Synch Ron Mas Chine

Elektrische Maschinen und Leistungselektronik Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp Elektrische Maschinen Fachbereich Elektrotechnik

Laborversuch EM3 SynchronmaschineGliederung1 2 3 Verwendung Aufbau Grundlagen und Wirkungsweise 3.1 Feld- und Spannungserzeugung 3.2 Leerlauf, Ersatzschaltbild 3.3 Belastung, Stromortskurve 3.4 Drehmoment 3.5 Dauerkurzschluss 4 Betriebsverhalten 4.1 Synchrongenerator im Inselbetrieb 4.2 Synchronmaschine am starren Netz 4.3 Anlauf und Synchronisation 5 Versuchsdurchfhrung 5.1 Schaltbild und Stckliste 5.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus 5.3 Aufgabenstellung 6 7 Testfragen Literatur

Versuch EM3/Vers. 02/04

Synchronmaschine

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Labor fr elektrische Maschinen und Leistungselektronik

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp

1 VerwendungDie Synchronmaschine ist wie die Asynchronmaschine eine Drehfeldmaschine. Whrend die Asynchronmaschine zum Aufbau des Drehfeldes stets induktive Blindleistung aus dem Netz bezieht, kann die Synchronmaschine das Feld mit Hilfe eines gleichstrom- oder permanenterregten Polrades selbst aufbauen. Bei geeigneter Erregung kann Sie induktive Blindleistung ins Netz liefern. Diese Mglichkeit, neben der Wirkleistung auch induktive Blindleistung zu erzeugen, hat dazu gefhrt, dass fast die gesamte elektrische Energie mit Drehstromsynchronmaschinen erzeugt wird. In Kohle- und Kernkraftwerken werden die Generatoren von Dampfturbinen angetrieben. Die Grenzleistung dieser Generatoren wird durch neue Technologien wie z. B. Wasserkhlung weiter entwickelt und liegt heute bei 1700 MVA. Mittlere Leistungen bis 800 MVA werden bei hochpoligen Generatoren in Fluund Speicherkraftwerken realisiert. Im Sonderfall der Bahnstromversorgung mit 16 2/3 Hz kommen Einphasengeneratoren zum Einsatz. Der Synchronmotor besitzt eine geringe Bedeutung. Groe Einheiten bis in den MWBereich werden verwendet, wenn neben der mechanischen Leistung noch induktive Blindleistung zu erzeugen ist, um z. B. in einem Antriebsverbund den induktiven Blindleistungsbedarf von Asynchronmaschinen abzudecken. Groe Stckzahlen erreicht der Synchronmotor bei Klein- und Kleinstmotoren, z. B. fr Uhren, Phonogerte und in der Feinwerktechnik. Permanent erregte Maschinen mit Anlaufkfig werden im Leistungsbereich bis 10 kW in der Papier- und Textilindustrie eingesetzt, wo mehrere Antriebe an einer Frequenzschiene synchron arbeiten. Die Entwicklung der Leistungselektronik hat der Synchronmaschine weitere Anwendungsgebiete erschlossen. Fr Servoantriebe mit hohen dynamischen Eigenschaften werden permanent erregte Maschinen verwendet. Bei hohen Antriebsleistungen haben direktumrichtergespeiste Maschinen fr Zementmhlen, Walzantriebe und Frderantriebe die Gleichstrommaschine weitgehend verdrngt. Die wechselrichtergespeiste Maschine findet als Stromrichtermotor Anwendung in thermischen Kraftwerken als Kesselspeisepumpen.

2 AufbauIm Bild 1 ist der Grundaufbau einer zweipoligen Synchronmaschine dargestellt. Der Aufbau des Drehstromstnders ist grundstzlich derselbe wie bei einer Asynchronmaschine. Das Stnderblechpaket ist zur Vermeidung von Wirbelstrmen aus Dynamoblechen geschichtet. In die gleichmig am Umfang verteilten Nuten ist eine dreistrngige Drehstromwicklung eingelegt. Als Khlmittel wird fr Leistungen bis 50 MVA meist Luft, fr hhere Leistungen Wasserstoff und ab etwa 500 MVA eine direkte Leiterkhlung mit Wasser oder l eingesetzt. Der Lufer trgt eine Gleichstromerregerwicklung. Da er nur von einem Gleichfeld durchsetzt ist, braucht er nicht geblecht zu werden. Zwei Ausfhrungsformen sind mglich: Der Vollpollufer nach Bild 2a kommt beim Turbogenerator zum Einsatz. Dieser wird mit Rcksicht auf den Antrieb durch eine Dampfturbine mit der hchstmglichen Drehzahl von 3000 min-1 betrieben. Wegen der enormen Fliehkrfte ist er nicht mit ausgeprgten Polen sondern als zylindrischer Ballen ausgefhrt. Zur Aufnahme der Erregerwicklung werden in den Lufer Nuten eingefrst, die etwa zwei Drittel des Umfangs bedecken


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Der Schenkelpollufer nach Bild 2b wird bei Generatoren die von Wasserturbinen oder Dieselmotoren angetrieben werden, sowie bei Synchronmotoren eingesetzt. Durch hohe Polzahlen knnen niedrige Drehzahlen (60 750 min-1) erreicht werden. Beispielsweise hat eine Maschine mit der Polzahl 2p=48 am 50 Hz-Netz eine Drehzahl von 125 min-1. Die Pole sind am Umfang einzeln angebracht und werden wie bei der Gleichstrommaschine mit konzentrierten Erregerspulen versehen.

Bild 1 Grundaufbau einer 2-poligen Synchronmaschine Der Lufer einer Synchronmaschine besitzt meistens eine Dmpferwicklung, die wie bei dem Kfiglufer der Asynchronmaschine aus Stben und zwei Kurzschlussringen besteht. Sie wird zum Anlauf und zur Vermeidung von Pendelungen bentigt. Bei groen Generatoren wird die Erregerleistung durch einen an die Hauptwelle angekuppelten Erregergenerator erzeugt. Bei Verwendung einer Gleichstromerregermaschine wird die Energie dem Polrad ber zwei Schleifringe zugefhrt. Bei greren Einheiten wird die schleifringlose Anordnung mit einem rotierenden Gleichrichter gewhlt. Die in der umlaufenden Drehstromwicklung eines Auenpolsynchrongenerators erzeugte Erregerleistung wird durch eine mitrotierende Gleichrichterbrcke gleichgerichtet und der Erregerwicklung zugefhrt. Bei kleineren Motoren erfolgt die Erregung mit Permanentmagneten.

a)Bild 2 Lufer der Synchronmaschine a) Volltrommellufer (2p=2) b) Schenkelpollufer (2p=8)

b)


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3 Grundlagen und WirkungsweiseIn diesem Versuch werden die grundstzliche Wirkungsweise und das stationre Betriebsverhalten einer Drehstromsynchronmaschine mit Vollpol- oder Schenkelpollufer behandelt. Die Besonderheiten abweichender Bauformen sowie die mit Sttigung zusammenhngenden Effekte werden nicht bercksichtigt. Die Bezeichnung Synchronmaschine besagt, dass der Lufer genauso schnell rotiert wie das Stnderdrehfeld. Ein Schlupf, wie bei der Asynchronmaschine tritt hier nicht auf.

3.1 Feld- und SpannungserzeugungDie vom Feldstrom If durchflossene Erregerwicklung erzeugt im Luftspalt der Maschine eine rumlich sinusfrmig verteilte Induktion Bf() nach Bild 3, welche relativ zum Lufer stillsteht.

Bf( )

0 2

3 2

2

a)

b)

Bild 3 Drehfelderzeugung durch das Polrad a) Schnitt durch die Maschine mit Vollpollufer (ohne Stnderwicklung) b) Feldverlauf im Luftspalt (Grundwelle) Wird der Lufer extern mit der Drehfelddrehzahl nd=f1/p angetrieben, so werden in jedem der drei Stnderstrnge zeitlich sinusfrmige Spannungen mit der Frequenz f1 induziert. Diese vom Polrad in einem Stnderwicklungsstrang induzierte Spannung heit Polradspannung Up. Der Zusammenhang zwischen der Polradspannung Up und dem Erregerstrom If ist durch die Leerlaufkennlinie nach Bild 4 gegeben. Mit beginnender Sttigung des magnetischen Kreises steigt die Spannung Up nur noch langsam an, da auer fr den Luftspalt ein immer grerer Durchflutungsbedarf fr den Eisenkreis erforderlich wird.


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Bild 4 Leerlaufkennlinie

3.2 Leerlauf, ErsatzschaltbildWird die Stnderwicklung an das starre Drehstromnetz angeschlossen und bleibt die Feldwicklung stromlos, so erregen die Stnderstrme genauso wie bei der Asynchronmaschine ein Drehfeld mit der Drehfelddrehzahl nd=f1/p. Wird der Lufer mit der Drehzahl nd angetrieben, so steht die Feldwicklung relativ zum Stnderdrehfeld still. In ihr wird damit keine Spannung durch das Stnderdrehfeld induziert. Diese Betriebsweise entspricht damit der einer leer laufenden Asynchronmaschine. Entsprechend gilt fr die Stnderspannung U1 = R1 I1 + jX1 I1 + jX1h I1 . (1)

R1 und X1 entsprechen dem ohmschen Widerstand und der Streureaktanz der Stnderwicklung. X1h ist die Hauptreaktanz. Bei groen Maschinen hat R1 nur einen geringen Einfluss auf das Betriebsverhalten. Der Widerstand wird fr die folgenden Betrachtungen vernachlssigt. Die Streureaktanz wird vielfach mit der Hauptreaktanz zur synchronen Reaktanz Xd zusammengefasst. Xd = X1 + X1h . (2)

Zur Erluterung der verschiedenen Betriebszustnde gehen wir von einer festen Stnderspannung U1 aus. Weiterhin soll eine streuungslose Maschine angenommen werden (X1=0), d.h. das Hauptfeld bzw. Drehfeld ist durch die Spannung U1 fest vorgegeben. Zu seinem Aufbau muss in der Maschine der Magnetisierungsstrom I nach Bild 5 flieen.

Bild 5 Leerlauf a) Drehfelderregung durch die Stnderwicklung (If=0) b) Drehfelderzeugung durch die Feldwicklung (I1=0)Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 5



Die bisherigen berlegungen haben gezeigt, dass der dem Drehfeld entsprechende Magnetisierungsstrom auf zweierlei Weise erzeugt werden kann. Bei stromloser Luferwicklung muss er vom Stnder nach Bild 5a aufgebracht werden. Dabei entnimmt die Maschine dem Netz Blindstrom. Zum anderen kann der Magnetisierungsstrom auch vom Lufer bereitgestellt werden, wobei nach Bild 5b die am Netz liegende Stnderwicklung stromlos ist. Der im umlaufenden Polrad flieende Gleichstrom If erscheint bezogen auf die ruhende Stnderwicklung als Wechselstrom mit der Frequenz f1. Da es sich hier wie beim Transformator und der Asynchronmaschine, um ein magnetisch gekoppeltes Zweiwicklungssystem mit unterschiedlichen Windungszahlen handelt, muss der Luferstrom auf die Stnderwindungszahl bezogen werden. Ist dieser bezogene Feldstrom If gleich dem Magnetisierungsstrom, sind auch die Polradspannung Up und die Netzspannung U1 gleich. Wird der Feldstrom If verringert, so muss der fr die Magnetisierung fehlende Teilstrom wie im Bild 6a gezeigt vom Stnder aufgebracht werden. Dieser Fall wird als untererregter Betrieb bezeichnet. Im allgemeinen Fall sind sowohl der Stnder wie auch der Lufer am Aufbau des Magnetfeldes beteiligt. I = I1 + If (3)

Ist |If|>|I|, so liegt nach Gl. 3 im Stnder ein Strom vor, der der angelegten Spannung U1 um 90 voreilt. Bei diesem nach Bild 6b bererregten Betriebszustands verhlt sich die Synchronmaschine wie ein Kondensator. Sie liefert dabei einen induktiven Blindstrom ins Netz.

Bild 6 Leerlauf a) untererregter Betrieb b) bererregter Betrieb Damit ergibt sich die vollstndige Spannungsgleichung mit der Polradspannung Up.U1 = R1 I1 + jXd I1 + Up . (4)

Aus dieser Gleichung ergibt sich das Ersatzschaltbild nach Bild 7, das im Unterschied zur Asynchronmaschine nur die Stnderwicklung umfasst. Die Luferwicklung braucht nicht bercksichtigt zu werden, da die durch das Luferdrehfeld stnderseitig hervorgerufene Spannung in der Ersatzschaltung als Quellenspannung Up enthalten


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ist. Das Stnderdrehfeld bleibt wegen der fehlenden Relativbewegung in der Luferwicklung ohne Wirkung.

Bild 7 Ersatzschaltbild

3.3 Belastung, StromortskurveSoll die Synchronmaschine als Motor laufen, muss sie zur Deckung der abgegebenen mechanischen Leistung Wirkleistung aus dem Netz aufnehmen. Der Stnderstrom muss also eine Komponente in Richtung der Stnderspannung nach Bild 8a haben. Das kann gegenber dem Leerlauffall nur durch eine Vergrerung des Feldstromes If bzw. der Polradspannung Up erreicht werden. Bei dem Zeigerdiagramm ist zu beachten, dass zwischen U1 und I sowie Up und If jeweils rechte Winkel vorhanden sind. Die Polradspannung kann damit nicht in Phase mit der Spannung U1 liegen. Fr die rumliche Zuordnung in der Maschine bleibt das Polrad in seiner Lage zum Stnderdrehfeld soweit zurck, dass die erforderliche Phasenverschiebung zwischen Up und U1 zustande kommt. Dieser Winkel heit Lastwinkel oder Polradwinkel. Er ist fr das Betriebsverhalten der Synchronmaschine von hnlicher Bedeutung wie der Schlupf s bei der Asynchronmaschine.

jXdI1 jXdI1 U1 U1 Up Up

jXdI1

Up

U1

I1 a)

I If I1 b)

I1

If I1 I

I If I1 c)

I1

Bild 8 Belastung a) Motorbetrieb (nur Wirkleistung) b) bererregter Motorbetrieb c) bererregter Generatorbetrieb


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Bei gleich bleibender Wirkleistung, aber Vergrerung der Erregung eilt der Stnderstrom gegenber der Stnderspannung um den Winkel vor. Der Motor ist bererregt und liefert induktive Blindleistung nach Bild 8b ins Netz. Im Generatorbetrieb wird der Synchronmaschine an der Welle mechanische Leistung zugefhrt und elektrische Wirkleistung ins Netz geliefert. Im Verbraucherzhlpfeilsystem muss der Stnderstrom eine zur Stnderspannung entgegen gesetzte Wirkkomponente nach Bild 8c aufweisen. Dies ist nur mglich, wenn die Polradspannung der Stnderspannung um den Winkel voreilt. Im Raum bedeutet dies ein Vorlaufen des Polrades gegenber dem Drehfeld. Bei dem Erregerstrom nach Bild 8c hat der Stnderstrom eine der Spannung voreilende Blindkomponente. Es wird zustzlich zur Wirkleistung induktive Blindleistung ins Netz abgegeben. Die Maschine arbeitet im bererregten Generatorbetrieb. Die verschiedenen Betriebszustnde der Synchronmaschine lassen sich durch die Stromortskurve nach Bild 9 darstellen. Diese zeigt den Verlauf des Stnderstromzeigers I1 bei verschiedenen Erregerstrmen If und Lastwinkeln . Mit dem Lastwinkel ergibt sich fr R1=0 die Spannungsgleichung fr die Stnderspannung U1. U1 = jXd I1 + Up e j mit Up = f(If ) Die Auflsung nach dem Stnderstrom liefert: I1 = j U U1 + j p e j Xd Xd (6) (5)

Die durch diese Gleichung beschriebene Ortskurve I1() ist ein Kreis mit dem Mittelpunkt jU1/Xd und dem Radius Up/Xd nach Bild 9. Der Radius ist von der eingestellten Erregung abhngig.

Re stabil U1 Motor I1 -j U1 Xd Generator j Up Xde j

instabil

Up/U1=1,5 1,0 0,5

-Im

bererregt

untererregt

Bild 9 Stromortskurve der Vollpolsynchronmaschine (R1=0)Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 8



Fr =0 liegt reine Blindleistung vor. Bei bererregung (Up/U1>1) gibt die Maschine induktive Blindleistung an das Netz ab; bei Untererregung (Up/U1

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