Versuch 008 Synchronmaschine - Institut für Leistungselektronik

Universität
Stuttgart
Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Abt. Elektrische Energiewandlung
Prof. Dr.-Ing. N. Parspour
Grundlagenpraktikum
Versuch 008
„Anlassen und Betrieb einer
Drehstrom-Synchronmaschine (DSM)“
Versuchsdurchführung: Pfaffenwaldring 47, 0/162 (EG)
GP - Versuch 008 „Drehstromsynchronmaschine“ - Stand April 2008
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1 Die Drehstrom-Synchronmaschine (DSM)
1.1 Bedeutung
Im Einsatz als Drehstromgenerator besitzt die Synchronmaschine für die
Erzeugung elektrischer Energie und damit für unsere gesamte Energieversorgung
eine herausragende Bedeutung. Dies liegt zum Einen an der festen Beziehung in
der die elektrische Ständerfrequenz und die mechanische Läuferdrehzahl
zueinander steht. Zum Anderen ist die Synchronmaschine in der Lage, sowohl
Wirkleistung als auch Blindleistung an das Netz zu liefern.
Als Motor kam der Synchronmaschine bisher vergleichsweise geringe Bedeutung
zu. Ein Anwendungsfall sind beispielsweise Gleichlaufantriebe, bei denen die
absolut starre Drehzahlführung erwünscht bzw. erforderlich ist. Dank der modernen Stromrichtertechnik gewinnen vor allem permanenterregte bürstenlose
Synchronmaschinen zunehmend an Bedeutung.
1.2 Aufbau von Ständer und Läufer sowie prinzipielle
Wirkungsweise
Der Ständer der DSM besteht aus einem Blechpaket, in dessen Nuten die isolierte
Drehstromwicklung untergebracht ist. Das Blechpaket ist im Ständergehäuse
befestigt. Der Aufbau des Stators entspricht dem der Drehstromasynchronmaschine.
Wird nun die Drehstromwicklung mit einem Drehstromsystem, also drei sinusförmigen, um je 120° elektrisch phasenverschobenen Wechselströmen gleicher
Amplitude und Frequenz gespeist, so bildet sich ein rotierendes magnetisches Feld
aus, welches als Drehfeld bezeichnet wird.
Die Anzahl der Polpaare p dieses Magnetfeldes, seine Umlaufgeschwindigkeit ns
am Bohrungsumfang und die Speisefrequenz f 1 des Drehstromnetzes stehen in
einer festen Beziehung:
ns =
f1
p
(1)
Die Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes wurde hier als Drehzahl interpretiert. Man
nennt ns daher Synchron-Drehzahl. Sie ist, wie wir im nächsten Schritt sehen
werden, charakterisierend für die Synchronmaschine.
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Beim Läufer kommen prinzipiell zwei Bauformen zum Einsatz: Bei schnellaufenden
Maschinen besteht der Läufer aus einem zylindrischen Körper. Er weist ebenfalls
Nuten auf, die die Erregerwicklung (auch Polradwicklung oder Feldwicklung
genannt) aufnehmen. Diese Läuferart bezeichnet man als Vollpolläufer (siehe
Bild 1 a)
Im
Gegensatz
dazu
besitzen
langsamlaufende
Maschinen
Schenkelpolläufer (siehe Bild 1 b) mit ausgeprägten Polen. Hier ist die Erregerwicklung außerhalb des Läuferkörpers angebracht. In beiden Fällen werden diesen
Erregerwicklungen über Schleifringe von einer Stromquelle Gleichstrom zugeführt.
Bild 1
Schematischer Querschnitt durch einen zylindrischen Läuferkörper einer
Synchronmaschine für p = 1. a) Vollpolläufer und b) Schenkelpolläufer
Treibt man den Läufer mit der synchronen Drehzahl ns an, so erscheint einem
ruhenden Beobachter das durch Gleichstrom erregte Magnetfeld des Läufers
ebenfalls wie ein Drehfeld, das mit der selben Synchrongeschwindigkeit umläuft.
Besitzt das Läuferfeld die gleiche Anzahl magnetischer Pole wie das Ständerfeld,
kommt es beim allgemeinen Betrieb der DSM durch die anziehende Wirkung
ungleichnamiger magnetischer Pole praktisch zu einem "Einrasten" der beiden
Magnetfelder und so zu einer starren Kopplung der mechanischen Drehzahl des
Läufers mit der Umlaufgeschwindigkeit des Ständerdrehfeldes.
Formal spiegelt sich diese Tatsache in der allgemeinen Frequenzgleichung für
den stationären Betrieb von Drehfeldmaschinen wider. Sie besagt, dass die
Summe aus elektrischer Läuferfrequenz f 2 und mechanischer Läuferdrehzahl
nmech immer gleich der synchronen Drehzahl sein muss.
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n S = f 2 + n mech ⋅ p
(2)
Im speziellen Fall der Synchronmaschine ist aufgrund der Gleichstromspeisung
der Erregerwicklung die elektrische Frequenz f2 = 0, was sofort ns = nmech zur
Folge hat.
Versucht man den rotierenden Läufer bei Betrieb der DSM abzubremsen, so wird
unter dem Einfluss des bremsenden Moments der Läufer und damit der
magnetische Pol des Polrads um den Lastwinkel ϑ hinter dem des Ständerdrehfeldes zurückbleiben. Die bereits erwähnte Kraft zwischen ungleichnamigen
magnetischen Polen sorgt jedoch für Kräftegleichgewicht, sodass der Läufer im
eingeschwungenen Zustand seine synchrone Geschwindigkeit beibehalten kann.
Als zweite wesentliche Eigenschaft der DSM kann man also festhalten: Bei
Belastung ändert sich lediglich die Winkellage des Rotors relativ zum
Ständerdrehfeld, nicht aber die Drehzahl.
Der Lastwinkel ϑ kann als Raumwinkel mit Hilfe eines Stroboskopes sichtbar
gemacht und beobachtet werden. Aufgrund der geometrischen Ähnlichkeit
zwischen Raum- und Zeitzeiger-Diagramm kann er auch im Zeitzeigerdiagramm
zwischen den Zeigern der Polradspannung und der Klemmenspannung gefunden
werden.
Fragen:
1.
Warum ist der Ständer geblecht ausgeführt?
___________________________________________________________
___________________________________________________________
2.
Ist diese Maßnahme beim Läufer ebenfalls vorzunehmen?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
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1.3 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie – Beschreibung durch ein
Ersatzschaltbild
Überlagerung der Wirkung von Ständer- und Läuferfeld
Wird nur die Erregerwicklung des Läufers bestromt und angetrieben, so werden in
den drei Strängen der Ständerwicklung – bedingt durch die Rotation des Polrads –
drei um 120° elektrisch phasenverschobene Spannungen induziert, deren Frequenz
mit der Rotordrehzahl entsprechend Gleichung (1) zusammenhängt. Die Amplitude
der induzierten Spannung ist von der Höhe des Erregerstromes If abhängig. Die
Funktion U10 = f(If) wird als Leerlaufkennlinie bezeichnet und zeigt deutlich die durch
Eisensättigung bedingte Nichtlinearität.
U10
U1N
Bild 2
If0
If
Prinzipieller Verlauf der
Leerlaufkennlinie
Fließt lediglich in den Ständerwicklungen ein Drehstromsystem, so ist die Wirkung
ebenfalls ein umlaufendes Magnetfeld, wobei der Läufer allein durch seine Materialeigenschaften (Eisen) Einfluss nimmt. Es muss hierbei berücksichtigt werden, dass
sich im Bereich der Statornuten sowie um die Wickelköpfe bei stromführender
Ständerwicklung magnetische Streufelder ausbilden, so dass nicht das gesamte
von U1 herrührende Drehfeld mit dem Läufer verkettet ist. Außerdem ist der
ohmsche Spannungsabfall an der Ständerwicklung zu berücksichtigen. Formal
lassen sich nun die Wirkungen von Stator- und Rotorseite in einem einsträngigen
Ersatzschaltbild (siehe Bild 3) zusammenfassen.
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Xd
R1
X1σ
Xh
I1
U1
UP
Ui
~
If
Bild 3
Einsträngiges Ersatzschaltbild der DSM
R1
ohmscher Ständer-Strangwiderstand
X1σ
Streureaktanz eines Ständerstranges
Xh
Hauptfeldreaktanz eines Ständerstranges
Up
Polradspannung für einen Ständerstrang
Es fließt nun sowohl im Stator als auch im Rotor Strom. Wir betrachten dabei den
klemmenseitigen Kurzschluss. Bei Drehung des Polrades und Erregung mit If
werden in den Ständerwicklungen die induzierten Spannungen nun einen
Stromfluss zur Folge haben. Die Wirkung dieser Ströme ist bekanntlich ein
Magnetfeld, das nun entsprechend der Lenzschen Regel dem des Läufers
entgegenwirkt. Auf diese Weise wird das gesamte resultierende Hauptfeld in der
Maschine praktisch aufgehoben. Daher sind im Kurzschlussfall trotz Auftreten
hoher Ströme keine Sättigungserscheinungen spürbar. Die Funktion I1k = f(If) heißt
Kurzschlusskennlinie.
I1k
I1N
Bild 4
IfkN
If
Prinzipieller Verlauf der Kurzschlusskennlinie der DSM
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Aufgabe:
Beschreiben Sie bitte die Funktion der einzelnen Ersatzschaltbildelemente
aus Bild 3:
Lösung:
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
1.4 Die Stromortskurve der DSM
Ausgehend von Bild 3 fassen wir zunächst die Streureaktanz des Ständerfeldes X1σ
und
die
Hauptfeldreaktanz
Xh
zusammen
und
nennen
deren
Summe
Synchronreaktanz Xd.
X d = X1σ + X h
(3)
Bei Vernachlässigung des ohmschen Widerstandes R1 (für große Maschinen
zulässig) erhält man folgendes vereinfachtes Ersatzschaltbild (Bild 5):
Xd
I1
U1
UP
Bild 5
Vereinfachtes Ersatzschaltbild der DSM
Daraus kann die folgende Stromgleichung abgeleitet werden:
I1 =
Up
Up
U1
U
−
= −j ⋅ 1 + j ⋅
j ⋅ Xd j ⋅ Xd
Xd
Xd
(4)
Die beiden Terme auf der rechten Gleichungsseite sind als Ströme interpretierbar.
Legt man den Zeiger U1 in die positive reelle Achse, so ergibt sich bei konstantem
Erregerstrom als Ortskurve des Ständerstroms ein Kreis mit Radius Up / X d um die
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Spitze des Zeigers − j ⋅ U1 / X d (Mittelpunkt M der Kreise). Zwischen den Zeigern der
beiden in Gleichung (4) definierten Ströme ist der Lastwinkel ϑ zu finden.
Verschiedenen Erregerströmen entsprechen konzentrische Kreise (vgl. Bild 6) um
den gegebenen Mittelpunkt M. Der Kreisdurchmesser hängt vom Erregerstrom If ab.
Mit größer werdendem Erregerstrom nimmt auch der Betrag der Polradspannung Up
zu, sodass die konzentrischen Kreise ebenfalls durch das Verhältnis Up/UN
charakterisiert werden können. Für ϑ = ± 90° ist bei den Synchronmaschinen mit
Vollpolläufer die Stabilitätsgrenze erreicht, da hier bei einer bestimmten Erregung
höchstmögliche Wirkleistung und somit das Kippmoment auftritt. Bei noch höherer
Belastung fällt die Maschine außer Tritt.
ϑ<90°
stabil
ϑ>90°
instabil
U1
ϕ
I1
IK = −j
ϑ
U
j P
Xd
U1
Xd
Obere Halbebene:
Motorbetrieb
M
Untere Halbebene:
Generatorbetrieb
UP
= 0,5
UN
UP
= 1,0
UN
UP
= 1,5
UN
Bild 6
Stromortskurve der Drehstromsynchronmaschine
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Frage:
1.
Welche physikalische Bedeutung kommt den beiden eingeführten Teilströmen zu?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
2 Die fremderregte Gleichstrommaschine
2.1 Grundgleichungen und Ersatzschaltbild
Durch die Rotation des Ankers einer Gleichstrommaschine im magnetischen Feld
mit dem magnetischen Fluss φ, welcher durch die Erregerwicklungen (Pole) erzeugt
wird, wird in der Ankerwicklung eine Spannung Ui induziert. Diese Spannungsinduzierung ist unabhängig davon, ob die Maschine als Motor oder als Generator
betrieben wird. Allgemein gilt für die Beziehung zwischen induzierter Spannung Ui,
Magnetfluss φ und Drehzahl n bzw. Winkelgeschwindigkeit Ω:
Ui = c ⋅ Φ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ n = c ⋅ Φ ⋅Ω
(5)
Die in den einzelnen Ankerspulen induzierten (Wechsel-) Spannungen werden mit
Hilfe des Kommutators (mechanisch) gleichgerichtet. Fließt durch den Anker ein
Gleichstrom IA, so bilden Polfluss und Ankerstrom ein Drehmoment Mi (inneres
Moment). Für dieses Moment gilt:
Mi = c ⋅ Φ ⋅ IA
(6)
c ist dabei eine Maschinenkonstante, die von der Wicklung des Maschinenankers
abhängig ist. Bei der fremderregten Gleichstrommaschine wird der Erregerkreis an
einer gesonderten Spannungsquelle betrieben als der Ankerkreis.
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IA
IE
RA
UA
Ui
Bild 7
RE
φ
UE
LE
Fremderregte Gleichstrommaschine
Im Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommashine in Bild 7 sind folgende
Elemente enthalten:
RA
ohmscher Widerstand der Ankerwicklung
RE
ohmscher Widerstand der Erregerwicklung
IA
Strom durch die Ankerwicklung
IE
Strom durch die Erregerwicklung
Ui
in der Ankerwicklung induzierte Spannung
UA
Ankerspannung
UE
Erregerspannung
Der Bürstenspannungsabfall UB wird hier vernachlässigt.
Aus der Maschenregel im Ankerkreis erhält man folgende Beziehung:
IA =
UA − Ui
RA
(7)
2.2 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie und Beeinflussungsmöglichkeiten der fremderregten Gleichstrommaschine
Bei der fremderregten Gleichstrommaschine bestehen folgende Möglichkeiten, die
Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zu beeinflussen:
Spannungssteuerung
n = f (U)
(vgl. Bild 8 a)
Feldsteuerung
n = f (φ)
(vgl. Bild 8 b)
Widerstandssteuerung
n = f (R v )
(vgl. Bild 8 c)
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M
M
RV = 0
M
φ = φN
U = UN
φ
UA
RV
n0
0
n
n0
0
a)
n
b)
Bild 8
n0
0
n
c)
Beeinflussungsmöglichkeiten der M-n-Kennlinie bei der fremderregten
Gleichstrommaschine
Eine Veränderung der Ankerspannung UA bewirkt eine proportionale Verstellung
der Leerlaufdrehzahl n0. Die Spannungsverstellung bewirkt somit eine Parallelverschiebung
der
Kennlinie
(siehe
Bild 8 a).
Eine
Veränderung
des
Erregerflusses φ kommt wegen der auftretenden Sättigungserscheinungen nur in
Richtung eines abnehmenden Flusses in Frage (Feldschwächung). Die Kennlinie in
Bild 8 b wird dadurch flacher, die Leerlaufdrehzahl erhöht sich und das
Stillstandsmoment
wird
geringer.
Ein
zusätzlich
zum
Ankerwiderstand
RA
eingebrachter Vorwiderstand RV beeinflusst nur das Stillstandsmoment, die
Leerlaufdrehzahl wird nicht verändert. Das Stillstandsmoment sinkt mit wachsendem RV.
2.3 Anlassen einer Gleichstrommaschine
Beim Einschalten des stillstehenden Motors ist die Drehzahl n im ersten Moment
noch Null. Dadurch wird in der Maschine auch keine Spannung induziert (Ui = 0)
und der Ankerstrom IA wird nur durch den sehr kleinen Ankerwiderstand RA
begrenzt. Da dies zu unzulässig hohen Ankerströmen führen würde, wird der Maschine zum Anlassen ein (verstellbarer) Anlasswiderstand RV vorgeschaltet. Dieser
Widerstand begrenzt den Stillstandsstrom und damit auch das Stillstandsmoment
(vgl. Kapitel 2.2). Beginnt sich der Anker zu drehen, so wird IA gemäß Gleichung (7)
durch
das
anwachsende
Ui
verringert.
Der
Anlasswiderstand
kann
mit
zunehmender Drehzahl stufenweise verkleinert und schließlich kurzgeschlossen
werden.
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3 Anlassen von Synchronmaschinen und Synchronisation
Der Anlauf einer Synchronmaschine an einem starren Netz kann auf zwei
verschiedene Arten erfolgen.
3.1 Asynchroner Selbstanlauf
Die meisten Synchronmaschinen sind zusätzlich zur Erregerwicklung noch mit einem
sogenannten Dämpferkäfig versehen. Dieser Dämpferkäfig gleicht in seinem Aufbau
dem Käfigläufer einer Asynchronmaschine und dient in erster Linie dazu, bei einer
Belastungsänderung im Synchronlauf eine ungedämpfte Pendelbewegung des
Polrades zu verhindern. Da die Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine
identisch aufgebaut sind, besteht also die Möglichkeit, die Synchronmaschine bei
kurzgeschlossener Erregerwicklung asynchron anlaufen zu lassen. Nach Erreichen
der höchsten asynchronen Drehzahl wird die Gleichstromerregung zugeschaltet.
Die Drehzahldifferenz von Ständer- und Läuferfeld ist bei unbelasteter Maschine in
der Regel so gering, dass der Läufer mit Hilfe des synchronisierenden Moments die
synchrone Drehzahl annimmt.
3.2 Anfahren mittels eines Anwurfmotors
Große Synchronmaschinen und Synchronmaschinen mit geringer Dämpfung
müssen mit Hilfe eines Anwurfmotors bis zur synchronen Drehzahl beschleunigt
werden. Die Synchronmaschine kann an das Netz geschaltet werden, wenn
folgende Bedingungen erfüllt sind:
-
Frequenz
-
Spannung
-
Phasenlage
-
Phasenfolge
des speisenden Netzes und der Synchronmaschine müssen übereinstimmen!
Die Frequenz wird durch die Drehzahl der Synchronmaschine eingestellt und mit
zwei Frequenzmessern auf der Netzseite und auf der Maschinenseite gemessen.
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Die Spannung lässt sich durch die Erregung der Synchronmaschine variieren und
durch Spannungsmessungen kontrollieren.
Die
Phasenlage
wird
ebenfalls durch
die
Drehzahl eingestellt und mit
Nullspannungsmessern überprüft.
Die richtige Phasenfolge ist abhängig von der Drehrichtung des Anwurfmotors.
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L+
L-
L1 L2 L3
W
S3
V
V
A
A
S1
A
RA
G
E2
F2
F1
E1
M
A
A
Hz
V
Hz
RfG
RfM
V
W
Bild 9
A
S2
LL+
LL+
Elektrisches Übersichtsschaltbild des Versuchsaufbaus mit Synchronisationsschaltung
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Schalttafel
Synchrongenerator
Synchronisiereinrichtung
Bild 10 Versuchsaufbau und Schalttafel zum Versuch 008
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4 Versuchsdurchführung
1.
Lassen Sie die unbelastete Gleichstrommaschine an. Diskutieren Sie vorher,
wie Sie vorgehen müssen und was Sie dabei beachten müssen.
2.
Probieren Sie die Möglichkeiten zur Drehzahlverstellung der Gleichstrommaschine (siehe Kapitel 2.2) aus. Welche der in Kapitel 2.2 beschriebenen
Möglichkeiten können Sie hier untersuchen?
3.
Nehmen Sie die Leerlaufkennlinie der DSM auf.
a)
Schalten Sie die Maschine ohne Belastung (Leerlauf) ein.
b)
Nehmen Sie die in derTabelle 1 angegebenen Messwerte auf.
If,SM [A]
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,20
0,10
UL [V]
If,SM [A]
UL [V]
Tabelle 1
c)
Leerlaufkennlinie der DSM
Zeichnen Sie die Leerlaufkennlinie der DSM in das vorbereitete
Diagramm Bild 11 ein.
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n
[1/min]
U10
[V]
400
300
200
100
0,2
Bild 11
4.
0,4
0,6
0,8
If,SM
[A]
M
[Nm]
Leerlaufkennlinie der DSM
Nehmen Sie die Kurzschlusskennlinie der DSM auf.
a)
Nehmen
Sie
entsprechend
Tabelle 2
die
Messwerte
0,35
0,25
für
die
Kurzschlusskennlinie auf.
If,SM [A]
0,75
0,65
0,55
0,45
0
I1 [A]
Tabelle 2 Kurzschlusskennlinie der DSM
b)
Zeichnen Sie die Kurzschlusskennlinie der DASM in das nachfolgende
Diagramm (Bild 12) ein.
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I1K [A]
10
8
6
4
2
If,SM [A]
0,2
Bild 12
5.
0,4
0,6
0,8
1,0
Kurzschlusskennlinie der DSM
Synchronisieren Sie die DSM mit Hilfe der Synchronisierschaltung und
schalten Sie sie ans Netz. Welche Bedingungen müssen erfüllt sein, bevor
Sie die DSM ans Netz schalten dürfen?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
6.
Stellen Sie einen stationären Betriebszustand ein, sodass die DSM als
Generator arbeitet.
a) Wie müssen Sie die Erregung der Gleichstrommaschine ändern, damit
sich dieser Betriebszustand der DSM einstellt?
__________________________________________________________
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b) Nehmen Sie die in der Tabelle 3 aufgelisteten Messwerte auf und führen
Sie anhand der Messwerte eine Wirkungsgradbetrachtung für das
System Gleichstrommaschine – DSM durch.
UA [V]
IA [A]
Uf,GM
If,GM
Uf,SM
If,SM
UL,SM
IL,SM
P1
P2
[V]
[A]
[V]
[A]
[V]
[A]
[kW]
[kW]
Tabelle 3 Messwerte zur Wirkungsgradbetrachtung
c) Wie groß ist nun der Wirkungsgrad des Systems?
6.
Beobachten Sie nun mithilfe des Stroposkops den Polradwinkel und
den Übergang vom generatorischen zum motorischen Betriebszustand
der DSM.
5 Literatur
Kleinrath:
Grundlagen elektrischer Maschinen
Fischer:
Elektrische Maschinen
Bödefeld-Sequenz:
Elektrische Maschinen
Möller/Vaske:
Elektrische Maschinen und Umformer
(aus der Reihe "Möller, Leitfaden der Elektrotechnik"
Band II, Teil 1)
Richter:
Elektrische Maschinen (Band 1 bis 5)
Band 2 zur Synchronmaschine
Bitte bringen Sie zur Versuchsdurchführung Zeichenmaterial (Lineal, Zirkel),
Schreibmaterial (Stifte und Papier) und einen Taschenrechner mit!
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