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TECHNISCHE UNIVERSITÄTDARMSTADT
Prof. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe 9/1
Elektrische Maschinen und Antriebe
1. Einleitung2. Drehfelder in elektrischen Maschinen3. Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern4. Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen5. Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine6. Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine8. Die Synchronmaschine9. Erregereinrichtungen und Kennlinien10. Gleichstromantriebe
Vorlesungsinhalt
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9. Erregereinrichtungen und Kennliniender Synchronmaschine
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Elektrische Maschinen und Antriebe
9. Erregereinrichtungen und Kennlinien9.1 Elektrische Erregereinrichtungen9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie
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Stromrichtergespeiste Polrad-Erregung
Stromrichtererregung:- Aus Netz-Drehspannungssystem wird mit gesteuertem Gleichrichter (B6C)
variable Gleichspannung Uf erzeugt (variabel über Zündwinkel ) - Uf über zwei Schleifringe der Polradwicklung zugeführt
Uf
Schnellentregungs-Widerstand Rv
Polradwicklung
Schleifringe
Ständer-DrehstromwicklungSynchron-
maschine
B6C-Stromrichter
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Erregung des Polrads über zwei SchleifringeBeispiel:Sechspoliger Schenkelpol-Synchronmotor: 15 kW, 380 V Y, 33.4 A, 50 Hz, 1000/min, cos = 0.8 ü.e.
If = 8 A, Uf = 110 V
Quelle: Fa. Dornhoff, Deutschland
Sechspolige Polradwicklung des Synchronmotors
Dämpferwicklung
Plus- und Minus-Schleifring
Schleifringseitiges Kugellager
%22.8188017587
15000
W8801108W,15000W175878.04.333803
fine,
outm,mot
foutm,
ine,
PPP
PPP
Radiallüfter
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Erreger-Gleichrichter (B6C) Sechspulsige Gleichrichtung über B6C-Thyristor-Gleichrichterbrücke aus Drehstromnetz L1, L2, L3:
Gleichgerichtete Spannung Ud = Erregerspannung Uf, veränderbar über Ansteuerwinkel !Große Induktivität Lf glättet If = (nahezu) Gleichstrom!
B6C: B: Bridge, 6-pulsig, Controlled ()Gesteuerter Brückengleichrichter:Variabler Zündwinkel 0° ≤ ≤ 180°:
Maximale gleichgerichtete Spannung Uf0bei Zündwinkel = 0!
Mittlere gleichgerichtete Spannung Null:Uf = 0: bei Zündwinkel = 90°!
Maximal negative gleichgerichtete SpannungUf < 0 bei Zündwinkel = 180°!
coscosˆ330,dfTrafof UUU
B6C-Gleichrichter
brücke
UfSchleifringe
Netz
Polrad-Feldspule
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Bürstenlose Erregung = KEINE Schleifringe
Erregermaschine als Generator an Hauptmaschine gekuppelt:- Erregermaschine = Synchrongenerator als Außenpolmaschine:
Ständer = "ruhendes Polrad", erzeugt ruhendes Magnetfeld. Läufer trägt Drehstromwicklung: dort Dreh-Spannungssystem induziert.
- Angeschlossene mitrotierende B6-Diodenbrücke erzeugt Uf, welche OHNE Schleifringe direkt der Feldwicklung der Hauptmaschine aufgeprägt wird.
- KEINE Bürsten, KEINE Schleifringe.
Schutz: Z-Dioden
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Erregung des Polrads über einen rotierenden GleichrichterBeispiel: Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine 14 kVA, 231 V Y, 35 A, 50 Hz, 1500/min, cos = 0.8 ü.e.
Vierpolige Polradwicklung der Synchronmaschine
qr = 2
Sechspoliges still stehendes Polrad des Synchron-Außenpol-
Generators
Uf über IE verändert!
IEIf
UfQuelle: Siemens AG,
Deutschland
Rotierende Dreiphasen-Wicklung q = 1
Rotierender Gleichrichter
IE = 0.18 A
If = 1.1 A, Uf = 34 V
AS-Lager
Radial-lüfter
BS-Lager
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Beispiel: Vollpol-Synchron-Generator (Notstromdiesel-Aggregat)
Vierpolige Vollpol-Synchronmaschine, 14 kVA, 231 V Y, 35 A, 50 Hz,1500/min, cos = 0.8 ü.e., Erregerwicklung: If = 1.1 A, Uf = 34 V
W4.371.134
W112008.014000cos
fff
NNoute,
IUP
SP
Wirkungsgrad ohne Pf: = 85.0%
Nm9.83)60/15002/(13177)2/(
W1317785.0/11200/
Ninm,N
oute,inm,
nPM
PP
%76.844.3713177
11200
finm,
oute,gen
PPP
Wirkungsgrad mit Pf: = 84.76% (OHNE Außenpolgenerator und Gleichrichter)
Wirkungsgrad mit Pf: = 84.63% (MIT Außenpolgenerator, = 0.7; Gleichrichter, = 0.97, …)
VA140003523133 NNN IUS
Übung
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„Lade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität (1)
Feldspule (Erregerwicklung im Polrad) als reale lineare Spule (Lf = konst., Rf = konst.)
fff
ff Rtidt
tdiLtu )(
)()(
Anschalten einer Gleichspannung uf(t) = Uf: - Lösung der linearen Differentialgleichung:- Anfangsbedingung if(0) = 0
homogene Lösung: partikuläre Lösung:
f
f
f
ff
f
LU
LR
idt
di
Tth eCti /
1)( ffp RUKti /)(
Anfangsbedingung liefert C1: fffff RUCRUeCi /0)/()0( 10
1
Ladestrom der Spule: fTt
f
ff e
RU
ti /1)( fff RLT /Zeitkonstante:
f f
uf(t)
if(t)
f
Wiederholung
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Lade-Erregerstrom der Erregerwicklung: fTt
f
ff e
RU
ti /1)(
Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3.Tf) fließt der Gleichstrom: if = If = Uf / Rf .
„Lade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität (2)
t
uf(t) = Uf
Uf
Tf = Lf /Rf
Ladestromif (t ) = If = Uf /Rf
if(t)
0
Wiederholung
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Entladen der Spule: uf = 0 (Steuerwinkel = 90°)
Anfangsbedingung if(0) = If0f
ff
f
LR
idt
di
fTthphf eCiiii /
2Lösung:
ffffff RUCRUIeCi //)0( 20
2
Abklingender Erregerstrom:
fTt
f
ff e
RU
ti /)(
Nach unendlich langer Zeit (in der Realität nach ca. 3.Tf) fließt kein Erregerstrom mehr!
„Entlade-Strom“ der Läufer-Feldspulen-Induktivität
Feldspule (Erregerwicklung im Polrad): Lf = konst., Rf = konst.!
if(t) f f
t
if(t)
Tf = Lf /Rf
EntladestromIf = Uf /Rf
t = 0
Wiederholung
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Stoßerregung
Stoßerregung: Für möglichst raschen Läuferfeldaufbau: Einprägen der "Deckenspannung" Ufmax für 0 t t12 über Steuerwinkel = 0!
Erregerstrom if wird in minimaler Zeit t12 < Tf vom Ausgangswert If1zum neuen Sollwert If2 geführt.
Bei offener Ständerwicklung: Zeitkonstante = Feld-Leerlaufzeitkonstante Tf = Lf /Rf OHNE Stoßerregung: Stromaufbau dauert ca. (3 … 5).Tf
"Deckenspannung„: Würde für t zu If,max führen!
if ohne Stoßerregung
f
if erreicht Sollwert If2
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Vorwiderstand Rv Erregerstromverlauf
Schnellentregung = Möglichst rascher Feldabbau
a) Mit Schnellentregungswiderstand:Einschalten eines Vorwiderstands Rv (Schalter in Pos. 2), der die Feldzeitkonstante Tf
entsprechend verkleinert. Beispiel:
Bei Rv = 9Rf sinkt T von Tf auf Tf* = Tf /10, z. B. von 3 s auf 0.3 s. Nach ca. 3 .Tf* = 1 s ist das Läuferfeld Null.
b) Mit Gegenspannung durch den Stromrichter: = maximal (z. B. 150° < 180°):Negative Spannung Uf zwingt If gegen Null. Dann sperren die Thyristoren.
)1/()/(*f
vfvfff R
RTRRLT
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Zusammenfassung: Elektrische Erregereinrichtungen
- Gleichspannungsquelle (Stromrichter) und zwei Schleifringe- Rotierende Synchron-Außenpol-Erregermaschine mit Gleichrichter- Zeitkonstante für Feldaufbau und –abbau- Stosserregung mit Deckenspannung- Schnellentregung mit Vorwiderstand oder „Gegenspannung“ Uf < 0
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9. Erregereinrichtungen und Kennlinien9.1 Elektrische Erregereinrichtungen9.2 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie
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Leerlauf- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.)Generatorbetrieb: Angetriebene, im Läufer erregte Synchronmaschine: If > 0
Generator Kurzschluss-Betrieb: kurz geschlossene Ständerwicklung: Ständerstrom = = Kurzschlussstrom Isk
Isk(If) bzw. Isk(I‘f)
Generator Leerlauf-Betrieb:offene Ständerwicklung: Ständerklemmenspannung == PolradspannungUs0(If) bzw. Us0(I´f): Us0 = Up = Uh
Us0
Is = 0
Isk
Us = 0If If
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Kurzschluss (k)
Isk
jXd
Uh
Leerlauf- und Kurzschlussbetrieb (n = konst.)Zeigerdiagramme für Kurzschluss (Rs= 0)
Us0 = Up = Uh
0fhp IjXU
0fsm III
mhh IjXU ssmhh IjXIjXU
sks II
skdfhp IjXIjXU
= Im
Leerlauf (0)
= Uh
Us0
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Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie (n = konst.)
Leerlaufkennlinie: Us0(If) bzw. Us0(I´f). Us0 = Up = Uh und If = Im. Up = Xdh.I´f
Linear: Luftspaltmagnetisierung; gekrümmte Kennlinie: bei hohem If (hoher Läuferfluss): Eisen sättigt
Kurzschlusskennlinie: Isk(If) bzw. Isk(I‘f) Im = I‘f - Isk klein, daher Uh klein: magnetischer Arbeitspunkt A Eisen nicht gesättigt.
Kurzschlusskennlinie Isk(If) bzw. Isk(I‘f) ist LINEAR
Leerlauf-Kennlinie
Kurzschluss-Kennlinie
Zeigerdiagramm für Kurzschluss (Rs= 0)
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Messen der Synchronreaktanz Wegen Isk = Up / Xd (bei Rs = 0) folgt:
a) Bei "Leerlauf-Erregerstrom" If0ist die Leerlaufspannung die Nenn-Strangspannung: Us0 = UsN
b) Bei Erregerstrom If0 fließt bei Klemmen-kurzschluss der Kurzschlussstrom Isk0:
Synchronreaktanz:
d
sN
d
s
d
fpsk X
UXU
XIU
I 000
)(
0sk
sNd I
UX
000 f
fk
sk
sN
sN
sN
sk
sN
N
dd I
III
UI
IU
ZXx
Synchronreaktanz xd auf Nennimpedanz ZN = UsN / IsN bezogen:
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Die bezogene synchrone Reaktanz xd ist das Verhältnis des Kurzschluss-Erregerstroms Ifk zum Leerlauf-Erregerstrom If0 .
Deren Kehrwert heißt "Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis" kK = 1/xd.
Da If0 bei Eisensättigung höher ist als bei ungesättigtem Eisen, ist das gesättigte Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis größer als das ungesättigte.
Daher ist die gesättigte Synchronreaktanz kleiner als die ungesättigte !
Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK
dsNssf
ssNsf
fk
fK xIIUI
IUUIII
k 1),0()0,(0
tungesättigd,gesättigtd, xx
0 If
dxtungesättigd,x
If0
gesättigtd,x
0
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Synchronreaktanz Xd
dd LfX 2 dhsd LLL
Fep
wsstungesättighhdhl
kNp
mLLL
220,
2:
Vollpolmaschine:a) Ideal ungesättigtes Eisen (Fe ): Nur Luftspalt wird magnetisiert: Magnetische Spannung: V = H
b) Gesättigtes Eisen (Fe < ): Zusätzlich zur Magnetisierung des Luftspalts (V) muss auch der Flusspfad des Ständerfelds im Ständer- und Läufereisen magnetisiert werden, daher zusätzliche magnetische Spannung: VFe
tungesättighFe
tungesättighgesättigth L
VVL
L ,,
, /1
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Synchrone Reaktanz Xd = Xdh + Xs Hauptinduktivität Xh ~ Ns2p /.
Polzahl 2p Synchronreaktanz xd /p.u.Turbogeneratoren 2 ca. 2.0Schenkelpolmaschinen 4 0.8 ... 1.2 PM-Maschinen mit Oberflächenmagneten 4 0.3 ... 1.0
Bezogene synchrone Reaktanz xd = Xd /ZN
Kippmoment Mp0 ~ UsUp /Xd, daher muss für großes Kippmoment Xd ausreichend klein sein
Gegensatz zur Asynchronmaschine: Bei ihr mussXh groß sein, da vom Netz und nicht vom Läufer magnetisiert wird!
Daher ist vor allem bei zweipoligen Synchron-maschinen (p groß !) der Luftspalt groß!
Kippmoment Mp0
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Luftspaltweite der Synchronmaschine
Beispiel:a) Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA, = 60 mm (großer Luftspalt!)b) Schenkelpolmaschine: 2p = 12, 70 MVA, = 27 mm !
Quelle: E. Fuchs, IEEE-PAS
R = 380 mm
= 60 mm
Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA
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Beispiel: Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK
Aus Leerlauf-/Kurzschlusskennlinie (siehe Bild) folgt:kK = 0.43, xd = 1/0.43 = 2.32 p.u.
Vollpolmaschine: 2p = 2, 125 MVA:
dsNssf
ssNsf
fk
fK xIIUI
IUUIII
k 1),0()0,(0
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Zusammenfassung: Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie
- Gekrümmte (gesättigte) Leerlaufkennlinie (LL) bei n = konst.- Lineare (ungesättigte) Kurzschlusskennlinie (KS) bei n = konst.- Prüffeldmessung: Bestimmung von xd aus LL- und KS-Kennlinie- Leerlauf-Kurzschluss-Verhältnis kK = 1/xd
- xd soll klein sein für hohes Kippmoment; deshalb bei 2p = 2: Luftspalt vergrößert = erhöhter Erregerbedarf
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