Synchrongenerator


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 12.08.2010

Zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie wird hauptsächlich der Synchrongenerator verwendet. Wie bei der Asynchronmaschine kann die Synchronmaschine sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden, wobei die Drehzahl immer gleichgross wie die Netzfrequenz oder ganze Teile davon ist, daher auch der Name. Synchrongeneratoren werden meistens auftragsbezogen hergestellt, brauchen Zusatzgeräte für die Erregung und Netzsynchronisierung und sind daher deutlich teuer als Anlagen mit Asynchrongeneratoren. Sehr grosse Synchrongeneratoren können Wirkungsgrade von über 98% erreichen.
synchrongenerator_schenkelpol
Schnitt durch eine 2-polige Schenkelpolmaschine.
synchrongenerator_vollpol
Schnitt durch eine 2-poligen Vollpolmaschine.

Der Stator der Synchronmaschine besteht wie der Asynchronmaschien aus der Drehstromwicklung. Der Rotor ist aber ein ummlaufendes Elektromagnet, bei kleinen Maschinen (unter 100 kg) auch ein Permanetmagnet. Der erforderliche Gleichstrom für die Magneterregung wird über Schleifkontakte zugeführt. Es gibt auch Ausführungen mit induktiver Übertragung der Erregerleistung in den Rotor, wo der Strom dann aber mit Dioden gleichgerichtet werden muss. Man unterscheidet zwischen zwei Maschinentypen: Schenkelpomaschine, mit ausgeprägten Polen für tiefere Drehzahlen und die Vollpolmaschine, auch Turbogenerator oder Walzenläufer genannt, für höhere Drehzahlen.

synchrongenerator_stromortskurve
Stromortskurve einer Vollpol Synchronmaschine.

Über den Strom (Erregerstrom), welcher in den Rotor für den Aufbau des rotierenden Magnetfeldes geführt wird, kann die induzierte Spannung in der Statorwicklung verändert werden. Wenn die Maschine am Netz ist, dann ist die Spannung und Frequenz vom Netz vorgegeben und über die Erregung kann die Rotorlage gegenüber dem sich drehenden äusseren Magnetfeld gedreht werden. Bei einer Untererregung ist der Generator induktiv, bei einer Übererregung wird er kapazitiv. Im Inselbetrieb wird der Lastwinkel (Cosinus phi) von den angeschlossenen Verbrauchern vorgegeben.

Symbol Einheit Bezeichnung Bemerkungen
iie
A Grundbeziehung
U V Statorspannung in dieser einphasigen Betrachtung Phase-Null
I A Statorstrom
Ie' A Erregerstrom
Ie0' A Erregerstrom im Leerlauf
φ - Phasenwinkel zwischen Statorspannung und Statorstrom
- Polradwinkel zwischen Rotor und Statorfeld

Da die Verluste in Synchronmaschinen vor allem von der Erwärmung der Statorwicklungen abhängen, und diese quadratisch mit dem Strom anwachsen, wird die Nennleistung von Synchronmaschinen als Scheinleistung in der Einheit VA angegeben, da sich je nach Lastwinkel (Cosinus phi) die Wirkleistung verändert, beim Transformator ist das übrigens auch der Fall. Bei der Berechnung des Wirkungsgrades (Abgabeleistung durch Aufnahmeleistung) ist die erforderliche Leistung für die Bereitstellung des Erregerstroms zur Aufnahmeleistung zu zählen.

Synchronmaschinen werden teilweise mit hohen Polzahlen (60 und mehr) ausgeführt. je höher die Polzahl, desto geringer die Drehzahl.

synchrongenerator_2pol
Schnitt durch eine 2-polige permanenterregte SM.
synchrongenerator_4-pol
Schnitt durch eine 4-polige permanenterregte SM.

Netzsynchronisierung

  • Vor der Synchronisierung.
    • Hochfahren auf die Nenndrehzahl (Netzfrequenz) durch Leistungszufuhr in der Arbeitsmaschine.
    • Erhöhung des Erregerstromes bis zur Nennspannung. Die Statorspannung ist das Produkt aus Erregerstrom (Einfluss der magnetischen Sättigung) und der Drehzahl.
    • Kontrolle des Drehsinns (Phasenfolge) mit dem des Netzes (das ist nur bei der ersten Inbetriebnahme erforderlich).
    • Einstellen der richtigen Phasenlage über eine kurze Drehzahlerhöhung oder Drehzahlerniedrigung. Kontrolle über Lampen zwischen Netz und Generator (Dunkelschaltung, Hellschaltung, Umlaufschaltung), mittels  Synchronoskop oder Oszilloskop.
  • Synchronisierung: schliessen des Generatorschalters.
    • Wenn alle oben genannten Bedingungen stimmen, erfolgt die Synchronisierung ohne Wirkung auf die aktuellen Werte der Synchronmaschine.
    • Wenn zum Beispiel die Phasenlage nicht stimmt, kommt die Synchronmaschine ins Pendeln, welches durch die Dämpferstäben im Rotor (Kurzschlusswindungen) abklingt.
    • Wenn die Fehlsynchronisation sehr gross ist, dann fliessen grosse Ströme und es wirken grosse Drehmomente, welche die Maschine zerstören können, wenn die Schutzeinrichtungen nicht ansprechen.
  • Nach der Synchronisierung
    • Einstellen der Abgabeleistung durch Leistungszufuhr in der Arbeitsmaschine. Die Drehzahl verändert sich nicht, da das Netz stärker ist.
    • Einstellen der Blindleistung durch den Erregerstrom. Die Spannung verändert sich nicht, da das Netz stärker ist

Kommentare

comments powered by Disqus