Synchron-Schenkelpolmaschine – Aufbauantriebstechnik.fh-stralsund.de/.../Synchronmotor/folienkap42.pdf · Synchron-Vollpolmaschine bei Last • Ständerfeld (“Ankerrückwirkung”)

FB 18 • Elektrotechnik undInformationstechnik

TECHNISCHEUNIVERSITÄTDARMSTADT

Institut für Elektrische EnergiewandlungProf. A. Binder

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.




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




Synchrongeneratoren – Dampf- und Gasturbinen

• Dampf- und Gasturbinen drehen schnell: n = 3000/min,

bei P > 1000 MW: n = 1500/min

Einsatz von zwei- und vierpoligen TurbogeneratorenBsp.: n = 3000/min = 50/s:

Polzahl 2p = 2(f/n) = 2(50/50) = 2Umfangsgeschwindigkeit des Läufers =Umlauf-Geschwindigkeit des Drehfelds:Bsp.: dsi = 1.1 m, vsyn = 1.1(3000/60) = 173 m/s = 622 km/h

Sehr hohe Fliehkräfte: Läufer muß aus massivem, hoch-festem Stahl sein, Nuten für die Erregerwicklung werdengefräst.

synsisyn ndv




Vollpol-Synchronmaschinen• Läufer: Genuteter zylindrischer Blechkörper, in dessen Nuten

die “verteilte” Gleichstrom-Erregerwicklung liegt. Bei hohenLeistungen (hohe Fliehkräfte): Läufer aus massivemSchmiedestahl mit eingefrästen Nuten (“Turboläufer”).




Synchronmaschine: Funktion• Läuferfluß pro Pol: analog zur Gleichstrommaschine:

Das Feld B,p wird vom Läuferstrom If erregt.

• Rotierendes Polrad (Drehzahl n): Induzierte Spannung je Ständerwicklungs-strang (Polradspannung) , Frequenz f = n . p

• Bei Änderung des Feldstroms If in der Polradwicklung ändert sich dieinduzierte Spannung Up.

• Die Ständerwicklung ist an das Drehspannungssystem Us des Netzes ange-schlossen. Die Differenz Us – Up treibt in der Ständerwicklung Drehstrom Is.

• Der Ständerstrom erzeugt ein Drehfeld B,s das gleich schnell wie das

Läuferfeld B,p rotiert. Beide überlagern sich zum resultierenden Drehfeld B

.

• Das Drehfeld induziert die Ständerwicklung (Selbstinduktion, Haupt-induktivität Lh), aber nicht die Läuferwicklung (Synchronlauf, KEINE Relativ-bewegung von B

,s zum Läufer).

• Selbstinduktion im Ständer durch Streuflüsse z. B. in den Nuten (Streu-induktivität Ls ) kommt hinzu.

ppp BlΦ ,

pwsspi ΦkNfUU 2: 0




Ersatzschaltbild der Synchronmaschine

• Ständerspannungsgleichung je Strang

• “Quellenspannung”:Polradspannung Up (“steuerbar”über Gleichstrom If)

• “Innenwiderstand”: Summe aus- Wicklungswiderstand Rs,- Streureaktanz Xs = Ls

- Hauptreaktanz Xh = Lh

wobei Xd = Xs + Xh die “Synchronreaktanz” heißt.

pUsILjLjRU hsss )(:




Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (1)

• Zeigerdiagramm gilt je Strang derStänderwicklung !

• a) Ständer-Selbstinduktions-spannung

Spannung im rechten Winkel zu Is

• b) Polradspannung(Gegeninduktion vom rotierendenLäufer)

• Hauptfeldspannung(a) + b))

sh ILj:

2/: pwssp ΦkNjU

2/: hwssh ΦkNjU




Synchronmaschine: Zeigerdiagramm (2)

• Synchronmaschine ist über Up(If)steuerbare Spannungsquelle undkann daher als kapazitiver undinduktiver Verbraucher wirken.

• Im Bild: Up hoch (If hoch, “übererregt”):Synchronmaschine kapazitiv.

• Im Bild: Pe = 3Us Is cos < 0:Synchronmaschine gibt elektrischeLeistung ab: GENERATORBETRIEB“Polradwinkel” von Us zu Up ist

positiv.




Bedeutung des Polradwinkels • Zeigerdiagramm:

Im Generatorbetrieb eilt Polradspannung Up der Strangspannung Us um denPolradwinkel VOR.

• Generatorbetrieb:Diese VOReilende Phasenlage entsteht dadurch, daß das Polrad mit demPolradfluß RÄUMLICH etwas VOR dem Drehfeld des resultierendenHauptflusses läuft und daher die Ständerwicklung etwas früher induziert alsdas Hauptfeld.Bildlich gesprochen:Das Polrad – angetrieben von der Turbine - “zieht” das Drehfeld hinter sichher. Das elektromagnetische Drehmoment Me bremst das Polrad.

• Motorbetrieb:Polradspannung Up eilt der Strangsp. Us um den Polradwinkel NACH.Bildlich gesprochen:Das Drehfeld – gespeist aus dem Netz - “zieht” das Polrad hinter sich her.Das elektromagnetische Drehmoment Me treibt das Polrad und die darangekuppelte Arbeitsmaschine an.




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).




Leistung und Drehmoment

• Bei Annahme Rs = 0 ist die elektrischeund mechanische Leistung gleich groß:

• Zeigerdiagramm:geometrische Beziehung:

•

,cos3 sse IUP esynemm MΩMΩP

me PP

cos)2

sin(sin sdsdp IXIXU

md

ps

d

pse P

XUU

XU

UP

sin3sin

3

sin3

dsyn

pse XΩ

UUM




• Elektromagnetisches Drehmoment:

• Maschine erzeugt maximales DrehmomentMp0 bei Polrad-Kippwinkel 90°: “synchrones Kippmoment”

sin3

dsyn

pse X

UUM

• Durch Erhöhung des Erreger-stroms If kann über Erhöhung vonUp das Kippmoment erhöhtwerden (“Stoßerregung”).

• Nur für -90°< <90° ist STABILERsynchroner Betrieb möglich. Beigrößerer Belastung “kippt” dasPolrad aus dem Synchronlauf undrotiert asynchron.

Elektromagnetisches Drehmoment

,sin0 pe MM

dsyn

psp X

UUM

3

0




Betriebszustände der Synchronmaschine

• Verbraucher-Zählpfeilsystem:

Up entspricht Polrad,

Uh entspricht resultierendemDrehfeld




Betriebszustände SynchronmaschineINDUKTIV KAPAZITIV KAPAZITIV INDUKTIV

Erregerstrom If klein Erregerstrom If groß Erregerstrom If groß Erregerstrom If klein

Polradspannung Upklein

Polradspannung Upgroß

Polradspannung Upgroß

Polradspannung Upklein

Untererregung Übererregung Übererregung Untererregung

Is eilt Us nach Is eilt Us vor Is eilt Us vor Is eilt Us nach

Phasenwinkel > 0 Phasenwinkel < 0 Phasenwinkel < 0 Phasenwinkel > 0

GENERATOR GENERATOR MOTOR MOTOR

Polradwinkel > 0 Polradwinkel > 0 Polradwinkel < 0 Polradwinkel < 0

Up eilt Us vor Up eilt Us vor Up eilt Us nach Up eilt Us nach

Phasenwinkel2/

Phasenwinkel 2/

Phasenwinkel2/

Phasenwinkel2/




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”) ver-

größert sich der Polradwinkel auf ´ > und damit die Länge der Fluß-röhren im Luftspalt (“Dehnung” der Flußröhren).

• Die Masse des Polrades schwingt mit dem “elastischen” Feld um die neuePolradlage ‘.

• Das “Schwingen” ist eine oszillierende Relativbewegung des Polrads zumStänderfeld. Daher wird im Kurzschlußkäfig (Dämpferkäfig) des Läufers vomStänderdrehfeld Spannungen induziert, die Dämpferströme treiben.

• Diese Dämpferstöme bilden – wie bei der Asynchronmaschine – mit demStänderdrehfeld ein zusätzliches Drehmoment, daß das “Schwingen” desPolrads abbremst. Nach wenigen Sekunden ist die Schwingungabgeklungen (“abgedämpft”: Name DÄMPFER !).




Einsatzgebiete elektrischer Maschinen –Gleichstrommaschinen mit Stromrichterspeisung

• Gleichstrommaschinen mit Stromrichterspeisung

Drehzahlveränderbare Antriebe mit geregelter Drehzahl

– in der Industrie z. B. in Walzwerken, Prüfständen, Kranen, fürDrahtziehen, 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.




Einsatzgebiete elektrischer Maschinen –Asynchron - und Synchronmaschinen

• Asynchronmaschinen mit Netzspeisung:Als Festdrehzahlantrieb, zumeist als robuster “Normmotor”, für Pumpen,Gebläse, Kompressoren, einfachere Bearbeitungsmaschinen in sehrgroßer Stückzahl im Einsatz, aber auch Windgeneratoren,...

Asynchronmaschinen mit Umrichterspeisung:Drehzahlvariabel und geregelt, übernimmt er viele Aufgaben derGleichstrommaschine in der Industrie, Traktion,..., da er robust ist.

• Synchronmaschinen:Als Generatoren zur Stromerzeugung bis 1800 MVA im Einsatz(Großmaschinen). Mit Umrichterspeisung als drehzahlgeregelte Motorenfür Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen,... (kleine Leistung)und Großantriebe für die Traktion (TGV), bis 100 MW (z. B. Antrieb fürWindkanal).

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