Grundlagen moderner Technik

Das Themengebiet der Energietechnik ist ausgesprochen komplex und umfangreich. Damit die Inhalte dieser Seite auch von nicht technisch ausgebildeten Lesern verstanden werden kann, sollen in dieser Rubrik wichtige Grundlagen der Elektro- und Energietechnik als Hilfe dienen.

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Synchrongenerator

Betrachtet man die Synchronmaschine als Generator, so kann diese in verschiedenen Bauweisen realisiert werden. Die erste Unterscheidung betrifft die Art der Erregung. Maschinen mit Permanentmagnet-Erregung haben einen guten Wirkungsgrad und benötigen keine externe Spannungsquelle für den Anlauf. Allerdings ist die Erregung selbst nicht regelbar und nach oben durch die Stärke des permanenten Magnetfeldes begrenzt.

Alternativ dazu kann die Erregung auch mithilfe einer eigenen Erregerwicklung realisiert werden. Die Stärke der Erregung lässt sich durch Variation des Erregerstroms steuern.

Eine weitere Unterscheidung stellt die Bauweise der Maschinen dar: Hier wird zwischen Innen- und Außenpolmaschinen unterschieden. Bei der Innenpolmaschine sind die Erregerwicklungen auf dem Läufer angebracht. Die Ständerwicklungen, die an das Netz angeschlossen werden, müssen nicht über Schleifringe geführt werden. Anders sieht es bei der Außenpolmaschine aus: Hier werden die Leistungsströme der Läuferwicklungen über Schleifringe zu den Klemmen geführt. Der Verschleiß ist entsprechend hoch. Zu erwähnen seien noch die Ausführungen des Läufers als Schenkelpol- oder Vollpolläufer. Der Vollpolläufer – auch Turboläufer – kommt in schnell laufenden Maschinen zum Einsatz, weil die Fliehkräfte besser zu beherrschen sind als bei einer Schenkelpolmachine.

Bei der Synchronmaschine stehen die Netzfrequenz (f) und die Drehzahl (n) der Maschine in direkt proportionalem Zusammenhang. Neben der Drehzahl ist die Zahl der Polpaare (p) der entscheidende Parameter. In der Wasserkrafttechnik ist dies beispielsweise besonders wichtig, weil hier gerne langsam laufende Generatoren – möglichst ohne Einsatz eines Getriebes – verwendet werden. Für die synchrone Drehzahl in Min-1 abhängig von der Polpaarzahl und der Netzfrequenz (50 Hz) gilt:

Berechnung der Synchrondrehzahl  

 

p

nS [min-1]

1 3000
2 1500
4 750
8 375
20 150

 

Synchrongeneratoren können mit sehr geringen Drehzahlen betrieben werden, wenn sie mit einer hohen Polpaarzahl konstruiert werden.

Die Drehzahl der Synchronmaschine ist nicht vom Drehmoment abhängig! Allerdings ist das Drehmoment proportional zum Polradwinkel . Der Polradwinkel beschreibt die Verschiebung der Polradspannung (Up) zur Ständerspannung (Us).

Im Motorbetrieb (elektrische Leistung wird zugeführt und in mechanische Leistung umgesetzt) ist der Polradwinkel negativ.

Polradwinkel beim Synchronmotor

Stabiler Zustand:

Polradwinkel Synchronmotor stabiler Zustand

Dagegen wird im Generatorbetrieb mechanische Energie auf die Welle zugeführt und elektrische Energie erzeugt. Der Polradwinkel ist positiv:

Polradwinkel Synchrongenerator

Stabiler Zustand:

Polradwinkel Synchrongenerator stabiler Betrieb

In einem Kraftwerk wird die Maschine als Generator betrieben. Sie erzeugt aus der aufgenommen mechanischen Energie unter Berücksichtigung innerer Verluste elektrische Energie.

Zusammenhang von zugeführter mechanischer zu abgegebener elektrischer Leistung

Im Folgenden sei eine verlustfreie Maschine angenommen (=1). Die aufgenommene mechanische Leistung ist dann gleich der abgegebenen elektrischen Leistung. Die mechanische Leistung errechnet sich aus dem Drehmoment an der Generatorwelle und der mechanischen Winkelgeschwindigkeit .

Synchrongenerator: Zusammenhang von Leistung und Drehmoment 

Darstellung der Spannungszusammenhänge von Polrad und Ständerspannung sowie der zugehörigen Ströme im Ersatzschaltbild unter Berücksichtigung des Polradwinkels . Quelle: Dirk Peier, Studienskript „Einführung in die elektrische Energietechnik II“, Kurseinheit 9

Darstellung der Spannungszusammenhänge von Polrad und Ständerspannung sowie der zugehörigen Ströme im Ersatzschaltbild unter Berücksichtigung des Polradwinkels. Quelle: Dirk Peier, Studienskript „Einführung in die elektrische Energietechnik II“, Kurseinheit 9

 

Für die elektrische Leistung gilt:

Wirkleistungsberechnung Drehstrom

 

 

Nach dem Ersatzschaltbild und dem sich daraus ergebenen Zeigerdiagramm kann der Strom Is auch als Spannungsabfall an Ld, dem entsprechenden Blindwiderstand Xd unter Berücksichtigung des Polradwinkels J ausgedrückt werden:

Leistungsberechnung unter Berücksichtigung des Polradwinkels

Durch Gleichsetzen der Gleichungen der mechanischen und elektrischen Leistung lässt sich das Drehmoment errechnen, das an der Generatorwelle angreifen muss, um den Bedarf des Netzes zu decken. Dieses wird durch beispielsweise bei einem Wasserkraftwerk über die Wassermenge gesteuert, die auf die Turbinen einwirkt. Hier ist es die Aufgabe des Leitapparates und/oder die Ausrichtung der Turbinenschaufeln, die richtige Wassermenge einzustellen. Die Regelung muss allerdings auch dafür sorgen, dass dass der Polradwinkel nicht größer als 90° wird. Ab diesem Winkel kann die Maschine nicht mehr in den synchronen Betrieb zurück kehren. Man spricht vom „Kippen“.

Zusammenhang von Drehmoment, elektrische Leistung und Polradwinkel 

(rs/02-2012)