoren Damf- und Gasturbinen Damf- und Gasturbinen drehen schnell: n = 3000/min, bei P > 1000 MW: n = 1500/min Einsatz von zwei- und vieroligen Turbogeneratoren Bs.: n = 3000/min = 50/s: Polzahl 2 = 2(f/n) = 2(50/50) = 2 Umfangsgeschwindigkeit des Läufers = Umlauf-Geschwindigkeit des Drehfelds: vsyn d si nsyn Bs.: d si = 1.1 m, v syn = 1.1 (3000/60) = 173 m/s = 622 km/h Sehr hohe Fliehkräfte: Läufer muß aus massivem, hochfestem Stahl sein, Nuten für die Erregerwicklung werden gefräst.

4 Vollol-Synchronmaschinen Läufer: Genuteter zylindrischer Blechkörer, in dessen Nuten die verteilte Gleichstrom-Erregerwicklung liegt. Bei hohen Leistungen (hohe Fliehkräfte): Läufer aus massivem Schmiedestahl mit eingefrästen Nuten ( Turboläufer ).

5 Synchronmaschine: Funktion Läuferfluß ro Pol: analog zur Gleichstrommaschine: Das Feld B, wird vom Läuferstrom I f erregt. Φ l B, Rotierendes Polrad (Drehzahl n): Induzierte Sannung je Ständerwicklungsstrang (Polradsannung) U U 2 f N k Φ, Frequenz f = n. : i0 Bei Änderung des Feldstroms I f in der Polradwicklung ändert sich die induzierte Sannung U. Die Ständerwicklung ist an das Drehsannungssystem U s des Netzes angeschlossen. Die Differenz U s U treibt in der Ständerwicklung Drehstrom I s. Der Ständerstrom erzeugt ein Drehfeld B,s das gleich schnell wie das Läuferfeld B, rotiert. Beide überlagern sich zum resultierenden Drehfeld B. Das Drehfeld induziert die Ständerwicklung (Selbstinduktion, Hautinduktivität L h ), aber nicht die Läuferwicklung (Synchronlauf, KEINE Relativbewegung von B,s zum Läufer). Selbstinduktion im Ständer durch Streuflüsse z. B. in den Nuten (Streuinduktivität L s ) kommt hinzu. s ws

6 Ersatzschaltbild der Synchronmaschine Ständersannungsgleichung je Strang: U s ( R j L j L ) I s s s h U Quellensannung : Polradsannung U ( steuerbar über Gleichstrom I f ) Innenwiderstand : Summe aus - Wicklungswiderstand R s, - Streureaktanz X s = L s - Hautreaktanz X h = L h wobei X d = X s + X h die Synchronreaktanz heißt.

7 Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (1) Zeigerdiagramm gilt je Strang der Ständerwicklung! a) Ständer-Selbstinduktionssannung : j L I h s Sannung im rechten Winkel zu I s b) Polradsannung (Gegeninduktion vom rotierenden Läufer) : U j N k Φ / 2 s ws Hautfeldsannung (a) + b)) U j N k Φ : h s ws h / 2

8 Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (2) Synchronmaschine ist über U (I f ) steuerbare Sannungsquelle und kann daher als kaazitiver und induktiver Verbraucher wirken. Im Bild: U hoch (I f hoch, übererregt ): Synchronmaschine kaazitiv. Im Bild: P e = 3U s I s cos < 0: Synchronmaschine gibt elektrische Leistung ab: GENERATORBETRIEB Polradwinkel von U s zu U ist ositiv.

9 Bedeutung des Polradwinkels Zeigerdiagramm: Im Generatorbetrieb eilt Polradsannung U der Strangsannung U s um den Polradwinkel VOR. Generatorbetrieb: Diese VOReilende Phasenlage entsteht dadurch, daß das Polrad mit dem Polradfluß RÄUMLICH etwas VOR dem Drehfeld des resultierenden Hautflusses läuft und daher die Ständerwicklung etwas früher induziert als das Hautfeld. Bildlich gesrochen: Das Polrad angetrieben von der Turbine - zieht das Drehfeld hinter sich her. Das elektromagnetische Drehmoment M e bremst das Polrad. Motorbetrieb: Polradsannung U eilt der Strangs. U s um den Polradwinkel NACH. Bildlich gesrochen: Das Drehfeld geseist aus dem Netz - zieht das Polrad hinter sich her. Das elektromagnetische Drehmoment M e treibt das Polrad und die daran gekuelte Arbeitsmaschine an.

10 Synchron-Vollolmaschine bei Last Ständerfeld ( Ankerrückwirkung ) überlagert sich dem Läuferfeld zum resultierenden Magnetfeld Feldbild: Zweiolige Maschine, Generator: Polrad eilt Ständerfeld vor (nach links), übererregt (Strom eilt Sannung vor = kaazitiver Verbraucher).

11 Leistung und Drehmoment Bei Annahme R s = 0 ist die elektrische und mechanische Leistung gleich groß: Pe 3U si s cos, Pm ΩmM e ΩsynM e P Zeigerdiagramm: geometrische Beziehung: U sin X d I s sin( ) 2 P M e P m e 3U e s 3U su Ω X U sin X syn d d sin 3U su X d X d I s sin cos P m

12 Elektromagnetisches Drehmoment 3U su Elektromagnetisches Drehmoment: M e sin syn X d Maschine erzeugt maximales Drehmoment M 0 bei Polrad-Kiwinkel 90 : synchrones Kimoment U su M e M 0 sin, M 3 0 X syn Durch Erhöhung des Erregerstroms I f kann über Erhöhung von U das Kimoment erhöht werden ( Stoßerregung ). Nur für -90 < <90 ist STABILER synchroner Betrieb möglich. Bei größerer Belastung kit das Polrad aus dem Synchronlauf und rotiert asynchron. d

13 Betriebszustände der Synchronmaschine Verbraucher-Zählfeilsystem: U entsricht Polrad, U h entsricht resultierendem Drehfeld

14 Betriebszustände Synchronmaschine INDUKTIV KAPAZITIV KAPAZITIV INDUKTIV Erregerstrom If klein Erregerstrom If groß Erregerstrom If groß Erregerstrom If klein Polradsannung U klein Polradsannung U groß Polradsannung U groß Polradsannung U klein Untererregung Übererregung Übererregung Untererregung Is eilt Us nach Is eilt Us vor Is eilt Us vor Is eilt Us nach Phasenwinkel > 0 Phasenwinkel < 0 Phasenwinkel < 0 Phasenwinkel > 0 GENERATOR GENERATOR MOTOR MOTOR Polradwinkel > 0 Polradwinkel > 0 Polradwinkel < 0 Polradwinkel < 0 U eilt U s vor U eilt U s vor U eilt U s nach U eilt U s nach Phasenwinkel / 2 Phasenwinkel / 2 Phasenwinkel / 2 Phasenwinkel / 2

15 Dämferwicklung Dämferkäfig ist Kurzschlußkäfig, der ebenfalls im Polrad angeordnet ist. Kraft zwischen bestromter Ständerwicklung und Polradfeld des Läufers wirkt über die magnetischen Flußröhren zwischen Ständer und Läufer. Flußröhren wirken wie elastische Gummischnüre ( MAXWELL scher Zug ). Bei einer srungartigen Drehmomenterhöhung ( Momenten-Stoß ) vergrößert sich der Polradwinkel auf > und damit die Länge der Flußröhren im Luftsalt ( Dehnung der Flußröhren). Die Masse des Polrades schwingt mit dem elastischen Feld um die neue Polradlage. Das Schwingen ist eine oszillierende Relativbewegung des Polrads zum Ständerfeld. Daher wird im Kurzschlußkäfig (Dämferkäfig) des Läufers vom Ständerdrehfeld Sannungen induziert, die Dämferströme treiben. Diese Dämferstöme bilden wie bei der Asynchronmaschine mit dem Ständerdrehfeld ein zusätzliches Drehmoment, daß das Schwingen des Polrads abbremst. Nach wenigen Sekunden ist die Schwingung abgeklungen ( abgedämft : Name DÄMPFER!).

16 Einsatzgebiete elektrischer Maschinen Gleichstrommaschinen mit Stromrichterseisung Gleichstrommaschinen mit Stromrichterseisung Drehzahlveränderbare Antriebe mit geregelter Drehzahl in der Industrie z. B. in Walzwerken, Prüfständen, Kranen, für Drahtziehen, Stanzen, Kunststoffsritzguß, Folienrecken,... in der Traktion als U-Bahn-, Straßenbahn- und Vollbahnmotoren, in E-Autos, in Schiffen als U-Boot-Antriebe, als Kleinmotor in Automobilen (Fensterheber, Sitzversteller,..), als Tachogeneratoren,... als Universalmotor in vielen Haushaltsgeräten.

17 Einsatzgebiete elektrischer Maschinen Asynchron - und Synchronmaschinen Asynchronmaschinen mit Netzseisung: Als Festdrehzahlantrieb, zumeist als robuster Normmotor, für Pumen, Gebläse, Komressoren, einfachere Bearbeitungsmaschinen in sehr großer Stückzahl im Einsatz, aber auch Windgeneratoren,... Asynchronmaschinen mit Umrichterseisung: Drehzahlvariabel und geregelt, übernimmt er viele Aufgaben der Gleichstrommaschine in der Industrie, Traktion,..., da er robust ist. Synchronmaschinen: Als Generatoren zur Stromerzeugung bis 1800 MVA im Einsatz (Großmaschinen). Mit Umrichterseisung als drehzahlgeregelte Motoren für Werkzeugmaschinen, Verackungsmaschinen,... (kleine Leistung) und Großantriebe für die Traktion (TGV), bis 100 MW (z. B. Antrieb für Windkanal).

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