Elektrische Maschinen und Antriebe€¦ · Beispiel: Vollpol-Synchron-Generator...

Institut für ElektrischeEnergiewandlung • FB 18

TECHNISCHE UNIVERSITÄTDARMSTADT

Prof. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/1

Elektrische Maschinen und Antriebe

1. Einleitung2. Drehfelder in elektrischen Maschinen3. Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern4. Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen5. Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine6. Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine8. Die Synchronmaschine9. Erregereinrichtungen und Kennlinien10. Gleichstromantriebe

Vorlesungsinhalt




9. Erregereinrichtungen und Kennliniender Synchronmaschine





9. Erregereinrichtungen und Kennlinien9.1 Elektrische Erregereinrichtungen9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie




Stromrichtergespeiste Polrad-Erregung

Stromrichtererregung:- Aus Netz-Drehspannungssystem wird mit gesteuertem Gleichrichter (B6C)

variable Gleichspannung Uf erzeugt (variabel über Zündwinkel ) - Uf über zwei Schleifringe der Polradwicklung zugeführt

Uf

Schnellentregungs-Widerstand Rv

Polradwicklung

Schleifringe

Ständer-DrehstromwicklungSynchron-

maschine

B6C-Stromrichter




Erregung des Polrads über zwei SchleifringeBeispiel:Sechspoliger Schenkelpol-Synchronmotor: 15 kW, 380 V Y, 33.4 A, 50 Hz, 1000/min, cos = 0.8 ü.e.

If = 8 A, Uf = 110 V

Quelle: Fa. Dornhoff, Deutschland

Sechspolige Polradwicklung des Synchronmotors

Dämpferwicklung

Plus- und Minus-Schleifring

Schleifringseitiges Kugellager

%22.8188017587

15000

W8801108W,15000W175878.04.333803

fine,

outm,mot

foutm,

ine,

PPP

PPP

Radiallüfter




Erreger-Gleichrichter (B6C) Sechspulsige Gleichrichtung über B6C-Thyristor-Gleichrichterbrücke aus Drehstromnetz L1, L2, L3:

Gleichgerichtete Spannung Ud = Erregerspannung Uf, veränderbar über Ansteuerwinkel !Große Induktivität Lf glättet If = (nahezu) Gleichstrom!

B6C: B: Bridge, 6-pulsig, Controlled ()Gesteuerter Brückengleichrichter:Variabler Zündwinkel 0° ≤ ≤ 180°:

Maximale gleichgerichtete Spannung Uf0bei Zündwinkel = 0!

Mittlere gleichgerichtete Spannung Null:Uf = 0: bei Zündwinkel = 90°!

Maximal negative gleichgerichtete SpannungUf < 0 bei Zündwinkel = 180°!

coscosˆ330,dfTrafof UUU

B6C-Gleichrichter

brücke

UfSchleifringe

Netz

Polrad-Feldspule




Bürstenlose Erregung = KEINE Schleifringe

Erregermaschine als Generator an Hauptmaschine gekuppelt:- Erregermaschine = Synchrongenerator als Außenpolmaschine:

Ständer = "ruhendes Polrad", erzeugt ruhendes Magnetfeld. Läufer trägt Drehstromwicklung: dort Dreh-Spannungssystem induziert.

- Angeschlossene mitrotierende B6-Diodenbrücke erzeugt Uf, welche OHNE Schleifringe direkt der Feldwicklung der Hauptmaschine aufgeprägt wird.

- KEINE Bürsten, KEINE Schleifringe.

Schutz: Z-Dioden




Erregung des Polrads über einen rotierenden GleichrichterBeispiel: Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine 14 kVA, 231 V Y, 35 A, 50 Hz, 1500/min, cos = 0.8 ü.e.

Vierpolige Polradwicklung der Synchronmaschine

qr = 2

Sechspoliges still stehendes Polrad des Synchron-Außenpol-

Generators

Uf über IE verändert!

IEIf

UfQuelle: Siemens AG,

Deutschland

Rotierende Dreiphasen-Wicklung q = 1

Rotierender Gleichrichter

IE = 0.18 A

If = 1.1 A, Uf = 34 V

AS-Lager

Radial-lüfter

BS-Lager




Beispiel: Vollpol-Synchron-Generator (Notstromdiesel-Aggregat)

Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine, 14 kVA, 231 V Y, 35 A, 50 Hz,1500/min, cos = 0.8 ü.e., Erregerwicklung: If = 1.1 A, Uf = 34 V

W4.371.134

W112008.014000cos

fff

NNoute,

IUP

SP

Wirkungsgrad ohne Pf: = 85.0%

Nm9.83)60/15002/(13177)2/(

W1317785.0/11200/

Ninm,N

oute,inm,

nPM

PP

%76.844.3713177

11200

finm,

oute,gen

PPP

Wirkungsgrad mit Pf: = 84.76% (OHNE Außenpolgenerator und Gleichrichter)

Wirkungsgrad mit Pf: = 84.63% (MIT Außenpolgenerator, = 0.7; Gleichrichter, = 0.97, …)

VA140003523133 NNN IUS

Übung




„Lade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität (1)

Feldspule (Erregerwicklung im Polrad) als reale lineare Spule (Lf = konst., Rf = konst.)

fff

ff Rtidt

tdiLtu )(

)()(

Anschalten einer Gleichspannung uf(t) = Uf: - Lösung der linearen Differentialgleichung:- Anfangsbedingung if(0) = 0

homogene Lösung: partikuläre Lösung:

f

f

f

ff

f

LU

LR

idt

di

Tth eCti /

1)( ffp RUKti /)(

Anfangsbedingung liefert C1: fffff RUCRUeCi /0)/()0( 10

1

Ladestrom der Spule: fTt

f

ff e

RU

ti /1)( fff RLT /Zeitkonstante:

f f

uf(t)

if(t)

f

Wiederholung




Lade-Erregerstrom der Erregerwicklung: fTt

f

ff e

RU

ti /1)(

Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3.Tf) fließt der Gleichstrom: if = If = Uf / Rf .

„Lade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität (2)

t

uf(t) = Uf

Uf

Tf = Lf /Rf

Ladestromif (t ) = If = Uf /Rf

if(t)

0

Wiederholung




Entladen der Spule: uf = 0 (Steuerwinkel = 90°)

Anfangsbedingung if(0) = If0f

ff

f

LR

idt

di

fTthphf eCiiii /

2Lösung:

ffffff RUCRUIeCi //)0( 20

2

Abklingender Erregerstrom:

fTt

f

ff e

RU

ti /)(

Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3.Tf) fließt kein Erregerstrom mehr!

„Entlade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität

Feldspule (Erregerwicklung im Polrad): Lf = konst., Rf = konst.!

if(t) f f

t

if(t)

Tf = Lf /Rf

EntladestromIf = Uf /Rf

t = 0

Wiederholung




Stoßerregung

Stoßerregung: Für möglichst raschen Läuferfeldaufbau: Einprägen der "Deckenspannung" Ufmax für 0 t t12 über Steuerwinkel = 0!

Erregerstrom if wird in minimaler Zeit t12 < Tf vom Ausgangswert If1zum neuen Sollwert If2 geführt.

Bei offener Ständerwicklung: Zeitkonstante = Feld-Leerlaufzeitkonstante Tf = Lf /Rf OHNE Stoßerregung: Stromaufbau dauert ca. (3 … 5).Tf

"Deckenspannung„: Würde für t zu If,max führen!

if ohne Stoßerregung

f

if erreicht Sollwert If2




Vorwiderstand Rv Erregerstromverlauf

Schnellentregung = Möglichst rascher Feldabbau

a) Mit Schnellentregungswiderstand:Einschalten eines Vorwiderstands Rv (Schalter in Pos. 2), der die Feldzeitkonstante Tf

entsprechend verkleinert. Beispiel:

Bei Rv = 9Rf sinkt T von Tf auf Tf* = Tf /10, z. B. von 3 s auf 0.3 s. Nach ca. 3 .Tf* = 1 s ist das Läuferfeld Null.

b) Mit Gegenspannung durch den Stromrichter: = maximal (z. B. 150° < 180°):Negative Spannung Uf zwingt If gegen Null. Dann sperren die Thyristoren.

)1/()/(*f

vfvfff R

RTRRLT




Zusammenfassung: Elektrische Erregereinrichtungen

- Gleichspannungsquelle (Stromrichter) und zwei Schleifringe- Rotierende Synchron-Außenpol-Erregermaschine mit Gleichrichter- Zeitkonstante für Feldaufbau und –abbau- Stosserregung mit Deckenspannung- Schnellentregung mit Vorwiderstand oder „Gegenspannung“ Uf < 0






9. Erregereinrichtungen und Kennlinien9.1 Elektrische Erregereinrichtungen9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie




Leerlauf- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.)Generatorbetrieb: Angetriebene, im Läufer erregte Synchronmaschine: If > 0

Generator Kurzschluss-Betrieb: kurz geschlossene Ständerwicklung: Ständerstrom = = Kurzschlussstrom Isk

Isk(If) bzw. Isk(I‘f)

Generator Leerlauf-Betrieb:offene Ständerwicklung: Ständerklemmenspannung == PolradspannungUs0(If) bzw. Us0(I´f): Us0 = Up = Uh

Us0

Is = 0

Isk

Us = 0If If




Kurzschluss (k)

Isk

jXd

Uh

Leerlauf- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.)Zeigerdiagramme für Kurzschluss (Rs= 0)

Us0 = Up = Uh

0fhp IjXU

0fsm III

mhh IjXU ssmhh IjXIjXU

sks II

skdfhp IjXIjXU

= Im

Leerlauf (0)

= Uh

Us0




Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie (n = konst.)

Leerlaufkennlinie: Us0(If) bzw. Us0(I´f). Us0 = Up = Uh und If = Im. Up = Xdh.I´f

Linear: Luftspaltmagnetisierung; gekrümmte Kennlinie: bei hohem If (hoher Läuferfluss): Eisen sättigt

Kurzschlusskennlinie: Isk(If) bzw. Isk(I‘f) Im = I‘f - Isk klein, daher Uh klein: magnetischer Arbeitspunkt A Eisen nicht gesättigt.

Kurzschlusskennlinie Isk(If) bzw. Isk(I‘f) ist LINEAR

Leerlauf-Kennlinie

Kurzschluss-Kennlinie

Zeigerdiagramm für Kurzschluss (Rs= 0)




Messen der Synchronreaktanz Wegen Isk = Up / Xd (bei Rs = 0) folgt:

a) Bei "Leerlauf-Erregerstrom" If0ist die Leerlaufspannung die Nenn-Strangspannung: Us0 = UsN

b) Bei Erregerstrom If0 fließt bei Klemmen-kurzschluss der Kurzschlussstrom Isk0:

Synchronreaktanz:

d

sN

d

s

d

fpsk X

UXU

XIU

I 000

)(

0sk

sNd I

UX

000 f

fk

sk

sN

sN

sN

sk

sN

N

dd I

III

UI

IU

ZXx

Synchronreaktanz xd auf Nennimpedanz ZN = UsN / IsN bezogen:




Die bezogene synchrone Reaktanz xd ist das Verhältnis des Kurzschluss-Erregerstroms Ifk zum Leerlauf-Erregerstrom If0 .

Deren Kehrwert heißt "Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis" kK = 1/xd.

Da If0 bei Eisensättigung höher ist als bei ungesättigtem Eisen, ist das gesättigte Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis größer als das ungesättigte.

Daher ist die gesättigte Synchronreaktanz kleiner als die ungesättigte !

Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK

dsNssf

ssNsf

fk

fK xIIUI

IUUIII

k 1),0()0,(0

tungesättigd,gesättigtd, xx

0 If

dxtungesättigd,x

If0

gesättigtd,x

0




Synchronreaktanz Xd

dd LfX 2 dhsd LLL

Fep

wsstungesättighhdhl

kNp

mLLL

220,

2:

Vollpolmaschine:a) Ideal ungesättigtes Eisen (Fe ): Nur Luftspalt wird magnetisiert: Magnetische Spannung: V = H

b) Gesättigtes Eisen (Fe < ): Zusätzlich zur Magnetisierung des Luftspalts (V) muss auch der Flusspfad des Ständerfelds im Ständer- und Läufereisen magnetisiert werden, daher zusätzliche magnetische Spannung: VFe

tungesättighFe

tungesättighgesättigth L

VVL

L ,,

, /1




Synchrone Reaktanz Xd = Xdh + Xs Hauptinduktivität Xh ~ Ns2p /.

Polzahl 2p Synchronreaktanz xd /p.u.Turbogeneratoren 2 ca. 2.0Schenkelpolmaschinen 4 0.8 ... 1.2 PM-Maschinen mit Oberflächenmagneten 4 0.3 ... 1.0

Bezogene synchrone Reaktanz xd = Xd /ZN

Kippmoment Mp0 ~ UsUp /Xd, daher muss für großes Kippmoment Xd ausreichend klein sein

Gegensatz zur Asynchronmaschine: Bei ihr mussXh groß sein, da vom Netz und nicht vom Läufer magnetisiert wird!

Daher ist vor allem bei zweipoligen Synchron-maschinen (p groß !) der Luftspalt groß!

Kippmoment Mp0




Luftspaltweite der Synchronmaschine

Beispiel:a) Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA, = 60 mm (großer Luftspalt!)b) Schenkelpolmaschine: 2p = 12, 70 MVA, = 27 mm !

Quelle: E. Fuchs, IEEE-PAS

R = 380 mm

= 60 mm

Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA




Beispiel: Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK

Aus Leerlauf-/Kurzschlusskennlinie (siehe Bild) folgt:kK = 0.43, xd = 1/0.43 = 2.32 p.u.

Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA:

dsNssf

ssNsf

fk

fK xIIUI

IUUIII

k 1),0()0,(0




Zusammenfassung: Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie

- Gekrümmte (gesättigte) Leerlaufkennlinie (LL) bei n = konst.- Lineare (ungesättigte) Kurzschlusskennlinie (KS) bei n = konst.- Prüffeldmessung: Bestimmung von xd aus LL- und KS-Kennlinie- Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK = 1/xd

- xd soll klein sein für hohes Kippmoment; deshalb bei 2p = 2: Luftspalt vergrößert = erhöhter Erregerbedarf


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