ENP4 Synchronmaschine 03/2010

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1 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer: Übungstag: eitere Teilnehmer: Professor: EP4 03/ Einleitung Drehstromsynchronmaschinen sind die am häufigsten eingesetzten Generatortypen zur mwandlung mechanischer in elektrischer Energie und zur direkten Einspeisung elektrischer Energie in das ersorgungsnetz. Bei der im Labor erwendeten handelt es sich um eine ierpolige ußenpolmaschine. Sie wird on einer drehzahlgeregelten Gleichstrommaschine angetrieben, die Erregung der wird über eine regelbare Gleichstromersorgung () gespeist. or der ersuchsdurchführung informieren Sie sich über das Betriebserhalten einer, über die öglichkeiten der Synchronisation des Generators auf das starre etz und über die öglichkeiten der Blindleistungssteuerung mit dem Generator. 2 Kenndaten der Durch einen Leerlauf- und Kurzschlussersuch und den daraus resultierenden uswertungen, sind die Kenndaten der zu ermittel. Zuor schreiben Sie die Bemessungsdaten der om Typenschild auf. Über den gesamten ersuchserlauf beachten Sie die max. Ströme und Spannungen beider aschinen. 2.1 Leerlauf Bei der Leerlaufmessung wird die Klemmenstrangspannung Str in Funktion des Erregerstrom I Err der aufgezeichnet. ersuchsdurchführung: Die Leerlaufmessung findet ohne Belastung der generatorisch betriebenen statt (siehe bbildung 1). Stellen Sie zuerst die Drehzahl der noch nicht erregten mit Hilfe der Gleichstrommaschine auf die enndrehzahl n = 1500min -1 ein. Die Frequenz der Klemmenstrangspannung der sollte dann f str = 50Hz entsprechen. urde die Frequenz bzw. die Drehzahl richtig eingestellt, wird die Erregung der mit Hilfe des s zugeschaltet. chten Sie darauf, dass beim Zuschalten des s die Sollwertsteller für Spannung und Strom auf ull stehen. Erhöhen Sie nun die Erregerspannung Err bei geringem Erregerstrom I Err. ehmen Sie ca. 10 esswerte für Str bei einem Erregerstrom I Err = 0 bis 0,7 auf. EP4-.docx Seite: 1

2 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe bbildung 1: Leerlaufmessung Schalter Trennerstärker Dreiphasen- Leistungsmesser Zeigermessgeräte L1` L2` L3` Sicherungssockel 2.2 Kurzschluss Bei der Kurzschlussmessung wird der Kurzschlussstrom I K in Funktion des Erregerstromes I Err aufgezeichnet., ersuchsdurchführung: Schließen Sie die drei icklungsstränge, und der miteinander kurz (siehe bbildung 2). Der für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! un wird die Drehzahl des Synchrongenerators mittels des s auf die enndrehzahl n = 1500 /min eingestellt. Danach wird der zugeschaltet und der Erregerstrom langsam bis ca. I Err = 1,1 erhöht, dabei sollte der maximale Kurzschlussstrom on I K = 8 in der Drehstromwicklung der erreicht werden. ehmen Sie ca. 10 esswerte für I K bei einem Erregerstrom I Err = 0 bis 1,1 auf. EP4-.docx Seite: 2

3 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe bbildung 2: Kurzschlussmessung 2.3 ennspannung Die ennspannung der wird zwischen den Klemmen und, bei einem Erregerstrom I Err für den maximalen Kurzschlussstrom I K gemessen werden. Diese gemessene Spannung entspricht der Polradspannung bei ennstrom. ersuchsdurchführung: Bauen Sie einen Spannungsmesser wie in bbildung 3 gezeigt ein. Der für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Die Drehzahl des Synchrongenerators wird mittels des s auf die enndrehzahl n = 1500 /min eingestellt. Danach wird der zugeschaltet und der Erregerstrom I Err langsam bis auf die unter 2.2 ermittelten erten eingestellt. essen Sie Polradspannung bbildung 3: Polradspannung bei ennstrom EP4-.docx Seite: 3

4 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe 2.4 Kennlinien us den orangegangenen essreihen aus ufgabe 2.1 bis 2.3 sind die Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie zu zeichnen und die Kenndaten der zur ermitteln bbildung 4: Kennlinien 400 Leerlauf KurzschlussKennlinie Luftspaltgerade ennstrom 300 Kurzschluss strom Kurzschlussstrom Leerlaufspannung in olt ennspannung Leerlaufspannung ungesättigter Kurzschlussstrom 5 Kurzschlussstrom in mpere Lufspaltgeradestroerregerstroerregestrom Leerlauf Kurzschluss Erregerstrom in mpere I I K I * K I ErrK I ErrL I fg = ennstrangspannung = ennstrangstrom = Kurzschlusstrom = ungesättigter Kurzschlussstrom = Erregerstrom für Kurzschlussfall = Erregerstrom für Leerlauffall = Strom für Luftspaltgerade K C = Kurzschlusserhältnis im Leerlauf X d = Synchrone Reaktanz Z = ennimpedanz EP4-.docx Seite: 4

5 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe 3 Inselbetrieb Der Inselbetrieb einer bedeutet, dass die aschine und das lokale ersorgungsnetz nicht an das erbundnetz der Energieersorgungsunternehmen angeschlossen sind. Der Generator muss die gesamte Leistung abgeben, die on den erbrauchern benötigt wird. Die Leistungsabnahme wirkt sich auf die Drehzahl (Frequenz) des otor-generatorsatzes aus, daher muss diese über die Leistungszufuhr (im ersuch die Gleichstrommaschine) eingestellt werden. Zusätzlich wird über den Erregerstrom des s die Klemmenspannung der auf einen konstanten ert gehalten. 3.1 Ohmsche Belastung. Der Inselbetrieb soll mit einer ohmschen Belastung simuliert werden. Hierfür steht Ihnen im Labor ein Drehstromwirkwiderstand zur erfügung. bbildung 5: Inselbetrieb mit ohmscher Last Phasen iderstand mit R1, R2 und R3 Schalter Trennerstärker Dreiphasen- Leistungsmesser Zeigermessgeräte L1` L2` L3` Sicherungssockel EP4-.docx Seite: 5

6 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe ersuchsdurchführung: Bauen Sie die Schaltung wie in bbildung 5 auf. Der für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der auf die enndrehzahl n = 1500 min -1 ein und schließen Sie dann den Schalter. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht bis die Klemmenspannung am Generator gleich der ennspannung ist. chten Sie dabei auch auf die om Typenschild orgegeben erte der. ehmen Sie die Spannungs-, Strom- und Leistungswerte, sowie die dazugehörigen Zeiterläufe on einem icklungsstrang der, für jeden unten gegebenen iderstandswert für = = konst. auf. Das heißt, Sie müssen je nach ert der Belastungswiderstände den Erregerstrom neu einstellen. iederholen Sie die essreihe mit konstanter Erregung on I Err = 1,1 = konst. Zeichnen Sie mittels Zeigerdiagram den Lastwinkel und die Polradspannung der in bhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung. Die einzelnen Belastungswiderstände des Drehstromwiderstands sind alle gleich groß und haben für diese essreihen die folgenden erte: R Last in Ω 19,2 20,3 21,3 22,8 24,0 25,6 27,5 29,4 31,8 34,5 38,0 42,7 54,7 63,7 76,7 3.2 Induktie Belastung Der Inselbetrieb soll mit einer induktien Belastung simuliert werden. Hierfür stehen Ihnen im Labor drei gleiche Induktiitäten zur erfügung. ersuchsdurchführung: Bauen Sie die Schaltung wie in bbildung 6 auf. Der für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der auf die enndrehzahl n = 1500 min -1 ein und schließen Sie dann den Schalter. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht bis die Klemmenspannung am Generator gleich der ennspannung ist. chten Sie dabei auf die om Typenschild orgegeben erte der. ehmen Sie die Spannungs-, Strom-, Phasenwinkel und Leistungswerte, sowie die dazugehörigen Zeiterläufe on einem icklungsstrang der, für jeden unten gegebenen Induktiitätswert für I Err = 1,5 = konst. auf. Zeichen Sie in einem Zeigerdiagram den Phasenwinkel und die Polradspannung der in bhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung. Die Spulen sind gleich groß und haben dieselbe Induktiität. utzen Sie nur die festen bgriffe der Spulen, aber nicht die ariablen erstellmöglichkeiten. L in mh EP4-.docx Seite: 6

7 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe bbildung 6: Induktie Belastung 3 Induktiitäten Schalter Trennerstärker Dreiphasen- Leistungsmesser Zeigermessgeräte Sicherungssockel L1` L2` L3` EP4-.docx Seite: 7

8 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe 3.3 nsymmetrische Belastung (Zusatzaufgabe in bsprache mit dem betreuenden Professor) Bauen Sie die Schaltung wie in bbildung 7 auf. Der für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der auf die enndrehzahl n = 1500 min -1 ein und schließen Sie dann den Schalter. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht bis die Klemmenspannung am Generator gleich der ennspannung ist. chten Sie dabei auf die om Typenschild orgegeben erte der. chten Sie dabei auf die om Typenschild orgegeben erte der. ehmen Sie die Spannungs-, Strom-, Phasenwinkel und Leistungswerte, sowie die dazugehörigen Zeiterläufe on einem icklungsstrang der, für jeden unten gegebenen Belastungszustand für I Err = 1,4 = konst. auf. Zeichen Sie in einem Zeigerdiagram den Phasenwinkel, Lastwinkel und die Polradspannung der in bhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung. Diese ohmschen und induktien erte sollen für die oben genannte essreihe eingestellt werden. R in Ω L1 in mh L2 in mh L3 in mh 19,2 19,2 19,2 19,2 76,7 76,7 76,7 76, etzparallelbetrieb der ird die über das lokale etz an das starre erbundnetz der Energieersorgungsunternehmen gekoppelt, muss im ugenblick der ufschaltung eine Übereinstimmung der Frequenz, mplitude und Phasenlage der Klemmenstrangspannung zur etzspannung gewährleistet sein. Ist dieses nicht der Fall, kommt es zu nicht gewollten usgleichsorgängen, welche die zerstören können und das ersorgungsnetz unerlaubt belasten können. urde die auf das starre etz aufgeschaltet, lässt sich die Drehzahl nicht mehr erändern. Setzen Sie sich mit den oben genannten Bedingungen für eine Synchronisation ans etz auseinander. 4.1 Synchronisation auf das starre etz ersuchsdurchführung: Bauen Sie die Schaltung wie in bbildung 8 auf. enn die auf enndrehzahl ist schalten Sie den Schalter ein. Der etzschalter muss noch geöffnet sein. Schalten Sie jetzt den zu und erhöhen die Erregung langsam. Beobachten Sie dabei die Lampen der Dunkelschaltung, als auch die Zeiterläufe der etzspannungen etz und Klemmenspannung Str am Oszilloskop. EP4-.docx Seite: 8

9 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe elche ier Bedingungen sind für eine erfolgreiche Synchronisation erforderlich? Bestimmen Sie den richtigen Einschaltpunkt der Synchronisation. Beschreiben Sie die Dunkelschaltung als Hilfsmittel zur Synchronisation. ie müsste eine Hellschaltung aufgebaut werden. bbildung 8: Dunkelschaltung L1 L2 L3 L2 etzschalter L1 L3 Dunkelschaltung Schalter Trennerstärker Dreiphasen- Leistungsmesser Zeigermessgeräte L1` L2` L3` Sicherungssockel EP4-.docx Seite: 9

10 Hochschule für ngewandte issenschaften Hamburg Labor für elektrische ntriebe achdem die auf das starre etz aufgeschaltet wurde, kann die aschine im generatorischen, so wie auch im motorischen Bereich betrieben werden. In beiden Betriebsarten ist es je nach orgabe der Betriebsparameter möglich, irk-, induktie Blind- oder kapazitie Blindleistung in das etz einzuspeisen oder aus dem etz aufzunehmen. Die nachfolgenden ersuche sollen dieses erdeutlichen. 4.2 Generatorischer Betrieb ersuchsdurchführung: achdem die Synchronisation erfolgreich war, wird die Frequenz der Klemmenstrangspannung Str auf ca. f str = 50,1Hz erhöht. Die läuft jetzt generatorisch. Stellen Sie das Drehmoment der Gleichstrommaschine mit Hilfe der nkerstrombegrenzung für einen nkerstrom on I = 20 ein. ariieren Sie den Erregerstrom I Err der und nehmen Sie jeweils zwei essreihen für Über- und ntererregung der auf. essen Sie hierbei die Ströme, Spannungen, Leistungen und Phasenwinkel on einem icklungsstrang der. erten Sie die Ergebnisse aus. 4.3 otorischer Betrieb achdem die Synchronisation erfolgreich war, wird die Frequenz der Klemmenstrangspannung Str auf ca. f str = 49,9Hz ermindert. Die läuft jetzt motorisch. Stellen Sie das Drehmoment der Gleichstrommaschine mit Hilfe der nkerstrombegrenzung für einen nkerstrom on I = 20 ein. ariieren Sie den Erregerstrom I Err der und nehmen Sie jeweils zwei essreihen für Über- und ntererregung der auf. essen Sie die Ströme, Spannungen, Leistungen und Phasenwinkel on einer icklung der. erten Sie die Ergebnisse aus. EP4-.docx Seite: 10