5. Synchronmaschine

1 Elektrische Energietechnik (S8803)Seite Synchronmaschine ist wie die Asynchronmaschine eine Drehfeldmaschine, wobei einwesentlicher Unterschied vorliegt: Sie kann nur bei einer synchronen Drehzahl betriebenwerden, die durch Netzfrequenz f1 und Polpaarzahl p zu gegeben ist. Diesen1'nd'f1pBedingung macht die Synchronmaschine f r den Betrieb als Motor (ohne Umrichter zurFrequenzverstellung) weniger geeignet. Es gibt jedoch auch Synchronmaschinen-An-triebe mit Frequenzumrichter [Meyer], die aber hier nicht behandelt werden sollen. F rden Anlauf sind im allgemeinen Zusatzeinrichtungen Synchronmaschine ohne Frequenzumrichter ist heute als Drehstromgenerator bedeut-sam. Alle Drehstromgeneratoren in Dampf- und Wasserkraftwerken und Fahrzeugen sindin der Regel mit Synchronmaschinen ausger stet. Sie sind heute mit Nennleistungen biszu 1300 MW in und Wirkungsweise AufbauDer St nder der Synchronmaschine tr gt eine Drehstromwicklung (genau wie dieAsynchronmaschine).

2 Der L ufer ist mit einer ber Schleifringe angeschlossenen Gleich-stromwicklung ausger stet, die ein relativ zum L ufer konstantes Magnetfeld Schleifringe k nnen auch durch Verwendung einer Drehstromerregermaschine mitrotierendem Gleichrichter auf dem L ufer ersetzt :Schnitt durch eine Vollpolmaschine (St nderwicklungen nicht dargestellt)Seite Energietechnik (S8803)Synchronmaschine_____Be/Wo der L ufer mit Synchrondrehzahl rotiert, entsteht relativ zum St nder ein Drehfeld mitnd = unterscheiden zwei Ausf hrungsformen des L ufers: Vollpol-L ufer und Schenkel-pol-L zylinderf rmige Vollpol-L ufer ist aus massiven Eisen, da wegen der synchronenDrehzahl die Frequenz im L ufer Null ist (keine Eisenverluste).Er hat eingefr ste Nuten zur Aufnahme der Wicklungen. Durch die Wicklungsverteilungwird eine r umlich ann hernd sinusf rmige Induktionsverteilung ber den ufer werden bei Maschinen mit hohen Drehzahlen 3000 U/min haben kleine Durchmesser, die durch die mechanische Beanspruchung (Fliehkraft)begrenzt sind.

3 (vu K 200 m/s)Bild :Schnitt durch eine SchenkelpolmaschineDer Schenkelpol-L ufer dagegen hat ausgepr gte Pole. Sie werden bei Maschinen mitniedrigen synchronen Drehzahlen, bei hohen Polpaarzahlen, eingesetzt ( Wasser-kraftgeneratoren). Die mechanischen Belastungen lassen dann gro e Polraddurchmesserzu (bis zu einigen zehn Metern).Der blicherweise vorhandene D mpferk fig auf dem Polrad der Voll- und Schenkelpol-maschine wird hier weggelassen, weil er in den betrachteten station ren Betriebszu-st nden (s = 0) keinen Strom f hrt und daher unwirksam Energietechnik (S8803)Seite (x,t)' B]sin ( x& t)( ) p' mB(x,t)]mldx( )up'N1]d p(t)dt'd p(t)dt( )Wirkungsweise:Bild :Durchflutung ber der Abwicklung des L uferumfanges bei t = 0In beiden F llen k nnen wir die orts- und zeitabh ngige Luftspaltinduktion beschreibendurch:In den Drehstromwicklungen des St nders mit der Windungszahl N1 und der Spulen-fl che A = ] l entsteht ein Flu p von( und sind an jeder Stelle gleich gerichtet)mBmAIn der St nderwicklung wird eine Spannung up (sog.)

4 Polradspannung) induziert:(vgl. Seite )Seite Energietechnik (S8803)Synchronmaschine_____Be/Wo der Synchronmaschine im Generatorbetrieb:Das Polrad mit der vom Gleichstrom If (Erreger bzw. Feldstrom) durchflossenen Wick-lung erzeugt eine r umlich sinusf rmig verteilte Luftspaltinduktion, die fest mit derr umlichen Stellung des L ufers (Polrad) verkn pft ist. Durch Drehung des L ufersentsteht ein Drehfeld, so da in der St nderwicklung die Spannungen eines symmetri-schen Dreiphasensystems, die Polradspannung, induziert Leerlauf bei Generatorbetrieb flie t kein Strom in der St nderwicklung. Es entstehtnur der Flu p, der durch If hervorgerufen wird (vgl. Bild und ). Die induzierteStrangspannung ist daher p bzw. If proportional. Der Zusammenhang ist dargestelltdurch die sog. "Leerlaufkennlinie" der Synchronmaschine (Up= Polradspan-Up'f(If)nung).

5 Sie ist bei konstanter Generatordrehzahl linear von If abh ngig, bis sich bei If > If0die Eisens ttigung bemerkbar :LeerlaufkennlinieBelastete Synchronmaschine als Generator:Belasteter Synchrongenerator bedeutet:1. mechanischer Antrieb des L ufers2. Gleichstrom in der L uferwicklung und dadurch induzierte Spannungen in derSt nderwicklung (Polradspannung)3. Anschlu einer elektrischen Last, Abgabe von elektrischer LeistungElektrische Energietechnik (S8803)Seite der Drehstromwicklung des St nders flie en Str me eines Drehstromsystems. Sieerzeugen ebenfalls ein Drehfeld (sog. Ankerr ckwirkung).Im Luftspalt der belasteten Synchronmaschine haben wir die berlagerung zweierDrehfelder:1. das L uferdrehfeld p(durch den Gleichstrom If erzeugt)2. das durch den Belastungsstrom I1 erzeugte St nderfeld aDas resultierende Drehfeld induziert in der St nderwicklung (Anker) eine Polradspannung ist die vom Polrad (L uferdrehfeld p) in der St nderwicklunginduzierte Spannung.

6 Sie kann nur bei Leerlauf (Generator: I1 = 0) an den Klemmengemessen werden. Bei Last ist sie eine reine Rechengr e. Bei Belastung (I1 =/ 0) tritt zuder Polradspannung die Ankerr ckwirkung: Die Spannung, die durch den Flu desSt nderfeldes a in der St nderwicklung induziert wird. Je nach Phasenlage von St nder-strom bzw. zugeh rigem Flu kann die Gesamtspannung kleiner oder gr er als diePolradspannung Up auf den Unterschied gegen ber der Asynchronmaschine und dem Transformator:Dort erzeugt ein Belastungstrom in der L ufer- bzw. Sekund rwicklung wegen derHauptflu konstanz einen entsprechenden Gegenstrom in der St nder- bzw. Prim rwick-lung. Dadurch bleiben die resultierenden Durchflutungen und der Hauptflu auch bei ver- nderlichem Belastungswiderstand praktisch Synchronmaschinen gibt es keine R ckwirkung des St nderfeldes auf das Polrad, dawegen der synchronen Drehzahl des Polrades in der Polradwicklung im station renZustand keine Spannung induziert Energietechnik (S8803)Synchronmaschine_____Be/Wo 'N1]d p(t)dt'L1h]diedt( )Up'N1]j p'L1h]j Ie( ) Ersatzschaltbild und ZeigerdiagrammDie nachfolgende Darstellung beschr nkt sich auf die Vollpolmaschine, hat aber n -herungsweise auch f r die Schenkelpolmaschine G ltigkeit.

7 Bei einer exakten Betrach-tung der Schenkelpolmaschine mu ber cksichtigt werden, da der L ufer nicht rota-tionssymmetrisch ist und daher die Feldgr en und die Ersatzschaltbilder f r dieL uferl ngs- und -querachse unterschieden werden m Schwierigkeit bei der Entwicklung von Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm ist dieTatsache, da in der L uferwicklung ein Gleichstrom flie t, der im Zeigerbild nichtdarstellbar f r das Ersatzschaltbild ist allein, da der L ufer ein Drehfeld erzeugt. DiesesDrehfeld kann man sich auch durch eine zus tzliche Drehstromwicklung im St nderentstanden denken, welche die gleichen Wicklungsdaten hat, wie die tats chliche St n-derwicklung und von einem symmetrischen Drehstrom durchflossen definieren einen fiktiven St nderstrom Ie in der zus tzlichen, fiktiven Drehstrom-wicklung, der das gleiche Drehfeld - beschrieben durch den Flu p - erzeugt, wie derin der tats chlichen L uferwicklung flie ende Gleichstrom bei der Asynchronmaschine entwickeln wir dann ein einphasiges r die leerlaufende Synchronmaschine gilt.

8 Der Strom Ie erzeugt den Flu p und dieser die Polradspannung Energietechnik (S8803)Seite 'N1]d a(t)dt'L1h]di1dt( )Ua'N1]j a'L1h]j I1( )Ud'Up%Ua( )Ud'N1]j h'L1h]j I ( )Bei belasteter Synchronmaschine tritt zus tzlich ein St nderstrom I1 auf, der ein St nder-drehfeld erzeugt, beschrieben durch den Ankerflu a. a induziert in der St nderwick-lung die Spannung ua (Ankerr ckwirkung):Beide Fl sse p und a sind mit der gleichen Hauptinduktivit t L1h verkn pft, da,entsprechend der Annahme, die fiktive und tats chliche St nderwicklung die gleichenWicklungsdaten zeigt die vereinfachten Ersatzschaltbilder der Synchronmaschine f r St nder-streuung X1 = 0 und St nderwiderstand R1 = 0 mit Stromquelle Ie und der nach dem VZS in die Ersatzschaltbilder eingetragenen Spannung U1 und demStrom I1 w re die Leistung der Quelle positiv, sie nimmt Leistung vom Netz auf, dieMaschine arbeitet als Motor.

9 Die Zeigerdiagramme Bild zeigen aber einen Betriebs-zustand, in dem Spannung U1 und Strom I1 entgegengerichtet sind ( >90 ). Die Leistungder Quelle ist also negativ, sie gibt Leistung an das Netz ab, die Maschine arbeitet alsGenerator. Ud ist die durch das resultierende Drehfeld entstehende Spannung. Sie ist auch darstellbar durchMit ; h' p% aI 'Ie%I1 h ist der tats chliche im Luftspalt vorhandene Hauptflu . ( berlagerung der beidenDrehfelder).I ist eine fiktive Gr e, so wie auch Ie eine fiktive Ersatzgr e ist, die tats chlichnirgends Energietechnik (S8803)Synchronmaschine_____Be/Wo :Ersatzschaltbilder (im VZS) und Zeigerdiagramme der Synchronmaschineim Generatorbetrieb; a) mit Spannungsquelle Up, b) mit Stromquelle IeIm Ersatzschaltbild ist weiter zu ber cksichtigen, da der St nderstrom I1 ein Streufelderzeugt, darstellbar durch L1 bzw.

10 X1 = ]L1 , und einen Spannungsabfall am ohmschenWiderstand der Wicklung, dargestellt durch R1. (Bild )Am Beispiel der Synchronmaschine wird noch einmal kurz auf die Z hlpfeilsystemeeingegangen. Bei der Synchronmaschine ist in der Literatur fast ausschlie lich dasErzeugerz hlpfeilsystem (EZS) gebr uchlich. Da bisher nur das VZS behandelt wurde er-folgt hier eine Gegen berstellung der beiden Systeme f r das Ersatzschaltbild der Syn-chronmaschine im Generatorbetrieb. Der Unterschied von Verbraucherz hlpfeilsystem(VZS) und Erzeugerz hlpfeilsystem liegt nur in der Z hlrichtung von I1. Im VZS ist dieaufgenommene Leistung positiv, im EZS ist die abgegebene Leistung Energietechnik (S8803)Seite '%jIe]X1h(VZS) ( )Up'&jIe]X1h(EZS) ( )Pab'&3]ReSUStr]I(1 Str[(VZS) ( )Pab'%3]ReSUStr]I(1 Str[(EZS) ( )Bild :Vereinfachte Ersatzschaltbilder der Synchronmaschine im Generatorbetrieb;a) im VZS, b) im EZSF r den Zusammenhang ist das Z hlpfeilsystem zu ber cksichtigen, daherUp'f(Ie)F r abgegebene Leistung gilt:Bild :Zeigerdiagramme der Synchronmaschine im Generatorbetrieb;a) im VZS, b) im EZSS eite Energietechnik (S8803)Synchronmaschine_____Be/Wo 'X1 %X1h( )U1'Up%jI1XS( )Up'jUp,Ie'IeUp'jUp'jX1hIeWinkelbetracht ung im Zeigerbild: ist der Phasenwinkel zwischen St nderstrom I1 und Klemmenspannung U1 (von I1nach U1 gez hlt).