Elektrische Maschinen als Bestandteile des Elektrizitätsnetzes
Das Stromnetz auch Elektrizitätsnetz genannt, ist ein System aus miteinander verbundenen elektrischen Leitungen (Freileitungen, Kabelleitungen) , Transformatoren und Schaltanlagen samt zugehörigen Zähl-, Mess- und Schutzeinrichtungen, das elektrische Energie von den Erzeugern in den Kraftwerken (Synchrongeneratoren) zu Verbrauchern (Asynchron-Motoren, Elektroheizungen) transportiert. Ziel ist die Sicherstellung der Versorgung mit elektrischer Energie auf Basis einer wirtschaftlichen, umweltschonenden und zuverlässigen Betriebsführung.
Das Stromnetz wird als 3-phasen Drehstromsystem (Bahnsysteme mit Einphasenwechselstrom) betrieben, da Gleichstrom bei energietechnischen Anwendungen wesentliche Nachteile bietet, wie keine direkte Transformierbarkeit der Spannungen und keine Nulldurchgänge zum Schalten, so wie bei Wechselgrößen.
Als Frequenzen kommen in Europa generell 50 Hz und für Bahnstromversorgungen zusätzlich auch 16,7 Hz (bei 15 kV) zum Einsatz (um in der Zeit vor der Erfindung der Leistungselektronik Funkenbildung am Stromwender der Motoren in den Lokomotiven zu reduzieren).
Elektrischen Maschinen basieren auf der magnetischen Kopplung zweier getrennter mechanischer Hauptelemente (Rotor, Stator bzw. Trafoschenkel). Sie spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, von Industriemaschinen bis hin zu Haushaltsgeräten.
Elektrische Maschinen lassen sich in folgende Gruppen einteilen:
Art der Bewegung
- rotierende Maschinen, das trifft auf die gängigen Generatoren und Motoren zu.
- Linearmaschinen, das sind asynchrone Motoren, deren Ständer nicht ringförmig, sondern schienenförmig aufgebaut ist. Sie werden speziell in der Fördertechnik eingesetzt.
- feststehende Maschinen, das trifft auf die Transformatoren zu.
Synchronität zur Netzfrequenz
Entkoppelt von der Netzfrequenz
- Gleichstrommaschine
deren Rotor sich im Erreger-Gleichfeld dreht. Durch die Drehung des Rotors entsteht in dessen Ankerspulen eine Wechselspannung, welche über einen Kommutator (Stromwender) gleichgerichtet wird. Gleichstrommaschinen werden aufgrund ihrer hohen Drehzahlregelung und ihres guten Anfahrverhaltens häufig im Motorbetrieb in Elektrofahrzeugen wie Straßenbahnen, U-Bahnen und Elektroautos eingesetzt. - Asynchronmaschine
deren Rotor sich im Erreger Drehfeld dreht, welches vom Stator ausgehend synchron mit dem Netz umläuft. Der Rotor dreht sich mit einer Drehzahl zwischen Null (Stillstand) und netzsynchron (Leerlauf). Belastet man den Rotor mechanisch im Motorbetrieb, so bleibt der Rotor mit zunehmender Last zunehmend hinter dem Drehfeld zurück. Die Differenz-Drehzahl wird als Schlupf bezeichnet. Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Asynchronmaschinen werden überwiegend im Motorbetrieb aufgrund ihrer einfachen Konstruktion, Robustheit und Wartungsfreundlichkeit in der Industrie eingesetzt.
Synchron zur Netzfrequenz
- Synchronmaschine
es gibt keinen Schlupf. Sie läuft netzsynchron und wird daher vorwiegend als Drehstrom-Generator eingesetzt, der absolut exakt netzsynchron laufen muss. - Trafo
auf der Primär- und Sekundärseite herrscht die Netzfrequenz.
Art der Energieumwandlung
mechanisch auf elektrisch: Generatorbetrieb
wenn Wasser nach einem Gefälle oder Dampf nach einem Heizkessel über die Schaufeln eine Turbine strömt, wodurch sich die Turbine dreht. Über eine Kupplung, also mechanisch, überträgt die Turbine diese Drehbewegung auf den Rotor eines Synchrongenerators. Dessen gleichstromerregte Läuferspule induziert dann eine Spannung in den Stator, der seinerseits in ein Netz einspeist und dort zugeschaltete elektrische Lasten (Motoren) mit elektrischer Energie versorgt.
Die Leistungsobergrenze für Generatoren liegt hier bei 1000 MW, bei einer Generatorspannung von bis zu 27 kV und einer Drehzahl von 1500 min-1 oder 3000 min-1.
\({P_{mech}} = 2 \cdot \pi \cdot n \cdot M \approx {P_{el}} = m \cdot U \cdot I \cdot {g_1} \cdot \cos \left( \varphi \right)\)
\(\eta = \dfrac{{{P_2}}}{{{P_1}}}\)
- M mechanisches Drehmoment
- n Drehzahl der Welle
- m Strangzahl; m=1 Gleichstrommaschine
- g1 Grundschwingungsgehalt
- \(\varphi \) Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung
- \(\eta \) Wirkungsgrad
elektrisch auf mechanisch: Motorbetrieb
wenn Strom aus einem speisenden Netz durch eine Erregerwicklung fließt und sich der Rotor des Motors im Erregerfeld dreht. Der drehende Rotor kann dadurch mechanische Arbeit verrichten.
Gängige Leistungen für Asynchronmotoren gehen bis 1000 kW, die Leistungsobergrenze liegt bei 30 MW.
elektrisch auf elektrisch: Transformator
wenn eine Primär- auf eine Sekundärspannung gewandelt wird, wobei die Leistung auf beiden Seiten des Trafos – abgesehen von den unvermeidlichen, aber sehr niederen (1%) Trafoverlusten – gleich hoch ist.
Zwei Wicklungen, die denselben Eisenkern umfassen werden vom selben magnetischen Wechselfluss durchflossen.
- Dabei verhalten sich die beiden Klemmenspannungen auf der Primär- und auf der Sekundärseite proportional zu den jeweiligen Windungszahlen,
- während sich die Ströme indirekt proportional dazu verhalten. Durch den niedrigeren Strom (bei höherer Spannung) sinken die Leitungsverluste, das ist der entscheidende Vorteil von Drehstrom gegenüber von Gleichstrom!
\(\dfrac{{{N_P}}}{{{N_S}}} = \dfrac{{{u_P}}}{{{u_S}}} = \dfrac{{{i_S}}}{{{i_P}}}\)
Die Leistungsobergrenze liegt hier bei 1500 MW, deren Gewicht bei 450 t, jedoch noch ohne Ölfüllung.
Art von Strom und Spannung
- Gleichstrommaschine
- Einphasen- bzw. Wechselstrommaschine
- Mehrphasen- speziell (3-Phasen) Drehstrommaschinen
Lage der Erregerspule bei rotierenden Maschinen
- Innenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen befinden sich am Läufer
- Synchronmaschine
- Außenpolmaschine: Die Spulen oder Permanentmagnete welche das Erregerfeld verursachen, befinden sich am Stator
- Gleichstrommaschine
- Asynchronmaschine
Art der Erregung
- Von Selbsterregung spricht man, wenn die Erregung und somit das Erreger- oder Hauptfeld durch einen Strom entsteht, den die Maschine selbst liefert.
- Von Eigenerregung spricht man, wenn die Antriebsleistung für den Generator und für die zu erregende Maschine, von der selben Turbine geliefert wird.
- Von Fremderregung spricht man, wenn die zu erregende Maschine, von einer von ihr unabhängigen Stromquelle gespeist wird.
Art des Erregerfeldes
Maschinen, deren Erregerfeld ein Gleichfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für
- Gleichstrommaschinen
- Einphasen-Reihenschluss-Universalmotoren, können mit Gleich- aber auch mit Wechselstrom gespeist werden, da auf Grund der Serienschaltung, Anker und Erregerstrom gleichphasig sind.
zur Anwendung.
Maschinen, deren Erregerfeld ein Drehfeld ist. Dieses Wirkungsprinzip kommt für
- Bürstenlose Gleichstrommaschinen
- Synchronmaschinen
- Asynchronmaschinen
- Transformatoren
zur Anwendung.
Ausprägung der Magnetpole
Magnetisch Felder besitzen im Unterschied zu elektrischen Feldern keine Quellen (Anfang einer Feldlinie) bzw. Senken (Ende einer Feldlinie), sondern sie sind Wirbelfelder. Dies beschreibt in der Elektrodynamik die 2. Maxwellgleichung, also das Gaußsche Gesetz für magnetische Felder, wie folgt mathematisch:
\(div\overrightarrow B = 0\)
Magnetische Feldlinien zeigen den Verlauf des Feldes, wobei magnetische Feldlinien immer geschlossen sind oder sie winden sich unendlich, ohne in sich zurückzulaufen, man spricht daher von einem sogenannten Wirbelfeld.
Ein Magnet hat zwei Pole, den Nordpol und den Südpol. Die magnetischen Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und schneiden einander nicht. Im Inneren eines Magneten verlaufen die Feldlinien dagegen von Südpol zum Nordpol. Die Polstärke \(\overrightarrow p \) gibt die Stärke und die Orientierung der beiden Pole eines Magneten an.
In elektrischen Maschinen haben Magnetfelder folgenden Ursprung
- Permanentmagnete: In Dauermagneten fließen diese das Magnetfeld verursachenden Ströme in Form von bewegten Elektronen auf atomarer Ebene.
- Stromfluss durch einen Leiter bzw. eine Wicklung: Die Spule kann auf einem mechanisch pilzförmig ausgeprägten Pol, bestehend aus Polkern und Polschuh sitzen oder als Wicklung eingebettet in Nuten vom Rotor oder Stator liegen. Die magnetische Durchflutung einer Spule ergibt sich aus Strom mal Windungszahl.
Die magnetische Durchflutung \(\Theta \) "Theta" dient zur Berechnung einer, durch einen elektrischen Storm erzeugten, magnetischen Feldstärke.
\(\Theta = \oint\limits_s H \,\,d\overrightarrow s = {U_m} = \sum\limits_k {{I_k}} = I \cdot n\)
In elektrischen Maschinen kommen Wicklungen zur Erzeugung eines Gleichfeldes oder Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes zur Anwendung.
Polpaarzahl
Leistungsstärkere Maschinen haben nicht nur 2 Hauptpole, sondern verteilt am Ankerumfang p Polpaare, wobei „p“ die Polpaarzahl ist. Ein Polpaar besteht aus einem Nord- und einem Südpol.
- Die Polpaarzahl beeinflusst die Drehzahl, das Drehmoment und die Höhe der induzierten Spannung.
Polteilung
Die Polteilung ist das Maß für den Abstand zwischen zwei Polen. Die Polteilung ergibt sich als Quotient aus Ankerumfang und Polpaarzahl.
Komponenten von elektrischen Maschinen
Gehäuse
darin befinden sich die isoliert angebrachten Komponenten der elektrischen Maschine.
Isoliermaterial
um unerwünschten elektrischen Kontakt zu verhindern.
Luftspalt
trennt drehende von statischen mechanischen Komponenten, also den Rotor vom Stator.
Stromzu- bzw. -abfuhr
welche am Stator über Klemmen und am Rotor über Bürsten erfolgt. Damit man die Wicklungen der Maschine schon an den Klemmen erkennen kann, sind genormte Klemmenzeichen üblich:
- A1-A2: Ankerwicklung
- B1-B2: Wendepolwicklung
- C1-C2: Kompensationswicklung
- D1-D2: Reihenschlusswicklung
- E1-E2: Nebenschlusswicklung
- F1-F2: Fremderregte Wicklung
Elektrobleche
sind einseitig isoliert und haben eine Dicke von 0,23 .. 0,6 mm, um Wirbelströme zu unterbinden, sind kaltgewalzte Dynamobleche und werden zu einem Blechpaket zusammengefügt.
Kommutator
dient der Stromwendung (Umpolung) bei
- Gleichstrom und
- Einphasen-Reihenschlussmotoren (Universalmotor)
Schleifringe
stellen eine elektrische Verbindung zwischen den am Stator befestigen Bürsten und somit die Verbindung zum äußeren Netz einerseits und dem sich drehenden Läufer samt seinen Wicklungen andererseits her.
- zum Anker der fremd- oder eigenerregten Gleichstrommaschine, nicht jedoch zur bürstenlosen Gleichstrommaschine (BLDC)
- zum Polrad der Synchronmaschine, sowohl bei Schenkelpol- als auch bei Trommelläufer
- zum Schleifringläufer der Asynchronmaschine, nicht jedoch zum Kurzschlussläufer
Stator bzw. Ständer
ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine.
Rotor bzw. Läufer
ist die bewegliche Komponente einer rotierenden Maschine.
- Bei einer Gleichstrommaschine ist der Rotor zugleich der Anker.
- Bei einer Synchronmaschine nennt man den Rotor auch Polrad.
Anker
Der Anker ist jener Teil einer elektrischen Maschine, in dessen Wicklung durch relative Drehung gegen ein Erreger-Magnetfeld eine Spannung induziert wird. "Relative" Drehung bedeutet, dass sich entweder
- das Gleich-Feld dreht und die Spulen stillstehen (Anker = Stator der Synchronmaschine). In den Anker werden die 3 Spannungen eines Drehfeldes induziert.
- das Gleich-Feld steht still und die Spule dreht sich (Anker = Rotor der Gleichstrommaschine). In den Anker wird eine Wechselspannung induziert.
Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes.
Ankerspulen liegen in den Nuten des Läufers:
- Gleichstrommaschine
- Einphasen-Reihenschlussmotor (Universalmotor).
Ankerspulen liegen in den Nuten des Ständers:
- Bürstenlose Gleichstrommaschine
- Schenkelpol- und Vollpol (Trommelläufer) Synchronmaschine
Eisenkern eines Trafos
dieser dient dem Rückschluss vom magnetischen Fluss und setzt sich aus dem geblechten Joch- und den Schenkeln zusammen.
Bei den Schenkeln, welche die Primär- und Sekundärwicklungen tragen, unterscheidet man den
- Einphasen-Kern bzw. – Manteltrafo
- Drehstrom Kern-Trafo bzw. Dreischenkel und Fünfschenkel-Kerntrafo.
Windung - Spule - Wicklung - Strang
Jede Spule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden zu Wicklungen zusammengeschlossen.
Bei Drehstrommaschinen gibt es für jede der 3 Phasen eigene, um elektrische 120° versetzte, Wicklungen, die man Strang nennt. Mit „Strang“ bezeichnet man immer die Größe, die direkt an der Generatorspule anliegt, unabhängig davon ob die Generatorspulen im Stern oder im Dreieck zusammengeschaltet werden. Man kann die 3 Induktionsspulen zu einem Stern oder einem Dreieck zusammenschalten, ohne dass ein Kurzschluss entsteht. Abhängig von Stern- oder Dreieck-Schaltung, unterscheiden sich die Stranggrößen von Strom und Spannung von den Außenleitergrößen. (Wir behandeln diese Zusammenhänge in der Mikro-Lerneinheit "Drehstrom" ausführlich.)
Anzapfungen dienen dazu unterschiedlich hohe Spannungen an einem Strang abzugreifen. Es handelt sich dabei um herausgeführte Zwischenanschlüsse, welche die Anzahl derjenigen Windungen reduziert, in die eine Spannung induziert wird. Beispiel: Regeltrafo.
Erregerwicklung
Wicklung, welche das Erreger- oder Hauptfeld erzeugt.
Ankerwicklung
entsteht durch das elektrische Zusammenschließen der einzelnen in den Ankernuten liegenden Ankerspulen, die ihrerseits aus mehreren Windungen bestehen. Die Ankerwicklung liegt abhängig vom Maschinentyp im Rotor oder im Stator.
Trafowicklungen
bei deren Aufbau man zwischen Zylinder- und Scheibenwicklung unterscheidet.
- Bei der Zylinderwicklung liegt innen die Unterspannung und außen die Oberspannung
- Bei der Scheibenwicklung liegen die Unter- und Oberspannungswicklungen abwechselnd entlang von den Schenkeln verteilt.
Es gibt beim Drehstromtrafo verschiedene Möglichkeiten – Schaltgruppe genannt - jeweils die Unter- und die Oberspannungswicklungen elektrisch zu einem Drehstromsystem zu verbinden: Stern-, Dreieck oder Zickzack-Schaltung, wobei sich die Unter- und die Oberspannungsseite oft nach der Schaltgruppe unterscheiden.
Für die zahlenmäßig häufigsten Energietrafos, die Verteilnetztrafos, ist Dyn 5 die Standard-Schaltgruppe. Dabei gibt es
- D: auf der Oberspannung eine Dreieckschaltung,
- y: auf der Unterspannung eine Sternschaltung
- n: samt herausgeführtem Neutral- oder Sternpunktsleiter und
- 5: die Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterspannung beträgt
Will man das Übersetzungsverhältnis eines Trafos ändern, kann das
- im spannungslosen Zustand, durch die Änderung der Windungsanzahl bei herausgeführten Spulenanzapfungen
- unter Spannung, mittels eines regelbaren Ortsnetztrafos (RONT) erfolgen. Benötigt werden RONTs vor allem bei Lastflussveränderungen durch regenerative Erzeuger und durch Spannungsband-Verletzungen bei Leitungen zu abgelegenen Verbrauchern.