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Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 Synchronmaschine Synchronmaschine Schenkel- und.

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Präsentation zum Thema: "Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 Synchronmaschine Synchronmaschine Schenkel- und."—  Präsentation transkript:

1 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 Synchronmaschine Synchronmaschine Schenkel- und Vollpolmaschine überwiegende Anwendung 1. Generator zur Elektroenergieerzeugung, 2. große Dauerantriebe auch Motor kombiniert mit Blindleistungskompensation. L1 L2 L3 G 3~ G Antrieb Richtung des größten dB E /dt ; in der Wicklung dort entsteht Û ind (nach Rechter-Hand-Regel) B SGen BEBE B SMot β Gen B gesGen B gesMot β Mot Polrad ist Elektromagnet (Permanentmagnet) und erzeugt das Erregerfeld B E β z.B. 30° Generatorbetrieb: Leerlauf; u ind bei Last i Ständer L S verzögert i B S Motorbetrieb: i Ständer Drehfeld B SMot ; mech. Leerlauf u ind =u L i L0 ; Last i Ständer je mehr Polrad durch Last zurück desto i Ständer ; d B E /dt neg. u ind neg. i L, B S i L1 (t) i L3 (t) i L2 (t) n0n0 BEBE u ind Komponente von B E (t) B S (i L3 ) Max dB E /dt u ind Komponente von B E (t) (mit –dB/dt da hinterher) B S (i L2 )

2 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck2 zeitveränderliches Magnetfeld Induktionsgesetz Ruheinduktion Leiter u ind I Φ=Φ(t) Richtung von u ind wiederum nach der Rechten-Hand-Regel Die Lenzsche Regel ist auch hier unmittelbar erfüllt. u ind Komponente von B E (t) B S (i L3 ) T Î L1 cosωt t0t0 t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 t5t5 Î L2 cos(ωt-2π/3) Î L3 cos(ωt-4π/3) t B1B1 B2B2 B3B3 i L3 (t) i L1 (t) i L2 (t) B ges = B 1 (i L1 (t)) + B 2 (i L2 (t)) + B 3 (i L3 (t)) = 1,5 B( Î ) e(ωt) 1,5 B( Î )

3 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck3 Generator Polradwinkel β Gen in Drehrichtung voraus Motor Polradwinkel β Mot in Drehrichtung hinterher Zeigerdarstellung Spannungen, Ströme und magnetischen Flüsse für Verbraucherpfeilsystem eine der gleichen Phasen Raumzeiger ugug u i u LS Verbraucherpfeilsystem IE ΦEIE ΦE i Gen i Gen Φ S Φ SGen β Gen Φ gesGen β Gen β Mot i Mot Φ SMot Φ gesMot β Mot ugug vom Φ E induzierte Spannung u g Richtung des größten ( dΦ E /dt ) u LSGen u Gen Generatorbetrieb: i Gen gegen die Richtung von u Gen und u LS geht 90° vor kapazitive oder induktive Last weniger oder mehr verzögert, β, φ = Motorbetrieb: zeigt i Mot in Richtung von u Mot und u LS geht 90° vor u Mot u LSMot

4 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck4 Beim Betrieb der Synchronmaschine zwei Einflussmöglichkeiten: Vergrößerung/Verkleinerung Antriebsleistung β wird erhöht/verringert. Vergrößerung/Verkleinerung Erregung ( Φ E bzw. I E ) U g eff erhöht/verringert. Parallelbetrieb zum starren Netz ( U N = const, ω N = const, φ U = const = 0 ) einphasige Ersatzschaltung 1. Veränderung der Antriebsleistung bei konstanter Erregung (Erzeugerpfeilsystem) ugug uNuN i u Ls i uNuN β ugug Kreis |u g | = const β2β2 i2i2 u g2 u Ls2 u g3 i3i3 u Ls3 β3β3 Richtung i 3 i4i4 uNuN β u g4 u Ls4 Kreis |u g | = const Ausgangspunkt: u N, u Ls, u g und i so, dass Einspeisung reiner Wirkleistung Erhöhung der Antriebsleistung u N, u Ls2, u g2, i 2 β 2 > β höherer Wirkstrom Verringerung der Antriebsleistung β 3 (negativ) Entnahme Wirkleistung aus Netz Veränderung der Antriebsleistung beeinflusst in der Praxis nur Wirkleistung.

5 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck5 Gerade i W = const Gerade für alle u g 2. Veränderung der Erregung bei konstanter Antriebsleistung (Erzeugerpfeilsystem) ugug uNuN i u Ls u g3 u Ls3 (i B3 ) i3i3 i = i W uNuN ugug u Ls (i W ) = const i2i2 u Ls2 (i B2 ) u g2 Ausgangspunkt: u N, u Ls, u g und i so, dass Einspeisung reiner Wirkleistung konstante Antriebsleistung Wirkleistung, Wirkanteil des Stromes konstant, Zeigerspitzen aller Ströme auf Gerade ( i W = const ) Zeigerspitzen aller induzierten Spannungen u g auf einer Geraden u g wird verkleinert kapazitive Last der Strom ( i 3 ) läuft gegen u N vor u g wird vergrößert induktive Last der Strom ( i 2 ) läuft gegen u N nach Veränderung der Erregung u g durch I E beeinflusst nur Blindleistung.

6 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck6 Parallelbetrieb: durch Einstellen (oder Regeln) der Antriebsleistung Wirkleistungsübernahme durch Einstellen (oder Regeln) der Erregung Blindleistungsübernahme Für Parallelbetrieb von Generatoren Leistungsanteile beteiligter Generatoren sind entsprechend aufzuteilen Vergrößerung der Antriebsleistung Drehzahlerhöhung Erhöhung Netzfrequenz Zusammenwirken von Generatoren: einzeln Drehzahlen der Antriebsmaschinen nach statischer Kennlinie (Statik) regeln Aufteilung der Wirkleistung ω0ω0 n ω ober ω unter P Statik Generator 1 Statik Generator 2 Netzfrequenz ist bei dieser Art der Regelung nicht konstant: Große Verbundnetze Frequenzgenauigkeit < 0,5% (49,75 bis 50,25 Hz) Regelung Spannung U N über Erregung Aufteilung der Blindleistung

7 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck7 Inselbetrieb eines einzelnen Generators: Spannungsregler Erregung so, dass Ausgangsspannung konstant bleibt. Drehzahlregler Antriebsleitung so, dass die Frequenz konstant bleibt. Anpassung an aktuelle Last (mit Wirk- und Blindanteil). Kennlinien der Synchronmaschine M k Generatorbetrieb Motorbetrieb β MkMk 90 ° M n M MkMk M k Nur von 90 ° < β < 90 ° stabile Arbeitspunkte, Drehzahl bleibt völlig konstant Überschreiten der Kippmomente Synchronmotor (-generator) außer Tritt Nennbetrieb in der Regel bei 15 bis 30 °

8 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck8 Betriebszustände der Synchronmaschine alle 360 ° i indukt. u Ls indukt. i kapazit.. u Ls kapazit. i WMot u Ls Mot i WGen u Ls Gen ugug cosφ =1 cosφ = 0 Generator Motor kapazitivinduktiv cosφ = negativ cosφ = positiv φ Anlauf einer Synchronmaschine: Hochfahren durch Fremdantrieb (Antriebsmaschine beim Generator) asynchroner Hochlauf mit zusätzlichem Kurzschlusskäfig oder Frequenzhochlauf (langsames Erhöhen der Frequenz bis Sollfrequenz (Anfangsfrequenz, bei der sich Motor allein in Synchronismus zieht) Drehzahlregelung nur Frequenzstellung

9 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck9 Hauptanwendungsgebiete: Generatoren bis ca MW (mit einem Wirkungsgrad von ca. 98,5%), Motoren für große Dauerlasten (z.B. Gebläseanlagen) in Kombination mit Blindleistungskompensation, Antriebsverbünde mit hohen Forderungen an synchronen Lauf in neuerer Zeit der Stromrichtermotor (umrichtergesteuerter Synchronmotor, bei dem z.B. ein Polradsensor die Frequenz steuert). Kühlung: Trotz hoher Wirkungsgrade ist bei großen Maschinen eine effektive Kühlung. Diese wird je nach Ausführung und Anwendung als Luft- oder auch Wasserkühlung vorgesehen. 2.4 Auswahl eines Motors für eine Antriebsaufgabe Vor der Auswahl eines Motors Analyse der Antriebsaufgabe 1. Ermittlung der benötigten Antriebsleistung, Drehzahl, Drehzahlstellung …

10 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck10 3. Motorausführung: Befestigung, z.B. Fußmotor, Flanschmotor … Lagerarten, z.B. Wälzlager … Achsenausführung, z.B. ein oder zwei Achsenenden, mit Gewinde … Norm- und Listenmotore Sondermotore, z.B. Bremsmotore, Getriebemotore Schutzart, Sonderschutz (Luftfeuchtigkeit, Tropenfestigkeit … Explosionsschutz) Kühlung, z.B. Selbstkühlung (natürlich ohne Einwirkungen), Eigenkühlung … Stromart, Spannung, Frequenz, Schaltung Schutztechnische Angaben, z.B. Überlastschutz, Temperaturüberwachung …) 4. Kostenvergleich 2. Betriebsart, bei der Leistung umgesetzt wird. In VDE 0530 acht Betriebsarten S1 Dauerbetrieb S2 Kurzzeitbetrieb S3 Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufs auf die Erwärmung S4 Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufs auf die Erwärmung S5 Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufs und Bremsens auf die Erwärmung S6 Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung S7 Unterbrochener Betrieb mit Anlauf und Bremsung S8 Unterbrochener Betrieb mit periodisch wechselnder Drehzahl und Leistung

11 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck11 Aufgabe Bei unsymmetrischer Last am Drehstromnetz werden gemessen: U L1 = 230 V, I L1 = 5 A und P W1 = 920 W bei einer induktiven Last, U L2 = 230 V, I L2 = 7 A und P W2 = 1450 W bei einer induktiven Last und U L3 = 230 V, I L3 = 4 A und P W3 = 855 W bei einer kapazitiven Last. Frage 1: Wie groß sind die drei cosφ und der Ausgleichsstrom im Nullleiter? Frage 2: Wie lauten die symmetrischen Komponenten der Ströme? Aufgabe Parameter der Ersatzschaltung einer Asynchronmaschine (Kurzschlussläufer) Leerlaufversuch (mit Antrieb bis zur synchronen Drehzahl): Sternschaltung U = U N = 220V, I = 0,05 A und cosφ = 0,2 Kurzschlussversuch (mit festgebremstem Läufer): U = 140 V, I = I N = 0,93 A und cosφ = 0,14 gemessen. Nennbetrieb: cosφ N = 0,78, mechanische Leistung P = 0,33 kW Widerstand einer Wicklung: R 1 = 12,4 Ω Frage 1: Wie lauten R 1 +R 2, X σ1 +X σ2, X h und R Fe ? Frage 2: Wie groß sind s und η bei Nennbetrieb? Hinweis: Benutzen Sie bei Leerlauf die Näherung R 1 = X σ1 = 0, vernachlässigen Sie bei Kurzschluss und Belastung I Fe und I μ und beachten Sie, dass P für drei Phasen gilt. Zusatzaufgabe: Vergleichen Sie das Vorgehen mit dem Transformator.

12 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck12 Aufgabe Messung der Ständerinduktivität einer Synchronmaschine am Versuchsstand Versuchsaufbau: Der Synchrongenerator, eine Antriebsmaschine (Gleichstromnebenschlussmotor) und die Drehzahlmessung werden mechanisch und elektrisch nach Vorlage angeschlossen. Versuchsdurchführung: Drehzahl, Spannung, Strom und Erregerstrom werden gemessen. Bei Generatorbetrieb werden Drehzahl und Erregung konstant gehalten, Spannung und Strom werden für Leerlauf und zwei Ohmsche Belastungen gemessen. Versuchsauswertung: Für konstante Induktionsspannung ( I E und n konstant) werden mit Zeigerdiagrammen jeweils U LS und β ermittelt. Aus U LS, ω und I wird die Ständerinduktivität berechnet. Die Ergebnisse beider Lastfälle sind zu vergleichen.


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