Synchronmaschinen – Motoren, Generatoren und Kompensatoren

Synchronmaschinen sind elektrische Wechselstrommaschinen, bei denen der Rotor und das Magnetfeld der Statorströme synchron rotieren.
Dreiphasen-Synchrongeneratoren sind die leistungsstärksten elektrischen Maschinen. Die Einheitsleistung von Synchrongeneratoren in Wasserkraftwerken beträgt 640 MW und in Wärmekraftwerken 8 bis 1200 MW. Bei einer Synchronmaschine ist eine der Wicklungen an ein Wechselstromnetz angeschlossen und die andere wird durch Gleichstrom erregt. Die Wechselstromwicklung wird Ankerwicklung genannt.
Die Ankerwicklung wandelt die gesamte elektromagnetische Leistung der Synchronmaschine in elektrische Leistung um und umgekehrt. Daher wird es normalerweise auf einem Stator platziert, der Anker genannt wird. Die Erregerspule verbraucht 0,3 - 2 % der umgewandelten Leistung, daher befindet sie sich normalerweise auf einem rotierenden Rotor, der als Induktor bezeichnet wird, und die geringe Erregerleistung wird durch Schleifringe oder berührungslose Erregergeräte geliefert.

Das Ankermagnetfeld dreht sich mit einer synchronen Drehzahl n1 = 60f1 / p, U/min, wobei p = 1,2,3 … 64 usw. ist die Anzahl der Polpaare.
Bei Industrienetzfrequenz f1 = 50 Hz mehrere Synchrongeschwindigkeiten bei unterschiedlicher Polzahl: 3000, 1500, 1000 usw.). Da das Magnetfeld des Induktors relativ zum Rotor stationär ist, muss sich der Rotor für die kontinuierliche Wechselwirkung der Felder des Induktors und des Ankers mit der gleichen Synchrongeschwindigkeit drehen.

Bau von Synchronmaschinen
Der Stator einer Synchronmaschine mit Drehstromwicklung unterscheidet sich im Aufbau nicht Stator einer Asynchronmaschine, und es gibt zwei Arten von Rotoren mit Erregerspule: prominenter Pol und impliziter Pol. Bei hohen Drehzahlen und geringer Polzahl kommen implizite Polrotoren zum Einsatz, da diese robuster aufgebaut sind, bei niedrigen Drehzahlen und großer Polzahl kommen Schenkelpolrotoren in Modulbauweise zum Einsatz. Die Festigkeit solcher Rotoren ist geringer, sie sind jedoch einfacher herzustellen und zu reparieren. Scheinbarer Polrotor:

Sie werden in Synchronmaschinen mit hoher Polzahl und entsprechend niedrigem n eingesetzt. Wasserkraftwerke (Hydrogeneratoren). Frequenz n von 60 bis mehrere hundert Umdrehungen pro Minute. Die leistungsstärksten Hydrogeneratoren haben einen Rotordurchmesser von 12 m bei einer Länge von 2,5 m, p — 42 und n = 143 U/min.
Indirekter Rotor:

Wicklungsdurchmesser d = 1,2 – 1,3 m in den Rotorkanälen, die aktive Länge des Rotors beträgt nicht mehr als 6,5 m. TPP, KKW (Turbinengeneratoren). S = 500.000 kVA in einer Maschine n = 3000 oder 1500 U/min (1 oder 2 Polpaare).
Zusätzlich zur Feldspule befindet sich auf dem Rotor ein Dämpfer bzw. eine Dämpfungsspule, die zum Anlaufen von Synchronmotoren dient. Diese Spule ist ähnlich einer Käfigläufer-Kurzschlussspule aufgebaut, hat jedoch einen viel kleineren Querschnitt, da das Hauptvolumen des Rotors von der Feldspule eingenommen wird.Bei Rotoren mit ungleichförmigem Pol übernehmen die Oberflächen der massiven Zähne des Rotors und die leitenden Keile in den Kanälen die Rolle der Dämpferwicklung.
Gleichstrom in der Erregerwicklung einer Synchronmaschine kann von einem speziellen Gleichstromgenerator geliefert werden, der auf der Welle der Maschine installiert ist und als Erreger bezeichnet wird, oder vom Stromnetz über einen Halbleitergleichrichter.
Siehe auch zu diesem Thema:
Zweck und Anordnung von Synchronmaschinen

Wie synchrone Turbos und Hydrogeneratoren funktionieren

Eine Synchronmaschine kann als Generator oder Motor arbeiten. Eine Synchronmaschine kann als Motor arbeiten, wenn die Statorwicklung mit dreiphasigem Netzstrom versorgt wird. In diesem Fall trägt das Statorfeld durch die Wechselwirkung der Stator- und Rotormagnetfelder den Rotor mit sich. Dabei dreht sich der Rotor in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Statorfeld.

Die Generatorbetriebsart von Synchronmaschinen ist die am weitesten verbreitete und fast die gesamte elektrische Energie wird von Synchrongeneratoren erzeugt. Synchronmotoren werden mit Leistungen über 600 kW und bis zu 1 kW als Mikromotoren eingesetzt. Synchrongeneratoren für Spannungen bis 1000 V werden in Einheiten für autonome Stromversorgungssysteme eingesetzt.

Einheiten mit diesen Generatoren können stationär und mobil sein. Die meisten Einheiten werden mit Dieselmotoren verwendet, sie können jedoch auch mit Gasturbinen, Elektromotoren und Benzinmotoren betrieben werden.

Ein Synchronmotor unterscheidet sich von einem Synchrongenerator lediglich durch eine Anlaufdämpfungsspule, die für gute Anlaufeigenschaften des Motors sorgen soll.

Schema eines sechspoligen Synchrongenerators.Dargestellt sind Querschnitte der Wicklungen einer Phase (drei in Reihe geschaltete Wicklungen). Die Wicklungen der anderen beiden Phasen passen in die in der Abbildung gezeigten freien Schlitze. Die Phasen werden im Stern oder Dreieck angeschlossen.

Generatorbetrieb: Der Motor (Turbine) dreht den Rotor, dessen Spule mit konstanter Spannung versorgt wird? Es gibt einen Strom, der ein permanentes Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld dreht sich mit dem Rotor, kreuzt die Statorwicklungen und induziert eine EMK gleicher Größe und Frequenz, jedoch um 1200 verschoben (symmetrisches Dreiphasensystem).

Motorbetrieb: Die Statorwicklung ist an ein Drehstromnetz und die Rotorwicklung an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Durch die Wechselwirkung des rotierenden Magnetfelds der Maschine mit dem Gleichstrom der Erregerspule entsteht ein Drehmoment Mvr, das den Rotor dazu antreibt, sich mit der Geschwindigkeit des Magnetfelds zu drehen.

Die mechanische Charakteristik eines Synchronmotors – Abhängigkeit n (M) – ist ein horizontaler Abschnitt.

Lehrfilmstreifen – „Synchronous Motors“, hergestellt von der Educational Materials Factory im Jahr 1966.
Hier können Sie es sich ansehen: Filmstreifen «Synchronmotor»

Einsatz von Synchronmotoren Der Masseneinsatz von Asynchronmotoren mit erheblicher Unterlast erschwert den Betrieb von Energiesystemen und -stationen: Der Leistungsfaktor im System sinkt, was zu zusätzlichen Verlusten in allen Geräten und Leitungen sowie zu deren unzureichender Nutzung führt Begriffe der Wirkleistung. Daher wurde der Einsatz von Synchronmotoren insbesondere für Mechanismen mit leistungsstarken Antrieben notwendig.

Synchronmotoren haben gegenüber Asynchronmotoren den großen Vorteil, dass sie dank Gleichstromerregung mit cosphi = 1 arbeiten können und keine Blindleistung aus dem Netz verbrauchen und im Betrieb bei Übererregung sogar Blindleistung an das Netz abgeben Netzwerk. Dadurch wird der Leistungsfaktor des Netzes verbessert und der Spannungsabfall und die Verluste darin sowie der Leistungsfaktor der in Kraftwerken betriebenen Generatoren reduziert.

Das maximale Drehmoment ist bei einem Synchronmotor proportional zu U, bei einem Asynchronmotor zu U2.

Daher behält der Synchronmotor bei Spannungsabfall eine höhere Belastbarkeit. Darüber hinaus ermöglicht die Nutzung der Möglichkeit der Erhöhung des Erregerstroms von Synchronmotoren, deren Zuverlässigkeit bei Notspannungsabfällen im Netz zu erhöhen und in diesen Fällen die Betriebsbedingungen des gesamten Energiesystems zu verbessern. Aufgrund des größeren Luftspalts sind die zusätzlichen Verluste im Stahl und im Rotorkäfig bei Synchronmotoren geringer als bei Asynchronmotoren, daher ist der Wirkungsgrad von Synchronmotoren in der Regel höher.

Andererseits ist die Konstruktion von Synchronmotoren komplizierter als die von Käfigläufer-Induktionsmotoren und außerdem müssen Synchronmotoren über einen Erreger oder eine andere Vorrichtung zur Versorgung einer Gleichstromspule verfügen. Dadurch sind Synchronmotoren in den meisten Fällen teurer als Asynchron-Kurzschlussläufermotoren.

Beim Betrieb von Synchronmotoren traten erhebliche Startschwierigkeiten auf.Diese Schwierigkeiten sind bereits überwunden.

Auch der Anlauf und die Drehzahlregelung von Synchronmotoren sind schwieriger. Der Vorteil von Synchronmotoren ist jedoch so groß, dass sich bei hohen Leistungen der Einsatz überall dort empfiehlt, wo häufige Starts und Stopps sowie eine Drehzahlregelung nicht erforderlich sind (Motorgeneratoren, leistungsstarke Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Mühlen, Brecher usw.). ).

Siehe auch:

Typische Schemata zum Starten von Synchronmotoren

Elektromechanische Eigenschaften von Synchronmotoren

Synchronkompensatoren

Synchronkompensatoren dienen dazu, den Leistungsfaktor des Netzwerks zu kompensieren und das normale Spannungsniveau des Netzwerks in Bereichen aufrechtzuerhalten, in denen Verbraucherlasten konzentriert sind. Die übererregte Betriebsart des Synchronkompensators ist normal, wenn er Blindleistung ins Netz einspeist.

In diesem Zusammenhang werden Kompensatoren sowie Kondensatorbänke, die denselben Zwecken dienen und in Umspannwerken installiert sind, auch als Blindleistungserzeuger bezeichnet. In Zeiten reduzierter Verbraucherlast (z. B. nachts) ist es jedoch häufig erforderlich, Synchronkompensatoren und im Untererregungsmodus zu verwenden, wenn sie induktiven Strom und Blindleistung aus dem Netz verbrauchen, da in diesen Fällen die Netzspannung dazu tendiert erhöhen und um es auf einem normalen Niveau zu halten, ist es notwendig, das Netzwerk mit induktiven Strömen zu belasten, die zusätzliche Spannungsabfälle darin verursachen.

Zu diesem Zweck ist jeder Synchronkompensator mit einem automatischen Erreger- oder Spannungsregler ausgestattet, der die Größe des Erregerstroms so regelt, dass die Spannung an den Anschlüssen des Kompensators konstant bleibt.