Synchron-Schenkelpolmaschine – Aufbau • Drehstrom Is in Ständerwicklung erzeugt Drehfeld (hier 12 Pole). • 12 Erregerspulen im Läufer (“Polrad”) über Schleifringe mit Gleichstrom (“Feldstrom If”) erregt. Es entsteht ein 12-poliges Läuferfeld. • Das Ständer-Drehfeld zieht den magnetisierten Läufer SYNCHRON mit. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchrongeneratoren – Wasserturbinen • Wasserturbinen drehen langsam: Flußkraftwerk: niedriger Wasserdruck, hoher Volumenstrom: KAPLAN- u. FRANCIS-Turbinen: n ca. 80/min bis ca. 400/min Speicherkraftwerke: hoher Wasserdruck, kleiner Volumenstrom: PELTON-Turbinen: n ca. 500/min bis 1000/min Einsatz hochpoliger Schenkelpol-Synchron-Generatoren: f = 50 Hz = n.p Bsp.: n = 300/min = 5/s: Polzahl 2p = 2(f/n) = 2(50/5) = 20 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchrongeneratoren – Dampf- und Gasturbinen • Dampf- und Gasturbinen drehen schnell: n = 3000/min, bei P > 1000 MW: n = 1500/min Einsatz von zwei- und vierpoligen Turbogeneratoren Bsp.: n = 3000/min = 50/s: Polzahl 2p = 2(f/n) = 2(50/50) = 2 Umfangsgeschwindigkeit des Läufers = Umlauf-Geschwindigkeit des Drehfelds: v syn = d sip × nsyn Bsp.: dsi = 1.1 m, vsyn = 1.1p(3000/60) = 173 m/s = 622 km/h Sehr hohe Fliehkräfte: Läufer muß aus massivem, hochfestem Stahl sein, Nuten für die Erregerwicklung werden gefräst. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Vollpol-Synchronmaschinen • Läufer: Genuteter zylindrischer Blechkörper, in dessen Nuten die “verteilte” Gleichstrom-Erregerwicklung liegt. Bei hohen Leistungen (hohe Fliehkräfte): Läufer aus massivem Schmiedestahl mit eingefrästen Nuten (“Turboläufer”). TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchronmaschine: Funktion • Läuferfluß pro Pol: analog zur Gleichstrommaschine: Φ p = a ×t p × l × Bd , p Das Feld Bd,p wird vom Läuferstrom If erregt. • Rotierendes Polrad (Drehzahl n): Induzierte Spannung je Ständerwicklungsstrang (Polradspannung): U i 0 = U p = 2pf × N s k wsΦ p , Frequenz f = n . p • Bei Änderung des Feldstroms If in der Polradwicklung ändert sich die induzierte Spannung Up. • Die Ständerwicklung ist an das Drehspannungssystem Us des Netzes angeschlossen. Die Differenz Us – Up treibt in der Ständerwicklung Drehstrom Is. • Der Ständerstrom erzeugt ein Drehfeld Bd,s das gleich schnell wie das Läuferfeld Bd,p rotiert. Beide überlagern sich zum resultierenden Drehfeld Bd. • Das Drehfeld induziert die Ständerwicklung (Selbstinduktion, Hauptinduktivität Lh), aber nicht die Läuferwicklung (Synchronlauf, KEINE Relativbewegung von Bd,s zum Läufer). • Selbstinduktion im Ständer durch Streuflüsse z. B. in den Nuten (Streuinduktivität Lss ) kommt hinzu. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Ersatzschaltbild der Synchronmaschine • Ständerspannungsgleichung je Strang : U s = ( Rs + jwLss + jwL h ) I s + U p • “Quellenspannung”: Polradspannung Up (“steuerbar” über Gleichstrom If) • “Innenwiderstand”: Summe aus - Wicklungswiderstand Rs, - Streureaktanz Xss = wLss - Hauptreaktanz Xh = wLh wobei Xd = Xss + Xh die “Synchronreaktanz” heißt. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (1) • Zeigerdiagramm gilt je Strang der Ständerwicklung ! • a) Ständer-Selbstinduktionsspannung: jwLh I s Spannung im rechten Winkel zu Is • b) Polradspannung (Gegeninduktion vom rotierenden Läufer) : U p = jw × N s k ws Φ p / 2 • Hauptfeldspannung (a) + b)) : U h = jw × N s k ws Φ h / 2 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (2) • Synchronmaschine ist über Up(If) steuerbare Spannungsquelle und kann daher als kapazitiver und induktiver Verbraucher wirken. • Im Bild: Up hoch (If hoch, “übererregt”): Synchronmaschine kapazitiv. • Im Bild: Pe = 3Us Is cosj < 0: Synchronmaschine gibt elektrische Leistung ab: GENERATORBETRIEB “Polradwinkel” J von Us zu Up ist positiv. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Bedeutung des Polradwinkels J • Zeigerdiagramm: Im Generatorbetrieb eilt Polradspannung Up der Strangspannung Us um den Polradwinkel J VOR. • Generatorbetrieb: Diese VOReilende Phasenlage J entsteht dadurch, daß das Polrad mit dem Polradfluß RÄUMLICH etwas VOR dem Drehfeld des resultierenden Hauptflusses läuft und daher die Ständerwicklung etwas früher induziert als das Hauptfeld. Bildlich gesprochen: Das Polrad – angetrieben von der Turbine - “zieht” das Drehfeld hinter sich her. Das elektromagnetische Drehmoment Me bremst das Polrad. • Motorbetrieb: Polradspannung Up eilt der Strangsp. Us um den Polradwinkel J NACH. Bildlich gesprochen: Das Drehfeld – gespeist aus dem Netz - “zieht” das Polrad hinter sich her. Das elektromagnetische Drehmoment Me treibt das Polrad und die daran gekuppelte Arbeitsmaschine an. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Synchron-Vollpolmaschine bei Last • Ständerfeld (“Ankerrückwirkung”) überlagert sich dem Läuferfeld zum resultierenden Magnetfeld • Feldbild: Zweipolige Maschine, Generator: Polrad eilt Ständerfeld vor (nach links), übererregt (Strom eilt Spannung vor = kapazitiver Verbraucher). TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Leistung und Drehmoment • Bei Annahme Rs = 0 ist die elektrische und mechanische Leistung gleich groß: Pe = 3U s I s cos j , Pm = Ωm M e = Ωsyn M e Pe = Pm • Zeigerdiagramm: geometrische Beziehung: p U p sin J = X d I s sin(j - ) = - X d I s cos j 2 Pe = 3U s × • Me = TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT - U p sin J Xd 3U sU p Ωsyn X d =- 3U sU p Xd sin J = Pm sin J Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Elektromagnetisches Drehmoment 3U sU p • Elektromagnetisches Drehmoment: M e = - • Maschine erzeugt maximales Drehmoment Mp0 bei Polrad-Kippwinkel ±90°: “synchrones Kippmoment” M e = - M p 0 sin J , M p 0 = 3U sU p W syn X d • Durch Erhöhung des Erregerstroms If kann über Erhöhung von Up das Kippmoment erhöht werden (“Stoßerregung”). • Nur für -90°<J <90° ist STABILER synchroner Betrieb möglich. Bei größerer Belastung “kippt” das Polrad aus dem Synchronlauf und rotiert asynchron. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT W syn X d sin J Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Betriebszustände der Synchronmaschine • Verbraucher-Zählpfeilsystem: Up entspricht Polrad, Uh entspricht resultierendem Drehfeld TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Betriebszustände Synchronmaschine INDUKTIV KAPAZITIV KAPAZITIV INDUKTIV Erregerstrom If klein Erregerstrom If groß Erregerstrom If groß Erregerstrom If klein Polradspannung Up klein Polradspannung Up groß Polradspannung Up groß Polradspannung Up klein Untererregung Übererregung Übererregung Untererregung Is eilt Us nach Is eilt Us vor Is eilt Us vor Is eilt Us nach Phasenwinkel j > 0 Phasenwinkel j < 0 Phasenwinkel j < 0 Phasenwinkel j > 0 GENERATOR GENERATOR MOTOR MOTOR Polradwinkel J > 0 Polradwinkel J > 0 Polradwinkel J < 0 Polradwinkel J < 0 Up eilt Us vor Up eilt Us vor Up eilt Us nach Up eilt Us nach Phasenwinkel Phasenwinkel Phasenwinkel Phasenwinkel j >p /2 j >p /2 j £p /2 j £p /2 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Dämpferwicklung • Dämpferkäfig ist Kurzschlußkäfig, der ebenfalls im Polrad angeordnet ist. • Kraft zwischen bestromter Ständerwicklung und Polradfeld des Läufers wirkt über die magnetischen Flußröhren zwischen Ständer und Läufer. • Flußröhren wirken wie “elastische Gummischnüre” (“MAXWELL´scher Zug”). • Bei einer sprungartigen Drehmomenterhöhung (“Momenten-Stoß”) vergrößert sich der Polradwinkel J auf J´ > J und damit die Länge der Flußröhren im Luftspalt (“Dehnung” der Flußröhren). • Die Masse des Polrades schwingt mit dem “elastischen” Feld um die neue Polradlage J‘. • Das “Schwingen” ist eine oszillierende Relativbewegung des Polrads zum Ständerfeld. Daher wird im Kurzschlußkäfig (Dämpferkäfig) des Läufers vom Ständerdrehfeld Spannungen induziert, die Dämpferströme treiben. • Diese Dämpferstöme bilden – wie bei der Asynchronmaschine – mit dem Ständerdrehfeld ein zusätzliches Drehmoment, daß das “Schwingen” des Polrads abbremst. Nach wenigen Sekunden ist die Schwingung abgeklungen (“abgedämpft”: Name DÄMPFER !). TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Einsatzgebiete elektrischer Maschinen – Gleichstrommaschinen mit Stromrichterspeisung • Gleichstrommaschinen mit Stromrichterspeisung Drehzahlveränderbare Antriebe mit geregelter Drehzahl – in der Industrie z. B. in Walzwerken, Prüfständen, Kranen, für Drahtziehen, Stanzen, Kunststoffspritzguß, Folienrecken,... – in der Traktion als U-Bahn-, Straßenbahn- und Vollbahnmotoren, in E-Autos, – in Schiffen als U-Boot-Antriebe, – als Kleinmotor in Automobilen (Fensterheber, Sitzversteller,..), als Tachogeneratoren,... – als Universalmotor in vielen Haushaltsgeräten. TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik Einsatzgebiete elektrischer Maschinen – Asynchron - und Synchronmaschinen • Asynchronmaschinen mit Netzspeisung: Als Festdrehzahlantrieb, zumeist als robuster “Normmotor”, für Pumpen, Gebläse, Kompressoren, einfachere Bearbeitungsmaschinen in sehr großer Stückzahl im Einsatz, aber auch Windgeneratoren,... Asynchronmaschinen mit Umrichterspeisung: Drehzahlvariabel und geregelt, übernimmt er viele Aufgaben der Gleichstrommaschine in der Industrie, Traktion,..., da er robust ist. • Synchronmaschinen: Als Generatoren zur Stromerzeugung bis 1800 MVA im Einsatz (Großmaschinen). Mit Umrichterspeisung als drehzahlgeregelte Motoren für Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen,... (kleine Leistung) und Großantriebe für die Traktion (TGV), bis 100 MW (z. B. Antrieb für Windkanal). TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. A. Binder FB 18 • Elektrotechnik und Informationstechnik
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