Versuchs-Datum: Semester: Gruppe: Testat:

Transkript

1 Labor: Elektrische Maschinen 1 Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EM1-5: Synchronmaschine Versuchs-Datum: Semester: Gruppe: Protokoll: Testat: Bericht: Datum: 1. Versuchsziel Bei diesem Versuch sollen Sie: - die wichtigsten Betriebsarten der Synchronmaschine untersuchen, - die Spannungs- und egulierkennlinien aufnehmen, - die Elemente des vereinfachten Ersatzschaltbildes bestimmen und - das Ersatzschaltbild für einen typischen Lastfall auswerten. 2. Theoretische Grundlagen Siehe hierzu Vorlesung: Elektrische Maschinen Drehstrom-Synchronmaschinen werden zwar überwiegend als Generatoren, in Verbindung mit Umrichtern aber zunehmend auch als Motoren, eingesetzt. Bei ihnen ist die Läuferdrehzahl gleich bzw. synchron" der Drehfelddrehzahl, d. h. sie arbeiten ohne Schlupf (s = 0). Beim Betrieb als Generator wird das Drehfeld durch einen umlaufenden Permanent- oder Elektromagneten erzeugt, während beim Betrieb als Motor normalerweise eine Wicklung mit Drehstrom gespeist wird. Eine Überlastung der Synchronmaschine muss vermieden werden, da sie sonst außer Tritt" fällt und als Generator durchgeht bzw. als Motor stehen bleibt. Sie darf daher nur zwischen Leerlauf und einem Bruchteil des Kippmomentes belastet werden. Der Läufer eilt dabei je nach Belastung dem Statordrehfeld um den Polradwinkel ϑ ϑ N vor bzw. nach. 2.1 Generatorbetrieb Zur Energieerzeugung ist im Generator ein Magnetfeld erforderlich, das bevorzugt durch einen der Erregerwicklung zugeführten Gleichstrom erzeugt wird. Die notwendige Erregerleistung für das Polrad beträgt je nach Maschinengröße 0,25...5% der Bemessungsleistung. Beim aufschalten einer Synchronmaschine auf ein bestehendes Netz müssen zwischen dieser und dem Netz folgende Bedingungen erfüllt sein: - gleiche Spannung, - gleiche Frequenz, - gleiche Phasenfolge und - gleiche Phasenlage. Diese Synchronisation wird beim Laborversuch auf unterschiedliche Arten durchgeführt Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-5 Synchronmaschine Seite 1

2 Das erregte, rotierende Polrad einer Innenpolmaschine induziert in den Ständerwicklungen sinusförmige Spannungen. Wird der zuvor im Leerlauf erregte Synchrongenerator belastet, verändert sich die erzeugte Spannung erheblich. Das bedeutet, dass sich die Erregerleistung der Belastung des Generators laufend anpassen muss. Speist der Generator in ein starres Netz ein (Netzbetrieb), so wird der Wirkleistungsaustausch allein durch den mechanischen Antrieb an der Welle bestimmt. Demgegenüber lassen sich die Blindleistungsverhältnisse einfach über den Erregerstrom einstellen. - Bei Übererregung nimmt die Synchronmaschine kapazitive Blindleistung aus dem Netz auf und gibt somit induktive z. B. für Asynchronmotoren ab. - Bei Untererregung nimmt sie dagegen induktive Blindleistung auf und gibt kapazitive z. B. als Ladeleistung für Netze im Schwachlastbetrieb ab. Insbesondere diese Möglichkeit hat der Synchronmaschine zu ihrer vorherrschenden Stellung bei der Energieerzeugung verholfen. Führt man die erzeugte Energie jedoch direkt einem Verbraucher (ohne Netzeinspeisung) zu, so spricht man von InseIbetrieb. In diesem Fall müssen keine Synchronisationsbedingungen beachtet werden und es genügt allein eine Spannungs- und Frequenzregelung. Bei konstantem Erregerstrom ist die Ausgangsspannung außer von der Belastung auch von der Art der Belastung abhängig. Um eine konstante Spannung zu erhalten, muss die Erregung bei ohmscher Belastung geringfügig vergrößert, bei induktiver Belastung relativ stark erhöht und bei kapazitiver Belastung reduziert werden. 2.2 Motorbetrieb Wird die Ständerwicklung des Synchronmotors an das Drehstromnetz angeschlossen, erreicht das Ständerdrehfeld sofort die Drehfelddrehzahl. Aufgrund seiner Trägheit kann der Läufer dem Drehfeld nicht unmittelbar aus dem Stillstand folgen. Auch bei eingeschalteter Erregung läuft der Synchronmotor daher nicht von selbst an. Bei kleineren unbelasteten Maschinen genügt es, diese bis in die Nähe der Drehfelddrehzahl (synchrone Drehzahl) zu beschleunigen. Unter günstigen Bedingungen kann sie sich dann selbst in den Synchronismus ziehen. Für diesen Selbstanlauf nutzt man oftmals die ohnehin vorhandenen Dämpferkäfige als Anlaufkäfige, wodurch ein asynchroner Hochlauf der leerlaufenden Synchronmaschine ermöglicht wird. Da bei dieser Grobsynchronisation aber kräftige Überströme und Momentstöße entstehen können, ist dieses Vorgehen bei großen Maschinen nicht zulässig. Hier muss diese mit einem unabhängigen Hilfsmotor auf Drehfelddrehzahl gebracht und dann, wie beim Generatorbetrieb beschrieben, am Netz synchronisiert werden Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-5 Synchronmaschine Seite 2

3 3. Versuchsaufbau L1 L2 L3 N L1 L2 L3 N Netzkopplung V Netz L Dunkelschaltung Synchronisiereinrichtung Last V Messung I 1, U 23, P, Q A2 GS MS 0000 n A1 M F1 F2 U E U A var Stromrichter Erregung Erregung Bild 3.1 Blockschaltbild der Versuchsschaltung 4. Versuchsdurchführung 4.1 Notieren Sie die technischen Daten des Prüflings (GS). Hersteller: Masch.-Nr.: Typ: S N kva U N V I N A cos ϕ n N min -1 f N Hz Erregung: U E V I EN A Schaltung des Prüflings: 4.2 Inbetriebnahme des Maschinensatzes - Fahren Sie den Maschinensatz auf Bemessungsdrehzahl n d. - Synchronisieren Sie die Antriebs-Synchronmaschine (MS) mit Hilfe der Dunkelschaltung am Netz. - Schalten Sie die Gleichstrommaschine ab (eihenfolge beachten!!!). Achtung: Messgerät zeigt Außenleiterspannungen an Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-5 Synchronmaschine Seite 3

4 4.3 Inselbetrieb Leerlaufkennlinie Nehmen Sie die Leerlaufkennlinie auf: U 1 = f (I E ) mit U 1 = V. Legen Sie den Leerlaufbemessungserregerstrom I E0 fest. U 1 / V I E / A I E0 = A Kurzschlussversuch Führen Sie folgende Kurzschlussversuche durch: I 1k = I N = f (I Ek ) dreipolig, zweipolig und einpolig, I k0 = I k (I E0 ) für den festgelegten I E0 (dreipolig). I 1k / A I Ek / A dreipolig zweipolig einpolig I k0 / A Belastungs- und egulierkennlinien Nehmen Sie jeweils für symmetrische ohmsche, induktive und kapazitive Last die Belastungskennlinien U 1 = f (I 1 ) für I E = I E0 ; I 1 = A I 1 / A U 1 / V L und die egulierkennlinien auf: I E = f (I 1 ) für U 1 = U N ; I 1 = A. I 1 / A I E / A L Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-5 Synchronmaschine Seite 4

5 4.4 Netzbetrieb Synchronisieren Sie den Prüfling (GS) mit Hilfe der Synchronisiereinrichtung am Netz Messen Sie den Magnetisierungsstrom der unerregten Synchronmaschine: I µ0 = A für U 1 = U 1N ; I E = 0 A Nehmen Sie den induktiven Volllastpunkt auf: I EÜ = A für U 1 = U 1N ; I 1 = I 1N ; cosϕ = 0 (induktiv) Nehmen Sie die V-Kurven auf: I 1 = f (I E ) für P = 0 kw; 3 kw und 6 kw. P / kw I 1 / A = 0 I E / A P / kw I 1 / A = 3 I E / A P / kw I 1 / A = 6 I E / A 5. Auswertung 5.1 Stellen Sie die Leerlaufkennlinie graphisch dar und tragen Sie in dieses Bild das Potierdreieck ein. Entnehmen Sie daraus die Potier- bzw. Streureaktanz X σ X P der Synchronmaschine. 5.2 Stellen Sie die Belastungs- und egulierkennlinien für Inselbetrieb in jeweils gemeinsamen Diagrammen dar und begründen Sie deren Verlauf. 5.3 Zeichnen Sie die V-Kurven mit die zulässigen Betriebsgrenzen des Prüflings in ein Diagramm ein. Geben Sie eine Begründung für den grundsätzlichen Verlauf an. 5.4 Bestimmen Sie aus dem dreipoligen generatorischen Kurzschlussversuch die synchrone eaktanz X d. Berechnen Sie X d auch aus dem motorischen Leerlauf und vergleichen Sie die Werte. 5.5 Geben Sie den Bemessungsscheinwiderstand Z N, die Hauptreaktanz X h, die relative synchrone eaktanz x d, das Leerlauf- Kurzschlussverhältnis k k und das Übersetzungsverhältnis der Synchronmaschine ü = X h /X d I E0 / I k0 des Prüflings an. 5.6 Konstruieren Sie das Zeigerbild für den Prüfling bei U 1N, I 1 = 14 A und P 1 = 6 kw, bei ohmsch-induktiver Belastung durch das Netz. Ermitteln Sie daraus den Erregerstrom und vergleichen Sie diesen mit dem entsprechenden Messwert Elektrische Maschinen 1 (EM1) Versuch EM1-5 Synchronmaschine Seite 5