Synchronmotor - Antriebstechnik Fh Stralsund De

Praktikum Elektrische Maschinen
Versuch 2: Synchronmaschine
Kremser 2000
Theoretische Grundlagen
Synchronmaschinen (SyM) werden im Ständer mit einer dreisträngigen Drehstromwicklung ausgeführt. Aus der Frequenzgleichung der Drehfeldmaschinen,
f2 = s f1 = (1- n p/f1) f1 = f1 - p n,
folgt, daß für synchronen Lauf der Läufer mit Gleichstrom erregt werden muß (f2 = 0). Die
Maschinendrehzahl ist dann - unabhängig vom Betriebszustand - gleich der synchronen
Drehzahl.
(2.1)
n = n1 = f1 /p für f2 = 0
Synchronmaschinen großer Leistung dienen vor allem als Generatoren. Je nach Einsatzbereich werden
- schnellaufende Generatoren (Turbogeneratoren, Polzahlen 2p = 2 oder 4, Grenzleistungen bis etwa 1200 MVA (2polig), 1700 MVA (4polig); Einsatz in Wärmekraftwerken)
und
- langsamlaufende Generatoren (Wasserkraftgeneratoren, Polzahlen 2p = 40...100,
Grenzleistungen bis etwa 800 MVA ; Einsatz in Wasserkraftwerken)
unterschieden.
Größere Notstromanlagen, wie zum Beispiel Notstromversorgungen für Krankenhäuser
oder Baustellen) werden ebenfalls häufig mit Synchrongeneratoren ausgeführt (Inselbetrieb).
Als motorische Antriebe werden Synchronmaschinen häufig über Umrichter gespeist. Der
Leistungsbereich von Synchronmotoren reicht von unter 1 kW (Servoantriebe) bis weit in
den Megawatt- Bereich (Antrieb für Zementmühlen, Hochofengebläse).
Je nach Erregung des Läuferfeldes werden mehrere Läuferbauformen unterschieden:
- Vollpolläufer
Die Erregerwicklung wird in Nuten eingelegt, die in den Läuferballen gestanzt oder
gefräst sind (bei größeren Turbogeneratoren in der Regel massiver Läuferballen zur
Beherrschung der Fliehkräfte);
- Schenkelpolläufer
Die Erregerwicklung wird als konzentrierte Wicklung auf die Polschuhkerne aufgebracht. Die Einzelpole werden auf den Läuferkörper aufgeschraubt (vor allem bei
langsamlaufenden Generatoren)
- permanenterregte Läufer
Die Erregung erfolgt durch auf den Läufer aufgeklebte und bandagierte
Dauer-
magnete (vor allem bei Synchronmaschinen kleiner Leistung, wie zum Beispiel Servo-
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Kremser 2000
antrieben). Die Amplitude des Läuferfeldes kann - anders als bei Maschinen mit
Erregerwicklung - nicht verändert werden.
Unabhängig von der Art des Läufers bewirkt die Gleichstromspeisung der Erregerwicklung ein am Läufer „klebendes“ Magnetfeld (vergl. Versuch 4). Bei Drehung des Läufers
induziert das Läufergrundfeld in den Ständerwicklungssträngen eine sinusförmige Spannung1 (siehe Gleichung 4.4), die proportional zur Drehzahl und zur Grundfeldamplitude Bp
des Erregerfeldes ist.
(2.2)
2π
2π
2
Ui =  f1 w1 ξ1 Φ =  p n w1 ξ1  τ l Bp = UP
√2
√2
π
Bei der Synchronmaschine wird die induzierte Spannung Ui auch als Polradspannung UP
bezeichnet. Im folgenden soll die Theorie der Vollpolsynchronmaschine kurz dargestellt
werden. Die Wirkungen der Oberfelder werden dabei nicht betrachtet.
Leerlauf
Variiert man bei synchroner Drehzahl den Erregergleichstrom und trägt die an der offenen
Ständerwicklung meßbare Spannung über dem Erregergleichstrom auf, so erhält man die
Leerlaufkennlinie der Synchronmaschine (Bild 2.1, bezogene Darstellung).
Bild 2.1
Leerlaufkennlinie der Synchronmaschine
Wegen der Sättigung des magnetischen
Kreises ist der Zusammenhang zwischen
induzierter Spannung und Erregerstrom
nichtlinear. Der zur Spannung √3Ui = UN
gehörige Erregerstrom IE0 wird als Leerlauferregerstrom bezeichnet.
Synchronisation
Bevor die Maschine stromlos ans Netz gelegt werden kann, muß sichergestellt werden,
daß Maschinenspannung und Netzspannung übereinstimmen hinsichtlich
Frequenz,
Betrag,
Phasenlage,
Phasenfolge.
1
Da das Läuferfeld nicht rein sinusförmig ist, werden durch die räumlichen Oberfelder mit den
Polpaarzahlen ν = p(1+2g) in den Ständerwicklungssträngen Oberschwingungen mit fν = f1 (1+2g)
induziert (Anforderungen an die Kurvenform der Leiterspannungen von Synchrongeneratoren mit
300 kW (oder kVA) und darüber siehe EN 60034-1, 1995).
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Die Übereinstimmung aller Größen kann auf einfache Weise mit der Dunkelschaltung
(Bild 2.2) erfolgen.
Bild 2.2 Dunkelschaltung
Bei richtiger Phasenfolge leuchten die Glühlampen mit
der Differenz zwischen Netz- und Drehzahlfrequenz auf.
Bei Übereinstimmung der Spannungsbeträge schwankt
die Lampenspannung zwischen 0 und 2 UN. Ist die Differenzfrequenz klein und verlöschen die Lampen vollständig (∆f ≈ 0, ∆U ≈ 0), so kann in diesem Moment zugeschaltet werden.
Ersatzschaltbild
Die Strangspannung U1 setzt sich zusammen aus den Spannungsabfällen an Ständerwicklungswiderstand R1, Ständerstreureaktanz Xσ, Hauptreaktanz Xh sowie der Polradspannung nach Gl. (2.2). Bild 2.3 zeigt das einsträngige Ersatzschaltbild der SyM.
I 1 R1
X1 σ
Die Spannungsgleichung lautet
Xh
(2.3)
U1
Ur
UP
U1 = (R1 + jX1σ + jXh ) I1 + UP.
Die Spannung Ur wird als Spannung des resultierenden Luftspaltfeldes bezeichnet.
Bei größeren Maschinen darf der ohmsche
Bild 2.3 Einsträngiges Ersatzschaltbild
der Synchronmaschine
Ständerwicklungswiderstand
schreibung
des
bei
der
Betriebsverhaltens
nachlässigt werden.
Dauerkurzschluß (3polig)
Die angetriebene Maschine wird an den Klemmen
kurzgeschlossen (3polig), und der Kurzschlußstrom
in Abhängigkeit vom Erregerstrom gemessen. Bild
2.4 zeigt die Kurzschlußkennlinie Ik = f(IE) in
bezogener Darstellung.
Im
Gegensatz
zur
Leerlaufkennlinie
ist
die
Kurzschlußkennlinie eine Gerade, da die Sättigung
des Eisens im Kurzschluß klein ist. Im Kurzschluß ist
die
vom
resultierenden
Luftspaltfeld
induzierte
Spannung Ur = X1σ Ik sehr klein, da sich Erregerfeld
und Ständerfeld nahezu auslöschen. Bei Vernach-
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Bild 2.4 Kurzschlußkennlinie
Bever-
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lässigung des Ständerwicklungswiderstands ergibt sich aus dem Ersatzschaltbild für den
Kurzschlußstrom
(2.4)
Ik = UP / Xd,
wobei zur Abkürzung die Synchronreaktanz
Xd = X1σ + Xh
eingeführt wurde. Der zum Leerlauferregerstrom IE0 (siehe Bild 2.1) zugehörige Kurzschlußstrom Ik0 wird als Kurzschlußstrom bei Leerlauferregung bezeichnet.
(2.5)
Ik0 = U1N / Xd,
Bezieht man diesen auf den Nennstrom, so erhält man eine wichtige Kenngröße der SyM,
das Leerlauf- Kurzschluß- Verhältnis kk, das ein Maß für die Überlastbarkeit darstellt
(2.6)
kk = Ik0 / IN.
Zeigerdiagramm
Aus dem Ersatzschaltbild kann für einen beliebigen Lastzustand der SyM das Zeigerdiagramm konstruiert werden, wie es in Bild 2.5 für Generatorbetrieb mit cosϕ = −0,8 (kapazitiv) dargestellt ist. Der Winkel zwischen Klemmenspannung U1 und Polradspannung UP
wird als Polradwinkel ϑL bezeichnet.
Betriebspunkte mit kapazitiver Blindkomponente des Ständerstroms werden als übererregt bezeichnet. Um den Erregergleichstrom IE und den netzfrequenten Ständerstrom I1 in
ein Diagramm einzeichnen zu können, wird anstelle des tatsächlich fließenden Gleichstroms ein fiktiver, netzfrequenter
Erregerstrom I’E verwendet, der - in der Ständerwicklung
fließend - ein Feld mit identischer Amplitude wie der tatsächliche Erregergleichstrom erregen würde. Somit gilt für diesen
bezogenen Erregerstrom
Bild 2.5
(2.7)
UP = j Xh I'E
Zeigerdiagramm der SyM Die resultierende Wirkung von Ständer- und bezogenem
Erregerstrom wird durch den Magnetisierungsstrom Iµ erfaßt.
(cosϕ = -0,8 kapazitiv)
Iµ = I1 + I’E = Ur / j Xh
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Stromortskurve bei konstantem Erregerstrom
Bei konstantem Erregerstrom ist nach Gl. (2.7) die Polradspannung ebenfalls konstant.
Bei vernachlässigbarem Ständerwiderstand kann mit Gl. (2.3) der Ständerstrom in der
Form
(2.8)
I1 =
U1
UP
 − 
j Xd
j Xd
dargestellt werden. Legt man den Zeiger U1 in die reelle senkrechte Achse, so bedeutet
der erste Term in Gl. (2.8) einen rein induktiven Blindstrom, der bei Nennspannung dem
Leerlauf - Kurzschlußstrom Ik0 nach Gl. (2.5) entspricht. Der zweite Term stellt wegen IE =
konstant einen Zeiger mit konstanter Länge dar. Somit ergeben sich als Stromortskurven
bei konstanter Erregung Kreise mit dem Radius UP/Xd um den Mittelpunkt U1/jXd (Bild
2.6).
U1
-90°
Motor
Bild 2.6
Stromortskurven
Stabilitätsgrenze
Vollpolsynchronmaschine
(Strommaßstab
IE = IE0
ϕ
0°
U1
jXd
der
gegen-
über Bild 2.5 verdoppelt)
IE > IE0
IE < IE0
ϑL
I1
Der Kreis für IE = IE0 geht
− Up
jXd
durch den Koordinatenursprung. In Bild 2.6 lassen
sich die unterschiedlichen
Generator
+90°
Betriebszustände
der
SyM erkennen:
obere Halbebene:
motorischer Bereich, elektrische Leistung aufgenommen, mechanische Leistung abgegeben,
untere Halbebene: generatorischer Bereich, elektrische Leistung abgegeben, mechanische Leistung aufgenommen,
linke Halbebene:
übererregter Betrieb, induktive Blindleistung abgegeben,
rechte Halbebene: untererregter Betrieb, induktive Blindleistung aufgenommen.
Betriebspunkte mit Polradwinkeln ϑL > 90o können nicht eingestellt werden, da sie
instabil sind (vergl. Gl. 2.15).
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Bestimmung der Potierreaktanz
Nachfolgend wird das in DIN VDE 0530 Teil 4 dokumentierte Verfahren zur Bestimmung
der Potierreaktanz, die näherungsweise gleich der Streureaktanz X1σ ist, beschrieben.
Zunächst wird der Betriebspunkt U = UN, I = IN, cosϕ = 0 (kapazitiv, übererregter Phasenschieberbetrieb) eingestellt und der erforderliche Erregerstrom IEA gemessen. Bild 2.7
zeigt das zugehörige Zeigerdiagramm.
Bild 2.7
Zeigerdiagramm für übererregten
Phasenschieberbetrieb
Bild 2.8
Zeigerdiagramm für Kurzschluß
Da alle Ströme reine Blindströme sind, gilt der algebraische Zusammenhang
(2.9)
Iµ = I'EA - IN.
Der Unterschied zwischen der Klemmenspannung U1N und der Spannung des resultierenden Luftspaltfeldes Ur beträgt
(2.10)
Ur - UN = X1σ IN.
Bild 2.8 zeigt das Zeigerdiagramm für Kurzschluß mit Ik = IN.
Im Kurzschluß mit Nennstrom beträgt die Spannung des resultierenden Luftspaltfeldes
Ur = X1σ IN;
sie entspricht der Differenz nach Gl. (2.10). Für die Ströme entnimmt man Bild 2.8 den
algebraischen Zusammenhang
(2.11)
Iµ = I'EK - IN
In Bild 2.9, das die Leerlaufkennlinie und die Kurzschlußkennlinie zeigt, wird der
Betriebspunkt U = UN, I = IN, cosϕ = 0 eingetragen (iE = iEA = IEA/IE0; Punkt A).
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Nach Gl. (2.9) ergibt sich der
zugehörige
Magnetisierungs-
strom, wenn von Punkt A die
Strecke iEk = IE(Ik = IN)/IE0 nach
links angetragen wird (Punkt F).
Da der Spannungsabfall X1σ IN /U1N
im
übererregten
berbetrieb
der
PhasenschieSpannung
des
resultierenden Luftspaltfeldes bei
Kurzschluß
und
Nennstrom
entspricht, müssen die Dreiecke
Bild 2.9
0H’A’ und FHA gleich sein.
Zur Bestimmung der Potierreaktanz:
Somit kann in Punkt F eine
Leerlaufkennlinie, Kurzschlußkennlinie
Gerade mit der Anfangssteigung
der Luftspaltgerade eingezeichnet
werden, die die Leerlaufkennlinie im Punkt H schneidet. Das Lot von Punkt H auf die
Abszisse ergibt bei U1/U1N = 1 den Punkt G. Die Strecke HG entspricht dem Spannungsabfall X1σ IN, bezogen auf die Nennspannung U1N.
(2.12)
HG = X1σ IN / U1N
Hieraus kann die Streureaktanz berechnet werden.
Drehmomentgleichung für den Betrieb am starren Netz
Aus der Stromortskurve kann der Zusammenhang
(2.13)
I1 cosϕ = −UP / Xd sinϑL
entnommen werden. Die dem Netz entnommene Leistung kann mit Gl. (2.13) in der Form
(2.14)
P = 3 U1 I1 cosϕ = −3 U1 UP/Xd sinϑL
dargestellt werden. Mit dem Zusammenhang zwischen Luftspaltleistung und Drehmoment,
(5.5)
Pδ
M = 
2πn1
(siehe Versuch 5), der für alle Drehfeldmaschinen gilt, kann wegen Pδ = P (R1 = 0) aus Gl.
(2.14) das Drehmoment berechnet werden.
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(2.15)
m1
M = − 
2πn1
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UP
U1 
Xd
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sinϑL
Das Drehmoment ist eine Funktion des Lastwinkels; nur bei einem Lastwinkel ϑL> 0
ergibt sich ein von Null verschiedenes Drehmoment. Bei Generatorbetrieb ist ϑL > 0
(M < 0); bei Motorbetrieb ist ϑL < 0 (M > 0). Das maximale Drehmoment Mkipp ergibt sich
für ϑL = ±90o.
Versuchsdurchführung
1. Daten des Typenschilds notieren
2. Leerlaufkennlinie
Treiben Sie die Maschine mit synchroner Drehzahl an und messen Sie die Klemmenspannung als Funktion des Erregerstroms. Bestimmen Sie den Leerlauferregerstrom
IE0.
3. Kurzschlußkennlinie (symmetrischer (= 3poliger) Kurzschluß)
Die SyM wird durch die Pendelmaschine mit synchroner Drehzahl angetrieben (n ≈ n1).
Messen Sie bei 3poligem Kurzschluß den Kurzschlußstrom Ik als Funktion des Erregerstroms IE. Bestimmen Sie den Kurzschlußstrom bei Leerlauferregung Ik0 = Ik(IE0).
4. Synchronisation
Kontrollieren Sie mit der Dunkelschaltung die Erfüllung der Synchronisationsbedingung
und schalten Sie die Maschine unter Anleitung durch den Versuchsbetreuer auf das
Netz.
5. Stromortskurve
Messen Sie bei konstanter Klemmenspannung U1 = UN und verschiedenen
Erregerströmen den Ständerstrom sowie den Leistungsfaktor als Funktion der
Belastung (motorischer und generatorischer Betrieb).
6. Bestimmen Sie den Erregerstrom für den übererregten Phasenschieberbetrieb (U = UN,
I = IN, cosϕ = 0.
7. Bestimmen Sie den Nennerregerstrom IEN durch direkte Messung (Generatorbetrieb,
U = UN, I1 = IN, S ≈ SN, cosϕ ≈ cosϕN; zu messen: U, I1, P, M, IE).
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Versuchsauswertung
2. Zeichnen Sie die Leerlaufkennlinie √3Ui / UN = f(IE/IE0).
3. Zeichnen Sie die Kurzschlußkennlinie Ik/IN = f(IE/IE0) (n = n1) in die Leerlaufkennlinie
nach 2. ein. Ermitteln Sie das Leerlauf - Kurzschluß - Verhältnis kk (Gl. 2.6).
4. Notieren Sie die Bedingungen für ein stromloses Zuschalten der Maschine ans Netz.
5. Zeichnen und diskutieren Sie die Stromortskurven für beide Erregerströme (Form,
Mittelpunkt, Kennzeichnung der Betriebszustände).
6. Bestimmen Sie die Potierreaktanz.
7. Vergleichen Sie den gemessenen Erregerstrom bei Nennbetrieb mit der Typenschildangabe.
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