Reluktanzmaschine
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Synchronmaschinen
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Synchronmaschinen
Synchronmaschinen sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators umläuft. In der Elektro-Energietechnik werden sie überwiegend als Generator betrieben, als Motor finden sie in der Elektromobilität Anwendung.
Die Synchronmaschine ist heute als Drehstromgenerator der Erzeuger elektrischer Energie schlechthin. Ihre Leistung liegt zwischen 500 – 1000 MW bei Wasserkraftgeneratoren und über 2000 MW bei 4 poligen Turbogeneratoren. Entscheidend für solche Leistungen ist eine aktive Kühlung im Läufer.
Als Motor hat die Synchronmaschine im industriellen Bereich geringe Bedeutung, kommt aber als drehzahlvariabler Antrieb etwa als Hauptantrieb für Elektrofahrzeuge zum Einsatz.
Stator oder Ständer, zugleich Anker
Der Stator ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine und besteht aus geschichteten Blechen. Der Stator der Synchronmaschine besitzt eine in Nuten liegende Drehstromwicklung, die ein dreisträngiges Drehfeld bewirkt.
Im Ständer großer Synchronmaschinen, speziell von Turbogeneratoren, liegen aus isolationstechnischen Gründen praktisch ausschließlich 2 Leiter je Nut, also ein Leiter in der Ober- und ein Leiter in der Unterschicht. Damit die Leiterströme den Leiterquerschnitt gleichmäßig ausfüllen, erfolgt eine Unterteilung in zahlreiche Teilleiter, sogenannte Roebelstäbe, die zudem um 360° auf die Paketlänge verdrillt sind.
Der Anker ist jene Wicklung einer elektrischen Maschine, in die vom Erregerfeld eine Spannung induziert wird. Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes. Bei der Synchronmaschine ist daher der Stator zugleich der Anker.
Es ist daher generell falsch, Stator mit Rotor bzw. Läufer – wie bei der Gleichstrommaschine – gleichzusetzen.
Luftspalt
Da die Erregung aus einem lokalen Gleichstromnetz über das Polrad erfolgt, ist man bei der Wahl der Luftspaltbreite nicht eingeschränkt. Übliche Luftspaltbreiten starten bei wenigen mm und gehen auch über 10 cm hinaus.
Läufer oder Polrad
Der Synchrongenerator besitzen ein mit Gleichstrom oder durch Permanentmagnete erregtes Polrad. Im Unterschied zur Gleichstrommaschine befinden sich ausgeprägte Pole also nicht am Ständer, sondern am Läufer (Schenkelpolmaschine) oder kommen gar nicht vor (Vollpol-, Turbo- oder Trommelläufer). Beim Vollpolläufer liegt die Erregerwicklung in Nuten in axialer Richtung des zylindrischen Laufkörpers.
Schenkelpolmaschine
Läufer für kleinere Drehzahlen besitzen ausgeprägte Pole mit massiven oder geblechten Polkernen. Einen derartigen Läufer bezeichnet man auch als Polrad, die Synchronmaschine ist dann eine Schenkelpolmaschine. Das Polrad besteht aus einem Polschaft, auf dem sich die gleichstromdurchflossen Erregerwicklung befindet und einem Polschuh, in dem sich Dämpferstäbe befinden können.
Die Dämpferstäbe liegen auf der dem Luftspalt zugewandten Seite der Polschuhe und bestehen aus Kupferstäben von kräftigem Querschnitt. Sie sind an der Stirnseite des Läufers zu einem sogenannten Dämpferkäfig zusammengeschlossen. Der Dämpferkäfig dient dazu Drehzahlschwankungen zufolge Oberfelder der Synchronmaschine zu dämpfen.
Vollpolmaschine
Läufer für höchste Drehzahlen werden als Trommel- oder Turboläufer ausgeführt und auch Vollpolmaschine genannt. Hier ist der Läufer ein runder glatter Zylinder, ohne geometrisch ausgeprägte einzelne Pole und die Erregerwicklung sitzt in Nuten dieses Zylinders.
Klassifikation von Synchronmaschinen nach deren Erregung
- Elektrisch erregte Maschinen, als Generatoren am starren Netz, bieten die Möglichkeit die Erregung zu verändern
- Schenkelpolmaschine, ausgeprägte magnetische Achsigkeit
- Vollpolmaschine, ohne magnetischer Achsigkeit
- Permanentmagnet erregte Maschine, ohne der Möglichkeit die Erregung zu verändern
- Permanent erregte Maschinen (PMSM), als drehzahlvariable Motoren mit Umrichterspeisung für das Ständerfeld,
- Oberflächenmagnete
- vergrabene Magnete (liegen im Inneren des Polrades)
- Radnabenmaschine, dabei handelt es sich um permanent erregte Synchronmotoren, die direkt in den Rädern von Kraftfahrzeugen untergebracht sind und diese antreiben, wodurch der Antriebsstrang (Getriebe, Kardanwelle, Differential) wegfällt. Innen liegt der Stator mit einer Drehfeldwicklung, außen liegt das Polrad.
- Permanent erregte Maschinen (PMSM), als drehzahlvariable Motoren mit Umrichterspeisung für das Ständerfeld,
- Synchronmaschinen ohne Erregung
- Reluktanzmaschinen (SRM), das sind Synchronmaschinen ohne Erregung. Das Drehmoment basiert nicht auf der Lorentzkraft. Der Stator ist wie bei Synchronmaschinen aufgebaut. Der Rotor weist durch Barrieren für den magnetischen Fluss eine ausgepräge magnetische Achsigkeit auf und läuft synchron mit dem Drehfeld des den Stator speisenden Netzes um.
Drehzahl der Synchronmaschine
Die Drehzahl ist starr an die Netzfrequenz gebunden und hängt nur von der Polpaarzahl wie folgt ab:
\(n = \dfrac{f}{p}\)
Bei f=50 Hz ergeben sich folgende diskrete Drehzahlen:
- p=1: n=3000 U/min; Maschine hat 2 Pole
- p=2: n=1500 U/min; Maschine hat 4 Pole
- p=3: n=1000 U/min; Maschine hat 6 Pole
Wegen der hohen Drehzahl und der damit verbundenen Fliehkräfte wird der Läufer von 2 und 4-poligen Maschinen meist nicht mit einem Polrad, sondern als Vollpolläufer (Trommel- oder Turboläufer) ausgeführt.
Erregerwicklung
Dem Polrad wird über Schleifringe ein Gleichstrom zugeführt, und dadurch ein Gleichfeld erzeugt. Der so erzeugte magnetische Fluss geht von einem Pol des Läufers durch den Luftspalt, die fixe Stator-Drehstromwicklung und schließt sich über den Ständer zum Gegenpol des Läufers.
Zufolge der mechanischen Drehung des Polrads durch eine Turbine (Wasser, Dampf) wandert das Maximum der Induktion entlang des Ständerumfangs, wodurch das Gleichfeld des Polrads als Drehfeld für den Stator wirkt. In einem Leiter, der sich in seiner Nut am Ständerumfang befindet, wird eine Spannung induziert.
Ruheinduktion eir - Spule ruht
Durch die zeitliche Änderung eines magnetischen Feldes B, welches vom Polrad erzeugt wird, entsteht im ganzen umgebenden Raum ein elektrisches Wirbelfeld, wodurch eine Urspannung in die ruhenden Spulen des Ständers (daher: Anker) induziert wird.
Das Flächenintegral über alle durch die Änderung der magnetischen Flussdichte B gemäß der 2. maxwellschen Gleichung verursachten Wirbel des elektrischen Feldes E ergibt:
\({e_{ir}} = \mathop \smallint \limits_A rot\vec E \cdot d\vec A = - \mathop \smallint \limits_A \dfrac{{\partial \vec B}}{{\partial t}}\,d\vec A\)
Die Höhe der induzierten Spannung ist proportional zur Drehzahl und ist nichtlinear abhängig vom Erregerstrom bzw. der Magnetisierungskennlinie.
Dämpferwicklung
In den Polschuhen des Polrads können in Nuten Rundstäbe angebracht werden, die an der Stirnseite der Polschuhe zu einem Käfig kurzgeschlossen werden.
Strangwicklung im Stator
Es handelt sich um eine Drehstromwicklung, welche mit dem 3-phasen-Drehstromnetz verbunden ist.
Gemeinsam ist allen Synchronmotoren, das vom Stator ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird, welches mit dem Gleichfeld des Läufers so wechselwirkt, dass ein Drehmoment ausgeübt wird. Das Gleichfeld des Läufers stammt entweder aus einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator (Fremderregte Synchronmaschine) oder von Permanentmagneten (PMSM).
In einem Synchrongenerator ist es die Urspannung, die dafür sorgt, dass durch die mechanisch verursachte Bewegung des Rotors, dem über Schleifringe ein Erreger-Gleichstrom zugeführt wird, oder der über Permanentmagnete verfügt, ein sich drehendes Erregerfeld entsteht, wodurch im Stator eine Spannung induziert wird. Diese induzierte Spannung treibt einen Strom durch ein an den Statorklemmen angeschlossenes Netz mit zugeschalteten Verbrauchern.
Ankerrückwirkung
Ständer- und Läuferfeld ergeben ein resultierendes Luftspaltfeld. Bei Belastung der Synchronmaschine fließt im Anker ein Drehstrom, welcher, so wie das Polrad, ein Drehfeld erzeugt. Die beiden Drehfelder überlagern sich zu einem resultierenden Drehfeld im Luftspalt.
Polradwinkel
Der wirklastabhängige Polradwinkel \(\delta \), auch Lastwinkel genannt, ist der Winkel zwischen der Polradspannung und dem Drehfeld des Stators.
- Im Generatorbetrieb eilt das Polrad dem Synchronfeld voraus, läuft aber synchron dazu um.
- Im Motorbetrieb hinkt das Polrad dem Synchronfeld nach, läuft aber synchron dazu um.
Bei Nennleistung liegt der Polradwinkel bei 20° bis 30°.
Für einen stabilen Betrieb darf der Betrag des Polradwinkels 90° nicht überschreiten, sonst kippt die Maschine. Dabei kann die Maschine im Generatorbetrieb durchgehen, d.h. über die Bemessungsdrehzahl hinaus beschleunigen. Im Motorbetrieb pendelt die Maschine und erzeugt kein externes Drehmoment.
Synchronmaschine am Netz
Speist eine einzelne Synchronmaschine in ein elektrisches Drehstromnetz, spricht man vom Inselbetrieb.
Andernfalls wird die Synchronmaschine zunächst im Leerlauf auf die netzsynchrone Drehzahl hochgefahren und anschließend mit dem Verbundnetz, in dem sich andere Synchronmaschinen befinden, synchronisiert.
Ein zeitlich konstantes Drehmoment kann nur dann gebildet werden, wenn das vom Ständer und das vom Läufer erzeugte Feld synchron umlaufen. Beim Anlauf einer Synchronmaschine ist die Erregerwicklung am Läufer zunächst nicht erregt, daher kann kein Drehmoment erzeugt werden, welches den Läufer in den Synchronismus zieht. Daher kann die Synchronmaschine nicht von allein anlaufen. Sie benötigt eine Anlaufhilfe, die dafür sorgt, dass die mechanische Drehung des Läufers geringfügig unter der magnetischen Drehzahl des vom Ständer ausgehenden Drehfeldes liegt. Dazu kann ein Startmotor dienen. Bei einem unbelasteten Synchronmotor kann man auch den Dämpferkäfig als Anlaufkäfig missbrauchen, wodurch sich der anlaufende Synchronmotor temporär wie ein Asynchronmotor verhält.
Um eine Synchronmaschine mit dem Netz zu synchronisieren, muss die Drehzahl der Maschine, die Spannung der Maschine und die Phasenfolge der Maschine mit der Drehzahl, der Spannung und der Phasenfolge des Netzes übereinstimmen.
- Die Drehzahl der Maschine kann durch die Erregung der Maschine geregelt werden.
- Die Spannung der Maschine kann durch die Einstellung des Erregerstromes geregelt werden.
- Die Phasenfolge der Maschine kann durch die Anordnung der Leiter im Stator oder im Läufer geregelt werden.
Das Synchronisieren der Synchronmaschine mit dem Netz erfolgt in mehreren Schritten:
- Anfahren der Maschine: Die Maschine wird mit einer Drehzahl angetrieben, die unterhalb der synchronen Drehzahl liegt.
- Erregung der Maschine: Die Polradwicklung der Maschine wird mit einem Erregerstrom erregt. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, das mit dem Läufer rotiert.
- Regelung der Spannung: Die Spannung der Maschine wird so eingestellt, dass sie der Spannung des Netzes entspricht.
- Kontrolle der Phasenfolge: Die Phasenfolge der Maschine wird mit einem Phasenschieber oder einem Nullspannungsinstrument kontrolliert.
- Schließen des Generatorschalters: Der Generatorschalter wird geschlossen und die Maschine wird an das Netz angeschlossen.
Von nun an gibt die Netzfrequenz die Drehzahl des Maschinensatzes (GS-Erreger- plus Synchronmaschine) vor. Über eine Steigerung vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine kann die Synchronmaschine als Motor oder über eine Reduktion vom Erregerstrom aus der Gleichstrommaschine als Generator genutzt werden. In beiden Fällen ändert sich der Polradwinkel, der nur im Leerlauf Null ist.
Generatorbetrieb
Im Generatorbetrieb wird der Läufer von einer mechanischen Kraftmaschine (Turbine) angetrieben. Der Gleichstrom in der Erregerwicklung erzeugt ein relativ zum Läufer stillstehendes Magnetfeld. Zufolge der Drehung des Läufers verhält sich dieses Erregermagnetfeld relativ zum Ständer aber als Drehfeld. Dieses Drehfeld induziert in den drei Strängen der Ständerwicklung drei Spannungen, zwischen denen ein Phasenverschiebungswinkel von 120° besteht. Dem Ständer kann daher Drehstrom entnommen werden.
Die induzierte Spannung hängt dabei vom Erregerstrom und von der Drehzahl des Läufers ab. Da die Frequenz der induzierten Spannungen meist vorgeschrieben ist, wird die Spannung mit dem Erregerstrom eingestellt.
Motorbetrieb
Im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läuferfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die Drehzahl des Synchronmotors wird durch die Frequenz oder Amplitude der Strangströme im Stator geregelt.
- Im Leerlauf, d.h. wenn der Rotor nicht belastet wird, ist der Nordpol des Rotors immer auf den Südpol des Stators ausgerichtet und umgekehrt.
- Steht der Rotor jedoch unter Last, entsteht ein zunehmender Winkelversatz zwischen Stator- und Rotorfeld, der so genannte Polradwinkel. Unter Einwirkung des bremsenden Moments, bleibt der Rotor lediglich zum Erregerfeld um den Polrad- oder Lastwinkel zurück, läuft aber weiterhin mit der synchronen Drehzahl.
Die mechanische Belastung kann so lange erhöht werden, bis der Polradwinkel 90° beträgt, d.h. bis der magnetische Nordpol des Rotors auf den magnetischen Nordpol des Stators zeigt. An diesem Punkt entsteht das Auszugsdrehmoment, das maximal erzeugbare Drehmoment.
Wird der Rotor weiter belastet, reduziert sich das erzeugte Drehmoment mit dem wachsenden Polradwinkel und reicht nicht mehr aus, um den Rotor synchron magnetisch mitzuziehen. Dadurch wird der Rotor zu einer anderen als der synchronen Drehzahl gezwungen, was zur Folge hat, dass der Rotor seine Lage zum Drehfeld fortwährend ändert, sodass die elektromagnetische Kraftwirkung ihn abwechselnd nach vorne zieht und dann wieder zurück, sodass das im Mittel entstehende Moment Null ist. Man spricht dann vom Kippen bzw. Außertrittfallen des Motors, was das Ende eines regulären Betriebszustandes ist und neben der Geräuschentwicklung zu Schäden an der Maschine und den nachgeschalteten Getrieben führen kann.
Fremderregte Synchronmaschine
Oft sitzt auf der Läuferwelle des Synchrongenerators auch der Anker des, seinerseits selbsterregten, Erreger-Gleichstrom-Nebenschlussgenerators.
Die Erregerwicklungen der Synchronmaschine werden von einem Gleichstrom durchflossen. Dieser Erregerstrom wird gewöhnlich durch eine separate Erregermaschine, einem Gleichstrom-Nebenschlussgenerator, geliefert und dem Rotor der Synchronmaschine über Schleifringe zugeführt. Der Aufbau als Innenpolmaschine hat den Vorteil, dass die Hochspannung (10 kV) und der Hochstrom (10 kA) bei einer 100 MW Maschine, dem festen Ständer entnommen wird, während lediglich der kleine Erregerstrom über Schleifringe zugeführt werden muss.
Der kostengünstigere fremdstromerregte Synchronmotor hat gegenüber der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) den Vorteil, dass die Stärke des Erregerfeldes über den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl eingestellt werden kann.
Der Nachteil ist jedoch, dass im Vergleich zur PMSM elektrische Verluste im Rotor auftreten, die den Wirkungsgrad der Maschine verringern. Außerdem muss wieder ein Weg gefunden werden, den Gleichstrom an den rotierenden Rotor anzulegen.
Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM)
Die fremderregte Synchronmaschine braucht in beiden Betriebsarten, also Motor oder Generator, Gleichstrom für die Erregung. Ihr Betrieb ist also vom Vorhandensein einer Gleichstromquelle abhängig, es sei denn man erzeugt das Rotorfeld durch Permanentmagnete. In diesem Fall spricht man von einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM).
Werden PMSMs im Motorbetrieb eingesetzt, ist eine Leistungselektronik notwendig, welche die Belastung des Rotors überwacht und ggf. den Antrieb bei zu hoher Belastung vor dem Abwürgen, etwa durch Variation des Statorstroms oder Abschaltung des Motors, schützt.
Permanentmagneterregte Maschinen haben - auch im Vergleich zu anderen Elektromotoren - einen sehr hohen Wirkungsgrad, dank fehlender elektrischer Verluste im Rotor und eine hohe Leistungsdichte, weshalb die PMSMs häufig für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.
Moderne Hochenergiemagnete wie Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) ermöglichen eine besonders kompakte Bauweise, stellen aber gleichzeitig eine der größten Schwächen dieser Elektromotorenkonzepte dar: die hohen Materialkosten und eine teilweise ökologisch und ethisch höchst umstrittene Gewinnung in Drittweltländern.
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