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Schema des Rotors einer fremderregten SynchronmaschineEine Drehstrom-Synchronmaschine ist ein elektromechanischer Wandler, der als Elektromotor oder Generator mit Drehstrom betrieben wird oder Drehstrom erzeugt. Sie kann aber auch zur Blindleistungskompensation verwendet werden. Es gibt auch Einphasen-Synchronmotoren.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau
Die Maschine besitzt eine Statorwicklung (meist außen), die ein magnetisches Drehfeld erzeugt bzw. in welcher eine elektrische Spannung induziert wird.
Der Rotor (meist innen) (Polrad) trägt zur Felderzeugung entweder Permanentmagnete oder eine Erregerwicklung. Im zweiten Fall werden zwar Schleifkontakte notwendig, über die jedoch nur ein vergleichsweise kleiner Strom fließt. Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine erübrigt sich hier ein Kommutator, so dass das Bürstenfeuer, mit all seinen Konsequenzen für die Lebensdauer, entfällt.
Bei schnelllaufenden großen Turbogeneratoren – u. a. in Dampfkraftwerken – sind auch schleifringlose Erregungen über Außenpol-Synchrongeneratoren und mitrotierende Gleichrichter (sog. RG-Sätze) Stand der Technik. Synchronmotoren sind permanent- oder gleichstromerregte Drehfeldmaschinen, bei denen die Drehzahl gleich der Wechselspannungsfrequenz, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors, ist.
Eigenschaften
Über die Frequenz des zugeführten Drehstroms ist die Drehzahl des Synchronmotors exakt vorgegeben. Um einen Synchronmotor stufenlos in der Drehzahl regeln zu können, muss ein Frequenzumrichter verwendet werden. Ein Drehgeber (Strichgeber, Resolver) misst ständig die Motorstellung. Daraus ermittelt die Steuerungselektronik die tatsächliche Drehzahl. Bei Belastung läuft der Rotor dem Drehfeld im Winkel geringfügig hinterher. Bei plötzlichen Lastwechseln kann es zur sogenannten Pendelung kommen (Überschwingen über das Stationärziel hinaus). Durch das Überschwingen werden vor allem Ströme in den Dämpferwicklungen induziert, welche die Schwingungen bremsen.
Vor- und Nachteile
Vorteile:
- hoher Wirkungsgrad
- geringes Massenträgheitsmoment
- wartungsarm (wenn ohne Schleifringläufer)
- Drehzahl von Belastung unabhängig
- keine elektrische Leistung für Erregung notwendig (wenn permanentmagnetisch erregt)
- Relativ großer Luftspalt möglich
Nachteile:
- Magnetmaterial teuer (hohe Anschaffungskosten) (wenn permanentmagnetisch erregt)
- hoher Regelaufwand
- läuft nicht selbstständig hoch
Betrieb
Die Synchronmaschine hat im Unterschied zur Drehstrom-Asynchronmaschine keinen Schlupf. Bei der Synchronmaschine ist die Drehzahl des Läufers gleich der Drehzahl des elektromagnetischen Drehfeldes, das heißt, der Läufer rotiert synchron zum Drehfeld. Deshalb wird im Rotor keine Spannung induziert.
Im Falle des Generators ergibt sich die an den Klemmen abgegebene elektrische Wirkleistung abzüglich der Verluste aus der mechanischen Antriebsleistung ((Dampf-, Gas- oder Wasserturbine, Windrad). Im Motorbetrieb wird die an den Klemmen bereitgestellte elektrische Wirkleistung abzüglich der Verluste als mechanische Leistung an die Arbeitsmaschine abgegeben. Die Wirkleistung kann auch anhand des Polradwinkels beschrieben werden, der sich als Verdrehwinkel zwischen dem Läufer der belasteten Maschine und einer gleichartigen unbelasteten Maschine ergibt. Die Maschine wirkt mit einem voreilenden Läufer als Generator, mit einem nacheilenden Läufer als Motor. Wird der Winkel zu groß (größer als ca. 90° elektrisch), so schlüpft die Maschine durch, geht in den asynchronen Betriebszustand über, und das mittlere Moment der Maschine wird null. Im Motorbetrieb bleibt die Maschine stehen, im Generatorbetrieb geht sie durch; ihre Drehzahl erhöht sich stark, und sie kann durch die Fliehkraft der eigenen Bauteile zerstört werden. Sie muss in diesem Betriebszustand schnellstmöglich abgeschaltet und neu synchronisiert werden.
Synchronmaschinen laufen nicht von allein an, sondern müssen mechanisch hochgefahren und synchronisiert werden. Es ist aber auch viel eleganter möglich, diese mittels Frequenzumrichter vom Stillstand langsam auf Nenndrehzahl zu bringen und dann zu synchronisieren. Kleine Synchronmaschinen können als Asynchronmaschine hochlaufen, bis sie Tritt fassen. Dies setzt allerdings einen Dämpferkäfig (Anlaufkäfig) voraus, der wie bei einer Asynchronmaschine aufgebaut ist. Ein Dämpferkäfig wird bei manchen Synchronmaschinen auch zusätzlich eingebaut, um mechanische Pendelmomente (Torsionsschwingungen) zu mindern. Eine übererregte Synchronmaschine hat im Netz die Wirkung eines Kondensators, eine untererregte die Wirkung einer Drossel. Die Synchronmaschine wird deshalb auch als Phasenschieber zur Erzeugung von Blindleistung und somit zur Spannungshaltung in Energieverteilungsnetzen eingesetzt.
Anwendung
Hauptanwendungen der Synchronmaschinen sind die Wechsel- und Drehstrom-Generatoren in den Kraftwerken. Mehr als 99 % der konventionellen elektrischen Energieerzeugung geschieht mit Synchrongeneratoren. Auch die Lichtmaschinen in Autos sind überwiegend Synchrongeneratoren mit nachgeschaltetem Gleichrichter. Ein besonders einfacher Synchrongenerator mit Permanentmagnet-Erregung ist der Fahrraddynamo.
Generatorbetrieb
Synchron-Generator von 1920 mit 2000 kWEin Synchrongenerator ist ein elektrischer Generator, bei dem der durch Spulen (Fremderregung) oder Dauermagnete (Selbsterregung) magnetisierte, sich drehende Rotor in den Spulen des Stators eine Spannung induziert. Der von außen angetriebene Rotor hat im Prinzip radial auf der Welle angeordnete Magnete. Das magnetische Feld wird bei höheren Leistungen mit Elektromagneten erzeugt, bei kleinen Leistungen werden Permanentmagnete verwendet.
Der für die Erregung der Pole des Rotors erforderliche Gleichstrom wird diesem über Schleifringe und Kohlebürsten zugeführt und stammte früher meist aus einer an der Generatorwelle direkt angebauten Gleichstrom - Erregermaschine. Zur Erregung kann jedoch auch ein außenerregter Wechselstromgenerator dienen, der sich samt Gleichrichter auf der Welle des Haupt-Generators befindet.
Der Stator wird zur Verringerung der Wirbelstromverluste aus geschichteten, elektrisch voneinander isolierten Magneteisenblechen gebildet (man spricht von "blechen"). In achsparallele Nuten, zwischen den radial nach innen weisenden Polen des Stators, ist die Statorwicklung fest eingelegt und verschaltet. Die bei der Bewegung des Rotors mitumlaufenden wechselnden Magnetfelder überwinden den Luftspalt zwischen Rotor- und Statorpolen und schneiden die Statorwicklungen. Dort wird aufgrund der sich mit jedem Rotorumlauf wechselnden Magnetfelder in jeder der Wicklungen eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz synchron zur Rotordrehzahl ist. Durch geeignete Anordnung und Verschaltung der Statorwicklungen kann die Synchronmaschine ein- oder dreiphasige Wechselspannungen erzeugen.
Ein Synchrongenerator (siehe Bild) wird als Schenkelpol - Synchrongenerator oder -maschine bezeichnet, wenn er konstruktiv gesehen ausgeprägte Magnetpole aufweist. Das ist besonders bei langsamlaufenden Maschinen mit vielen Polen der Fall.
Um die Drehzahl des Synchrongenerators und damit die Frequenz seiner erzeugten Spannung konstant zu halten, ist eine schnelle Anpassung der zugeführten mechanischen Leistung an das sich ändernde Bremsmoment des Generators bei sich änderndem Stromverbrauch der Verbraucher nötig. Ist der Generator mit einem Verbundnetz im Parallelbetrieb verbunden, bleibt die Drehzahl konstant, jedoch ergeben sich Änderungen im sog. Phasenwinkel des Rotors, und damit treten Verlagerungen von Wirk- und Blindleistungen zwischen Generator und Netz auf.
Theoretisch kann jeder permanent- oder fremderregte Synchronmotor auch als Synchrongenerator betrieben werden.
Turbogeneratoren sind mit Dampfturbinen gekoppelt und meist zweipolig. Sie rotieren daher mit 3000 U/min (50 Hz) oder 3600 U/min (60 Hz) und können bis 1200 MVA gebaut werden. Vierpolige Turbogeneratoren laufen halb so schnell und können derzeit bis 1800 MVA realisiert werden.
Schenkelpolmaschinen in Wasserkraftwerken haben größere Polzahlen und daher geringere Drehzahlen von etwa 60 U/min bis 750 U/min.
In Pumpspeicherwerken werden die Synchronmaschinen als Motorgeneratoren sowohl im Pump- als auch im Generatorbetrieb verwendet.
Motorbetrieb
Das Antriebsprinzip durch das Drehfeld, das sowohl Drehstrom-Synchronmotor als auch dem Drehstrom-Asynchronmotor gemeinsam ist, ist in Drehstrommotor beschrieben.
Man kann sich bei Betrieb am starren Netz auf ihre konstante Drehzahl verlassen. (Früher gab es elektrische Uhren mit solchen Synchronmotoren.) Synchronmaschinen werden teilweise in Bahnantrieben (z. B. beim TGV), als Generatoren in allen Größen (von einigen Watt bis zu mehreren hundert Megawatt) und industriellen Hochleistungsantrieben, vor allem für Gebläse, Verdichter und Pumpen eingesetzt.
Ebenfalls sehr wichtige Sonderformen sind Schrittmotoren (hochpolige Synchronmaschinen, vorwiegend zur genauen Positionierung von Werkzeugen).
Mit Verfügbarkeit preiswerter Frequenzumrichter (Drehstromregler) durch integrierte Schaltungen spielen elektronisch kommutierte Synchronmotoren mit Permanentmagnet-Läufer eine zunehmende Rolle (Datenlaufwerke, Kopftrommel in Videorecordern, Niederspannungs-Axiallüfter). Diese sind verschleißärmer und haben höhere Wirkungsgrade als mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren.Phasenschieberbetrieb
Hierbei stellt die mitrotierende Synchronmaschine nur Blindleistung zur Verfügung oder nimmt sie auf. Sie ist damit je nach Phasenlage des Rotors zum Drehfeld quasi eine verstellbare Spule und Kondensator in einem. Dies reduziert Leitungsverluste in Übertragungsnetzen mit stark schwankendem Blindleistungsbedarf, erhöhtem Bedarf bei Starklast (hoher Strom ⇔ Leitungs-Längsinduktivität wirksam), erhöhte Abgabe bei Schwachlast (kleiner Strom ⇔ Erd- und Koppel-Querkapazität wirksam).
Feldwelle im Luftspalt
Feldwelle im Luftspalt einer SynchronmaschineUm das Funktionsprinzip einer Synchronmaschine besser verstehen zu können, sollte man die Feldwelle im Luftspalt betrachten. Das nebenstehende Bild zeigt eine zweipolige Synchronmaschine (2 Magnete, ein Nordpol, ein Südpol) mit einer dreiphasigen Einlochwicklung (6 Stränge, 6 Nuten). Die Maschine befindet sich im Leerlauf.
Die x-Achse (0° - 360°) verläuft im Luftspalt und steht für den Rotorumfang (der hier, um sich nicht auf einen bestimmten Radius festlegen zu müssen, in Graden angegeben wird). Die y-Achse zeigt nach oben und gibt den Wert für die magnetische Flussdichte B in Tesla [T] in Abhängigkeit von x und z an. Die z-Achse beschreibt den Drehwinkel von 0° bis 180° (halbe Umdrehung). Leider stimmt die Beschriftung dieser Achse nicht.
Deutlich zu sehen ist die Wirkung der beiden Magnete, die zunächst ein etwa trapezförmiges Feld von 10° bis 170° bzw. von 190° bis 350° erzeugen. Die mittlere Breite dieses Trapezes (etwa 140°) entspricht in etwa der Breite des Magneten. Dieses Trapez ist unabhängig von dem Drehwinkel (z-Achse) immer vorhanden.
Die schrägen "Rillen" werden von den Nuten erzeugt: Dort, wo die Nut gerade ist, ist der Luftspalt größer und stellt für den magnetischen Fluss einen größeren Widerstand dar, die Flussdichte ist an dieser Stelle geringer. Da sich die Nuten am Magneten vorbeidrehen, erscheint die Rille im Diagramm schräg. Verfolgt man eine Rille von z = 0° bis z = 180°, wird man feststellen, dass sie auch auf der x-Achse genau 180° durchläuft.
Um nun ein Drehmoment zu erzeugen, muss in den Nuten, die genau unter den Magneten sind, ein Strom fließen. Nach dem Prinzip der Lorentz-Kraft
wird dann das Moment erzeugt.
Um das maximale Moment zu erzeugen (das gleichzeitig das Kippmoment ist), muss der in der Regel sinusförmige Strombelag in Phase mit der Feldwelle sein.
Siehe auch
Quelle
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2007, ISBN 3-540-29664-6
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