Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EA-3: Synchronmaschine

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1 Labor: MB/EK Elektrische Antriebe akultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EA-3: ynchronmaschine Datum: emester: Gruppe: Protokoll: Testat: Bericht: Datum: 1. Einführung 1.1 Aufbau ynchron- und Asynchronmaschinen bezeichnet man auch als Drehfeldmaschinen, da ihre unktion gleichermaßen auf einem vom tator erzeugten Drehfeld beruht. Daher sind auch die tatoren in beiden ällen gleich aufgebaut und die Entstehung des Drehfeldes erfolgt wie bei der Asynchronmaschine beschrieben (Bild 1). V2 B n d Bild 1. Entstehung des tatordrehfeldes Der Unterschied zur Asynchronmaschine besteht im Rotor, der hier als sog. Magnetläufer mit fest vorgegebenen Magnetpolen gefertigt ist. Letztere können als Elektromagnete durch Gleichstrom erregt oder in orm von Permanentmagneten eingebaut werden. 1.2 unktionsweise Die unktion der ynchronmaschinen beruht auf dem Prinzip: ungleiche Magnetpole ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab. ie können daher nur dann ein utzmoment entwickeln, wenn gilt: Rotordrehzahl = Drehfelddrehzahl, n = n d. Wegen der synchronen Drehzahl heißen diese Maschinen auch ynchronmaschinen Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 3 ynchronmaschine eite 1

2 1.2.1 Leerlauf V2 Im Leerlauf stehen sich die ordpole des tators und die üdpole des Rotors und umgekehrt gegenüber, wobei trotz großer Anzugskraft wegen fehlendem Hebelarm kein Moment entsteht: n = n d ; M = Belastung Bild 2 Leerlauf V2 Bild 3 Belastung: n = n d ; M 0 ϑ Bei motorischer Belastung läuft der Rotor weiterhin mit Drehfelddrehzahl um, hinkt aber dem tatorfeld um den Polradwinkel ϑ < 0 hinterher. Dadurch steht an der Welle ein mechanisches Antriebsmoment M = t r = M K sin ϑ zur Verfügung, das etwa sinusförmig vom Polradwinkel abhängt. Bei ϑ = 90 erreicht das Moment seinen Maximalwert M ( 90 ) = M K = Kippmoment, bei dessen Überschreitung die ynchronmaschine außer Tritt fällt, daher kein Antriebsmoment mehr entwickeln kann und somit ausläuft. M K - 90 a M 0 90 ϑ Bild 4 Momentverlauf M (ϑ) a) praktisch nutzbarer b) theoretisch nutzbarer Arbeitsbereich b Praktisch wird aus icherheitsgründen nur etwa das halbe Kippmoment ausgenutzt: M M ½ M K. Im Generatorbetrieb gelten alle Aussagen weiterhin. Da hierbei die ynchronmaschine aber angetrieben werden muss, eilt dabei der Rotor um den Polradwinkel ϑ > 0 voraus Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 3 ynchronmaschine eite 2

3 1.3 ynchronmotoren Bei ynchronmotoren bestand lange das Problem, dass sie nicht von selbst am etz anlaufen können (unktionsvoraussetzung: n = n d ). Daher spielten sie in der Vergangenheit kaum eine Rolle. Durch den modernen Umrichterbetrieb entfällt dieser achteil, da sie über die veränderliche requenz bei vollem Moment aus dem tillstand hochgefahren werden können. Insbesondere als permanent erregte ynchronmaschinen benötigen sie keine Erregerleistung, haben keine Rotorverluste und kaum Verschleiß, so dass sie z. Zt. die Maschinen mit der höchsten Leistungsdichte und dem besten Wirkungsgrad sind. Bei umrichtergespeisten Antrieben haben sie daher die höchsten Zuwachsraten. Allerdings sind sie wegen den hochwertigen Magnetwerkstoffen noch teurer als vergleichbare Asynchronmaschinen. 1.4 Besonderheiten der ynchronmaschine Der Rotor erzeugt hier aktiv ein eigenes Magnetfeld, welches das tatordrehfeld unterstützt. Abhängig von dessen tärke ergeben sich folgende ituationen: Rotorfeld stärker als tatorfeld übererregt Die ynchronmaschine verhält sich wie ein Kondensator, nimmt also kapazitive Blindleistung auf bzw. kann induktive Blindleistung liefern. Rotorfeld schwächer als tatorfeld untererregt Die ynchronmaschine verhält sich wie eine Induktivität, nimmt also induktive Blindleistung auf bzw. kann kapazitive Blindleistung liefern. Gerade diese Möglichkeit ist bei der tromversorgung wichtig, da die etze außer der Wirkleistung tagsüber überwiegend induktive Blindleistung und nachts überwiegend kapazitive Blindleistung benötigen. Da dies problemlos nur mit ynchronmaschinen möglich ist, wird elektrische Energie in Kraftwerken fast ausschließlich mit ynchrongeneratoren erzeugt. Aber auch bei motorischem Betrieb kann man über die Erregung die Blindleistung regulieren oder bei geeigneter Erregung mit cos ϕ 1 einen optimalen Wirkleistungsbetrieb einstellen Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 3 ynchronmaschine eite 3

4 2. Versuchsaufbau L1 L2 L3 L1 L2 L3 etzkopplung V etz R L Dunkelschaltung C ynchronisiereinrichtung Last V Messung I 1, U 23, P, Q A2 G M 0000 n A1 M 1 2 U E U A var tromrichter Erregung Erregung 3. Versuchsdurchführung 3.1 otieren ie die technischen Daten des Prüflings (G). Hersteller Masch.-r. Typ P kva U V I A cos ϕ n min -1 f Hz Erregung U E V I E A 3.2 Inbetriebnahme - ahren ie den Maschinensatz mit der Gleichstrommaschine auf Bemessungsdrehzahl n d. - ynchronisieren ie die Antriebs- ynchronmaschine (M) mit Hilfe der Dunkelschaltung am etz. - chalten ie die Gleichstrommaschine ab (Reihenfolge beachten!). Achtung: Messgerät zeigt Außenleiterspannungen an Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 3 ynchronmaschine eite 4

5 3.3 Leerlaufkennlinie ehmen ie die Leerlaufkennlinie auf: U 1 = f (I E ) mit U 1 = 100V V. Legen ie den Leerlaufbemessungserregerstrom I E0 fest. U 1 / V I E0 = A 3.4 Inselbetrieb ehmen ie für symmetrische ohmsche Last die Belastungskennlinie U 1 = f (I 1 ) für I E = I E0 ; I 1 = 0... (2A)... 14A I 1 / A U 1 / V und die Regulierkennlinie auf: I E = f (I 1 ) für U 1 = U ; I 1 = 0... (2A)... 14A. I 1 / A etzbetrieb ynchronisieren ie den Prüfling (G) mit Hilfe der ynchronisiereinrichtung am etz ehmen ie die V-Kurve auf: I 1 = f (I E ) für P = 3kW. P = 3 kw I 1 / A Auswertung 4.1 tellen ie die Leerlaufkennlinie graphisch dar. 4.2 Geben ie den Leerlaufbemessungserregerstrom an. 4.3 tellen ie die Belastungs- und Regulierkennlinie dar und begründen ie deren Verlauf. 4.4 kizzieren ie die aufgenommene V-Kurve Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 3 ynchronmaschine eite 5