Synchronmaschinen (Grundlagen)

Aufbau

Die größte Bedeutung hat die Synchronmaschine bei der Erzeugung von Drehstrom.

Sie besteht aus einer dreisträngigen Wicklung und einem Gleichstrommagneten. Der einfachste Aufbau ergibt sich, wenn man den Gleichstrommagneten rotieren läßt und die Drehstromwicklung im Stator unterbringt.

Diese Bauform bezeichnen wir als Innenpolmaschine.

Die Aussenpolmaschine hat den selben Stator wie eine Gleichstrommaschine und der Rotor ist der eines Schleifringläufers.

Aussenpolmaschine Innenpolmaschine
Erregerwicklung (Gleichstromteil)
ist im Stator ist im Läufer
Drehstromwicklung (3 x Wechselstromteil)
ist im Rotor ist im Stator
Vorteil
Der Stator ist gleich aufgebaut, wie bei der Gleichstrommaschine. Dem Läufer muss nur die kleine Erregerleistung über zwei Schleifringe zugeführt werden. Bei der Aussenpolmaschine braucht man 3 Schleifringe, um die große Drehstromleistung aus der Maschine herauszuführen.

Einige der derzeit größten Synchrongeneratoren im Brasilianischen Kraftwerk Itaipu besitzt eine Nennleistung von 700MW und ist so groß (d = 16m), dass in seinem Stator ein Orchester Platz findet.

Prinzip der Synchronmaschine

Die Synchronmaschine kann, wenn sie angetrieben wird, Drehstrom erzeugen. Drehstrom ist einfach gesagt nur Wechselstrom in drei verschiedenen Leitern (die sogenannten Aussenleitern).
Aus dem folgenden Bild kann man auch sehen, dass die drei Spulen in der Maschine verschaltet gehören, weil so ja kein Strom fließen kann, da es keinen Stromkreis gibt. Dieses Verschalten nennt man beim Drehstrom verketten. Mehr dazu im Kapitel: Erzeugung von Drehstrom.

Prinzip der Synchronmaschine

Wenn sich in einem Stator mit Drehstromwicklung ein Magnetfeld dreht, wird in dieser Wicklung ein Drehstrom erzeugt.

Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld.

Die Frequenz des Drehstroms ist:
Frequenz der erzeugten Spannung
Die Rotordrehzahl ist:
Synchrondrehzahl oder Drehfelddrehzahl

Dabei ist:

  • f die Frequenz der Wechselspannung in den Spulen (Strängen)
  • p die Anzahl der Polpaare
  • (nS) die Synchrondrehzahl, weil der Läufer des Motors mit der selben Drehzahl wie das Drehfeld dreht.

  • Synchronmaschine als Generator

    Betriebseigenschaften

    Die in einem Generator induzierte Spannung hängt von der Drehzahl des Läufers und vom Magnetismus der Erregerpole ab.

    Bei Synchronmaschinen ist die Drehzahl vorgeschrieben (50Hz) und daher ist die Spannung nur über die Erregung einzustellen.

    Schaltungen für die Erregung einer Synchronmaschine:

    Zur Erzeugung eines Wechsel-, bzw. eines Drehstromes wird ein Magnetfeld benötigt. Das gewinnt man durch Anschluss des Polrades an eine Gleichspannung. Die Gleichspannung kann auf verschiedenste Arten erzeugt werden:

    Die Erregerspannung wird von außen über Schleifringe zugeführt:

    fremderregter GS-Generator erregt Synchronmaschine

    Synchrongenerator021.gif   Synchrongenerator022.gif

    Statische Erregung der Synchronmaschine mit Gleichrichter

    Synchronmaschine023.gif

    Die Erregerspannung wird direkt von mit rotierenden Gleichrichterdioden geliefert:

    Synchronmaschine024.gif

    Parallelschaltung von Generatoren

    Der momentane Stand des Läufers in der Maschine entpricht exakt dem Augenblickswert der Strangspannung des Generators. Damit müssen alle Synchrongeneratoren, die in ein gemeinsames Netz Strom liefern wollen, die gleiche Lage des Polrades (Winkel zwischen Statorspule und Erregerpol im Läufer) haben.

    Vor dem Aufschalten des Synchrongenerators wird der synchrone Lauf mittels eines Synchronoscopes überprüft und gegebenenfalls automatisch hergestellt.

    Bedingungen für die Parallelschaltung:

    1. gleiche Phasenfolge (bei Inbetriebnahme) L1,L2,L3
    2. gleiche Frequenz (Doppelfrequenzmesser)
    3. gleiche Spannung (Doppelvoltmeter)
    4. gleiche Phasenlage (Nullspannungsmesser, Lampen in Hell- oder Dunkelschaltung)

    Prinzip des Synchronoskops

    Synchronmaschine als Motor

    Wirkungsweise

    Das Polrad der Innenpolmaschine wird mit dem Drehfeld mitgerissen. Die Drehzahl der Maschine entspricht der Drehfelddrehzahl (nD = nS). Zwischen dem Drehfeld und den Polen des Polrades bildet sich der Polradwinkel δ.

    Polradwinkel

    Der Polradwinkel δ gibt an, um wieviel Winkelgrade das Polrad hinter dem Drehfeld nachläuft.

    Je größer der Polradwinkel wird, umso kleiner wird die Kraft des Motors. Ist der Polradwinkel 180°, bleibt der Motor schlagartig stehen, er fällt ausser Tritt.

    Vorteile des Synchronmotors:

    • konstante Drehzahl
    • guter Wirkungsgrad
    • guter Leistungsfaktor

    Nachteile des Synchronmotors

    • große Motoren laufen nicht selbst an
    • Gleich- und Drehstrom ist notwendig
    • Bürsten sind nicht wartungsfrei
    • fällt bei Überlastung außer Tritt

    Verwendung

    • Synchronkleinstmotor für Uhren oder Schaltwerke
    • im Kraftwerk als Generator oder Pumpenmotor
    • als Phasenschiebermaschine zur Verbesserung des Leistungsfaktors cosφ