Zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie wird in Kraftwerken hauptsächlich der Synchrongenerator verwendet. Wie bei der Asynchronmaschine kann die Synchronmaschine sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden, wobei die Drehzahl immer gleich gross wie die Netzfrequenz oder ganze Teile davon ist.
Schnitt durch eine 2-polige Schenkelpolmaschine.
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Schnitt durch eine 2-poligen Vollpolmaschine.
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Der Stator der Synchronmaschine besteht wie der Asynchronmaschien aus der Drehstromwicklung. Der Rotor ist aber ein drehender 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.
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 |
|---|---|---|---|
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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 |
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- | 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.
Schnitt durch eine 2-polige permanenterregte SM.
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Schnitt durch eine 4-polige permanenterregte SM.
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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