Erregersysteme für Synchronmaschinen

Vorn rechts im quaderförmigen gelben Gehäuse, Erregermaschinen einer bürstenlosen Erregereinrichtung. Dahinter der Turbogenerator, gelbe zylindrische Einheit in der Mitte. Anschließend die mehrstufige, blau lackierte Dampfturbine.

Zum Betrieb einer Synchronmaschine ist ein magnetisches Erregerfeld im Läuferkreis notwendig (Innenpolmaschine). Dies erhält man, wenn man eine Läuferwicklung (Erregerwicklung) mit einem Gleichstrom I_E speist oder dazu im Läufer untergebrachte Permanentmagnete nutzt. Bei Außenpolmaschinen befindet sich die Erregerwicklung im Ständer.

Grundlagen

Um das Blindleistungsverhalten der Maschine steuern zu können, muss dieser Strom einstellbar sein. Damit sich der Strom nicht sprunghaft bei Laständerungen verändert, wird oft ein Hochlaufgeber verwendet. Bei Großgeneratoren kann der Erregerstrom einen Wert von über 10 kA betragen. Die Erregerleistung nimmt dabei für kleine Synchronmaschinen (einige 100 kVA) von 3 bis 5 % der Bemessungsscheinleistung S_N an und für größere Synchronmaschinen (einige 100 MVA) etwa 0,5 %. Bei einem zweipoligen Turbogenerator mit 100 kVA wären zirka 3 kW Erregerleistung aufzubringen und etwa 4000 kW für einen 1000-MVA-Generator. Je nach Einsatzart und Leistungsbereich der Synchronmaschine (Generator-, Motor-, Phasenschieber, Insel- oder Netzbetrieb) wurden verschiedene Erregersysteme entwickelt.Es werden grundsätzlich zwei Erregersysteme unterschieden.

1. Für Kraftwerke gefertigte und speziell parametrisierte Kraftwerkserreger und
2. allgemein in der Industrie verwendete Industrieerreger.

Erregertypen

Angekoppelte Gleichstromerregermaschine

Auf der Welle der Drehstrom-Synchronmaschine befinden sich zusätzlich eine Erreger- und eine Hilfserregermaschine. Die Hilfserregermaschine ist selbsterregt, d.h. sie bezieht ihre Erregerleistung aus ihrem Ständerkreis. Sie speist den Erregerkreis der Erregermaschine mit Hilfserregerleistung. Diese Hilfserregerleistung wird in Abhängigkeit der Ständerspannung der Drehstrom-Synchronmaschine geregelt.

Dieses Erregersystem kam früher für Turbogeneratoren bis 150 MVA zum Einsatz. Für größere Generatoren kam diese Erregermaschine nicht in Frage, da die Belastungsgrenze für die mechanische und elektrische Beanspruchung des Ankers zu berücksichtigen war. Ein weiterer großer Nachteil ist die große Zeitkonstante τ der Erregerwicklung der Erregermaschine, was schnelle Änderungen der Erregerleistung am Generator nicht zulässt.

Getrennt aufgestellter Erregerumformer

Dieses System, welches auch für größere Generatorleistungen in Frage kommt, besteht aus einem Drehstrom-Asynchronmotor, der einen selbsterregten Gleichstromgenerator antreibt. Der Asynchronmotor wird aus einem Niederspannungs-Eigenbedarfsnetz gespeist. Im Erregerkreis befindet sich ein Stellglied, mit dem die Höhe des Erregerstroms geregelt werden kann. In der Praxis findet dieses System eher selten Anwendung.

Stromrichtererreger

Moderne Erregersysteme arbeiten mit Komponenten der Leistungselektronik und sind bis zu höchsten Leistungen einsetzbar.

Typische Vertreter der Stromrichtererregung sind:

• Statische Erregereinrichtung
• Bürstenlose Erregereinrichtung

Permanentmagneterregung von Synchronmaschinen

Überwiegend werden Synchronmotoren (Servos) kleiner bis mittlerer Leistung permanenterregt. Mittlerweile findet diese Art der Erregung auch bei immer mehr Generatoren in Windkraftanlagen Verwendung. Als Material für die Permanentmagnete kommen Ferrite und Samarium-Cobalt (SmCo) in Frage. Für Maschinen größerer Leistungen wäre die Verwendung von Permanentmagneten wegen des hohen Preises unwirtschaftlich. Mit dem Einsatz von Permanentmagneten ergibt sich ein konstantes Erregerfeld und eine Beeinflussung des Blindleistungsverhaltens der Maschine ist nicht möglich. Ein großer Vorteil der Permanentmagneterregung ist der Wegfall der Erregereinrichtung und es muss keine Erregerleistung aufgebracht werden.

Erregergrad

Das Maß der Erregung einer Synchronmaschine ist der Erregergrad:

$\varepsilon ={\frac {|\underline {U}_P|} {|\underline {U}_{Netz}|}}$ mit der Polradspannung U_P und der Netzspannung U_Netz

Die Polradspannung ergibt sich mit dem Erregergrad wie folgt:

$\underline {U}_P ={\varepsilon \cdot \underline {U}_{Netz} \cdot e^{\mathrm{j} \vartheta}} \longrightarrow$ Polradspannung und Netzspannung sind um den Winkel $\vartheta$ phasenverschoben und um den Erregergrad $\varepsilon$ unterschiedlich groß

Der Erregergrad kann in der Stromortskurve grafisch dargestellt werden.

Literatur

• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14., aktualisierte und erweiterte Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2007, ISBN 978-3-446-41754-0.
• Helmut Lindner, Harry Brauer, Constans Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik 7., völlig neubearbeitete Auflage. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 1999, ISBN 978-3-446-21056-1.