Funktionsweise und Betrieb von Synchronmaschinen

Funktionsweise der Synchronmaschine

1) Der Rotor (Induktion) wird mit Gleichstrom (DC) gespeist und erzeugt ein Magnetfeld. Wir betrachten einen sinusförmig verteilten Luftspalt; im Falle eines Schenkelpols ist dieser zylinderförmig. Durch die Drehung des Rotors entsteht ein rotierendes sinusförmiges Feld. Die Drehzahl entspricht der elektrischen Frequenz geteilt durch die Polpaarzahl. Es gibt mehr Platz im Rotor für das Feld durch die elektrische Erregung.

2) Der Stator (Anker) hat eine Wicklungsverteilung ähnlich einer Induktionsmaschine. In den einzelnen Phasen wird durch die Rotation des Magnetfeldes eine Spannung induziert. Die Frequenz der Sinuswelle ist durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors gekennzeichnet. Da die Phasen voneinander abweichen, sind auch die Spannungen phasenverschoben, was wir als ein ausgeglichenes Dreiphasensystem im Stator bezeichnen.

3) Wenn eine ausgeglichene Last an den Stator angeschlossen wird, zirkuliert ein Strom, der wiederum ein Drehfeld mit der Frequenz des Stators erzeugt, welches mit der Geschwindigkeit des Rotorfeldes übereinstimmt.

4) Das gesamte Feld ist somit ein sinusförmiges Feld, das mit einer Geschwindigkeit rotiert, die durch die geometrische Rotation des Rotors vorgegeben ist. Die Frequenz der Statorströme hängt, wie bei der Induktionsmaschine, von der Rotationsgeschwindigkeit des Feldes und der Polpaarzahl (p) ab. Die Winkelgeschwindigkeit beträgt ω = 2π * f.

5) Die am häufigsten verwendeten Funktionen der Synchronmaschine sind der Betrieb als Generator (Stromerzeugung), obwohl sie auch als Motor fungieren kann. Wenn wir eine Spannung mit konstanter Frequenz aufbauen wollen oder der Generator an das Stromnetz angeschlossen ist, muss die Rotordrehzahl konstant bleiben.

6) Die im Stator induzierte Spannung V ist proportional zur Ableitung des Flusses nach der Zeit. Daher ist sie proportional zur Intensität des Feldes (erzeugt durch den Erregerstrom) und der Rotationsgeschwindigkeit. Das Feld steigt mit zunehmender Erregerspannung (Gleichspannung) an.

Ersatzschaltbild und Verluste

Der Stator wird durch eine Synchronimpedanz Zs = r + jXs (bestehend aus dem Wirkwiderstand und der Streureaktanz) dargestellt. Es gilt: E = 4,44 * kw * f * N * Φ. Der Rotor besteht aus einem Widerstand R, einer Induktivität L und der Spannung E.

Funktionsweise der Maschine

• 1) Die Leistungsaufnahme im Widerstand r stellt die Joule'schen Verluste pro Phase im Stator dar.
• 2) Die magnetischen Rotationsverluste sind im Ersatzschaltbild meist nicht enthalten.
• 3) Die Joule'schen Verluste im Rotor werden über den Läuferwiderstand pro Phase und den Strom berechnet. Der Rotor ist im Wesentlichen eine Quelle konstanter Spannung (Erreger), die eine reale Spule speist (ideale Induktivität in Serie mit einem Widerstand). Im Gleichstrombetrieb (CC) wird die Spule nicht berücksichtigt.
• 4) Die Synchronmaschine kann Wirkleistung aufnehmen oder abgeben. Bei einer gegebenen Wirkleistung kann sie wiederum Blindleistung liefern oder absorbieren.

Betrieb als unabhängige Maschine

5) Wenn der Generator als unabhängige Maschine arbeitet, wird E durch den Erregerstrom und die Rotationsfrequenz bestimmt. Die Spannung V an der Last hängt von E und der Last ab. Das mechanische Drehmoment hängt von der elektrischen Leistung der Last ab. Der Phasenwinkel zwischen V und I sowie zwischen E und I wird durch den Leistungsfaktor der Last bestimmt, sodass der Generator Blindleistung abgeben oder aufnehmen kann.

Netzbetrieb und Erregung

6) Wenn die Maschine am Netz hängt, ist V vorgegeben. Für die gleiche Wirkleistung (sowohl als Motor als auch als Generator) kann E variiert werden, um Blindleistung an das Netz abzugeben oder aufzunehmen. Wenn V und I in Phase sind, ist der Strom I für eine bestimmte Wirkleistung am kleinsten (optimaler Betrieb). Wenn sie nicht in Phase sind, ist E für die gleiche Wirkleistung niedriger (untererregt) oder höher (übererregt). Übererregung führt zur Erwärmung des Rotors und sollte vermieden werden, wenn sie exzessiv ist. Als Generator tritt dies bei stark induktiver Last auf.

Prüfverfahren (Versuche)

1) Gleichstrommessung am Stator

Es wird eine Gleichspannung an die Statorwicklungen angelegt, bis ein Strom fließt, der dem normalen Betrieb entspricht. Da der Widerstand R mit der Temperatur variiert, wird gewartet, bis der Stator eine betriebsähnliche Temperatur erreicht. So wird der Statorwiderstand ermittelt.

2) Leerlaufversuch

Der Rotor wird mit Synchrondrehzahl angetrieben. Für verschiedene Werte des Erregerfeldes wird die Spannung V am Stator gemessen. Man erhält E in Abhängigkeit von der Erregerintensität des Rotors.

3) Kurzschlussversuch

Der Rotor dreht mit Synchrondrehzahl und der Stator ist kurzgeschlossen. Die Erregerintensität wird so gemessen, dass der Statorstrom nicht zu hoch wird, um Überhitzung zu vermeiden. Dieser Test ermöglicht die Bestimmung von Xs. In der Sättigung verliert das Ersatzschaltbild an Genauigkeit, da die Größen nicht mehr rein sinusförmig sind.

Anlauf und Anwendungen

1) Zum Starten des Motors wird der Rotor zunächst über einen Widerstand kurzgeschlossen und auf Synchrondrehzahl gebracht (z. B. durch einen Hilfsmotor oder eine Käfigwicklung). Sobald die Geschwindigkeit nahe der Synchronität liegt, wird der Rotor an die Gleichstromquelle angeschlossen, um genau auf Synchrondrehzahl zu springen. Eine Käfigwicklung hilft zudem, bei plötzlichen Laständerungen die Maschine stabil zu halten.

2) Da das momentane Drehmoment proportional zu den Feldern und dem Winkel zwischen Stator- und Rotorfeld ist, ergibt sich bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten ein oszillierendes Drehmoment mit dem Mittelwert Null. Daher läuft ein Synchronmotor nicht von alleine an, wenn er direkt an das Netz angeschlossen wird.

3) Der Winkel zwischen V und E ändert sich mit der Last. Bei mehr Last verzögert sich E etwas, wodurch das Drehmoment steigt, während die Geschwindigkeit gleich bleibt. Wird der Rotor durch äußere Kraft angetrieben, eilt E voraus und die Maschine arbeitet als Generator.

4) Das maximale Drehmoment (Kippmoment) beträgt (3 * E * V / X) / ω_synchron. Wird dieser Wert überschritten, verliert die Maschine den Synchronismus.

5) Durch Variation der Erregung kann die Blindleistung gesteuert werden. Im Gegensatz zum Asynchronmotor kann die Synchronmaschine Blindleistung kompensieren (Phasenschieberbetrieb).

6) Diese Motoren sind ideal für konstante Geschwindigkeiten, wie zum Beispiel bei Radarantennen.

Parallelschaltung von Generatoren

1) Um Generatoren parallel zu schalten, müssen Frequenz, Spannungshöhe und Phasenfolge übereinstimmen.

2) Zur Überprüfung der Frequenz wird ein Synchronoskop verwendet.

3) Die Generatoren müssen exakt im Moment der Phasengleichheit gekoppelt werden.

4) Da Generatoren sehr leistungsstark sind, ist höchste Vorsicht geboten. Bei Fehlern können enorme Energien freigesetzt werden, was zu schweren Unfällen führt.

5) Nach der Kopplung muss eine gleichmäßige Lastverteilung (Wirk- und Blindleistung) erfolgen.

6) Im Stromnetz ist dies ein komplexer technischer und wirtschaftlicher Prozess.

7) Die Regelung erfordert ein ständiges Gleichgewicht zwischen Verbrauch und mechanischer Erzeugung. Das mechanische Drehmoment muss den Wirkleistungsbedarf decken, während der Erregerfluss die Blindleistung steuert.