4.2 Synchronmaschine am starren Netz - Elektrotechnik

Elektrische Maschinen und
Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Oberschelp
„Elektrische Maschinen“ Fachbereich Elektrotechnik
Gliederung
1 Verwendung
2 Aufbau
3 Grundlagen und Wirkungsweise
3.1 Feld- und Spannungserzeugung
3.2 Leerlauf, Ersatzschaltbild
3.3 Belastung, Stromortskurve
3.4 Drehmoment
3.5 Dauerkurzschluss
4 Betriebsverhalten
Laborversuch EM3
Synchronmaschine
4.1 Synchrongenerator im Inselbetrieb
4.2 Synchronmaschine am starren Netz
4.3 Anlauf und Synchronisation
5 Versuchsdurchführung
5.1 Schaltbild und Stückliste
5.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus
5.3 Aufgabenstellung
6 Testfragen
7 Literatur
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 1

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1 Verwendung
Die Synchronmaschine ist wie die Asynchronmaschine eine Drehfeldmaschine. Während
die Asynchronmaschine zum Aufbau des Drehfeldes stets induktive Blindleistung
aus dem Netz bezieht, kann die Synchronmaschine das Feld mit Hilfe eines
gleichstrom- oder permanenterregten Polrades selbst aufbauen. Bei geeigneter Erregung
kann Sie induktive Blindleistung ins Netz liefern.
Diese Möglichkeit, neben der Wirkleistung auch induktive Blindleistung zu erzeugen,
hat dazu geführt, dass fast die gesamte elektrische Energie mit Drehstromsynchronmaschinen
erzeugt wird. In Kohle- und Kernkraftwerken werden die Generatoren von
Dampfturbinen angetrieben. Die Grenzleistung dieser Generatoren wird durch neue
Technologien wie z. B. Wasserkühlung weiter entwickelt und liegt heute bei 1700
MVA. Mittlere Leistungen bis 800 MVA werden bei hochpoligen Generatoren in Fluß-
und Speicherkraftwerken realisiert. Im Sonderfall der Bahnstromversorgung mit 16
2/3 Hz kommen Einphasengeneratoren zum Einsatz.
Der Synchronmotor besitzt eine geringe Bedeutung. Große Einheiten bis in den MW-
Bereich werden verwendet, wenn neben der mechanischen Leistung noch induktive
Blindleistung zu erzeugen ist, um z. B. in einem Antriebsverbund den induktiven
Blindleistungsbedarf von Asynchronmaschinen abzudecken. Große Stückzahlen erreicht
der Synchronmotor bei Klein- und Kleinstmotoren, z. B. für Uhren, Phonogeräte
und in der Feinwerktechnik. Permanent erregte Maschinen mit Anlaufkäfig werden
im Leistungsbereich bis 10 kW in der Papier- und Textilindustrie eingesetzt, wo mehrere
Antriebe an einer Frequenzschiene synchron arbeiten.
Die Entwicklung der Leistungselektronik hat der Synchronmaschine weitere Anwendungsgebiete
erschlossen. Für Servoantriebe mit hohen dynamischen Eigenschaften
werden permanent erregte Maschinen verwendet. Bei hohen Antriebsleistungen haben
direktumrichtergespeiste Maschinen für Zementmühlen, Walzantriebe und Förderantriebe
die Gleichstrommaschine weitgehend verdrängt. Die wechselrichtergespeiste
Maschine findet als Stromrichtermotor Anwendung in thermischen Kraftwerken
als Kesselspeisepumpen.
2 Aufbau
Im Bild 1 ist der Grundaufbau einer zweipoligen Synchronmaschine dargestellt. Der
Aufbau des Drehstromständers ist grundsätzlich derselbe wie bei einer Asynchronmaschine.
Das Ständerblechpaket ist zur Vermeidung von Wirbelströmen aus Dynamoblechen
geschichtet. In die gleichmäßig am Umfang verteilten Nuten ist eine dreisträngige
Drehstromwicklung eingelegt. Als Kühlmittel wird für Leistungen bis 50
MVA meist Luft, für höhere Leistungen Wasserstoff und ab etwa 500 MVA eine direkte
Leiterkühlung mit Wasser oder Öl eingesetzt.
Der Läufer trägt eine Gleichstromerregerwicklung. Da er nur von einem Gleichfeld
durchsetzt ist, braucht er nicht geblecht zu werden. Zwei Ausführungsformen sind
möglich:
Der Vollpolläufer nach Bild 2a kommt beim Turbogenerator zum Einsatz. Dieser wird
mit Rücksicht auf den Antrieb durch eine Dampfturbine mit der höchstmöglichen
Drehzahl von 3000 min -1 betrieben. Wegen der enormen Fliehkräfte ist er nicht mit
ausgeprägten Polen sondern als zylindrischer Ballen ausgeführt. Zur Aufnahme der
Erregerwicklung werden in den Läufer Nuten eingefräst, die etwa zwei Drittel des
Umfangs bedecken
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Der Schenkelpolläufer nach Bild 2b wird bei Generatoren die von Wasserturbinen
oder Dieselmotoren angetrieben werden, sowie bei Synchronmotoren eingesetzt.
Durch hohe Polzahlen können niedrige Drehzahlen (60 – 750 min -1 ) erreicht werden.
Beispielsweise hat eine Maschine mit der Polzahl 2p=48 am 50 Hz-Netz eine Drehzahl
von 125 min -1 . Die Pole sind am Umfang einzeln angebracht und werden wie bei
der Gleichstrommaschine mit konzentrierten Erregerspulen versehen.
Bild 1 Grundaufbau einer 2-poligen Synchronmaschine
Der Läufer einer Synchronmaschine besitzt meistens eine Dämpferwicklung, die wie
bei dem Käfigläufer der Asynchronmaschine aus Stäben und zwei Kurzschlussringen
besteht. Sie wird zum Anlauf und zur Vermeidung von Pendelungen benötigt.
Bei großen Generatoren wird die Erregerleistung durch einen an die Hauptwelle angekuppelten
Erregergenerator erzeugt. Bei Verwendung einer Gleichstromerregermaschine
wird die Energie dem Polrad über zwei Schleifringe zugeführt. Bei größeren
Einheiten wird die schleifringlose Anordnung mit einem rotierenden Gleichrichter
gewählt. Die in der umlaufenden Drehstromwicklung eines Außenpolsynchrongenerators
erzeugte Erregerleistung wird durch eine mitrotierende Gleichrichterbrücke
gleichgerichtet und der Erregerwicklung zugeführt. Bei kleineren Motoren erfolgt die
Erregung mit Permanentmagneten.
a) b)
Bild 2 Läufer der Synchronmaschine
a) Volltrommelläufer (2p=2)
b) Schenkelpolläufer (2p=8)
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3 Grundlagen und Wirkungsweise
In diesem Versuch werden die grundsätzliche Wirkungsweise und das stationäre Betriebsverhalten
einer Drehstromsynchronmaschine mit Vollpol- oder Schenkelpolläufer
behandelt. Die Besonderheiten abweichender Bauformen sowie die mit Sättigung
zusammenhängenden Effekte werden nicht berücksichtigt. Die Bezeichnung Synchronmaschine
besagt, dass der Läufer genauso schnell rotiert wie das Ständerdrehfeld.
Ein Schlupf, wie bei der Asynchronmaschine tritt hier nicht auf.
3.1 Feld- und Spannungserzeugung
Die vom Feldstrom If durchflossene Erregerwicklung erzeugt im Luftspalt der Maschine
eine räumlich sinusförmig verteilte Induktion Bf(ϕ) nach Bild 3, welche relativ
zum Läufer stillsteht.
Bf( )
a) b)
Bild 3 Drehfelderzeugung durch das Polrad
a) Schnitt durch die Maschine mit Vollpolläufer (ohne Ständerwicklung)
b) Feldverlauf im Luftspalt (Grundwelle)
Wird der Läufer extern mit der Drehfelddrehzahl nd=f1/p angetrieben, so werden in
jedem der drei Ständerstränge zeitlich sinusförmige Spannungen mit der Frequenz f1
induziert. Diese vom Polrad in einem Ständerwicklungsstrang induzierte Spannung
heißt Polradspannung Up. Der Zusammenhang zwischen der Polradspannung Up
und dem Erregerstrom If ist durch die Leerlaufkennlinie nach Bild 4 gegeben. Mit beginnender
Sättigung des magnetischen Kreises steigt die Spannung Up nur noch
langsam an, da außer für den Luftspalt ein immer größerer Durchflutungsbedarf für
den Eisenkreis erforderlich wird.
0
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 4
2
3
2
2

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Bild 4 Leerlaufkennlinie
3.2 Leerlauf, Ersatzschaltbild
Wird die Ständerwicklung an das starre Drehstromnetz angeschlossen und bleibt die
Feldwicklung stromlos, so erregen die Ständerströme genauso wie bei der Asynchronmaschine
ein Drehfeld mit der Drehfelddrehzahl nd=f1/p. Wird der Läufer mit der
Drehzahl nd angetrieben, so steht die Feldwicklung relativ zum Ständerdrehfeld still.
In ihr wird damit keine Spannung durch das Ständerdrehfeld induziert. Diese Betriebsweise
entspricht damit der einer leer laufenden Asynchronmaschine. Entsprechend
gilt für die Ständerspannung
U = R ⋅ I + jX ⋅ I + jX ⋅ I . (1)
1 1 1 1σ 1 1h 1
R1 und X1σ entsprechen dem ohmschen Widerstand und der Streureaktanz der Ständerwicklung.
X1h ist die Hauptreaktanz. Bei großen Maschinen hat R1 nur einen geringen
Einfluss auf das Betriebsverhalten. Der Widerstand wird für die folgenden Betrachtungen
vernachlässigt. Die Streureaktanz wird vielfach mit der Hauptreaktanz
zur synchronen Reaktanz Xd zusammengefasst.
X = X + X . (2)
d 1σ 1h
Zur Erläuterung der verschiedenen Betriebszustände gehen wir von einer festen
Ständerspannung U1 aus. Weiterhin soll eine streuungslose Maschine angenommen
werden (X1σ=0), d.h. das Hauptfeld bzw. Drehfeld ist durch die Spannung U1 fest
vorgegeben. Zu seinem Aufbau muss in der Maschine der Magnetisierungsstrom Iµ
nach Bild 5 fließen.
Bild 5 Leerlauf
a) Drehfelderregung durch die Ständerwicklung (I´f=0)
b) Drehfelderzeugung durch die Feldwicklung (I1=0)
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 5

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Die bisherigen Überlegungen haben gezeigt, dass der dem Drehfeld entsprechende
Magnetisierungsstrom auf zweierlei Weise erzeugt werden kann. Bei stromloser Läuferwicklung
muss er vom Ständer nach Bild 5a aufgebracht werden. Dabei entnimmt
die Maschine dem Netz Blindstrom. Zum anderen kann der Magnetisierungsstrom
auch vom Läufer bereitgestellt werden, wobei nach Bild 5b die am Netz liegende
Ständerwicklung stromlos ist. Der im umlaufenden Polrad fließende Gleichstrom If
erscheint bezogen auf die ruhende Ständerwicklung als Wechselstrom mit der Frequenz
f1. Da es sich hier wie beim Transformator und der Asynchronmaschine, um
ein magnetisch gekoppeltes Zweiwicklungssystem mit unterschiedlichen Windungszahlen
handelt, muss der Läuferstrom auf die Ständerwindungszahl bezogen werden.
Ist dieser bezogene Feldstrom I´f gleich dem Magnetisierungsstrom, sind auch
die Polradspannung Up und die Netzspannung U1 gleich. Wird der Feldstrom I´f verringert,
so muss der für die Magnetisierung fehlende Teilstrom wie im Bild 6a gezeigt
vom Ständer aufgebracht werden. Dieser Fall wird als untererregter Betrieb bezeichnet.
Im allgemeinen Fall sind sowohl der Ständer wie auch der Läufer am Aufbau des
Magnetfeldes beteiligt.
I = I + I′
(3)
µ
1 f
Ist |I´f|>|Iµ|, so liegt nach Gl. 3 im Ständer ein Strom vor, der der angelegten Spannung
U1 um 90° voreilt. Bei diesem nach Bild 6b übererregten Betriebszustands verhält
sich die Synchronmaschine wie ein Kondensator. Sie liefert dabei einen induktiven
Blindstrom ins Netz.
Bild 6 Leerlauf
a) untererregter Betrieb
b) übererregter Betrieb
Damit ergibt sich die vollständige Spannungsgleichung mit der Polradspannung Up.
U = R ⋅ I + jX ⋅ I + U . (4)
1 1 1 d 1 p
Aus dieser Gleichung ergibt sich das Ersatzschaltbild nach Bild 7, das im Unterschied
zur Asynchronmaschine nur die Ständerwicklung umfasst. Die Läuferwicklung
braucht nicht berücksichtigt zu werden, da die durch das Läuferdrehfeld ständerseitig
hervorgerufene Spannung in der Ersatzschaltung als Quellenspannung Up enthalten
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 6

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ist. Das Ständerdrehfeld bleibt wegen der fehlenden Relativbewegung in der Läuferwicklung
ohne Wirkung.
Bild 7 Ersatzschaltbild
3.3 Belastung, Stromortskurve
Soll die Synchronmaschine als Motor laufen, muss sie zur Deckung der abgegebenen
mechanischen Leistung Wirkleistung aus dem Netz aufnehmen. Der Ständerstrom
muss also eine Komponente in Richtung der Ständerspannung nach Bild 8a
haben. Das kann gegenüber dem Leerlauffall nur durch eine Vergrößerung des Feldstromes
If bzw. der Polradspannung Up erreicht werden. Bei dem Zeigerdiagramm ist
zu beachten, dass zwischen U1 und Iµ sowie Up und I´f jeweils rechte Winkel vorhanden
sind. Die Polradspannung kann damit nicht in Phase mit der Spannung U1 liegen.
Für die räumliche Zuordnung in der Maschine bleibt das Polrad in seiner Lage
zum Ständerdrehfeld soweit zurück, dass die erforderliche Phasenverschiebung zwischen
Up und U1 zustande kommt. Dieser Winkel ϑ heißt Lastwinkel oder Polradwinkel.
Er ist für das Betriebsverhalten der Synchronmaschine von ähnlicher Bedeutung
wie der Schlupf s bei der Asynchronmaschine.
a)
U1
ϑ
I1 I
I´f
jXdI1
Up
I1
b)
U1
I1 I
jXdI1
Bild 8 Belastung
a) Motorbetrieb (nur Wirkleistung)
b) übererregter Motorbetrieb
c) übererregter Generatorbetrieb
ϑ
I´f
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 7
I1
Up
Up
jXdI1
c)
U1
ϑ
I1
I
I´f
I1

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Bei gleich bleibender Wirkleistung, aber Vergrößerung der Erregung eilt der Ständerstrom
gegenüber der Ständerspannung um den Winkel ϕ vor. Der Motor ist übererregt
und liefert induktive Blindleistung nach Bild 8b ins Netz.
Im Generatorbetrieb wird der Synchronmaschine an der Welle mechanische Leistung
zugeführt und elektrische Wirkleistung ins Netz geliefert. Im Verbraucherzählpfeilsystem
muss der Ständerstrom eine zur Ständerspannung entgegen gesetzte Wirkkomponente
nach Bild 8c aufweisen. Dies ist nur möglich, wenn die Polradspannung der
Ständerspannung um den Winkel ϑ voreilt. Im Raum bedeutet dies ein Vorlaufen des
Polrades gegenüber dem Drehfeld. Bei dem Erregerstrom nach Bild 8c hat der Ständerstrom
eine der Spannung voreilende Blindkomponente. Es wird zusätzlich zur
Wirkleistung induktive Blindleistung ins Netz abgegeben. Die Maschine arbeitet im
übererregten Generatorbetrieb.
Die verschiedenen Betriebszustände der Synchronmaschine lassen sich durch die
Stromortskurve nach Bild 9 darstellen. Diese zeigt den Verlauf des Ständerstromzeigers
I1 bei verschiedenen Erregerströmen If und Lastwinkeln ϑ.
Mit dem Lastwinkel ϑ ergibt sich für R1=0 die Spannungsgleichung für die Ständerspannung
U1.
U jXd I Up e
−jϑ 1 = ⋅ 1 + ⋅ mit p f
Die Auflösung nach dem Ständerstrom liefert:
U U
I j j e
U = f(I )
(5)
1 p − jϑ
1 = − + ⋅ (6)
Xd Xd
Die durch diese Gleichung beschriebene Ortskurve I1(ϑ) ist ein Kreis mit dem Mittelpunkt
–jU1/Xd und dem Radius Up/Xd nach Bild 9. Der Radius ist von der eingestellten
Erregung abhängig.
Motor
Generator
Re
U1
I1
stabil instabil
übererregt untererregt
Bild 9 Stromortskurve der Vollpolsynchronmaschine (R1=0)
-j
j
U1
Xd
Up
Xd
ϑ
⋅e
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− jϑ
0,5
1,0
Up/U1=1,5
-Im

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Für ϑ=0 liegt reine Blindleistung vor. Bei Übererregung (Up/U1>1) gibt die Maschine
induktive Blindleistung an das Netz ab; bei Untererregung (Up/U1

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3.5 Dauerkurzschluss
Der stationäre dreipolige Dauerkurzschluss (U1=0) stellt bei der Synchronmaschine
einen relativ harmlosen Fall dar, da der Strom durch die große synchrone Reaktanz
Xd begrenzt wird. Wesentlich gefährlicher ist der kurzzeitig auftretende Stoßkurzschlussstrom,
der hier nicht untersucht wird. Für den Dauerkurzschlussstrom ergibt
sich nach Bild 7 und für R1=0
I
U
p
1k = (10)
Xd
Die synchrone Reaktanz Xd hängt von dem magnetischen Sättigungszustand der
Maschine ab. Während bei Betrieb an Nennspannung U1N ein gesättigter Wert vorliegt,
tritt im Kurzschlussfall der ungesättigte Wert auf. Der Kurzschlussstrom ist damit
dem Erregerstrom nach Bild 11 direkt proportional.
Bild 11 Kurzschlusskennlinie
4 Betriebsverhalten
Die Synchronmaschine wird meistens am starren Netz betrieben. In einigen Fällen
arbeitet der Synchrongenerator im Insel-Betrieb (Notstromaggregate, Bordnetze).
4.1 Synchrongenerator im Inselbetrieb
Der Synchrongenerator wird mit konstanter Drehzahl angetrieben. An den Anschlussklemmen
wird der Generator nach Bild 12a mit einer Impedanz Z belastet. Im
Leerlauf tritt an den Klemmen die Polradspannung U1=Up auf. Bleibt die Erregung
konstant, so wird sich je nach Größe und Phasenlage des Laststromes I1 die Klemmenspannung
U1 ändern.
Im Fall rein induktiver Last nach Bild 12b nimmt die Klemmenspannung linear mit
dem Belastungsstrom ab, bis der Kurzschlussstrom I1k=Up/Xd auftritt. Bei rein kapazitiver
Last nach Bild 12c steigt die Klemmenspannung gegenüber der Leerlaufspannung
linear an. Für den Fall rein ohmscher Last nach Bild 12d ergibt sich im normierten
Belastungsdiagramm ein Viertelkreis in Bild 13.
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 10

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Bild 12 Synchrongenerator im Inselbetrieb
a) Ersatzschaltung (R1=0)
b) Zeigerdiagramm für induktive Last
c) Zeigerdiagramm für kapazitive Last
d) Zeigerdiagramm für ohmsche Last
Bild 13 Belastungskennlinien
Um den Verbrauchern eine konstante Klemmenspannung zur Verfügung zu stellen,
muss die Erregung bei induktiver Last verstärkt und bei kapazitiver Last verringert
werden. Hierzu werden so genannte kompoundierte Synchrongeneratoren verwendet,
bei denen der Laststrom die Erregerdurchflutung beeinflusst.
4.2 Synchronmaschine am starren Netz
Die verschiedenen Betriebszustände der Synchronmaschine am starren Netz wurden
schon unter Kap. 2 mit Hilfe der Zeigerdiagramme und der Stromortskurve beschrieben.
Da die Maschine immer mit der Drehfelddrehzahl nd läuft, sagt die Drehzahl-
Drehmomentkennlinie n=f(M) nicht viel aus. Für die Belastung der Maschine lassen
sich folgende Regeln aufstellen:
• Die Wirkleistung kann nur über die mechanische Leistung bzw. dem Drehmoment
an der Welle geändert werden.
• Die Blindleistung kann über die Erregung geändert werden.
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 11

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Der in der Maschine fließende Ständerstrom ist minimal, wenn nur Wirkleistung übertragen
wird. Zusätzlich kann die Maschine noch soviel Blindleistung übernehmen, bis
der zulässige Ständerstrom erreicht ist. Wird für konstante Wirkleistung der Ständerstrom
als Funktion des Erregerstromes aufgetragen, so entstehen die sogenannten
V-Kurven nach Bild 14. Links der Linie cosϕ=1 liegt der untererregte Betrieb, rechts
davon der übererregte Betrieb.
j
Up
Xd
I1
⋅e
− jϑ
U1
P1=Pmech=konst.
-j
U1
Xd
a) b)
I1
I1k
1
0
untererregt
0 1
2
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 12
0,5
1,0
Stabiltitätsgrenze
Bild 14 V-Kurven
a) Stromzeiger bei konstanter Wirklast
b) V-Kurven für verschiedene Wirkbelastungen
4.3 Anlauf und Synchronisation
P
PN =1,5
übererregt
cos =1
Wird die Synchronmaschine von einer Arbeitsmaschine angetrieben, ist die Synchronisation
einfach durchzuführen. Bevor die Maschine auf das Netz geschaltet wird, ist
sicherzustellen, dass die Maschinendrehspannung nach Amplitude, Phasenlage und
Frequenz mit der Netzspannung übereinstimmt. Diese Bedingungen lassen sich sehr
einfach mit der Dunkelschaltung nach Bild 15 überprüfen. Bei gleicher Amplitude und
Phasenfolge, jedoch geringem Frequenzunterschied, entsteht eine Schwebung in der
Lichtstärke, die umso langsamer pulsiert, je näher die Frequenzen beieinander liegen.
Der Schalter ist bei erloschenen Lampen zu schließen. Stimmt die Phasenfolge
nicht überein, so erleuchten und erlöschen die Lampen in zyklischer Reihenfolge. In
diesem Fall sind zwei Zuleitungen zu vertauschen.
Ein Synchronmotor mit stillstehendem, gleichstromerregten Läufer kann nicht alleine
anlaufen. Für den Hochlauf wird entweder ein Anwurfmotor vorgesehen oder es wird
der vielfach vorhandene Dämpferkäfig zum asynchronen Anlauf benutzt. Beide Verfahren
bringen den Läufer in die Nähe der synchronen Drehzahl. Nach Zuschalten
der Erregung wird de Läufer ruckartig in den Synchronismus gezogen. Dieser Vorgang
ist mit mechanischen Pendelungen und Stromstößen für das Netz verbunden.
Zur Vermeidung von Überspannungen ist die Läuferwicklung beim Hochlauf mit etwa
dem 10-fachen Erregungswiderstand abzuschließen.
I1f
If0

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L1
L2
L3
U V W
G
Polradeinspeisung
Bild 15 Synchronisation mit der Dunkelschaltung
5 Versuchsdurchführung
5.1 Schaltbild und Stückliste
Bild 15 Versuchsaufbau
Stückliste
1. Gleichstromnebenschlussmaschine
2. Gleichstromnebenschlussmaschine
3. Absicherung 50A (im Maschinenfundament vorhanden)
4. Leistungsschalter (im Maschinenfundament vorhanden)
5. Doppelrohr-Schiebewiderstand x Ohm/x A
6. Schiebewiderstand x Ohm/x A
7. Doppelrohr-Schiebewiderstand x Ohm/x A
8. Belastungswiderstand x Ohm/x A
9. Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen
10. Strommesser +-50A ???
11. Strommesser Mavo eff 3, Fa. Gossen
12. Strommesser +-50A ???
13. Spannungsmesser ???
14. Spannungsmesser ???
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 13

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15. Drehzahlmesser ???
5.2 Beschreibung des Versuchsaufbaus
Die zu untersuchende Maschine ist mit einem Leonardsatz gekuppelt. Wird der Prüfling
generatorisch/motorisch betrieben, so arbeitet die angekuppelte Maschine (Leonardmotor)
motorisch/generatorisch also treibend/bremsend.
Zur Feststellung der Synchronisierbedingungen werden die Netz- und Maschinenspannung,
die Netz- und Maschinenfrequenz sowie die Differenzspannung zwischen
Netz und Maschine gemessen. Zusätzlich wird die Dunkelschaltung angewendet.
Eine Blind- und Wirkleistungsmessung sowie Ständerstrommessung wird über
Stromwandler in je einem Wicklungsstrang durchgeführt. Der ebenfalls gemessene
Erregerstrom kann über einen Feldsteller verändert werden. Die Drehzahl wird mit
einer induktiven Drehzahlmesseinrichtung bestimmt. Der Polradwinkel kann über eine
Winkeleinteilung an der Kupplung und einer Markierung an dem Ständer sowie
einem Synchronoskope gemessen werden. Weitere Messgeräte dienen der Kontrolle.
Mit dem Feldsteller des Prüflings wird im Inselbetrieb die Polradspannung verändert,
und im Netzbetrieb die Blindleistung eingestellt. Mit dem Feldsteller des Leonardgenerators
wird im Inselbetrieb die Drehzahl und im Netzbetrieb die Wirkleistung des
Prüflings eingestellt.
Der Prüfling wird für den Leerlauf- und Kurzschlussversuch mit Hilfe des Leonardsatzes
angefahren. Der Belastungsversuch wird nur im Netzparallelbetrieb nach erfolgreicher
Synchronisation durchgeführt.
5.3 Aufgabenstellung
5.3.1 Leerlaufversuch
Messen Sie die Leerlaufspannung U10 bei Bemessungsdrehzahl n1N in 40V-Schritten
bei Erregerströmen If=0…1,1 . IfN. Die Bemessungsgrößen sind dem Leistungsschild
zu entnehmen.
Erstellen Sie folgendes Diagramm: U10=f(If).
5.3.2 Kurzschlussversuch
Schließen Sie die Ständerwicklungsanschlüsse kurz und erhöhen Sie den Kurzschlussstrom
I1K in 5A-Schritten bei Bemessungsdrehzahl n1N von 0…1,1 . IfN.
Messen Sie: I1K * , ü
Berechnen Sie: I1K, Xd(I1N)
Erstellen Sie folgendes Diagramm: I1K =f(If).
5.3.3 Synchronisation
Fahren Sie den Prüfling mit dem Leonardsatz bis zur Bemessungsdrehzahl und erhöhen
Sie die Erregung bis zum Leerlauferregerstrom If0. Schalten Sie den Prüfling
bei Erfüllung der 4 Synchronisierbedingungen mit Hilfe der Schützschaltung ans
Netz.
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 14

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5.3.4 Belastung bei Netzbetrieb
5.3.4.1 Phasenschieberbetrieb
Stellen Sie den Leerlauferregerstrom If0 ein und betreiben Sie die Synchronmaschine
als Phasenschieber, indem Sie den Erregerstrom If in 0,5A-Schritten verändern und
die Maschine dabei sowohl untererregen als auch übererregen.
Messen Sie: If, P1 * , Q1 * , I1 * , U1, üI, cP, cQ
Berechnen Sie: P1, Q1, I1, cosϕ1, I1W, I1B, M
Erstellen Sie folgende Diagramme: 1 I , I1 =f(If), cosϕ1=f(If),
5.3.4.2 Motorbetrieb
Stellen Sie den Leerlauferregerstrom If0 ein und betreiben Sie die Synchronmaschine
motorisch bei I1=0,5 . I1N. Der Betriebspunkt wird über den Feldsteller des Leonardumformers
eingestellt. Verändern Sie den Erregerstrom in 0,5A-Schritten für Unter- und
Übererregung.
Messen Sie: If, P1 * , Q1 * , I1 * , U1, üI, cP, cQ, ϕ
Berechnen Sie: P1, Q1, I1, cosϕ1, I1W, I1B, M
Erstellen Sie folgende Diagramme: 1 I , I1 =f(If), cosϕ1=f(If),
5.3.6 Generatorbetrieb unter Belastung
6 Testfragen
1. Geben Sie die bei 50Hz möglichen Drehfelddrehzahlen an.
2. Wo liegt das Haupteinsatzgebiet der Synchronmaschine?
3. Welche beiden Möglichkeiten gibt es, in der Synchronmaschine ein Drehfeld aufzubauen?
4. Welcher Betriebszustand einer leer laufenden Synchronmaschine ist für die Praxis
relevant?
5. Welche Bedeutung hat der Polradwinkelϑ?
6. Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm für den untererregten Generatorbetrieb.
7. Wie unterscheiden sich die Betriebszustände Motor- und Generatorbetrieb bzw.
übererregt und untererregt?
8. Wie hängt das Kippmoment von der Ständerspannung und dem Erregerstrom
ab?
9. Leiten Sie die Belastungskennlinien des Generators im Inselbetrieb aus den Zeigerdiagrammen
ab.
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 15

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10. Wie lassen sich bei der Synchronmaschine am starren Netz die Wirkleistung und
die Blindleistung beeinflussen?
11. Wann ist der Netzstrom I1 minimal und wodurch wird er begrenzt?
12. Wie löst man das Anlaufproblem bei Synchronmotoren?
7 Literatur
1. Fischer, Rolf: Elektrische Maschinen.10. Aufl., München, Wien, Carl
Hanser Verlag, 1999
2. Müller, Germar: Grundlagen elektrischer Maschinen., VCH, 1994
3. Seinsch, Hans Otto: Grundlagen elektrischer Maschinen und Antriebe,
B.G.Teubner-Verlag, 1993
4. Taegen, Frank: Einführung in die Theorie der elektrischen Maschinen, Vieweg-Verlag,
1970
5. Bödefeld, Theodor u. Sequenz, Heinrich: Elektrische Maschinen. 7. Aufl.,
Wien, New York, Springer-Verlag, 1965
6. Kremser, Andreas: Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe.1. Aufl.,
Stuttgart, B.G. Teubner-Verlag, 1997
Versuch EM3/Vers. 02/04 Synchronmaschine Seite: 16