Inhaltsverzeichnis · 3.3 Synchron-Maschine 37 3.4 Dreiphasige Asynchron Maschine 44 4. Anwendung...

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Inhaltsverzeichnis

1. Schema PÜVV 7

2 . Die Grundprinzipien 92.1 Stromkreise 112.2 Elektrische Grössen 112.3 Anwendung von Wechselstrom 192.4 Eigenschaften von Wechselstromnetzen 242.5 Eigenschaften von Verbrauchern 25

3 . Generatoren 293.1 Definition 313.2 Einführung 313.3 Synchron-Maschine 373.4 Dreiphasige Asynchron Maschine 44

4 . Anwendung von Generatoren 554.1 Typenschilder 574.2 Anschlussklemmen 624.3 Netzverbundbetrieb 644.4 Inselbetrieb 704.5 Sicherheit 77

5 . Vergleich zwischen Synchron- und Asynchron-Generator 815.1 Qualität der elektrischen Energie 835.2 Techn. Vergleichskriterien 835.3 Vergleich der Investitionskosten 85

6 . Informationen zum Generatorpflichtenheft 876.1 Spezifikationen, die der Lieferant kennen muss 896.2 Beilagen zum Angebot 906.3 Verifikation der Leistung 90

7. Schutz und Sicherheit von elektrischen Installationen 917.1 Rechtliche Grundlagen 937.2 Gefahren der Elektrizität 967.3 Installationsschutz 1007.4 Schutz von rotierenden Maschinen 1027.5 Rechtliche Bestimmungen 109

Bibliographie 113

Publikationen und Videos des Impulsprogrammes PACER 115

ueli

Dimensionierung Kleinwasserkraftwerke. Generatoren und elektrische Installationen

7

1. Schema PÜVV

Ein Prinzipschema eines Systems zur Produktion-Übertragung-Verteilung-Verbrauch (PÜVV) ist inAbb. 1.1 wiedergegeben.

Komponenten des Systems

• ProduktionTurbineGenerator (synchron oder asynchron)Regelung (Frequenz - Spannung - cosϕ)

• ÜbertragungTransformator (unnötig für Kleinanlagen)ÜbertragungsleitungTransformator (unnötig für Kleinanlagen)

• VerteilungUnterstation und/oderVerteilung zu den Verbrauchern

• Verbrauchohmsche Verbraucher (cosϕ=1): Glühlampen,Kochherde,Heizungeninduktive Verbraucher (cosϕ<1): el. Motoren,Transformatoren

Auf allen Stufen des PÜVV- Systems müssen derPersonen- und Geräteschutz gewährleistet sein

• SchutzeinrichtungÜberspannungKurzschlussErdung

Abbildung 1.1: Prinzip Schema eines PÜVV Systems

1. Schema PÜVV

Transformator

Kleinkraftwerk

Verbraucher

Transformator

Niede

rspa

nnun

gsve

rteilu

ng

Hochs

pann

ung

Wasserkraftwerkgrosser Leistung

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1. Schema PÜVV

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2. Die Grundprinzipien

2 . Die Grundprinzipien

2.1 Stromkreise 11

2.2 Elektrische Grössen 112.2.1 Spannung 112.2.2 Strom 122.2.3 Frequenz 132.2.4 Phasenwinkel ϕ 132.2.5 Leistungsfaktor cosϕ 142.2.6 Wirkleistung 142.2.7 Blindleistung 142.2.8 Scheinleistung 152.2.9 Energie 152.2.10 Widerstand 152.2.11 Kapazität 172.2.12 Induktivität 17

2.3 Anwendung von Wechselstrom 192.3.1 Vorteile von Wechselstrom 192.3.2 Allgemeines und Vorteile von dreiphasigen Netzen 192.3.3 Erzeugung von Drehstrom 192.3.4 Anschlussschaltungen 212.3.4.1 Sternschaltung 212.3.4.2 Dreieckschaltung

2.4 Eigenschaften von Wechselstromnetzen 24

2.5 Eigenschaften von Verbrauchern 252.5.1 rein ohm’sche Last 252.5.2 rein induktive Last 252.5.3 rein kapazitive Last 262.5.4 gemischte Last 272.5.5 Impedanz 28

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2 . Die Grundprinzipien

2.1 Stromkreise

Eine Bewegung der Elektronen in einem elektri-schen Leiter stellt einen elektrischen Strom dar. Diedarin enthaltene Energie kann von Verbrauchern inandere Energieformen umgewandelt werden (Wär-me, Bewegung, Information...).

Ein elektrischer Kreis besteht aus drei Teilen: dieQuelle, die Leitung und die Last.

Eine einfache Analogie zwischen einem elektrischenund hydraulischen Kreis ist möglich (Abb. 2.1).

2.2 Elektrische Grössen

2.2.1 Spannung

Symbol: UEinheit: Volt [Ω]

Die Elektronen in einem Leiter bewegen sich nurunter einer „elektrischen Druckdifferenz“.

Diese antreibende Kraft nennt man die Spannung(U, u), welche in Volt [V] gemessen wird. Die Span-nung ist also vergleichbar mit der Druckdifferenz∆p in der Hydraulik (Abb. 2.1).

Abbildung 2.1: Analogie zwischen einem elektrischenund hydraulischen Stromkreis

Lampe

V

Schalter

Motor

Quelle

A

I Q

T

∆p

DruckDifferenz

Durchfluss-meter

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Abbildung 2.3: Vergleich von Gleich- und Wechselsignalen

2.2.2 Strom

Symbol: IEinheit: Ampère [A]

Ist eine Spannung zwischen zwei Punkten eines el.Kreises vorhanden, beginnen sich elektrische Ladun-gen, in diesem Falle die beweglichen Elektronen,zu verschieben, um die Spannung auszugleichen.

Diese Ladungsbewegung wird Strom (I, i) genanntund wird in Ampere [A] gemessen. Wieder ist dieAnalogie zum Wasserfluss tauglich (Abb. 2.1).

Bewegen sich die Ladungen immer in die gleicheRichtung, spricht man von Gleichstrom, desgleichenvon einer Gleichspannung.

Ändert sich jedoch die Bewegungsrichtung, sprichtman von Wechselstrom bzw. Wechselspannung(Abb. 2.2). In der Energietechnik bedeutet Wechsel-strom ein harmonisch wechselnder Strom, dh. derStrom beschreibt eine Sinus Funktion (Abb. 2.3).

Dies hat folgende Konsequenzen:– Der Strom-, Spannungsmittelwert ist Null– Der quadratische Mittelwert oder Effektivwert ist

proportional zum Spitzen (Scheitel) -wert (Î, Û)

UU I

eff eff= =2 2

und I

Meist lässt man das Subskript eff weg.

Abbildung 2.2: Schwingender hydraulischer Stromkreis

Dieser Wechselstromerzeugt den gleichentherm. Effekt wiedieser Gleichstrom

Effektivwert Thermometer

Lötkolben

R = 22 Ω

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2.2.3 Frequenz

Symbol: fEinheit: Hertz [Hz]

Die Anzahl der Perioden pro Sekunde eines alter-nierenden Stromes nennt man die Frequenz f. Siewird in Hertz (Hz) gemessen.

Eine Frequenz von 50Hz entspricht 50 Perioden proSekunde und einer Periodendauer T von 20ms.

2.2.4 Phasenwinkel ϕ

Obwohl in einem elektrischen Kreis die Frequenzder Spannung und des Stromes immer dieselbesein muss, ist es durchaus möglich, dass der Schei-telwert nicht zeitgleich erreicht wird. Dies stellt sichals eine Phasenverschiebung des Stromes und derSpannung dar (Abb. 2.5).

Diese Phasenverschiebung wird von gewissen Ver-brauchern erzeugt und ist für ein elektrisches Netzkonstant.

Eine elegante Methode, die Phasenverschiebung zubeschreiben, ist die Verwendung des Zeiger-diagrammes (Abb. 2.6). Stellt man sich die Sinus-Kurven als Projektion von rotierenden Zeigern vor(für Netze 50Hz), entspricht die Phasenverschiebungeiner Winkeldifferenz zwischen dem Spannungs-und Stromzeiger. Dieser Winkel wird mit ϕ bezeich-net. Bei konstanter Frequenz ist das Netz vollstän-dig durch die Scheitelwerte und den Phasenwinkelbeschrieben.

Abbildung 2.6: Drehzeiger

Abbildung 2.4: Wechselsignal

Abbildung 2.5: Phasenverschiebung zwischen U und I

pos. Halbwelle neg. Halbwelle

Zeitt

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2.2.5 Leistungsfaktor cosϕ

Im einfachsten Fall ist die Leistung in einem elektri-schen Netz das Produkt des Stromes und der Span-nung. Sobald jedoch im Wechselstromfall eine Pha-senverschiebung besteht, sind die Verhältnisse et-was komplizierter. In Analogie einer Zugkraft (Abb.2.7 Spannung = Gleisrichtung, Strom = Zugrichtung)unterscheidet man

Wirkstrom Strom in Richtung der SpannungBlindstrom Strom senkrecht zur SpannungScheinstrom gesamter Strom

Aus der Geometrie ist ersichtlich, dass die Wirk-komponente gerade cosϕ mal Scheinkomponenteist. Da cosϕ, auch Leistungsfaktor genannt, eine rei-ne Zahl ist, eignet sie sich besonders als Mass fürdie Phasenverschiebung.

2.2.6 Wirkleistung

Symbol: PEinheit: Watt [W]

Die Wirkleistung P ist die, welche Arbeit verrichtetund daher den Verbraucher interessiert. Sie wirdumgewandelt in z.B. mechanische, Heiz-, oder che-mische Energie. Sie wird in Watt [W] gemessen.

P = U € I € cosϕ (AC) WP = U € I (DC) W

AC Wechselstrom/SpannungDC Gleichstrom/Spannung

2.2.7 Blindleistung

Symbol: QEinheit: Volt Ampère reaktiv [VAr]

Die Blindleistung Q wird benötigt, um magnetischeund elektrische Felder aufzubauen, und belastet dasNetz mit Blindstrom. Der Verbraucher hat keinen ei-gentlichen Nutzen dieser Leistung. Sie wird in VoltAmpere reaktiv [VAr] gemessen.

Q = U € I € sinϕ (AC) VArQ = 0 (DC) VAr

Abbildung 2.7: Mechanische Analogie zumLeistungsdreieck

Scheinleistung S

Wirkleistung P

Blin

dlei

stun

g Q

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2.2.8 Scheinleistung

Symbol: SEinheit: Volt Ampère [VA]

Die Scheinleistung S ist die Vektorsumme der Wirk-und der Blindleistung. Sie ist diejenige, welche dasNetz belastet. Sie wird in Volt Ampere [VA] gemes-sen.

S = U € I (AC) VA

S = P Q2 2+ (AC) VA

S = P = U € I (DC) VA

2.2.9 Energie

Symbol: EEinheit: J (Joule)

Die Energie ist die integrierte Leistung über die Zeitoder für eine konstante Leistung einfach das Pro-dukt der Leistung und der Zeit. Für die WirkenergieE ergibt sich somit

E = P € t J

Nach SI Norm ist die Messeinheit das Joule [J](1J=1W x 1s)

Für Elektrizität wird jedoch meist die Kilowattstun-de [kWh] verwendet.

1kWh =1000W x 3600s=3’600’000J = 3.6MJ

2.2.10 Widerstand

Symbol: REinheit: Ohm [Ω]

Wie die Reibungsverluste in einem hydraulischenNetz widersetzt sich der Leiter dem Stromdurchfluss.Diese Materialeigenschaft nennt man spezifischenWiderstand ρ und wird in Ohm Meter [Ωm] oder[Ωmm²/m] gemessen.

Oft ist der Spannungsabfall in einem Leiter propor-tional zum Strom. Diesen Umstand gibt dasOhm’sche Gesetz wieder

U = R € I

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Abbildung 2.8: Temperaturabhängigkeit des spez. Wider-standes

wobei der el. Widerstand R die Proportionalitäts-konstante ist und in Ohm [Ω] gemessen wird. DerWiderstand eines Leiters ist:

RL

A= ⋅ρ

L = LeiterlängeA = Leiterquerschnittρ = (Material) spezifischer Widerstand

Die Verlustleistung dieser Reibung wird in Wärmeumgewandelt, ist also eine reine Wirkleistung undbeträgt:

P = U € I W

oder da U = RI

P = R € I2 oder P = UR

2W

ist also quadratisch zum Strom und zur Spannung.

Um diese Verluste, auch Joul’sche Verluste, zu mini-mieren, verwendet man ausschliesslich sehr gut lei-tende Materialien, nämlich Kupfer und Aluminium.

In einem weiten Bereich variiert ihr spezifischer Wi-derstand linear mit der Temperatur (Abb.. 2.8) undkann somit folgendermassen beschrieben werden:

ρ ρT TT T

T= ⋅ + −

+

01

2350

0 Ωmm2/m

wobei ρT0 [Ωmm²/m] (T0 = 20°C)für Kupfer = 0.0175für Aluminium = 0.03

Da der Widerstand proportional zum spezifischenWiderstand ist, gilt auch die ähnliche Formel für R:

R RT T

TT T= ⋅ +−+

01

2350

0Ω

Ω ⋅

mmm

2

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Abbildung 2.9: Plattenkondensator

2.2.11 Kapazität

Symbol: CEinheit: Farad [F]

Schliesst man zwei isolierte leitende Platten an eineSpannungsquelle (Fig. 2.9), lädt sich die eine posi-tiv, die andere negativ auf. Beide Platten akkumu-lieren elekrische Ladung. Diese Eigenschaft derLadungsspeicherung nennt man Kapazität C unddie beschriebene Anordnung entspricht einem ein-fachen Kondensator. Die Kapazität wird als Verhält-nis der gespeicherten Ladung zur angelegten Span-nung ausgedrückt und in Farad [F] gemessen.

CQU

= F = (As)/V

1 Farad entspricht also einer Kapazität, welche miteinem Strom von 1A, während 1s geladen, eineSpannungerhöhung von einem Volt erhält. D.h.auch, dass sich Kapazitäten einer Spannungs-änderung widersetzen.

Ein Farad entspricht einer ungeheuer grossen Flä-che, und die technisch realisierbaren Kondensato-ren haben viel kleinere Werte zwischen Billionstelund Millionstel Farad (picoFarad [pF] undmikroFarad [µF]).

2.2.12 Induktivität

Symbol: LEinheit: Henry [H]

Jeder Strom erzeugt ein magnetisches Feld, dasdurch den magnetischen Fluss Φ beschrieben wird.Die Induktivität L einer Leiteranordnung (z.B. einerSpule) ist das Verhältnis des magnetischen Flusseszum Strom.

LI

= ΦH = (Vs)/A

Die Induktivität wird in Henry [H] gemessen. 1 Hen-ry entspricht also einer Induktivität, welche an ei-ner Spannung von 1V, während 1s geladen, voneiner Stromerhöhung von 1A durchflossen wird.D.h. auch, dass sich Induktivitäten einer Änderungdes Stromflusses widersetzen.

Anziehung

Spannung

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Eine reelle Spule enthält demnach zwei Widerstän-de: den Widerstand R, der sich dem Strom wider-setzt, und die Induktivität, welche sich der Ände-rung des Stromes widersetzt. Diese beiden Eigen-schaften kann man sich als in Serie geschaltete Ele-mente vorstellen (Abb. 2.10), und der gesamte Span-nungsabfall ist die Summe der Spannungen überder Induktivität und dem Widerstand.

U R I LI

t= ⋅ + ⋅

∂∂

Schaltet man eine Spannungsquelle an eine Spule,dauert es eine Weile, bis sich der Strom auf dendurch den Widerstand vorgegebenen Wert stabili-siert. Die Induktivität verhindert, dass der Strom„springt“. Die Anstiegszeit wird durch die sog. Zeit-konstante τ beschrieben.

τ = LR

s

Diese Zeitkonstante charakterisiert denexponentiellen Spannungs- und Stromverlauf ineiner Spule (Abb. 2.11): der Strom sättigtexponentiel, die Spannung über der Induktivitätspringt auf den Wert der Speisung und nimmt dannexponentiel ab. Genau gegenteilig verhält sich dieSpannung über dem Widerstand. Beide Spannun-gen zusammen sind immer gleich U0.

Eine ideale Spule ist widerstandslos. Im Falle vonWechselspannung begrenzt sie über die Induktivi-tät den Strom, bei Gleichspannung bildet sie jedocheinen Kurzschluss.

Eine Induktivität speichert magnetische Energie

W L I= ⋅ ⋅12

2 J

Diese Energie wird nicht in Wärme umgewandelt.

Abbildung 2.11: das Strom- und Spannungsverhalten ineinem induktiven Schaltkreis

Abbildung 2.10: Schema eines induktiven Schaltkreises

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2.3 Anwendung vonWechselstrom

2.3.1 Vorteile von Wechselstrom

Wechselstrom hat etliche Vorteile gegenüber Gleich-strom– geringere Übertragungskosten– einfache Spannungstransformation– einfachere Konstruktionsweise von Generatoren

und Motoren– einfachere Schalter

2.3.2 Allgemeines und Vorteile vondreiphasigen Netzen

Die einphasige Erzeugung und Verteilung el. Ener-gie ist nur für kleine Leistungen (<5kW) wirtschaft-lich. Darüber sind die Netze dreiphasig. Dies erlaubtkleinere Leiterquerschnitte und Maschinengrössen.

2.3.3 Erzeugung von Drehstrom

Ein dreiphasiges Netz entspricht tatsächlich drei in-dividuellen Strömen, die jeweils eine Phasenver-schiebung von

120o oder 23

radianπ

haben (Abb. 2.12). Das gleiche gilt selbstverständ-lich auch für die Spannungen.

Um ein Dreiphasennetz aufzubauen, genügt somiteine Maschine mit einem rotierenden Magnetenund 3 unabhängigen Statorspulen, welche geome-trisch jeweils um 120° verschoben sind. Die Abb.2.13 und 2.14 stellen eine solche Maschine sowiedie drei erzeugten sinusförmigen Ströme dar.

– Strangspannungdie Spannung zwischen den SpulenendenUU1U2 UV1V2 UW1W2

Abbildung 2.12: Phasenverschiebung zwischen den 3Phasenspannungen

Abbildung 2.13: Dreiphasengenerator

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– Innenleiter Spannungdie Spannung zwischen den Spuleneingängenoder einem Phasenleiter und dem NeutralleiterUU1N UV1N UW1N

oderUL1N UL2N UL3N

– Aussenleiter- oder verkettete Spannungdie Spannung zwischen zwei Spuleneingängenoder zwei PhasenleiternUU1V1 UV1W1 UW1U1

oderUL1L2 UL2L3 UL3L1

– StrangstromStrom in einem StrangIU1 IV1 IW1

– LeiterstromStrom in den Anschlussleitern einer dreiphasigenLast:IL1 IL2 IL3

Abbildung 2.14: Die im Generator erzeugten 3 Spannun-gen

Abbildung 2.15: Sternschaltung

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2.3.4 Anschlussschaltungen

In einem Dreiphasensystem sind zwei unterschied-liche Anschlussformen gängig:– die Sternschaltung– die Dreiecksschaltung

Es ist wichtig, für diese unterschiedlichen Anschlüs-se– die Leistungsausdrücke– die Verhältnisse zwischen einfachen und verket-

teten Spannungen– die Verhältnisse zwischen den Leiter- und Phasen-

strömenzu kennen.

2.3.4.1 Sternschaltung

Symbol: Y

In der Sternschaltung werden die Eingänge (U1-V1-W1) mit den Phasenleitern verbunden, die Abgän-ge zusammengeschaltet. Dieser Punkt wird Stern-punkt genannt, ist elektrisch zugänglich (Abb. 2.15)und wird mit dem Neutralleiter verbunden.

– Spannungen

U U UL L U V U U1 2 1 1 1 23= = ⋅ V

äquivalent für UL2L3 und UL3L1

– StrömeDie Strang- und Leiterströme sind gleich:

I I I I I IL U L V L W11 1 2 1 3= = = A

– LeistungenDa ein Dreiphasensystem äquivalent zu 3 Ein-phasensystemen ist, darf man schreiben:

für die Scheinleistung:

S U Ii nnen Strang= ⋅ ⋅3 VA

für die Wirkleistung:

P U Iinnen Strang= ⋅ ⋅ ⋅3 cos ϕ W

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und für die Blindleistung:

Q U Ii nnen Strang= ⋅ ⋅ ⋅3 sin ϕ VAr

Bezieht man sich auf die Spannungsverhältnisse

UU

innenaussen=

3V

und da die Strang- und Leiterströme dieselben sind:

I IStrang Leiter= I

erhält manfür die Scheinleistung:

S U Iaussen Leiter= ⋅ ⋅3 VA

für die Wirkleistung:

P U Iaussen Leiter= ⋅ ⋅ ⋅3 cos ϕ W

und für die Blindleistung:

Q U Iaussen Leiter= ⋅ ⋅ ⋅3 sin ϕ VAr

– ImpedanzDie Impedanz Z

ZU

IPhaseinnen

Strang= Ω

wird im Falle der Sternschaltung

ZU

IYPhase

aussen

Leiter

=⋅3

Ω

2.3.4.2 Dreieckschaltung

Symbol: ∆

Die Dreieckschaltung erhält man, indem man allePhasenabgänge U2-V2-W2 mit den Eingängen dernächstfolgenden Phase V1-W1-U1 verbindet (Abb.2.16)

23


– Spannungendie Phasen- und Leiterspannungen sind gleich

U U UU U U V L L1 2 1 1 1 2= = V

– Ströme

I IL U1 13= ⋅ I

äquivalent für IL2 und IL3

– LeistungenAusgehend vom allgemeinen Ausdruck für dieScheinleistung

S U Ii nnen Strang= ⋅ ⋅3 VA

und unter Einbezug der Verhältnisse von Span-nungen und Strömen in dieser Schaltung findetman:

S U Iaussen Leiter= ⋅ ⋅3 VA

Abbildung 2.16: Dreieckschaltung

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Dieser Ausdruck ist derselbe wie für die Stern-schaltung

– ImpedanzDie Impedanz Z wird im Falle der Dreieckschal-tung:

ZU

IPhaseaussen

Leiter∆ =

⋅3Ω

vergleicht man diese mit derjenigen der Sternschal-tung, stellt man fest,dass bei gleichem Strom undgleicher Spannung die Sternimpedanz 3mal grösserals die Dreiecksimpedanz ist

Z Z Y∆ = ⋅3 Ω

2.4 Eigenschaften vonWechselstromnetzen

Ein elektrisches Netz ist charakterisiert durch– Anzahl Phasen– Spannung U (Variation ±10%)– Frequenz f– Übertragungsleistung

BeispielDreiphasennetz 3x380/220V - 50Hz - 10kVA

Eine wichtige Grösse für KWK-Anlagen ist der Span-nungsabfall in der Übertragungs- (Anschluss) Lei-tung. Um die Leistung durch die Übertragungslei-tung zu bringen, muss die Anlage eine um denSpannungsabfall höhere Spannung erzeugen, waszu einer überhöhten Spannung beim Produzentenführen kann.

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2.5 Eigenschaften vonVerbrauchern

Verbraucher sind charakterisiert durch– die Spannung U– die Frequenz f– die Wirkleistung P– den Leistungsfaktor cosϕ

2.5.1 Rein Ohm’sche Last

Wird ein Widerstand R durch eine SpannungsquelleU gespiesen, fliesst ein Strom I (Abb. 2.17). DerStrom und die Spannung sind in Phase (Abb. 2.18),d.h. ϕ=0 cosϕ=1 und sinϕ=0. Abb. 2.19 stellt dieGrössen in einem Zeitdiagramm dar.

Der Strom I ist durch das ohm’sche Gesetz bestimmt

IU

R=

und die Leistungen ergeben sich nach ihrer Defini-tion

P S R IU

R= = ⋅ 2

2 oder P = S = W

Die Blindleistung ist, da sinϕ = 0

Q = 0

2.5.2 rein induktive Last

Wird eine Induktivität durch eine Spannungsquellegespiesen, fliesst ein Strom I (Abb. 2.20). Der Stromfolgt der Spannung um 90° verzögert (Abb. 2.21),d.h. ϕ = 90° -> cosϕ = 0 und sinϕ = +1. Abb. 2.22stellt die Grössen in einem Zeitdiagramm dar. Manerkennt, dass das Spannungsmaximum eine Viertel-periode vor dem Strommaximum eintritt und dasLeistungsmaximum gerade dazwischen liegt.

Induktive Reaktanz

Der Strom ist begrenzt durch die induktive Reak-tanz XL. Sie stellt den Widerstand einer Induktivitätgegenüber Wechselstrom dar. Sie wird wie derohm’sche Widerstand in Ohm gemessen.

Abbildung 2.17: Versorgung eines Widerstandes

Abbildung 2.18: Phasendifferenz zwischen Strom undSpannung bei einem ohm’schen Verbraucher

Abbildung 2.19: Leistungsverlauf für einen Widerstand

Abbildung 2.20: Versorgung einer Induktivität

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Abbildung 2.21: Phasendifferenz zwischen Strom undSpannung bei einem induktiven Verbraucher

Abbildung 2.22: Leistungsverlauf für eine Induktivität

Die induktive Reaktanz ist frequenzabhängig, näm-lich das Produkt der Kreisfrequenz und der Indukti-vität.

X L f LL = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ω π2 Ω

Analog zum ohm’schen Gesetz darf man schreiben

U X I L IL= ⋅ = ⋅ ⋅ω V

Man erkennt für f=0 wird U=0, d.h. für Gleichstromverhält sich eine Spule wie ein Kurzschluss, und fürf=∞ wird I=0, d.h. für Hochfrequenz verhält sich eineSpule wie ein Leerlauf.

Abb. 2.22 (im Gegensatz zu Abb. 2.19) macht einer-seits deutlich, dass der Momentanwert der Wirklei-stung symetrisch um 0 variert, somit der Mittelwert0 ist (keine Wirkleistung!). Andererseits erkennt manauch, dass während einer Viertelperiode Leistungzur Magnetisierung aufgenommen wird, um in dernächsten dem Netz zurückgegeben zu werden.

P U I= ⋅ ⋅ =cosϕ 0

Demgegenüber erhalten wir eine Blindleistung

Q U I U I= ⋅ ⋅ = ⋅sin ϕ VAr

Q X IU

XLL

= ⋅ =22

VAr

Eine Induktivität absorbiert Blindleistung.

2.5.3 rein kapazitive Last

Wird eine Kapazität durch eine Spannungsquellegespiesen, fliesst ein Strom I (Abb. 2.20). Der Stromeilt der Spannung um 90° voraus (Abb. 2.21), d.h.ϕ=-90°, cosϕ=0 und sinϕ=-1. Abb. 2.22 stellt dieMomentanwerte in einem Zeitdiagramm dar. Manerkennt, dass das Spannungsmaximum eine Viertel-periode nach dem Strommaximum eintritt und dasLeistungsmaximum gerade dazwischen liegt.

Kapazitive Reaktanz

Der Strom ist begrenzt durch die kapazitive Reak-tanz XC. Sie stellt den Widerstand einer Kapazitätgegenüber Wechselstrom dar. Sie wird wie derohm’sche Widerstand in Ohm gemessen.

Abbildung 2.23: Versorgung einer Kapazität

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Abbildung 2.24: Phasendifferenz zwischen Strom undSpannung bei einem kapazitiven Verbraucher

Abbildung 2.25: Leistungsverlauf für eine Kapazität

Abbildung 2.26: Serieschaltung eines Widerstandes miteiner Induktivität

Die kapazitive Reaktanz ist frequenzabhängig, näm-lich der Kehrwert des Produktes der Kreisfrequenzund der Kapazität.

XC f CC =

⋅=

⋅ ⋅ ⋅1 1

2ω π Ω

Analog zum ohm’schen Gesetz darf man schreiben

U X IC

IC C= ⋅ =⋅

⋅1ω V

Man erkennt für f=∞ wird U=0, d.h. für Hochfrequenzverhält sich ein Kondensator wie ein Kurzschluss,

und für f=0 wird I=0, d.h. für Gleichstrom verhältsich ein Kondensator wie ein Leerlauf.

Abb. 2.25 (im Gegensatz zu Abb. 2.19) macht einer-seits deutlich, dass der Momentanwert der Wirklei-stung symetrisch um 0 variert, somit der Mittelwert0 ist (keine Wirkleistung!). Andererseits erkennt manauch, dass während einer Viertelperiode Leistungzur Ladungsspeicherung aufgenommen wird, umin der nächsten dem Netz zurückgegeben zu wer-den.

P U I= ⋅ ⋅ =cos ϕ 0

Demgegenüber erhalten wir eine Blindleistung.

Q U I U I= ⋅ ⋅ = ⋅sin ϕ VAr

Q X IU

XCC

= ⋅ =22

VAr

Eine Kapazität liefert Blindleistung.

2.5.4 gemischte Last

Widerstand und Induktivität in SerieMan geht aus vom Leistungsdreieck, definiert durch:– Scheinleistung S = U • I– Wirkleistung P = U • I • cosϕ– Blindleistung Q = U • I • sinϕ

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mit ϕ als Phasenwinkel zwischen Strom und Span-nung. Der Strom ist derselbe für beide Elemente.Dividiert man die obigen Gleichungen mit I, erhältman:

U UR = ⋅ cos ϕ

U UX L= ⋅sin ϕ

wobei UR und I in Phase sind und UXL dem Stromum 90° vorauseilt.

Die Vektorsumme der Spannungen ergibt dieGesamtspannung (Abb. 2.27)

U U UR XL= +2 2

Dividiert man die Spannungsvektoren ein weiteresmal mit dem Strom, erhält man das Impedanz-dreieck.

AB ZUI

= = (vgl Fig. 2.28) Ω

BC R ZUI

= = ⋅ = ⋅cos cosϕ ϕ Ω

AC X ZUIL= = ⋅ = ⋅sin sinϕ ϕ Ω

Man erkennt, dass alle Dreiecke (Leistung, Span-nung und Impedanz) ähnlich sind.

2.5.5 Impedanz

Verallgemeinert man das Ohm’sche Gesetz für be-liebig phasenverschobene Spannungen und Strö-me und setzt für den Widerstand R die Impedanz Zein, gilt weiterhin U=ZI

Der Wert für Z muss jedoch über ein Vektordiagrammerrechnet werden. Im Falle der obigen Serie-schaltung ist

Z R X= +2 2 Ω

NB der Kehrwert der Impedanz ist die Admittanz Yund wird in Siemens [S] gemessen wie der Leit-wert, der Kehrwert des Widerstandes ist.

Abbildung 2.27: Spannungsdreieck

R

Z

ϕ

X L

C

A

B

Abbildung 2.28: Impendanzdreieck

29

3. Generatoren

3 . Generatoren

3.13.1 DefinitionDefinition 31

3.23.2 EinführungEinführung 313.2.1 Magnetfeld 313.2.2 Magnetischer Fluss 333.2.3 Magnetische Induktion 333.2.4 Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft 343.2.5 Induzierte Spannung 353.2.6 Elementarer Generator 363.2.7 Lenz’sche Regel und Wirbelströme 36

3.33.3 Synchron-MaschineSynchron-Maschine 373.3.1 Allgemeines 373.3.2 Prinzip 383.3.3 Drehfelder 393.3.4 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad 413.3.5 Symbole 413.3.6 Induzierte Spannung 423.3.7 Generatorbetriebsverhalten 423.3.8 Übung 43

3.43.4 Dreiphasige Asynchron MaschineDreiphasige Asynchron Maschine 443.4.1 Allgemeines 443.4.2 Prinzip 443.4.3 Symbol 453.4.4 Magnetisches Drehmoment 463.4.5 Leistung und Drehmoment 473.4.6 Charakteristik 513.4.7 Generatorbetrieb 523.4.8 Übungen 53

30

3. Generatoren

31

3. Generatoren

3 . Generatoren

3.1 Definition

Ein elektromechanischer Generator transformiertmechanische Energie, die er über eine Achse vonder Turbine erhält, in elektrische Energie, welche demel. Verbraucher abgegeben wird. Es handelt sich umWirkenergie.

Der Verbraucher kann– ein Verbundnetz sein, das die Spannung und die

Frequenz diktiert.– ein Inselnetz sein, dem der Erzeuger Qualitäts-

garantien in bezug auf Spannung und Frequenzabgeben muss. Beide Grössen dürfen nur in en-gen Grenzen variieren und müssen stabil sein,um Verbrauchergeräte nicht zu beschädigen.

In Kleinanlagen hat man die Wahl zwischen 2 Typenvon Generatoren– der Synchron-Generator– der Asynchron-Generator

In beiden Fällen– besteht die Maschine aus einem Stator und ei-

nem Rotor,– steht die induzierte Spannung (meist 3phasig)

an den Klemmen der Statorwicklung an.

3.2 Einführung

3.2.1 Magnetfeld

Symbol: HEinheit: Ampere pro Meter [A/m]

Hängt man einen Permanentmagneten nach Abb.3.1 auf, richtet er sich nach dem Erdmagnetfeld aus.– Das sich nach Norden ausrichtende Ende nennt

man den “Nordpol”,– das sich nach Süden ausrichtende Ende nennt

man den “Südpol”.

Abbildung 3.1: Freihängender Stabmagnet

Nordpol

SüdpolNord ↔ Süd Richtung

32

3. Generatoren

Streut man feine Eisenspäne um einen Magneten(Abb. 3.3), werden magnetische Feldlinien sichtbar,die sich um die Pole bündeln. Magnetische Feld-linien sind immer geschlossen, d.h. sie treten beimPermanentmagneten am Nordpol aus und kehrenam Südpol zurück.– Gleiche Pole stossen sich ab,– verschiedene Pole ziehen sich an, was sich eben-

falls in den Feldlinien widerspiegelt (Abb. 3.4 und3.5).

• Eisen im MagnetfeldEin ferromagnetisches Material (Eisen) verändertdas Magnetfeld. Die Feldlinien versuchen demEisen zu folgen und werden zudem verstärkt(Abb. 3.6).

Abbildung 3.2: Feldlinien

Abbildung 3.5: AnziehungAbbildung 3.3: Sichtbar machen eines durch ein Stab-magnet erzeugtes Feld

Abbildung 3.4: Abstossung Abbildung 3.6: Feldlinien in einem Eisenstück

N SN S

S

N

NS

N S

NS SN

SNSN

33

3. Generatoren

• durch Stromschleifen erzeugteMagnetfelderJeder stromdurchflossene Leiter wird von einemMagnetfeld umwirbelt (Abb. 3.7), wobei derWirbelsinn von der Stromrichtung abhängt.

Dieses Magnetfeld lässt sich verstärken, wenn manden Leiter zu einer Spule aufwickelt. Dadurch ent-steht ein Elektromagnet (Abb. 3.8).

Die Stärke des Magnetfeldes H hängt ab von– der Stromstärke I– der Windungszahl N– der mittleren Länge der Feldlinien L

HN I

L= ⋅

A/m

Das Produkt NxI nennt man den Strombelag θ.

3.2.2 Magnetischer Fluss

Symbol: ΦEinheit: Weber [Wb]

Die Summe aller Feldlinien im Innern der Spule inAbb. 3.8 wird der magnetische Fluss Φ genannt.

3.2.3 Magnetische Induktion

Symbol: BEinheit: Tesla [T=Wb/m²]

Die magnetische Induktion B ist der magnetischeFluss pro Flächeneinheit.

BA

= Φ T

A = Fläche

aus der Abb. 3.9: A=25 cm²=0.0025 m²falls Φ=0.0025Wbdann B=1T

Abbildung 3.7: Durch einen Strom erzeugtes Magnetfeld

Abbildung 3.8: Durch eine Spule erzeugtes Magnetfeld

Abbildung 3.9: Beispiel

H

Richtungssinndes magn. Feldes

N

S

Fluss-linien

N (Windung)

N S

L

I

A = 25 cm2

34

3. Generatoren

Abbildung 3.10: Anziehungskräfte durch Strom

Abbildung 3.12: Kräfte durch das Zusammenspiel vonStrom und Magnetfeld

Abbildung 3.11: Abstossungskräfte durch Strom

3.2.4 Erzeugen einer elektromagneti-schen Kraft

• Beeinflussung zweier Ströme:– gleichsinnige Ströme in parallelen Leitern zie-

hen sich an (Abb. 3.10),– gegensinnige Ströme in parallelen Leitern

stossen sich ab (Abb. 3.11).

• Beeinflussung eines Stromes und eines Ma-gnetfeldes:Wird ein stromdurchflossener Leiter in ein Ma-gnetfeld gegeben, so dass das magn. Feld senk-recht zur Stromrichtung steht (Abb. 3.12), erfährtder Leiter eine Kraft F, die proportional zu

– der magn. Induktion B,– dem Leiterstrom I– und der magnetfelddurchdrungenen Länge L des

Leiters ist.

Die Auslenkkraft F ist dann

F B I L= ⋅ ⋅ N

→F

→F

→F →

F

N S

B

FI

35

3. Generatoren

Die Kraftrichtung kann man über die sog. „linkeHand“ Regel ableiten und hängt von der Strom- undFeldrichtung ab (Abb. 3.13).

3.2.5 Induzierte Spannung

Nimmt man dieselbe Anordnung wie in Abb. 3.12,belässt aber den Leiter stromlos und schliesst einSpannungsmessgerät an seine Enden, lässt sich fol-gendes beobachten. Sobald der Leiter im Magnet-feld bewegt wird, entsteht eine Spannung, die sog.induzierte Spannung (Abb. 3.14).

Die induzierte Spannung ist proportional zu– der magn. Induktion B,– der Geschwindigkeit v– und der magnetfelddurchdrungenen Länge L des

Leiters.

U B v Li = ⋅ ⋅ V

Die Richtung des induzierten Stromes, der beimSchliessen des el. Kreises fliesst, kann man überdie sog. „rechte Hand“ Regel ableiten (Abb. 3.15).

Eine induzierte Spannung entsteht an den Endeneines Leiters oder einer Spule, wenn– der Leiter (oder eine Spule) sich im Magnetfeld

bewegen,– sich der magnetische Fluss durch den Leiter (oder

die Spule) ändert.

Für eine Spule mit N Windungen ist

U Nti = + ∂φ

∂V

Die Gesamtspannung einer Wicklung mit demInnenwiderstand R ist demnach die induzierte Span-nung minus der Spannungsabfall am Innen-widerstand

U R I Ntto t = − ⋅ + ∂ φ

∂V

Abbildung 3.13: Kraftrichtung

Abbildung 3.14: Induzierte Spannung

Abbildung 3.15: Stromrichtung (rechte Hand Regel)

→F

→I

→B

Kraft

Strom

Magnetfeld

induzierterStrom

S

IN

rechte Handregel(Generator)

I induziert

S

V

NFlux

∅

36

3. Generatoren

Abbildung 3.16: Elementarer Generator

Abbildung 3.17: Wirbelströme im Pendel

Abbildung 3.18: Geblechte Kerne

3.2.6 Elementarer GeneratorInduzierte Spannung auf Grundeiner Bewegung oder Drehung

Die Flussänderung durch eine Leiterschleife (oderSpule) kann erzeugt werden, indem sich dieseSchleife in einem Magnetfeld (Permanent- oder Elek-tromagnet) dreht (Abb. 3.16). Es ist leicht ersicht-lich, dass der Fluss durch die Schleife maximal ist,wenn sie senkrecht zum Feld steht, und Null wird,wenn sie parallel dazu steht.

3.2.7 Lenz’sche Regel und Wirbelströme

Induzierte Spannungen und Ströme richten sich im-mer so aus, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken(Lenz’sche Regel). Ein Beispiel ist in Abb. 3.17 wie-dergegeben: Ein massives, leitendes Pendel wirdabrupt abgebremst, wenn es in ein Magnetfeldschwingt. Der Grund sind durch das eindringendeMagnetfeld induzierte Wirbelströme im Metall, dieihrerseits Magnetfelder erzeugen, die das äussereFeld abstossen.

Wirbelströme erzeugen beträchtliche Verluste in ma-gnetischen Kreisen. Um sie zu verringern, müssenmagn. Kerne geblecht werden (Abb. 3.18).

KupferPlatte

Pendel

induzierterStrom

Niete

0.5mm Bleche(isoliert!)

Kern

Blech

Niete

Isolation

37

3. Generatoren

3.3 Synchron-Maschine

3.3.1 Allgemeines

Im Motorbetrieb ist die Drehzahl der Maschine festdurch die Netzfrequenz vorgegeben. Ebenso ist imGeneratorbetrieb die Frequenz der abgegebenenLeistung fest durch die Rotordrehzahl vorgegeben.Diese Eigenschaft gab der Maschine den Namen„Synchron-Maschine“.

Die el. Frequenz eines Synchrongenerators ist pro-portional zur Drehzahl und hängt nur von der Pol-zahl ab.

f = p € n Hz

p = Polpaarzahln = Umdrehungen pro Minute [rpm]

Für eine Frequenz von 50Hz ergeben sich folgendeVerhältnisse:

Polpaare P Pole p Drehzahl nrpm

1 2 30002 4 15003 6 10004 8 7505 10 6006 12 500

Table 3.1: Zusammenhang zwischen Polzahl und Dreh-zahl bei 50 Hz.

38

3. Generatoren

3.3.2 Prinzip

In einer Synchron-Maschine (Abb. 3.19) unterschei-det man:– den Erreger (Rotor), der entweder ein von Gleich-

strom durchflossener Elektromagnet oder einPermanentmagnet ist,

– den (Stator), der die induzierte Leistung (meistdreiphasig) abgibt.

Der dreiphasige Stator besteht aus drei unabhän-gigen, identischen Wicklungsgruppen, die jeweilsum einen elektrischen Winkel von 120° verschobensind. Sie erzeugen dreiphasige Wechselströme,die ein Dreiphasen-Netz bilden.

Abbildung 3.19: Schematische Darstellung einer Synchron-Maschine

Rotor

Stator

Schleifringe fürErregungsstrom

Antriebsriemen

3φ Anschluss

39

3. Generatoren

Der Stator wird im Prinzip wie in Abb. 3.20 und Abb.3.21 konstruiert. Die Wicklungen werden in den Nu-ten eingelassen und entsprechend der Pol- undPhasenzahl verbunden.

Ein vereinfachtes Wicklungsschema einer 4poligenMaschine ist in Abb. 3.22 abgebildet. Die Indicesentsprechen den Phasen, die Buchstaben derZusammenschaltung der Pole (a-b & c-d).

3.3.3 Drehfelder

Werden die so angeordneten Wicklungen durch einDreiphasen-Netz gespeist, erzeugen sie ein magn.Drehfeld, dessen Drehzahl ΩS von der Netzfrequenzund der durch die Statorwicklung bestimmten Pol-zahl abhängt.

ΩS Spn= = ⋅ ⋅ω π2 rad/s

ΩS Winkelgeschwindigkeit StatorfeldnS Drehzahl rpm

Die Rolle des Rotors ist ebenfalls die Erzeugung ei-nes rotierenden Magnetfeldes, das in den Stator-wicklungen die Netzspannung induziert.

Abbildung 3.22: Vereinfachte Darstellung einer4poligen Wicklung

Abbildung 3.21: Dreiphasiger Stator 4polig

Abbildung 3.20: Dreiphasiger Stator 2polig

S1

S2

E1

E2

E3

40

3. Generatoren

Der Rotor ist also eigentlich nichts anderes als einrotierender Magnet und ist entweder:– ein Permanentmagnet, dessen Fluss konstant ist

und dementsprechend die induzierte Spannungnur von der Drehzahl abhängt,

– ein Elektromagnet mit einer Erregerwicklung,dessen Fluss durch den Erregerstrom erzeugtwird, wodurch die induzierte Spannung durchden Erregerstrom gesteuert werden kann

Konstruktiv sind 2 Typen möglich:– eingelassene Pole (Spalt ist konstant)– ausgeprägte Pole

Für Maschinen kleiner Leistung sind aus wirtschaft-lichen Gründen ausgeprägte Pole selten. Die Ma-schinenbauer verwenden meist Rotorblechpaketeaus Asynchron-Maschinen. Die Wicklungen werdenwie beim Stator in den Nuten verlegt.

Die verschiedenen Möglichkeiten, den Erregerstromeinzuspeisen, sind in den Abb. 3.23 bis 3.25 gezeigt.

Abbildung 3.23: Externe Erregungsmaschine

Abbildung 3.24: Erregung mittels “rotierender Dioden” Abbildung 3.25: Erregung mittels Stromrückführung

Rotor

Stator

41

3. Generatoren

Abbildung 3.26: Leistungsbilanz

Abbildung 3.27: Normsymbol der Synchron- Maschine

3.3.4 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad

(siehe Abb. 3.26)

Die vom Synchrongenerator absorbierte mechani-sche Leistung Pabs ist gleich der auf der Welle ver-fügbaren mechanischen Leistung Pmec (Pabs = Pmec ).

Die ans Netz oder den Verbraucher abgegebeneWirkleistung Pwirk ergibt sich aus der Klemmen-spannung (Strang) einer Phase (z.B. 230V) und demjeweiligen Strangstrom. Sind die Phasen symme-trisch, ergibt sich:

P U Iwi rk Strang Strang= ⋅ ⋅ ⋅3 cos ϕ

Mit der entsprechenden Phasenspannung (z.B.400V) und dem Phasenstrom ergibt sich

P U Iwirk aussen Leiter= ⋅ ⋅ ⋅3 cos ϕ

Die Differenz zwischen der vom Generator aufge-nommenen und abgegebenen Leistung entsprichtden Gesamtverlusten im Generator:

P P Verlusteabs w i rk− = Σ

Die verschiedenen Verluste sind:– Reibungs- und Ventilationsverluste– Widerstandsverluste in den Stator und Rotor-

wicklungen (Kupferverluste)– Verluste im magn. Kreis oder Eisenverluste

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der abgegebe-nen zur aufgenommenen Leistung:

η = =+ ∑

P

P

P

P Verlustewirk

abs

wirk

wirk

3.3.5 Symbole

Das Normsymbol einer Synchronmaschine ist inAbb. 3.27 wiedergegeben.

Pabs

Pwirk

→ Reibung

→ Ventilation

→ Kupfer

→ Eisen

U1

V1

W1

IeSM3~

42

3. Generatoren

3.3.6 Induzierte Spannung

Die induzierte Spannung Ui an den Klemmen einerPhase sind proportional– zur Frequenz f, d.h. zur Drehzahl– zum magn. Fluss φ des Erregerfeldes, das durch

den Erregerstrom erzeugt wird– zur Windungszahl N der seriegeschalteten Win-

dungen einer Phase

U K N fi = ⋅ ⋅ ⋅ φ V

Diese Formel beschreibt den Effektivwert einer ein-fachen Leiterspannung in Sternschaltung (L-N).

Ist die Drehzahl konstant, ist die induzierte Span-nung proportional zum Erregerstrom

U K Ii err= ⋅' V

Die tatsächliche Abhängigkeit der induzierten Span-nung vom Erregerstrom ist in Abb. 3.28 wiederge-geben und wird Leerlaufcharakteristik genannt.

3.3.7 Generatorbetriebsverhalten

Speist der Generator bei konstanter Drehzahl einInselnetz, hängt die induzierte Spannung stark vomLaststrom und dem Leistungsfaktor ab (Abb. 3.29).

Deshalb muss, um die Spannung konstant zu hal-ten, der Erregerstrom geregelt werden. Bei kleine-ren Maschinen ist dieser Regler bereits in den Ge-nerator eingebaut.

Um die Frequenz zu halten, muss der Durchflussdurch die Turbine geregelt werden.

Näheres dazu in Kapitel 4 & 5.

Abbildung 3.28: Leerlaufcharakteristik; der Betriebspunktbefindet sich normalerweise im Bereich zwischen denPunkten A und B

Abbildung 3.29: Belastungscharakteristik; die Kennlini-en sind für 3 verschiedene ϕ Werte aufgetragen.

Konst.

Konst.

43

3. Generatoren

3.3.8 Übung

1. Ein dreiphasiger sterngeschalteter Generatorspeist eine 3phasige Last mit folgenden Werten:3x380V 6.0A cosϕ = 0.85– Wie gross sind Wirk-, Blind- und Schein-

leistung der Last?– Wie gross ist die mechanische Antriebs-

leistung bei einem bekannten Generator-wirkungsgrad von 89.5%?

– Wie gross ist die Generatorverlustleistung?

2. Ein 4poliger Generator (50Hz, 3x380V, Y) speisteinen 3phasigen Asynchron- Motor, der eine Lei-stung von 3.0kW absorbiert. Der Leistungsfaktordes Motors ist 0.9; auch er ist sterngeschaltet.Der Generator absorbiert eine Leistung von3.4kW– Berechnen Sie den Leitungsstrom– Welches ist der Wirkungsgrad des Generators

unter dieser Betriebsbedingung?

3. Ein permanent erregter Generator liefert eineLeerlaufspannung von 220V bei einer Drehzahlvon 1500rpm– Welches ist die Spannung, wenn sich die

Drehzahl auf 2000rpm erhöht?

Antworten:1. 3357W, 2080VAr, 3949VA, 3751W, 394W2. 5A, 88.24%3. 293.3V

44

3. Generatoren

3.4 Dreiphasige AsynchronMaschine

3.4.1 Allgemeines

Die asynchron Maschine, auch Induktionsmaschinegenannt, kann, wie alle elektrischen Maschinen alsMotor oder als Generator betrieben werden. Sie istder weitaus verbreitetste Elektromotor, weil sie ein-fach, rubust und billig ist. Dies hat seine Ursachevor allem darin, dass der Rotor keine Wicklungenund externe Anschlüsse aufweist (ausser gewickel-te Konstruktionen).

Den Namen erhält die Maschine dadurch, dass dasRotorfeld durch das Statorfeld induziert wird undzwischen diesen Feldern ein Drehzahlunterschied,der sogenannte Schlupf, besteht. Die Rotordrehzahlund die Netzfrequenz sind demnach nicht synchron-> asynchron.

3.4.2 Prinzip

Auch die asynchron Maschine besteht aus einemStator und dem beweglichen Rotor. Beide Elemen-te werden geblecht hergestellt (Blechdicken zwi-schen 0.2 bis 0.5mm) um die Wirbelstromverlustezu minimieren.

• Der Stator ist konstruktionsgleich einer syn-chron Maschine (vgl Kapitel 3.3.2)

• Der Rotor trägt entweder kurzgeschlossene Wick-lungen oder massive verbundene Leiter (Käfig-anker). In beiden Fällen wird das Erregerfeld überInduktionsströme erzeugt.

• Der Käfiganker ist die am häufigsten verwen-dete Rotorform. In den Rotornuten werdenAluminiumleiter eingepresst, die an den Rotor-enden mit Kurzschlussringen verbunden wer-den. Da die Spannungen über den Leitern kleinsind und Aluminium ein wesentlich bessererLeiter ist als das geblechte Rotoreisen, kann manauf eine Isolation der Leiter verzichten.

• Gewickelte Rotoren tragen in den Nuten Wick-lungen wie der Stator, die im Normalbetrieb kurz-geschlossen sind. Für einen verbesserten Anlaufkönnen jedoch Anlaufwiderstände eingeschaltetwerden.

45

3. Generatoren

Abbildung 3.30: Prinzipieller Aufbau einer asynchron Maschine

3.4.3 Symbol

Das Normsymbol einer Asynchronmaschine ist inAbb. 3.31 wiedergegeben.

KäfigankerStatorwicklung

Statorgehäuse

Abbildung 3.31: Normsymbol einer Asynchron-Maschi-ne

46

3. Generatoren

3.4.4 Magnetisches Drehmoment

Durch das Statordrehfeld werden Spannungen inden Leitern des Rotors induziert. Da diese kurzge-schlossen sind, fliessen Induktionsströme, die wie-derum Magnetfelder erzeugen. Nach der Lenz’schenRegel verhält sich dieses induzierte Rotorfeld so,dass es versucht, das ursächliche Statorfeld aufzu-heben, d.h. es rotiert mit. Diese magn. Koppelungergibt ein Drehmoment und bewirkt, dass sich derRotor zu drehen beginnt, um im belastungsfreienFall gerade die Drehzahl des Statorfeldes zu errei-chen. Dabei verringert sich jedoch die Induktions-wirkung und damit verschwindet das Rotorfeld, wo-mit auch das mech. Drehmoment verschwindet. Ummech. Leistung aufzunehmen (Generator) oder ab-zugeben (Motor), benötigt diese Maschine Schlupf,d.h. einen Drehzahlunterschied zwischen Rotor undDrehfeld.

Ωs Winkelgeschwindigkeit des Statorfeldes

Ω Winkelgeschwindigkeit des Rotors

Ωs-Ω rel. Winkelgeschwindigkeit des Rotorfeldes

Hat die Maschine P Polpaare, ist die Frequenz derinduzierten Rotorströme

( )ω ωr S S SP P s s= ⋅ − = ⋅ ⋅ = ⋅Ω Ω Ω

Dabei ist s der Schlupf, eine relative Grösse in %,die den Unterschied der Feld- und Rotordrehzahlwiedergibt.

( ) ( )s

n n

nS

S

S

S

=−

=−Ω Ω

Ω

Abbildung 3.32: Feld im SpaltDas resultierende Feld im Luftspalt ist sinusförmig. Esist hier in Richtung des Einheitsvektors nT eingezeichnet.Dieses Feld rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit Ωs. Esentsteht aus der Überlagerung des Statorfeldes (Winkel-geschwindigkeit Ωs) und des Rotorfeldes (Winkel-geschwindigkeit Ω+(Ωs-Ω)=Ωs).

47

3. Generatoren

3.4.5 Leistung und Drehmoment

Die Wirkleistung P, die von einem Motor aufgenom-men oder einem Generator abgegeben wird, lässtsich ausdrücken als

P U I= ⋅ ⋅ ⋅3 cosϕ W

U = AussenleiterspannungI = Leiterstromϕ = Phasenverschiebung zwischen Strom und

Spannung

Die mechanische Leistung Pmec an der Motorenwelleist eine Funktion des Drehmoments und der Dreh-zahl,

P M M fm ec m ec m ec= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅Ω 2 π

wobei Ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist.

Das Verhältnis der aufgenommenen und abgege-benen Leistung entspricht dem Wirkungsgrad derMaschine.

η = =+

P

P

P

P Verlusteaus

ein

aus

aus Σ

Die Differenz dieser beiden Leistungen entsprichtden Gesamtverlusten der Maschine.

P P Verlusteein aus− = Σ

Abbildung 3.33: LorenzkräfteDie Stäbe eines Käfigankers sind von einem Drehfelddurchdrungen. Da dieses mit der WinkelgeschwindigkeitΩs rotiert und gleichzeitig einen Strom in den Stäbeninduziert, rotiert synchron ein “Strombelag” und damitverbunden ein “Kraftbelag” über den um den Schlupflangsameren Rotor.

48

3. Generatoren

Abbildung 3.34: Leistungsbilanz als Motor

Abbildung 3.35: Leistungsbilanz als GeneratorPFe = Eisenverluste des StatorsPCus = Kupferverluste des StatorsPCur = Kupferverluste des RotorsPR+L = mech. Verluste

Im wesentlichen unterscheidet man 4 Verluste:

• mechanische Verluste: PR+VLagerreibung und Ventilation

• Eisen-Verluste: PFeUmmagnetisierungs- (Hysterese) und Wirbelst-romverluste, beides Verluste die nur bei Wechsel-felder entstehen. Für den Rotor ist die Frequenzdieser Felder sehr klein und hier können dieseVerluste vernachlässigt werden.

• Kupfer-Verluste: PcuIm Stator:

P R ICUs S S= ⋅ ⋅3 2

wobei RS der Widerstand einer Statorwicklungist und Is der Statorstrom.Im Rotor:

P Z R ICUr r r r= ⋅ ⋅ 2

wobei Rr der Widerstand eines Leiterstabes istund Zr die Anzahl der Stäbe und Ir der Rotor-strom.

• Zusatzverluste: PZusSie sind die Folge von höheren Harmonischendes Magnetfeldes und der Nuten; sie betragenschätzungsweise 0.5% der abgegebenen Lei-stung.

Die Energiebilanz oder Leistungsflüsse erlaubt diedetaillierte Analyse der Energieumwandlung einesMotors oder eines Generators (Abb. 3.34 und 3.35).

Die im Motorbetrieb an den Rotor abgegebeneLeistung (Pδ oder Pem) entspricht der aufgenomme-nen el. Leistung abzüglich der Eisen-, Kupfer- undZusatzverluste des Stators.

P P P P Pem el Fe CUs Zus= − − −

Pem wird elektromagnetische oder auch Spalt-Lei-stung genannt. Sie wird dem Rotor mittels demmagn. Moment aufgrund des Drehfeldes übertra-gen,

P M M nem em S em S= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅Ω 2 π

49

3. Generatoren

wobei ΩS die Winkelgeschwindigkeit des Stator-drehfeldes ist.

Das elektromagnetische Moment ist für den Statorund den Rotor dasselbe. Jedoch ist die Rotor-drehzahl um den Schlupf kleiner als das Drehfeld.

( )Ω Ω= − ⋅1 s S

Damit ist auch die mechanische Leistung kleiner alsdie elektromagnetische:

P Mmec em= ⋅ Ω

Die Differenz entspricht den Verlusten im Rotor

( )P P P M M sCUr em mec em S em S= − = ⋅ − = ⋅ ⋅Ω Ω Ω

P s P Z R lCUr em r r r= ⋅ = ⋅ ⋅ 2

Daraus erhält man

( )P s Pmec me= − ⋅1

und

PZ R l

semr r r=

⋅ ⋅ 2

Die abgegebene Leistung erhält man, indem nochdie mech. Verluste abgezogen werden:

P P Paus mec R V= − +

oder als Moment ausgedrückt

MP

M Mausaus

em R V= = − +Ω

mit

MP

R VR V

++=

Ω

50

3. Generatoren

Bemerkung:

Das elektromagnetische Moment ist proportionalzur Verlustleistung im Rotor.

MP Z R I

semem

S

r r r

S

= =⋅ ⋅⋅Ω Ω

2

Im Anlauf, wenn die mech. Verluste 0 sind und derSchlupf 1 ist, erhält man:

MZ R I

ausStartr r r

S

=⋅ ⋅ 2

Ω

Abbildung 3.36: Momentenkurve in Funktion der Geschwindigkeit oder des Schlupfes.Im Normalbetrieb arbeitet der Motor im linearen Bereich der Kurve zwischen 0% bis 10% Schlupf.

Nenn M.

Leerlauf M. Drehzahl

GeneratorMotorBremse

Normalbetrieb

Anlauf M.

kritischer Moment

Nen

ndre

hzah

l

sync

h. D

rehz

ahlM

51

3. Generatoren

3.4.6 Charakteristik

Die Asynchron-Maschine ist durch eine Momenten-kurve nach Abb. 3.36 charakterisiert. Ebenfalls inter-essieren verschiedene Motorenwerte in Abhängig-keit der mech. Leistung:– Wirkungsgrad– Leistungsfaktor– Strom– Drehmoment– Schlupf

Abbildung 3.37: Charakteristik eines asynchron Motors

52

3. Generatoren

Abbildung 3.38:Charakteristik einer Asynchron-Maschine als Motor und als Generator

3.4.7 Generatorbetrieb

Wie vorgängig gezeigt, kann eine Asynchron-Ma-schine als Generator betrieben werden, wenn:– sie mit übersynchroner Drehzahl angetrieben

wird (Turbine). Dadurch wird der Schlupf nega-tiv. Im Generator Nennbetrieb entspricht die ab-gegebene Leistung der als Motor aufgenomme-nen bei gleichem positiven Schlupf. Somit kön-nen die Betriebsdaten aus dem Typenschild ab-gelesen werden (Kap. 4.1).

– Die Asynchron-Maschine benötigt immer Blind-leistung, um das Erregerfeld zu induzieren. Die-se muss entweder vom Netz oder vonKondensatorbatterien geliefert werden (Kap. 4.2und 4.3).

– Eine Asynchron-Maschine ist nur mit speziellenReglern im Inselbetrieb einsetzbar.

Motor

In

I / In

cos ϕm

ηm

cos ϕg

ηg

Pel / PmecN

Nen

npun

ktG

ener

ator

Nen

npun

kt M

otor

53

3. Generatoren

Im Generatorbetrieb ist der Wirkungsgrad definiertals

η =P

Pel

mec

Bei Nennstrom sind die Rotorverluste hier jedochdeutlich höher als im motorischen Betrieb. Die Rotor-ströme sind hier höher, wodurch sich auch der Wir-kungsgrad gegenüber dem Motorbetrieb verringert.

3.4.8 Übungen

1. Ein Käfigankermotor (220/380V, 50Hz) ist an Dreh-strom 380V, 50Hz angeschlossen. Welche Schal-tung muss verwendet werden?

2. Ein Asynchron-Motor hat folgende Werte:5kW, 220/380V, 50Hz, 732rpmWie viele Pole hat diese Maschine?

3. Ein sterngeschalteter Asynchron-Motor wird voneinem Drehstromnetz gespiesen (3x400V, 50Hz).Jede Phase des Stators hat einen Widerstand vonRs=0.40 bei 75C. Der Leitungsstrom beträgt 11.2A.Welches sind die Kupferverluste des Stators?

4. Ein dreiphasiger Asynchron-Motor nimmt eineelektrische Leistung von P=9.0kW auf.Die Eisen- und Kupferverluste des Stators betra-gen 500W. Der Schlupf beträgt 2.5%.Bestimmen Sie die Wärmeverluste im Rotor.

5. Die Belastungsversuche eines dreiphasigenAsynchron-Motors (6 polig), dessen Statordreieckgeschaltet ist, haben folgende Resultateergeben:U=400VI=24APa=14.8kWn=970rpm

Leerlaufversuch:U=400VI0=11APa=360W

Widerstandsmessung des StatorsRs=0.50 bei 20C

54

3. Generatoren

Bestimmen sie nun folgendes:– den Schlupf s– den Leistungsfaktor– die Summe der Statoreisenverluste und me-

chanischen Verluste– die Statorkupferverluste bei Nennlast– die Rotorkupferverluste bei Nennlast– die abgegebene mechanische Leistung und

den Wirkungsgrad– das Wellendrehmoment

6. Eine Asynchron-Maschine wird im Netzverbundals Generator betrieben. Die Betriebsdaten sinddie folgenden:U = 380VI = 5Acosϕ = 0.65η = 80%

Bestimmen Sie– die ans Netz abgegebene Wirkleistung– die bezogene Blindleistung– die mechanische Antriebsleistung

Für die gleichen Bedingungen möchte man durchZuschalten von Kondensatoren den Leistungs-faktor auf 1 bringen.

Bestimmen Sie hierfür– den Leitungsstrom– den Strom im Generator

Antworten:1. Stern2. 8 Pole3. 50W4. 213W5. 3.0%, 0.89, 300W, 288W, 426W, 13.8kW, 93.5%,

135.7Nm6. 2145W, 2356var, 2681W, 3.25A, 5A

55

4. Anwendung von Generatoren

4 . Anwendung von Generatoren

4.1 Typenschilder 57

4.2 Anschlussklemmen 62

4.3 Netzverbundbetrieb 644.3.1 Charakteristik bei konstanter Spannung und Frequenz 644.3.2 Regelung der Wirkleistung 644.3.3 Blindleistungs-/ Leistungsfaktorregelung 664.3.4 Anfahren 68

4.4 Inselbetrieb 704.4.1 Charakteristik 704.4.2 Frequenzregelung 704.4.3 Spannungsregelung 724.4.4 Konstanter Durchfluss - Ballast 724.4.5 Verwendung eines 3φ Asynchron- Motors als 1φ Asynchron-Generator 744.4.6 Anfahren 75

4.5 Sicherheit 78

56


57


4 . Anwendung von Generatoren

4.1 Typenschilder

Die wichtigsten Angaben die man auf dem Typen-schild findet, sind die folgenden (siehe Abb. 4.1 und4.2 Beispiele eines Asynchron-Motors resp. einesSynchron- Generators):

1. Hersteller

2 . Typ

3 . Seriennummer

4 . Referenznorm

Meistens bezieht man sich auf die Empfehlun-gen der IEC 34-x (International ElectrotechnicalCommittee), das drehende Maschinen nor-miert.In anderen Fällen bezieht man sich auf Landes-normen. Für die Schweiz ist dies der SEV(Schweizerischer Elektrotechnischer Verein), dersich seinerseits oft auf die IEC Normen bezieht.

5 . Ausführung und Montage

(siehe Tabelle 4.3)

6 . Schutzart: Ipxy

Es handelt sich um Schutz vor eindringendenTeilen (x) und Wasser (y) (siehe Tabelle 4.4).

7. Isolationsklasse

Definiert die max. Betriebstemperatur (sieheTabelle 4.5).In den meisten Fällen sind Maschinen kleinerLeistung als B oder F klassiert.

8 . Nennleistung/ Maximalleistung

a) Synchron-MaschinenDies ist die Scheinleistung [VA]

S Uaussen Leiter= ⋅ ⋅3 Ι (VA)

wobei U und I den Nennwerten für Span-nung und Strom entsprechen (vergleiche 11& 14).Die maximale Wirkleistung. die diese Ma-schine liefern kann, ist:

P S Uaussen Leiter= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅cos cosϕ ϕ3 Ι

Abbildung 4.1: Typenschild eines Asychronmotors

Abbildung 4.2: Typenschild eines Sychrongenerators

58


b) Asynchron-MaschineHier handelt es sich um die NennleistungPmec an der Welle im Motorbetrieb. Die ent-sprechende elektrische Wirkleistung ist

PP

Uelmech

aussen Leiter= = ⋅ ⋅ ⋅. cosη

ϕ3 Ι

wobei U und I den Nennwerten f ür Span-nung und Strom entsprechen (vergleiche 11& 14).Die maximale Leistung, die im Generator-betrieb abgegeben werden kann, ist

P Uel aussen Leitermax. = ⋅ ⋅3 Ι

mit cosϕ = 1Für Maschinen kleiner Leistung kann folgen-des angenommen werden:

P Pel mech nommax. . .=

9 . Betriebsart

Hier handelt es sich um die vorgesehene Be-triebsart der Maschine, ohne ihre erlaubteBetriebstemperatur zu überschreiten. S1 z.B.bedeutet Dauerbetrieb (siehe Tabelle 4.6).

10. Vom Hersteller vorgesehener Betrieb

Mot= MotorGen= Generator

11. Nennspannung/ Anschluss

Es handelt sich um die verkettete Spannung(zwischen 2 Phasen), zulässiger Bereich ±5%∆ DreieckY SternFür Synchron-Maschinen wird der Stator im-mer in Sternschaltung angeschlossen, um die3. Harmonische zu unterdrücken.Anschlussschema-Ref. Kap 4.2.

12. Nennfrequenz

Frequenz für welche die Maschine ausgelegtwurde.

13. Anzahl Phasen

14. Nennstrom

Es handelt sich hier um den Leiterstrom. Erentspricht demjenigen Wert, für den die max.Erwärmung garantiert ist. Die Dauer einer mög-lichen Überschreitung muss begrenzt werden,um die Wicklungsisolation nicht zu gefährden.

15. Leistungsfaktor

a) Synchron-MaschineWert, für welchen die Erregungsschaltungausgelegt wurde.

b) Asynchron-MaschineWert unter Nennleistung als Motor

16. Drehzahl

a) Synchron-MaschineSynchrondrehzahl

b) Asynchron-MaschineDrehzahl nm bei Nennleistung als MotorIm Generatorbetrieb kann die Drehzahl ugfolgendermassen abgeschätzt werden

n n ng s m= ⋅ −2

ns ist die synchrone Felddrehzahl

17. Drehrichtung

Von der Kupplung aus gesehen. Manchmalfehlt diese Angabe, ist dann jedoch auf demGehäuse angebracht.

18/19. Rotor-Strom/Spannung

a) Synchron-Maschine mit Erregerwicklungauf dem Rotor.Der Erregerstrom Ae entsprechend denNennwerten für Spannung, Strom undLeistungsfaktor. Er entspricht demjenigenWert, für den die max. Erwärmung garan-tiert ist.Die Erregungsspannung Ve entspricht demStrom Ae nach der Beziehung:

Ve = Re • Ae

wobei Re dem Erregerwicklungswiderstandbei 75°C entspricht.

59


b) Asynchron-Maschine (gewickelt)Die Spannung entspricht der induziertenSpannung bei offener Klemme und bei Still-stand.Der Strom entspricht dem Kurzschlussstrombei Nennlast.

20 . Weitere Angaben

wie Gewicht, Trägheit, Kühlmedium etc.

Tabelle 4.3: Ausführungsformen und Montage (CEI 34-7)

horizontal

vertikal

horizontal

vertikal

horizontal

vertikal

vertikal

horizontal

B 3 B 6 B 7 B 8

V 5 V 6

B 5

V 1 V 3

B 14

V 18 V 19

B 3 / B 5 B 3 / B 14

V 5 / V 1 V 6 / B 3

60


IP KennziffernIP Kennziffern Schutzarten für el. BetriebsmittelSchutzarten für el. Betriebsmittel

1ste Ziffer 0 bis 6 Berührungs- und Fremdkörperschutz

2te Ziffer 0 bis 8 Wasserschutz

1ste Ziffer1ste Ziffer BennenungBennenung 2te Ziffer2te Ziffer BennenungBennenung

0 kein Schutz 0 kein Schutz

1 Schutz gegen Fremdkörper 1 Schutz gegen senkrecht fallendes Tropfwasser>50mm

2 Schutz gegen Fremdkörper 2 Schutz gegen schrägfallendes Tropfwasser>12mm

3 Schutz gegen Fremdkörper 3 Schutz gegen Sprühwasser>2.5mm

4 Schutz gegen Fremdkörper 4 Schutz gegen Spritzwasser>1mm

5 Schutz gegen Staubablagerung 5 Schutz gegen Strahlwasser

6 Schutz gegen Staubeintritt 6 Schutz bei Überflutung

7 Schutz beim Eintauchen

8 Schutz beim Untertauchen

Tabelle 4.4: Schutzklasse (CEI 34-5 + DIN 40’050)

61


Tabelle 4.5: Isolationsklasse und Höchst- Erwärmung/-Temperatur für Maschinenleistungen unter 200kW (CEI 34-1)

Tabelle 4.6: Arbeitszyklen (CEI 34-1)

Beispiel: Arbeitszyklus Typ S4- periodisch unterbrochen mit anfahren

A=Anfahren

N=Nennbetrieb

P=Pause

Tmax=während des Zyklus erreichte maximal Temperatur

Betriebsfaktor= A N

A N P+

+ +⋅100%

Isolationsklasse Max. Erwärmung Max. Temperatur

A 60°C 105°CE 75°C 120°C

B 80°C 130°CF 105°C 155°CH 125°C 180°C

Kennzeichen Betriebsart Betrieb

S1 Dauerbetrieb

S2 zeitweiser Betrieb

S3 aussetzender periodischer Betrieb

S4 aussetzender Betrieb mit Anlauf

S5 aussetzender Betrieb mit Anlauf und el. Bremsung

S6 unterbrochener Betrieb mit Wechsellast

S7 unterbrochener Betrieb mit Anlauf und Bremsung

S8 unterbrochener Betrieb mit Geschwindigkeitsänderung

62


4.2 Anschlussklemmen

Die Anschlussklemmen einer dreiphasigen elektri-schen Maschine bestehen aus:

a) Für den Stator: 3 oder 6 KlemmenGibt es nur drei Klemmen, ist die Schaltung be-reits maschinenintern gemacht (Stern oder Drei-eck). Die einzige Möglichkeit, dies zu erkennen,ist das Typenschild.Gibt es 6 Anschlüsse, wird die Schaltung nachAbb. 4.7 und 4.8 vorgenommen.Um den Drehsinn zu ändern, werden dieäusseren Phasenleiter vertauscht.

b) Für den RotorIm Falle von Synchron-Maschinen:2 Anschlussklemmen für Gleichstrom.Im Falle von Asynchron-Maschinen:3 oder 4 Anschlussklemmen.

63


Abbildung 4.7: Sternschaltung

Abbildung 4.8: Dreicksschaltung einer Asynchronmaschine

asynchronsynchron

umgekehrte Drehrichtung

64


4.3 Netzverbundbetrieb

Das Verbundnetz ist starr, d.h. weder seine Frequenznoch seine Spannung ändert sich durch das Ein-speisen.

Die beiden Maschinentypen, synchron und asyn-chron, werden unter folgenden Gesichtspunktenanalysiert:– ihre Charakteristiken– die Regelung der Wirk- und Blindleistung– ihr Anlauf und ihre Zuschaltung ans Netz

4.3.1 Charakteristik bei konstanterSpannung und Frequenz

a) Synchron-Maschine

Die wichtigsten Eigenschaften sind die folgen-den beiden:– die „V“ Kurven des Statorstromes als Funktion

des Erregerstromes für verschiedene Antriebs-leistungen (Turbinenöffnungen). Es ist ersicht-lich, dass es für einen bestimmten Erreger-strom einen minimalen Leiterstrom gibt, dereinem reinem Wirkstrom entspricht (Abb. 4.9).

– Die Regelungscharakteristik des Erreger-stromes als Funktion des Leiterstromes für be-stimmte Leistungsfaktoren (Abb. 4.10).

b) Asynchron-Maschine

– Die Änderung der Drehzahl als Funktion desmech. Drehmomentes (Abb. 3.34).

– Die Änderung des Stromes, des Leistungs-faktors und des Wirkungsgrades als Funktionder Antriebsleistung (Abb. 3.36).

4.3.2 Regelung der Wirkleistung

Für beide Maschinentypen muss die Wirkleistungüber die Durchflussmenge geregelt werden. Es sinddemnach Regler vorzusehen, die den Durchfluss be-einflussen können (motorisierte Klappen, Nadelnetc.). Falls die Nennleistung der Turbine die desGenerators übersteigt, muss der Durchfluss der Tur-bine limitiert werden, damit der Nennstrom desGenerators nicht überschritten wird.

Abbildung 4.9: “V” Kurven einer Synchronmaschine(2300VA 3x380V 50Hz)(U = konstant, f = konstant)

Abbildung 4.10: Regelcharakteristik(U = constant, f = constant)

65


Synchron- und Asynchron-Generatoren können beigeringer Antriebsleistung (kleiner Turbinendurchfluss)zu Motoren werden und Leistung aus dem Netzbeziehen.

Kann der Turbinendurchfluss nicht geregelt werden,ändert sich die Einspeiseleistung gemäss der An-triebsleistung, und diese richtet sich nach dem na-türlichen Wasserangebot und der Fallhöhe.

In diesem Fall muss die Generatornennleistung mitder maximalen Turbinenleistung übereinstimmen.

Abbildung 4.11: Übersichtsanschlussschema (Synchronmaschine) mit Durchflussregelung und geregelter Erregung

1=Turbine2=Schütze für Erregungsspeisung5=Netzschalter

Durchfluss-regelung

Blindleistung /Leistungsfaktorregelung

66


Abbildung 4.12: Übersichtsanschlussschema (Synchronmaschine) ohne Durchflussregelung, mit konstanter Erregung

1=Turbine2=Schütze für Erregungsspeisung5=Netzschalter

4.3.3 Blindleistungs-/ Leistungsfaktor-regelung

Um einen optimalen Betrieb mit hohem Wirkungs-grad zu halten, sollte der Leistungsfaktor möglichstnahe bei 1 liegen (meist leicht induktiv 0.9 bis 0.95).Beide Maschinentypen ändern ihren Leistungsfaktorbei ändernder Antriebsleistung (Turbinendurchfluss).Eine Regelung ist daher vorzusehen.

a) Synchron-Maschine

Die Blindleistung (und damit der Leistungsfaktor)wird über den Erregerstrom eingestellt. Erhöhtman den Erregerstrom, liefert die MaschineBlindleistung ans Netz, verringert man ihn, be-zieht sie Blindleistung. In allen Fällen darf derNennstrom nicht überschritten werden.

Bemerkung:

Im Falle eines Netzunterbruches (vgl. Kapitel7.4.3) muss das Erregersystem ebenfalls getrenntwerden.

67


Abbildung 4.13: Übersichtsanschlussschema (Asynchronmaschine) ohne Durchflussregelung, mit Kompensation1=Turbine; 2=Netzschalter; 3=Schütze für Kompensationskondensatoren

b) Asynchron-Maschine

Wie bereits erwähnt, bezieht die Asynchron-Ma-schine immer Blindleistung. Die Menge variiertmit der abgegebenen Leistung. Damit dieseBlindleistung nicht gegen Bezahlung vom Netzbezogen werden muss, kann sie beim Genera-tor mit Kondensatoren erzeugt werden. Um denLeistungsfaktor von cosϕ1 auf cosϕ2 zu erhöhen,werden je Phase Kondensatoren mit folgendemWert benötigt:

CP tg tg

UPhase

Phase

=⋅ −

⋅ ⋅( )ϕ ϕ

ω1 2

23

mit fω π= ⋅ ⋅2

Die optimale Kompensation ist bei cosϕ2=1(ϕ2=0); praktisch wird jedoch nur auf cosϕ2=0.9kompensiert.Für konstanten Abfluss und kleine Maschinenkann der Leistungsfaktor cosϕ1 bei Nennleistungin etwa bestimmt werden zu

cos . .

. .

ϕ13

=⋅ ⋅

P

Umech nom

aussen nom Leiter nomΙ

Bemerkung:

Im Falle eines Netzunterbruches (vgl. Kapitel7.4.3) müssen die Kondensatoren ebenfalls ge-trennt werden.

68


Beispiel

Typenschild eines Motors2200W, 3x380V, Y, 5A, 50Hz, cosϕ=0.85

Eine Leerlaufmessung (motorisch) ergibt220W, 3x380V, Y, 50Hz, cosϕ=0.11

Nennbetrieb (generatorisch)2200W, 3x380V, Y, 50Hz, cosϕ=0.67

Berechnen Sie die optimale Kompensations-kapazität unter Nennlast

C F FPhase = ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ =−2200 111

3 2 50 22053 5 10 53 5

26.

( ), ,

πµ

Die gesamte von der Kondensatorbatterie geliefer-te Blindleistung beträgt

Q C UCtot ph= ⋅ ⋅ ⋅ =3 24402ω var

Im Leerlauf beträgt der Blindleistungsbedarf nurQ P tgel0 0 0 220 9 04 1988= ⋅ = ⋅ =ϕ , var

Behält man die Kapazität unverändert, werden dem-nach im Leerlauf 2440-1988=452VAr Blindleistungans Netz abgegeben.

4.3.4 Anfahren

a) Synchron-MaschineDie 4 Bedingungen, die erfüllt sein müssen, be-vor man diese Maschine an ein Netz parallelschliessen kann, sind (Abb. 4.11 und 4.12):– gleicher Drehsinn– gleiche Frequenz– gleiche Spannung– gleiche Phase

69


Die Abläufe für die Erfüllung dieser Bedingungen sind:

1. Anfahren der Gruppe mit der Turbine um syn-chrone Drehzahl zu erhalten.

2. Die Erregung des Generators einschalten undden Drehsinn mittels eines geeigneten Gerätesverifizieren.

3. Angleichen der Frequenz und der Spannung ansNetz.

4. Sobald Phasengleichheit erreicht ist, kann zu-geschaltet werden.

5. Turbine möglichst weit öffnen.

6. Den Leistungsfaktor über den Erregerstrom op-timieren.

b) Asynchron-MaschineDie 2 Bedingungen, die erfüllt sein müssen, be-vor man diese Maschine an ein Netz parallelschliessen kann, sind:– gleicher Drehsinn– gleiche Frequenz

Die Abläufe zur Erfüllung dieser Bedingungensind (Abb. 4.13):

1. Anfahren der Gruppe mit der Turbine, um syn-chrone Drehzahl zu erhalten.

2. Den Drehsinn verifizieren mittels eines geeigne-ten Gerätes.

3. Zuschalten ans Netz, dabei können grosse Ein-schaltströme (5facher Nennstrom) fliessen, diedie Maschine jedoch kurzzeitig erträgt. DieSchutzeinrichtungen müssen aber dafür ausge-legt werden.

4. Zuschalten der Kondensatorbank (falls vorhan-den).

5. Turbine möglichst weit öffnen.

6. Den Leistungsfaktor über Anzahl der Kondensa-toren optimieren.

NB: Der Austausch von Blindleistung mit dem Netzhängt von der Kapazität der Kondensatorbank ab(Beispiel unter 4.3.3b).

70


4.4 Inselbetrieb

Ein Inselnetz ist nicht starr, d.h. die Frequenz unddie Spannung werden von der Erzeugergruppe undder Last bestimmt oder, falls weitere Einspeiserbereits vorhanden sind, ändern sich Frequenz undSpannung durch das Einspeisen.

D.h. man betrachtet folgenden Fall:

Ein oder mehrere ähnliche Kraftwerke versorgen ei-nen oder mehrere Verbraucher mit elektrischer En-ergie.

Im Falle eines Inselnetzes ist also weder die Fre-quenz noch die Spannung konstant.

4.4.1 Charakteristik

a) Synchron Maschine– Spannung ist lastabhängig (Leiterströme) (ver-

gleiche Abb. 3.29 und 4.14).– Die Drehzahl ist lastabhängig (abhängig von

der Turbinencharakteristik).

b) Asynchron-MaschineSpannung in Abhängigkeit der Last (oder Stator-strom) für eine konstante Frequenz und verschie-dene Kapazitätswerte (Abb. 4.15).Anhand eines Beispiels:– Abb. 4.16 zeigt die U(P) Charakteristik bei kon-

stanter Frequenz für eine 3kW Maschine– Abb. 4.17 zeigt die U(P) Charakteristik bei kon-

stantem Durchfluss bei der angegebenenTurbinencharakteristik.

4.4.2 Frequenzregelung

Der Frequenzwert entspricht der Nennfrequenz. Siekann bestimmt werden:– aus der Generatorspannung– durch einen TachogeneratorBei beiden Maschinentypen wird die Frequenz, d.h.die Drehzahl über eine Durchflussregelung kontrol-liert.

Abbildung 4.14: Lastabhängigkeit der Spannung U(Is) beikonstanter Frequenz f und cosϕ=1 für verschiedene Erre-gungen

Charakteristik einer Synchronmaschineim Inselbetrieb

Abbildung 4.15: Lastabhängigkeit der Spannung U(P) für2 verschiedene Kompensationskondensatoren

Charakteristik einer Asynchronmaschineim Inselbetrieb

71


a) Synchron-MaschineHalten der Synchrondrehzahl.

b) Asynchron-MaschineÄndern der Drehzahl nach der Schlupf-charakteristik, d.h. der n(P) Charakteristik. Prak-tisch kann die Frequenz ungefähr konstant ge-halten werden (±5%), indem die Spannung kon-stant gehalten wird.

Abbildung 4.16: Lastabhängigkeit der Spannung U(P) unddes Stromes I(P) Beispiel einer AsynchronmaschinePn=3kW

Abbildung 4.17: Lastabhängigkeit der Spannung U(P) füreine Turbinencharakteristik, bei der bei Durch-brenndrehzahl (2fache Nenndrehzahl) die Leistung P=0ist.

instabil

U/Un

2

1

1 Pel / Pn

72


4.4.3 Spannungsregelung

Die Spannung die gemessen werden muss, um dieNennspannung zu halten, ist die Klemmen-spannung beim Verbraucher.

a) Synchron-MaschineDie Spannung wird über das Nachstellen des Er-regerstromes geregelt.

b) Asynchron-MaschineDie Spannung müsste über das Nachstellen derErregerkapazitäten erfolgen. Da dies jedoch sehraufwendig ist, wird ein mittlerer fester Wert ge-wählt, so dass die Spannung nicht mehr als ±10%variiert.

4.4.4 Konstanter Durchfluss - Ballast

Bei konstanter Wassermenge (Durchfluss) kann dieFrequenzregelung über die Steuerung eines varia-blen Ballasts vorgesehen werden, dessen max.Heizleistung der Nennleistung des Generators ent-sprechen muss. Dieser Ballast liegt parallel zu denVerbrauchern und hält die Gesamtleistung konstant.

P P Pel nom Ballast Verbraucher= +

Bei konstanter Wassermenge muss daher ein Bal-last vorgesehen werden, dessen Heizleistung derNennleistung des Generators entsprechen muss(siehe Kapitel 4.4.4).

Diese Gesamtleistung muss kleiner als dieGeneratorleistung bleiben.

Die Steuerung des Ballastes erfolgt über die Span-nung oder Frequenz. Sinken diese, muss der Bal-last verkleinert werden. Der Regler überwacht alsodie Spannung oder Frequenz beim Verbraucher undsteuert je nach Bedarf den Ballast.

Abbildung 4.18: Funktionsprinzip einer Ballast

P

Pnom

PverbrauchPBallast

73


Unter der Voraussetzung eines gleichbleibendenLeistungsfaktors erlaubt dieses System ein einfa-cheres Regelsystem, das verzichtet auf:– eine Durchflussregelung– eine Spannungsregelung der Synchron-Maschi-

ne– eine Kapazitätsregelung der Asynchron-Maschi-

ne

Beispiel einer Ballastberechnung

Fall der Maschine aus Beispiel 4.2.4

Die Nennwirkleistung ist:2’200W, 50Hz, 220V

Der Heizwiderstand (Ballast) berechnet sich zu:

RUP

PhaseBPhaseph

el n= = ⋅ =

⋅

2 2

3

3 2202200

66Ω /

Der Strom durch den Ballast ist:

ΙRBph

B

U

RA= = =220

663 33,

74


4.4.5 Verwendung eines 3φ Asynchron-Motors als 1φ Asynchron-Generator

Unter bestimmten Bedingungen kann ein norma-ler 3φ Asynchron-Motor (billiges Massenprodukt) alseinphasiger Generator verwendet werden. Um eineunerlaubte Asymmetrie in der Belastung der 3 Pha-sen zu verhindern, verwendet man eine sog. C-2CSchaltung, und die Kapazitäten müssen wie folgtberechnet werden:

CRs B

13

3=

⋅ ⋅ω

Abbildung 4.19: 3phasige Asynchronmaschine die 1phasig betrieben wird (mit Ballast)

~ 220V.C1

C2 = 2 • C1

Ballast

75


4.4.6 Anfahren

a) Synchron-Maschine(Abb. 4.20)

1. Anfahren der Gruppe mit der Turbine, um Nenn-drehzahl zu erhalten.

2. Die Erregung des Generators einschalten und re-geln, um Nennspannung zu erhalten.

3. Verbraucher zuschalten.4. Nun Drehzahl und Spannung nach Bedarf nach-

regeln.

Im Falle konstanter Wassermenge und einer Rege-lung über einen Ballast vereinfacht sich dies zu:

1. Anfahren der Gruppe mit der Turbine.2. Bei Nenndrehzahl Maschine erregen und Ballast

zuschalten. Über den Regler wird nun die Dreh-zahl konstant gehalten.

3. Turbine weiter öffnen, um Nennleistung zu er-halten, die vorläufig im Ballast verheizt wird.

4. Verbraucher zuschalten.

Abbildung 4.20: Anfahren einer Synchronmaschine im Inselbetrieb

f - Regelung

U - Regelung

Verbrauch

76


b) Asynchron- Maschine

Hier kommt nur eine Ballastregelung in Frage:1. Gruppe mit der Turbine anfahren.2. Zuschalten der Erregerkondensatoren. Es

baut sich nun eine Spannung aufgrund derRemanenz (Abb. 4.22) auf.

3. Bei Nennspannung Ballast zuschalten. Überden Regler wird nun die Spannung (Drehzahl)konstant gehalten.

4. Turbine weiter öffnen, um Nennleistung zuerhalten, die vorläufig im Ballast verheizt wird.

5. Verbraucher zuschalten.

Abbildung 4.21: Anfahren einer Asynchronmaschine im Inselbetrieb (mit Ballast)

Verbrauch

Last-Regler

RBallast

77


Abbildung 4.22: Selbsterregung einer Asynchronmaschine. Sättigungskurveder Asynchron-Maschine und die Gerade der Kapazität.

Der Schnittpunkt der beiden Kurven ergibt den Leerlaufbetriebspunkt.Um eine Selbsterregung beim Anlauf zu erhalten, muss die Remanenz-spannung wenigstens 2 bis 3V betragen.

Magnetisierung(unbelastet)

Kapazität

RemanenzSpannung

U1

U2

U0

I1

U ~ B

I i

Ic

I0

P

Iµ ~ H

78


4.5 Sicherheit

Die häufigsten Notsituationen für einen Generatorsind die folgenden:

• Überdrehzahl, -frequenz,– Turbinenleistung gegenüber der Verbraucher-

leistung ist zu hoch,– plötzlicher Lastabwurf,

• Unterdrehzahl, -frequenz,– Verbraucherleistung gegenüber der Turbinen-

leistung ist zu hoch,

• Überstrom,– Verbraucherleistung gegenüber der Generator-

nennleistung ist zu hoch,– ungenügender Leistungsfaktor,– Kurzschluss an den Klemmen oder Kabel,

• Überspannung,– zu starke Erregung,– plötzlicher Lastabwurf,

• Unterspannung,– zu kleine Erregung,– plötzlicher Lastabwurf,

• Rückspeisung,• Wassermangel,

Ausser den Sicherheitsmassnahmen (Kapitel 7) sindauch diverse Messgeräte und Anzeigen vorzusehen(Abb. 4.23):• Drehzahlmessung• Frequenzmessung• Statorstrommessung am Generator (alle 3 Pha-

sen)• Abgangsstrom (alle 3 Phasenabgänge zum Netz

oder Verbraucher)• Erregerstrommessung• Wirkleistung (Bezug und Lieferung)

Energie (Bezug und Lieferung)

79


Abb

ildun

g 4.

23: Ü

bers

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2.N

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3.N

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6.La

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10.

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12.

Blit

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Net

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18.

Übe

r/ U

nter

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19.

Übe

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An

lag

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13.

Spa

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e14

.S

trom

anze

ige

15.

Freq

uenz

anze

ige

16.

Leis

tung

sanz

eige

17.

Pro

dukt

ions

anze

ige

(Ene

rgie

)

80


81

5. Vergleich zwischen Synchron- und Asynchron-Generator

5 . Vergleich zwischen Synchron- undAsynchron-Generator

5.1 Qualität der elektrischen Energie 83

5.2 Techn. Vergleichskriterien 835.2.1 Konstruktion (vgl. Kapitel 3) 835.2.2 Wartung und Ersatzteile 835.2.3 Synchronisierung 835.2.4 Erregung im Netzverbund 845.2.5 Erregung im Inselbetrieb (Kapitel 4) 845.2.6 Regelung von U und f im Inselbetrieb 845.2.7 Wirkungsgrad 845.2.8 Schleuderdrehzahl 855.2.9 Trägheit 85

5.3 Vergleich der Investitionskosten 85

82


83


5 . Vergleich zwischen Synchron- undAsynchron-Generator

Um eine Anschaffungsentscheidung zwischen ei-nem Asynchron- oder Synchron-Generator zu tref-fen, müssen zuerst einmal die Qualitätsan-forderungen an die eingespeiste Energie geklärtwerden.

Die Wahl hängt also nicht nur vom Preis, sondernauch von technischen Grössen, besonders bezüg-lich der Regelungsmöglichkeiten der Spannung undder Frequenz ab, die wiederum von der Durchfluss-regelung der Turbine beeinflusst werden.

5.1 Qualität der elektrischenEnergie

Die Nennspannung und -frequenz verschiedener Ver-braucher sind für möglichst konstante Werte aus-gelegt. Elektrische Geräte tolerieren jedoch meistSpannungsschwankungen von ±10%.

Die Folge für Widerstände (Glühbirnen, Heizkörperetc.) von Spannungsschwankungen sind jedocheine Verkürzung der Lebensdauer.

Motoren und Transformatoren sind ebenfalls emp-findlich auf Spannungs- und Frequenzschwan-kungen. Das Drehmoment einer Asynchron-maschine z.B. ändert sich mit dem Quadrat derSpeisespannung (Kapitel 3), und die Reaktanz vonInduktivitäten und Kapazitäten ändert sich pro-portional (bzw. umgekehrt proportional) mit derFrequenz (Kapitel 2), was bei Wicklungen (Trafos)eine Stromerhöhung bei einer Frequenzabnahmezur Folge hat.

Verbundnetze haben eine sehr konstante Frequenzvon 50Hz bzw 60Hz. Die Spannung beträgt 415/230Vmit einer im Jahr 2006 angestrebten Toleranz von±10%, obwohl die heute erlaubte Toleranz -10% bis+6% beträgt.

Speist ein Generator ein Inselnetz, muss denSpannungs- und Frequenzschwankungen gebührendBeachtung geschenkt werden. Die Schwankungs-grenzen müssen im selben Bereich der öffentlichenNetze liegen.

5.2 Technische Vergleichskriterien

Der Vergleich beruht auf Erwägungen der Konstruk-tion, des Unterhalts, des Erregungssystems und desRegelungssystems. Jeder dieser Punkte muss in be-zug auf die zutreffenden Prioritäten bewertet wer-den, damit eine optimale Wahl getroffen werdenkann.

5.2.1 Konstruktion(vgl. Kapitel 3)

• Asynchron-Maschine:Die Käfigankerkonstruktion ist einfach und ro-bust und somit zuverlässig. Diese Maschinenwerden für kleine und mittlere Leistungen ingrossen Stückzahlen gefertigt.

• Synchron-Maschinen:Ausser bei Permanenterregung benötigt sie DC-gespiesene Ankerwicklungen. Dies geschieht ent-weder aus einer externen Quelle über Schleif-ringe und Kohlebürsten oder über einen „rotie-renden Gleichrichter“ und einer integrierten Er-regermaschine.

5.2.2 Wartung und Ersatzteile

• Asynchron-Maschine:Die Wartung ist minimal. Ersatzteile sind durchdie weite Verbreitung dieser Maschine meist im-mer erhältlich.

• Synchron-Maschinen:Wartungsarbeiten sind wahrscheinlicher, v.a. fürKohlebürsten, Dioden und Erregerwicklungen.Ersatzteile können schwer erhältlich sein auf-grund der geringen Verbreitung, z.B. in Entwick-lungsländern.

5.2.3 Synchronisierung

• Asynchron-Maschine:Nicht nötig. Beim Zuschalten entsteht jedoch eineStromspitze, deren Dauer vom Schlupf beimSchalten abhängt.

84


• Synchron-Maschinen:Für das Parallelschalten ist eine Synchronisier-vorrichtung (Synchronoskop) notwendig (vgl. Ka-pitel 4).Für sehr kleine Maschinen (<1kW) kann man dar-auf verzichten.

5.2.4 Erregung im Netzverbund

Spannung und Frequenz sind durch das öffentlicheNetz starr vorgegeben.

• Asynchron-Maschine:Die Erregungsblindleistung wird vom Netz be-zogen. Grundsätzlich ist daher keine Kompen-sation erforderlich. Da jedoch Blindleistung eben-falls bezahlt werden muss, ist es kostengünsti-ger, die Maschine auf einen Leistungsfaktor vonca. 0.9 bei Nennleistung mit Kapazitäten zu kom-pensieren (vgl. Kapitel 3 & 4).

• Synchron-Maschinen:Der Leistungsfaktor kann einfach über den Er-regerstrom nachgestellt werden. Dieser Stromwird entweder vom Netz bezogen oder mit dereingebauten Erregermaschine erzeugt. Die Erre-gung kann auch fest eingestellt werden, womitsich aber ein schlechterer Wirkungsgrad undBlindleistungsbezug bei Teillast ergibt. Auch hiererweist sich eine Regelung (Leistungsfaktor-kompensation) meistens als kostengünstiger.

5.2.5 Erregung im Inselbetrieb (Kapitel 4)

• Asynchron-Maschine:Über ErregerkapazitätenDer Leistungsfaktor der Lasten muss konstantund minimal bleiben! Gibt es überkompensier-te induktive Lasten, führt dies zu gefährlichenÜberspannungen im Netz.

• synchron Maschinen:Der Erreger wird über den Spannungsregler vomStator gespeist (eventuell über eingebaute Er-regermaschine).

5.2.6 Regelung von U und f im Insel-betrieb

• mit DurchflussregelungIn diesem Fall wird die Frequenz über die Dreh-zahl geregelt, also über den Durchfluss.Für die Spannungsregelung (=Erregungs-änderung):– Asynchron-Maschine:

Die Erregungsänderung geschieht hier überZu- und Wegschalten von Kondensatoren. Oftgenügen zwei Werte, um die Spannung im10%- Toleranzband zu halten. Die Schaltungerfolgt über Spannungsrelais.

– Synchron-Maschinen:Über den Erregerstrom und einen Spannungs-regler.

• ohne DurchflussregelungDie Frequenz- und Spannungsregelung ge-schieht mittels Ballaststeuerung (vgl. Kapitel 4):a) wenn der Lastfaktor konstant ist

– Asynchron-Maschine:ein Kapazitätswert genügt.

– Synchron-Maschinen:Spannungsregler ist nicht erforderlich.

b) wenn der Lastfaktor sich ändert– Asynchron-Maschine:

Wie oben vorgeschlagen, sind zweiKapazitätswerte vorzusehen, die so be-messen sind, dass die Spannung imToleranzband bleibt. Die Schaltung erfolgtüber Spannungsrelais.

– Synchron-Maschinen:Über den Erregerstrom und einenSpannungsregler.

5.2.7 Wirkungsgrad

• Asynchron-Maschine:Sowohl der Wirkungsgrad als auch derLeistungsfaktor fallen bei Teillast stark ab. Der Wir-kungsgrad ist durchweg tiefer als bei der Syn-chron-Maschine.

85


• Synchron-Maschinen:Guter Teillastwirkungsgrad.

5.2.8 Schleuderdrehzahl

• Asynchron-Maschine:übliche Werte sind– 4polige Maschine:nmax ≈ 2nN

– 2polige Maschine:nmax ≈ 1.2nN

• Synchron-Maschine:Muss je nach Turbinentyp spezifiziert werden.Hohe Schleuderdrehzahlen verteuern die Maschi-ne.

5.2.9 Trägheit

• Asynchron-Maschine:Klein. Ein Schwungrad kann nötig sein, umDrehzahlschwingungen aus Lastsprüngen zudämpfen oder die Drehzahlbeschleunigung unddamit Druckstösse zu verkleinern.

• Synchron-Maschine:Gross.

5.3 Vergleich derInvestitionskosten

Um einen Investitionsentscheid zu fällen, dürfennicht nur die Kaufpreise von Generatoren verglichenwerden, sondern das Gesamtsystem (Investitionin Spannungs- & Frequenzregler, Erregung etc.),Wartungskosten sowie die Produktionsunterschiedemüssen berücksichtigt werden.

Netzverbundbetrieb

Bis 50kVA...100kVA sind Asynchron-Maschinen ko-stengünstiger.

Darüber (>100kVA) werden die Preise zwischen denbeiden Typen vergleichbar, zudem sind asynchronMaschinen dieser Grösse schwer erhältlich.

Inselbetrieb

Stellt man an die Spannung und Frequenz keinegrossen Ansprüche, ist die Asynchron-Maschine diekostengünstigste Wahl bis 25kVA (vgl Kapitel 4 und5.2.6), obwohl in dieser Anwendung kleine Syn-chron-Maschinen weiter verbreitet sind.

Im Zusammenspiel mit speziellen Reglern (Ballast-regler) ist eine Asynchron-Maschine eine interessan-te Option, doch sind solche Regelsysteme in an-sprechender Qualität auf dem Markt kaum erhält-lich.

86


87

6. Informationen zum Generatorpflichtenheft

6 . Informationen zumGeneratorpflichtenheft

6.1 Spezifikationen, die der Lieferant kennen muss 896.1.1 Allgemeine Informationen 896.1.2 Generatorspezifikationen 896.1.3 Spezielles Zubehör 89

6.2 Beilagen zum Angebot 90

6.3 Verifikation der Leistung 90

88


89


6 . Informationen zumGeneratorpflichtenheft

Üblicherweise wird der Generator vom Turbinen-hersteller mitgeliefert, was den Vorteil einer klarenVerantwortungsabgrenzung hat. Der Turbinenhers-teller trägt damit die Gesamtverantwortung fürWirkungsgradgarantien und die Mechanik der Er-zeugungsgruppe.

Dies enthebt den Kunden jedoch nicht davon, selbstQualitäts-/Preisvergleiche verschiedener Generator-hersteller anzustellen und, falls nötig, den Genera-tor seiner Wahl vom Turbinenlieferanten zu verlan-gen. Ein Direktkauf des Generators ist auch mög-lich, vor allem wenn die Turbine vom Generatorgetrennt ist (z.B. wenn ein Riemenantrieb vorgese-hen ist).

6.1 Spezifikationen, die derLieferant kennen muss

6.1.1 Allgemeine Informationen

Geländeangaben– Topologie– Höhenlage

Betriebsart– Netzverbund- oder Inselbetrieb

Betriebsbedingung– Dauer- oder zeitweiser Betrieb– max. Umgebungstemperatur im Krafthaus– Klima (Feuchtigkeit, Kondensation, Staub...)

Bemerkung:Über 1000m Höhe oder 40°C muss die Nennleistungreduziert werden, um der geringeren Kühlung Rech-nung zu tragen.

Turbine– Typ (Pelton, Francis, Durchström, Kaplan ...)– Ausrichtung der Erzeugergruppe– horizontale oder vertikale Achse– Kompakteinheit, Direktkopplung, mech. Überset-

zung

6.1.2 Generatorspezifikationen

Typ– synchron oder asynchron

Angaben zur Turbine– mech. Leistung an der Welle– Drehzahl– Schleuderdrehzahl und Dauer

Angaben zur Netzverbindung– Nennspannung und Spannungstoleranzen– Anzahl Phasen– Frequenz– Stern- oder Dreieckschaltung

Angaben zur Umgebung– Isolationsklasse– IP Schutzklasse

Angaben zur Montage– Wellenende normal oder verlängert (zur Aufnah-

me des Turbinenrades)– Zweites Wellenende (z.B. zur Aufnahme des

Schwungrades, wobei Gewicht und Durchmes-ser angegeben werden müssen)

– Lagertyp: Gleit- oder Kugellager– Schmierung: Fett oder Öl– Lebensdauer der Lager– verstärkte Lager abhängig durch Zusatz-

belastungen von z.B. Zugspannung bei Riemen-abtrieb, Gewicht eines Turbinenrades/ Schwung-rads; diese Lasten sind anzugeben!).

6.1.3 Spezielles Zubehör

• Geschwindigkeitssensor (zur Drehzahlmessung,z.B. für die Erkennung der Überdrehzahl oderZuschaltdrehzahl bei Asynchron-Generatoren).

• Temperatursensor in den Wicklungen (Schutz vorÜbertemperatur)

• Temperatursensor in den Lagern (Schutz vorLagerschäden)

• Vibrationssensor in den Lagern (Schutz vor Lager-schäden)

90


• Leistungsfaktorregler im Netzverbund (Syn-chron-Maschine)

• Spannungsregler im Inselbetrieb (Synchron-Ma-schine)

6.2 Beilagen zum Angebot

• Hersteller, Typ und Kennzeichen der Maschine• Spezifikationen und techn. Beschreibung (nach

6.2)• Gehäuse Masse/Auslegung und Gewicht• Trägheitsmoment des Rotors• Garantierter Wirkungsgrad über den gesamten

Leistungsbereich• Garantierter Leistungsfaktor über den gesamten

Leistungsbereich• Weitere wichtige Daten wie Leerlauf- und Kurz-

schlussstrom.

6.3 Verifikation der Leistung

Manche Hersteller verfügen über einen Versuchs-stand, der Tests im Beisein des Kunden erlauben.Von dieser Möglichkeit ist Gebrauch zu machen, dagenaue Generatorwirkungsgradmessungen Ausein-andersetzungen mit dem Turbinenhersteller bei derAnlagenabnahme vermeiden helfen. Die Abnahme-tests erlauben nur eine Messung des Gesamt-wirkungsgrades (Turbine, Getriebe und Generator).Die genaue Kenntnis des Generatorwirkungsgradeserlaubt die exakte Bestimmung des Turbinen-wirkungsgrades.

91

7. Schutz und Sicherheit von elektrischen Installationen

7. Schutz und Sicherheit vonelektrischen Installationen

7.1 Rechtliche Grundlagen 93

7.2 Gefahren der Elektrizität 967.2.1 Auswirkungen von elektrischem Strom im menschlichen Körper 967.2.2 Personenschutz 977.2.3 Sicherheit von Gegenständen 987.2.4 Zusätzliche Schutzmassnahmen 98

7.3 Installationsschutz 1007.3.1 Allgemeines 1007.3.2 Selektivität von Überstromsicherungen 100

7.4 Schutz von rotierenden Maschinen 1027.4.1 Überlast 1027.4.2 Überstrom 1037.4.3 Verbundbetrieb 1037.4.4 Behandlung des Sternpunktes 1037.4.5 Schutz vor Isolationsfehlern 1037.4.6 Spannungsregelung 1057.4.7 Potentialausgleich 1057.4.8 Blitzschutz 1057.4.9 Liste von Steuerung, Schutz- und Messgeräten 1067.4.10 Liste von Not-Aus-Bedingungen 108

7.5 Rechtliche Bestimmungen 1097.5.1 Vorlagepflicht 1097.5.2 Definitionen 1117.5.3 Kriterien der Risikoerhöhung durch eine Produktionsanlage 1127.5.4 Autorisiertes Installationspersonal 1127.5.5 Autorisierte Kontrolleure 1127.5.6 Periodische Kontrollen 112

92


93


7. Schutz und Sicherheit vonelektrischen Installationen

7.1 Rechtliche Grundlagen

Für die Ausführung, Änderung, den Unterhalt unddie Überwachung kleiner Energieerzeugungsan-lagen gelten die entsprechenden Verordnungen, unddie geltenden technischen Regeln müssen beach-tet werden.

Oft kennen Betreiber oder Besitzer kleiner Anlagenals Laien weder die Gefahren noch die Vorschriften.Deshalb sind Installateure verpflichtet, ihre Kundenüber Gefahren und die aus den rechtlichen Vorga-ben abgeleiteten geltenden Vorschriften zu unter-richten.

94


angewandt auf elektrische Energieerzeugungsanlagen

Bundesgesetz betreffend elektr. Schwach- und Starkstromanlagen SN 734.0

Verordnung über elektr. Starkstromanlagen SN 734.2

Niederspannungsinstallation Verordnung SN 734.27

Verordnung über elektr. Niederspannungserzeugnisse SN 734.26

Verordnung über das Plangenehmigungsverfahren fürStarkstromanlagen SN 734.25

Verordnung über das Eidg. Starkstrominspektoriat SN 734.24

Mitteilungen des eidg. Starkstrominspektorates

Parallelschaltung von Niederspannungs-Energieerzeugungsanlagenmit Stromversorgungsnetzen STI 219.1081

Niederspannungs-Energieerzeugungsanlagen STI 229.0987

Sicherheit und Vorlagepflicht kleiner Energieerzeugungsanlagen STI 232.1289

Technische Normen des SEV

Niederspannungsinstallationsnorm (NIN) SN SEV 1000-1, 2 & 3

95


Zusätzlich gelten die Normen für Elektrizität und Si-cherheit aus dem Gesetz für Unfallversicherungen.Artikel 82 (RS 832.20) verpflichtet den Arbeitgeber,alle Betriebs-unfälle und -krankheiten zu verhindern,indem er alle Vorkehrungen trifft, die sicherfahrungs-gemäss als nötig erwiesen haben, dietechnisch machbar und die der Situation angepasstsind.

Der Anlagenbauer minimiert manchmal nur die Ko-sten, was die Betriebssicherheit beschneidet und dieRisiken für das Betriebspersonal erhöht.

Abbildung 7.1: Normen der Elektrizität

Bürger

Bundesversammlung

Bundesrat

techn.kommissionen

Bund

Elektrizitäts Gesetz

Verordnungen

Technischen Regeln

96


7.2 Gefahren der Elektrizität

7.2.1 Auswirkungen von elektrischemStrom im menschlichen Körper

Wenn elektrischer Strom durch die Muskeln fliesst,ziehen sie sich zusammen. Meistens ist die Ver-krampfung so stark, dass es unmöglich ist, einenunter Spannung stehenden Gegenstand wieder los-zulassen. Da die Muskeln der Atmungsorgane eben-falls betroffen sind, verliert das Opfer bald dasBewusstsein. Aus diesem Grund ist es nicht erstaun-lich, dass die Techniker, die sich um die Sicherheitkümmern, die brührbaren Teile von elektrischen In-stallationen mit einer zusätzlichen Isolation verse-hen.

Der durch den Körper fliessende Strom beeinflusstnicht nur die Muskulatur des Skeletts, sondern auchdie Herzmuskulatur (Myokard). Es ist bekannt, dassdie Herzfunktion auf einem elektrischen bzw. einemelektrochemischen Ablauf beruht. Schwache, vomkardioregulierenden Zentrum ausgehen Strom-impulse veranlassen den Myokard, sich inregelmässigen Abständen zusammenzuziehen. Einvon aussen kommender Stromstoss, der den Myo-kard durchfliesst, stört den Herzrhythmus. Er verur-sacht Herzkammerflimmern, d.h. unregelmässigekrampfartige Zuckungen einiger Myokardfasern. Dain diesem Fall praktisch ein Unterbruch des Blut-kreislaufs eintritt, befindet sich das Opfer in Lebens-gefahr.

Der durch den Körper fliessende Strom hat auchthermische Auswirkungen. Wenn der Strom durcheine kleine Fläche in den Körper eindringt, steigtdie Temperatur an diesem Ort beträchtlich, so dasseine kleine Brandwunde entsteht. Sehr oft sind sol-che Wunde schwerwiegender, als zuerst angenom-men wird, weil die Verbrennungen tief in die Haut-schicht eindringen, so dass durch das zerstörte Haut-und Muskelgewebe Infektionen entstehen.

Der Widerstand des menschlichen Körpers in be-zug auf den elektrischen Strom beträgt zwischen750 und 1’000 Ohm. Wenn eine Person einen Phasen-leiter in Niederspannungsverteilungsanlagen von 400/230 Volts anfasst, ist sie einer Spannung von 230Volt ausgesetzt. Der Strom, der durch eine unter 230Volt stehende Person hindurchfliesst, beträgt zwi-schen 230 mA und 300 mA.

Abbildung 7.2: Physiologische Effekte von Strom bei 50Hz

nicht spürbar

kribbeln

Starre

Krämpfe

FlimmernTod

0.5 mA

3 mA

15 mA

40 mA

80 mA

97


Nur ein Fehlerstromschutzschalter (FI Schalter) er-kennt solche lebensgefährliche Situationen (Figur7.3). Besteht ein Isolationdefekt, fliesst ein Fehler-strom im Schutzleiter (PE). Dies bedeutet, dass sichder Phasen- und Neutralleiterstrom nicht mehr auf-heben. Diese Stromdifferenz veranlasst den Fehler-stromschutzschalter die Zuleitung zu unterbrechen.

7.2.2 Personenschutz

Elektrische Starkstrominstallationen und die ange-schlossenen Apparate müssen entsprechend denVerordnungen und den geltenden technischen Richt-linien ausgeführt, abgeändert, unterhalten und über-wacht werden. Sie dürfen weder bei ordnungs-gemässem Betrieb bzw. Verwendung noch bei vor-hersehbaren Störungen Personen oder Dinge ge-fährden. Falls die Weisungen nichts vorschreiben,hat man sich an gängige technische Regeln zu hal-ten.

Es gelten die internationalen technischen Normen(IEC) oder, falls fehlend, die technischen Normendes SEV oder die technischen Vorschriften der PTT.

Fehlen entsprechende technische Normen, sind vor-handene Normen sinngemäs anzuwenden. ImZweifelsfall entscheidet die zuständige Kontrollstel-le. Sie konsultiert vorgängig andere betroffene Kon-trollstellen.

Prinzipien des Personenschutzes

Alle Installationen müssen so ausgelegt und aus-geführt werden, dass keine gefährlichen Strömebeim Berühren fliessen können. Für Bedienungs-elemente gilt dies sogar bei Isolationsfehlern.

Dieses Prinzip gilt als erfüllt, wenn die Betriebsspan-nungen 50V nicht überschreiten. Für Installationenüber 50V gilt es als erfüllt, wenn alle unbeabsich-tigten Berührungen mit spannungsführenden Ele-menten ausgeschlossen und folgende Bedingun-gen erfüllt sind:– Kontaktstrom bei 50Hz übersteigt nicht 0.5mA– Fehlerspannung übersteigt nicht 50V– Fehlerspannungen über 50V stehen nicht länger

als 5s an.

Abbildung 7.3: Schutz mit FI Schalter

Abbildung 7.4: Schutzarten

L N PE

Nullung TN

Schutzerdung TT

Isoliertes Netz IT

98


Schutzmassnahmen

Um die Anforderungen des Personenschutzes zuerfüllen, sind die folgenden Schutzmassnahmen zuberücksichtigen:– Genügende Isolation, um den Kontaktstrom auf

einen ausreichend kleinen Wert zu begrenzen.– Die Nullung/ Erdung, um die Fehlerspannungen

zu minimieren, hat einen genügend kleinen Wi-derstand (Figur 7.4).

– Die Nullung/ Erdung oder die entsprechendeSchutzeinrichtung minimiert die Dauer unzuläs-siger Fehlerspannungen oder -ströme (Figur 7.6und 7.7).

– Potentialtrennung gefährlicher Stellen (Figur 7.5).

7.2.3 Sicherheit von Gegenständen

Installationen müssen ausgelegt, ausgeführt undverwendet werden, ohne dass vorhersehbare Erwär-mung, Flammen und Lichtbogen die Umgebungentzünden können. Dies muss selbst im vorherseh-baren Fall eines Materialdefektes, einer Fehlbedie-nung oder einer Vernachlässigung gewährleistetsein.

Es bedarf nur 0.5A Strom, um weiches, feuchtes Holzzu entzünden!

7.2.4 Zusätzliche Schutzmassnahmen

Grundsätzlich ist der Schutz vor gefährlichen Span-nungen durch die Schutzerdung und die Verbindungaller leitenden Gehäuse mit dem Potentialausgleichund dem Fundament gewährleistet. Die Nullung istanwendbar, wenn der Schutzleiter (PEN) am Ein-gang mit dem Erder verbunden wird. Dies zwingtdas Gebäudepotential auf das Erdpotential (Figur7.4).

Im Falle eines Isolationsfehlers in einem Gerät odereiner Installation reicht manchmal der Fehlerstromnicht aus, um die Leitungssicherungen auszulösen.Solche Fehler können über Schutzschalter erkanntwerden:– Fehlerstrom FI (Abb. 7.6)– Fehlerspannung FU (Abb. 7.7)– Isolationsüberwachung

Abbildung 7.5: Schutztrennung

Abbildung 7.6: Anschluss eines FI Schalters

L

220 V 220 V

N

PE

99


Schutz durch Potentialtrennung wird für begrenzteAnlagenteile angewandt und wird durch einenTrenntransformator erreicht. Um einen vollständi-gen Schutz zu erhalten, darf jeweils nur ein Gerätan einen Transformator angeschlossen werden. Sindmehrere Geräte an denselben Transformator ange-schlossen, kann der Personenschutz nur gewähr-leistet werden, wenn alle berührbaren leitenden Teileder Geräte leitend verbunden werden (Abb. 7.5).

Figur 7.8: Prinzip der Dreifach-Sicherheit durch Nullungund zusätzlichen Schutzschalter1. Vorrichtung zum Schutz vor Überstrom, d.h. um die

Bedingungen der Schutzerdung zu erfüllen.2. Fehlerstromschutzschalter als zusätzlicher Schutz für

einen Fehlerstrom I<30mA3. Potentialausgleich4. Geerdetes Gerät, fest mit PE verbunden5. Geerdete Steckdose mit Zusatzschutz6. Fehlerstromschutzschalter als Brandschutz I<300mA

Abbildung 7.7: Anschluss eines FU Schalters

Wh

FU

T

PEN

L

6

1 1

2

5 4

3

I∆

100


7.3 Installationsschutz

7.3.1 Allgemeines

Alle Teile einer Starkstrominstallation müssen denthermischen und mechanischen Beanspruchungenim Normalbetrieb sowie im Erdschlussfall wider-stehen.

Elektrische Installationen müssen dafür ausgelegtwerden, dass Störungen und Beschädigungendurch Lichtbogen minimal sind und nichts entzün-det werden kann.

Da Lichtbogen Personen unmittelbar gefährden,sind besondere Schutzmassnahmen vorzusehen(Abdeckungen..).

Auslösung

In Starkstrominstallationen sind Schutzvorrichtun-gen, Auslöser, vorzusehen die Beschädigungendurch Über-, Kurzschluss- und Erdschlussströme mi-nimieren.

Anlagenänderungen

Falls sich aufgrund einer Erweiterung, Umrüstung,Wiederinbetriebssetzung oder anderer Arbeiten dieInstallation verändert, müssen die Überstromschutz-einrichtungen unverzüglich nach Bedarf nachgerü-stet werden.

7.3.2 Selektivität von Überstrom-sicherungen

Folgende Überstromsicherungen kommen zur An-wendung– Schmelzsicherungen– Sicherungsautomaten für Leitungen– Sicherungsautomaten für Motoren

Die Nennspannung der Überstromsicherung musswenigstens gleich der Nennspannung des zu schüt-zenden Netzes sein.

101


Figur 7.9: Die Sicherungen 40 und 63A sind im Bereich 0.1ms bis 0.1s nicht selektiv, da sich ihr Streubereich überschnei-det.

1000 s

100 s

10 s

1 s

0.1 s

10 ms

1 ms

0.1 ms

10 100 1000 10'000 A

160 A 63 AT 40 AT16 A

HPC D lll D lll

102


In der Regel müssen der Nennüberstrom und dieAnsprechverzögerung wie folgt gewählt werden:– Keine Auslösung weder im Anlauf noch im

Normalbetrieb.– Im Überstromfall wird soweit möglich nur der

defekte Teil getrennt.– Der Auslösestrom stimmt mit der Strom-

tragfähigkeit der zu schützenden Leitung über-ein.

7.4 Schutz von rotierendenMaschinen

Eine als Generator betriebene Maschine muss an-dere Schutzanforderungen erfüllen denn als Motor.Sie muss die Energieversorgung sicherstellen unddarf sich nur abtrennen, falls die Schutzvorrichtun-gen bis hin zum Verbraucher während der Regelzeitnicht angesprochen haben. Der Überstrom darf je-doch keine gefährlichen Übertemperaturen erzeu-gen, die die Isolation gefährden könnten.

Die empfohlene Schutzgrenzwert sind dieScheingrössen U, I, wie auf den Instrumenten an-gezeigt.

7.4.1 Überlast

Ein Generatorüberlastschutz ist nur mit Thermorelaismöglich. Die Auslösecharakteristik muss den Anfor-derungen des Generatorherstellers genügen.

Der thermische Schutz mittels Schmelzsicherungenist nicht möglich, da man die Selektivität gegen-über den Sicherungsautomaten des Verbrauchersverliert. Wählt man den Auslösestrom gleich demGeneratornennstrom, brennt die Sicherung beiverbraucher-seitigen Einschaltströmen durch. Beigleichem Strom lösen Schmelzsicherungen rascheraus als Automaten.

(Bsp Abb. 7.11 Icc 6 x In -> Schmelzsicherung ca 0.4s,Automat ca 5s)

Figur 7.10: Unterbrechungszeit für Lichtbogen1. Schmelzzeit2. Lebensdauer Lichtbogen3. Lebensdauer Lichtbogen HPC4. Gesamte Trennzeit5. Magnetisierungszeit6. mech. Verzögerung

Aut

omat

Sch

mel

zsic

heru

ng

103


7.4.2 Überstrom

Überstromschutz kann mit Schmelzsicherungenoder Schützen mit einstellbarer Stromschwelle undVerzögerungszeit erreicht werden. Die zweite Vari-ante erlaubt, die Selektivität gegenüber denVerbrauchersicherungen einzustellen.

Für einen Verbundbetrieb muss der Generatorschutzfür einen Fehler zwischen dem Generator und derSchutzeinrichtung funktionieren. In diesem Fallefliesst der Kurzschlussstrom aus dem Netz!

7.4.3 Verbundbetrieb

Im Netzparallelbetrieb muss sich die Anlage sicherund augenblicklich vom Netz trennen, sobald dieNetzspannung ausfällt, und erst wieder zuschalten,wenn die Netzspannung zurückkehrt. Dies mussauch erfüllt werden, wenn der spannungsfreie Netz-teil gespiesen werden könnte (Schwebelast).

7.4.4 Behandlung des Sternpunktes

Der Sternpunkt eines Asynchron-Generators musswie beim Motor isoliert bleiben.

Bei Synchron-Generatoren wird empfohlen, denSternpunkt im Parallelbetrieb zu trennen. Damit wer-den störende Harmonische (3.) unterdrückt. Im Insel-betrieb muss der Sternpunkt jedoch zugeschaltetwerden. Das Öffnen des Netzschalters ist zu verrie-geln, bis der Sternpunktschalter geschlossen ist.Eine 33% Asymmetrie der Phasenleistung kann 10%Überspannungen erzeugen, solange der Sternpunktnoch offen ist.

7.4.5 Schutz vor Isolationsfehlern

Für grössere Generatoren wird eine Differenz-messung zwischen dem Strom im Sternpunkt desGenerators und den Phasenströmen an der Über-gabestelle gewählt. Wahlkriterium ist der Wert desGenerators und die Zusatzkosten für diese Einrich-tung.

Abbildung 7.11: Zeit/ Strom Charakteristik1. Auslösezeit aufgrund des thermischen Auslösers bei

I/Ieff2. Auslösezeit aufgrund des magnetischen Auslösers bei

I/Ieff3. Auslösezeit einer Schmelzsicherung bei I/In

Aus

löse

zeit

(s)

Vielfache des Nennstromes

104


Abb

ildun

g 7.

12: B

ehan

dlun

g de

s S

tern

punk

tes

Net

z- P

aral

lelb

etrie

b

Inse

lbet

rieb

105


Für kleine Asynchron-Generatoren bis zu einemNennstrom von 63A kann die Isolationsüberwachungmittels eines Fehlerstromschutzschalters mit einemNennauslösestrom von 300mA gemacht werden. Beieinem Isolationsfehler fliesst der Fehlerstrom über dieErde zum Sternpunkt des Transformators, womit die 3Phasen im Fehlerstromschutzschalter ungleich werdenund eine Auslösung erfolgt.

7.4.6 Spannungsregelung

Asynchron-Maschine

Die Steuerung einer Asynchron-Maschine ist einfach,und man kann auf Spannungs- und Drehzahlregelungverzichten. Die zur Aufschaltung erforderliche Nenn-drehzahl kann gehalten werden, indem die Turbineanfangs eine begrenzte Öffnung anfährt. Nach derNetzaufschaltung fährt die Öffnung der verfügbarenWassermenge nach. Im Falle eines Netzunterbruchsbricht die Generatorspannung, falls nicht überkompen-siert wird, zusammen, und die Maschine geht aufÜberdrehzahl, was zu einer Abschaltung führen muss.

Synchron-Maschine

Die Steuerung und Überwachung eines Synchron-Generators umfasst einen Drehzahl- und Spannungs-regler sowie eine Synchronisiervorrichtung. Ändert sichdie Netzspannung, ändert sich der Leistungsfaktor derMaschine, was zu Überströmen in der Maschine füh-ren kann. Deshalb muss auch der Leistungsfaktor ge-regelt werden.

7.4.7 Potentialausgleich

Alle leitenden Teile müssen mit dem Potentialausgleichdes Gebäudes verbunden werden. Um Beschädigun-gen der Lager durch Lichtbogen zu verhindern, sindjeweils das Druckrohr vor dem Schliessorgan, die Tur-bine und der Generator zu verbinden. Diese Verbin-dungen müssen auch während Revisionsarbeiten er-halten bleiben, um den Personenschutz zu gewährlei-sten!

7.4.8 Blitzschutz

Abstand, Isolation und Art der Blitzschutzeinrichtungenmüssen so geplant und installiert werden, dass Über-spannungen weder Risiken noch Schäden verursachen

Abbildung 7.13: Schutz bei Isolationsfehlern

Generator

PE

PEN

Trafo

FI 300 mA

106


7.4.9 Liste von Steuerung, Schutz- undMessgeräten

GeneratorTyp asynchron synchronLeistungsbereich 1 bis 500kVA 1 bis 500kVA > 500kVARegelungDrehzahl nein ja jaSpannung nein ja jacosϕ regelung ja ja jaPhase (Synchronisierung) nein ja jaSchutzrelaisÜberlast (Ith) ja ja jaÜberstrom ja ja jaÜber-/Unterspannung ja ja jaÜber-/Unterfrequenz ja ja jaRückleistung ja ja jaDifferential nein wahlweise jaErdstrom nein wahlweise jamin. Impedanz ja ja jamin. Erregung nein wahlweise jamech. Überdrehzahl wahlweise wahlweise jaInstrumenteGeneratorstrom ja ja jaGeneratorspannung ja ja jaNetzspannung nein ja jaWirkleistung (kW) wahlweise wahlweise jaBlindleistung (kVAr) wahlweise wahlweise jaFrequenz nein ja jaLeistungsfaktor wahlweise ja jaWirkenergie (kWh) ja ja jaBlindenergie (kVArh) wahlweise wahlweise jaPhase (Synchronoskop) nein ja jaDifferenzspannung nein ja jaDifferenzfrequenz nein ja jaErregungsstrom nein wahlweise jaErregungsspannung nein wahlweise jaÖffnungsbegrenzung nein nein ja

107


Abbildung 7.14: Generatorschutz

Netztrafo

Netzspannung

Netzschützsteuerleitung

Verbraucher

Abwurfsteuerung

Schmelzsicherung

G

Idiff

Imess

Iregel

Ischutz

ASynchro

U, cosϕReglerV=

A=

n

n>

kWh kVarh W Var ϕ A V f

Syn f f v vSynchroauto

< U∆ Idf dϕdt dt<f><U><Exc

W←

II>

I<I

R

108


7.4.10 Liste von Not-Aus-Bedingungen

GeneratorGeneratorTyp asynchronasynchron synchronsynchronLeistungsbereich 1 bis 500kVA 1 bis 500kVA > 500kVANotstopNotstop* Handauslösung ja ja jaÜberdrehzahl ja ja jakein Wasser ja ja jaAbschlussorgan zu nein nein jaÖltemperaturen - - jaÖldruck - - jaÖlstand - - ja* Fehlerstrom - wahlweise ja* Überlast / -temperatur (Ith) ja ja ja* Überstrom Icc ja ja ja* Über-/Unterspannung ja ja ja* min. Impedanz ja ja ja* Rückleistung ja ja ja* Erdstrom nein wahlweise jaAusfall Erregung nein ja jaErregerüberstrom nein wahlweise jaÜbertemperatur Statorwicklung wahlweise wahlweise jaÜbertemperatur Kühlmittel wahlweise wahlweise jaÜbertemperatur Lager wahlweise wahlweise jaHochwasserstand Zentrale wahlweise wahlweise jaCO2 Handauslösung wahlweise wahlweise jaAusfall Steuerspannungen ja ja ja

* Notstop mit Netztrennung

Jeder Notstop bedingt ein Schliessen des Abschliessorgans. Notschlüsse lassen sich in zwei Kategorien einteilen:1. Trennen vom Netz und Einschwenken des Strahlablenkers.2. Schliessen der Düse, Trennen vom Netz, sobald die Düse die Leerlaufstellung erreicht hat, um eine Überdrehzahl zu

vermeiden.

109


7.5 RechtlicheBestimmungen

7.5.1 VorlagePflicht

Man unterscheidet zwischen:

Melde- und Kontrollpflicht

↓Selbst wenn die Produktion bei Niederspannung(230/400V) erfolgt und die Einspeisung hausin-tern mit der hierfür zulässigen Spannung ge-schieht, unterliegen die Schutzeinrichtungen fürdie Energie-erzeugungsanlagen nicht alle densel-ben Bestimmungen. Je nach dem Gefährdungs-potential werden verschiedene Kriterien für dieAusführung, Abänderung, Unterhalt und Über-wachung angewandt.

und

periodische Kontrollen

↓siehe Abschnitt 7.5.6 “periodische Kontrollen”

110


– gleichgestellt den Hausinstallationen– sind nicht vorlagepflichtig, falls sie auf dem Grundbesitz des Betrei-

bers stehen– sind zulassungspflichtig nach der Verordnung über elektrische

Niederspannungserzeugnisse (NEV)– benötigen die Anschlussbewilligung des Netzbetreibers– der Anlagenbetreiber ist für die Kontrolle nach NIV verantwortlich

– ungleichgestellt den Hausinstallationen– sind vorlagepflichtig (Abgaben hängen vom Installationswert ab)– sind zulassungspflichtig nach der Verordnung über elektrische

Niederspannungserzeugnisse (NEV)– benötigen die Anschlussbewilligung des Netzbetreibers– der Anlagenbetreiber ist für die Kontrolle nach NIV verantwortlich

Produktionsanlagen für elektrische Energie, die in ein Netz einspeisen müs-sen ausgelegt werden damit sie sich bei Netzausfall automatisch, raschund sicher vom Netz trennen und erst wieder nach der Spannungsrückkehraufschalten. Besondere Aufmerksamkeit ist der Maschinenwahl zu schen-ken, um Nezstörungen zu minimieren. Schutzmassnahmen und Stern-punktbehandlung sind den Vorgaben anzupassen.

Der Anschluss ans Verteilnetz braucht die Erlaubnis des Netzbetreibers.Die Anschluss- und Betriebsbedingungen, sowie periodische Kontrollenentsprechen den Vorschriften des Netzbetreibers.

Eine Vertragsvorlage ist beim Schweizerischen Bundesamt für Energie,3003 Bern erhältlich.

– müssen beim schweizerischen Starkstrominspektorat angemeldet wer-den (nicht Abgabepflichtig)

– sind nicht vorlagepflichtig– sind nachweispflichtig nach der NEV– der Anlagenbetreiber ist für die Kontrolle nach NIV verantwortlich

Netzparallelbetrieb3phasig < 10kVA1phasig < 3.3kVA

Netzparallelbetrieb3phasig > 10kVA1phasig > 3.3kVA

alle Anlagen fürVerbundbetrieb

Anlagen für Inselbetriebohne Netzverbund

111


7.5.2 Definitionen

VorlagepflichtVorlagepflicht

KontrollpflichtKontrollpflicht

NachweispflichtNachweispflicht

ZulassungspflichtZulassungspflicht

Schweizeriches Sicherheits-gütezeichen

Dem ESTI sind alle für Beurteilung notwendigen Dokumente im doppelzu unterbreiten.

U. a.:– Formular für Energieerzeugungsanlagen (erhältlich beim ESTI);– Sowohl Ort der neuen Installation als auch Anschluss an die existie-

renden Installationen;– Alle Schutzmassnahmen für den Netzverbundbetrieb– mögliche Beinflussung von existierenden Installationen;– Schriftliche Bewilligung des EWs

Installationsarbeiten dürfen erst nach Erhalt der GenehmigungInstallationsarbeiten dürfen erst nach Erhalt der Genehmigungdes ESTI beginnen.des ESTI beginnen.

Die gesamte Installation einschliesslich Eigenverbraucher sindkontrollpflichtig.

Für Installationen im Inselbetrieb ist der Betreiber für die Sicherheits-kontrollen verantwortlich. Er muss sich ESTI gegenüber rechtfertigen kön-nen.

Die Abnahme kann dem ESTI vergeben werden (gegen Verrechnung)

Für Energieerzeugungsanlagen muss der Nachweis erbracht werden, dassdiese den anerkannten technischen Normen genügen. Dies kann durcheine Zertifizierung einer anerkannten Prüfungsanstalt geschehen.

Gewisse Komponenten sind zulassungspflichtig. Sie müssen dasSicherheitsgütezeichen tragen.

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7.5.3 Kriterien der Risikoerhöhung durcheine Produktionsanlage

– Erhöhung der Kurzschlussströme im Einspeise-punkt der Unterverteilung.

– Verstärkung von dynamischen Kurzschluss-effekten in der Unterverteilung.

– Spannungsanstieg im Einspeisepunkt und derUnterverteilung entsprechend der vermiedenenZuleitungsverluste.

– Je nach Behandlung des Sternpunktes könnenstarke Ströme der 3. Harmonischen im Neutral-leiter fliessen und diesen sowie den Generatorunerwünscht erwärmen.

– Überspannungen bei Lastasymmetrie und offe-nem Sternpunkt auf den einzelnen Phasen.

7.5.4 Autorisiertes Installationspersonal

Berechtigt für die Installation von Anlagen mit Netz-verbund sind nur fachkundige Personen im Sinneder Niederspannungsinstallationsverordnung (NIV),die überdies im Besitze einer Installations-bewilligung des energieliefernden Werkes seinmüssen.

Berechtigt für die Installation von Anlagen nur fürInselbetrieb sind nur fachkundige Personen im Sin-ne der Niederspannungsinstallationsverordnung(NIV). Die Anlage ist nachher beim ESTI anzumel-den.

7.5.5 Autorisierte Kontrolleure

Berechtigt für die Kontrolle solcher Anlagen sindnur fachkundige Personen oder Elektrokontrolleureim Sinne der NIV.

7.5.6 Periodische Kontrollen

Elektrische Installationen müssen periodisch kon-trolliert werden (NIV). Die Kontrolle umfasst alleNiederspannungsinstallationen (Produktion undVerbraucher). Die Inspektionsintervalle hängen vonder Installationsart ab und wiederholen sich alle 1,5, 10 oder 20 Jahre.

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Bibliographie

Bibliographie

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Asynchronmaschinen, Funktion, Theorie,Asynchronmaschinen, Funktion, Theorie,TechnischesTechnischesJordan, H.; Klima, V.; Kovacs, K.P.Vieweg, Braunschweig, 1975ISBN 3-528-04600-7

Kraftwerks-GeneratorenKraftwerks-GeneratorenVerschiedeneETG Fachberichte Band IIIVDE-Verlag, Berlin, 1979ISBN 3-8007-1139-7

Elektrische Kleinmotoren, EinführungElektrische Kleinmotoren, EinführungStölting, H-D.;Beissse, A.Teubner, Stuttgart, 1987ISBN 3-519-0631-2

Berechnung elektrischer MaschinenBerechnung elektrischer MaschinenSchuisky, W.Springer, Wien, 1960

Elektromotoren - Electric Motors (Buch fürElektromotoren - Electric Motors (Buch fürPraktiker)Praktiker)Rentsch, H.ABB Drives, Turgi, 1992ISBN 3-590-80853-5

Manual on Induction Motors used asManual on Induction Motors used asGeneratorsGeneratorsMHPG Series- Harnessing Water Power on a SmallScale- Vol10J.-M. Chapallaz, J. Dos Ghali, P. EichenbergerGATE 1992ISBN 3-528-02068-7

Village ElectrificationVillage ElectrificationMHPG Series- Harnessing Water Power on a SmallScale- Vol5R. Widmer, A. ArterSKAT 1992ISBN 3-908001-15-3

Gesetzliche Auflagen für kleine elektrischeGesetzliche Auflagen für kleine elektrischeEnergieerzeugungsanlagen fürEnergieerzeugungsanlagen fürNiederspannungNiederspannungSEV/ASE info 1010, Juli 1990

CEI34CEI34(Commission Electrotechnique Internationale):Machines électriques tournantes34-1: caractéristiques assignées et caractéristiques

de fonctionnement34-5: classification des degrés de protection

procurés par les enveloppes34-7: Symboles pour les formes de construction

et les dispositions de montage34-8: marqués d’extrémités et sens de rotation des

machines tournantes

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