ENP4 Synchronmaschine - und Elektrotechnik

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik
Studiengruppe:
Eingegangen am:
Übungstag:
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Protokollführer:
Weitere Teilnehmer:
Professor:
ENP4
1
Synchronmaschine
03/2010
Einleitung
Drehstromsynchronmaschinen sind die am häufigsten eingesetzten Generatortypen zur
Umwandlung mechanischer in elektrischer Energie und zur direkten Einspeisung
elektrischer Energie in das Versorgungsnetz. Bei der im Labor verwendeten Synchronmaschine handelt es sich um eine vierpolige Außenpolmaschine. Sie wird von einer
drehzahlgeregelten Gleichstrommaschine angetrieben, die Erregung der Synchronmaschine wird über eine regelbare Gleichstromversorgung (Feldsteller) gespeist.
Vor der Versuchsdurchführung informieren Sie sich über das Betriebsverhalten einer
Synchronmaschine, über die Möglichkeiten der Synchronisation des Generators auf das
starre Netz und über die Möglichkeiten der Blindleistungssteuerung mit dem Generator.
2
Kenndaten der Synchronmaschine
Durch einen Leerlauf- und Kurzschlussversuch und den daraus resultierenden Auswertungen, sind die Kenndaten der Synchronmaschine zu ermittel. Zuvor schreiben Sie die
Bemessungsdaten der Synchronmaschine vom Typenschild auf. Über den gesamten
Versuchsverlauf beachten Sie die max. Ströme und Spannungen beider Maschinen.
2.1 Leerlauf
Bei der Leerlaufmessung wird die Klemmenstrangspannung UStr in Funktion des
Erregerstrom IErr der Synchronmaschine aufgezeichnet.
Versuchsdurchführung:
Die Leerlaufmessung findet ohne Belastung der generatorisch betriebenen Synchronmaschine statt (siehe Abbildung 1). Stellen Sie zuerst die Drehzahl der noch nicht erregten
Synchronmaschine mit Hilfe der Gleichstrommaschine auf die Nenndrehzahl nN =
1500min-1 ein. Die Frequenz der Klemmenstrangspannung der Synchronmaschine sollte
dann fUstr = 50Hz entsprechen. Wurde die Frequenz bzw. die Drehzahl richtig eingestellt,
wird die Erregung der Synchronmaschine mit Hilfe des Feldstellers zugeschaltet. Achten
Sie darauf, dass beim Zuschalten des Feldstellers die Sollwertsteller für Spannung und
Strom auf Null stehen. Erhöhen Sie nun die Erregerspannung UErr bei geringem
Erregerstrom IErr.
• Nehmen Sie ca. 10 Messwerte für UStr bei einem Erregerstrom IErr = 0 bis 0,7A
auf.
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und Leistungselektronik
Abbildung 1: Leerlaufmessung
V
U
W
Schalter
Synchronmaschine
U
W
V
Trennverstärker
DreiphasenLeistungsmesser
v
v
A
v
A
L1
Zeigermessgeräte
A
L2
L3
Sicherungssockel
N
L1`
L2`
N
U
V
Synchronmaschine
GS
L3`
W
F1
DC
Feldsteller
F2
Gleichstrommotor
M
2.2 Kurzschluss
Bei der Kurzschlussmessung wird der Kurzschlussstrom IK in Funktion des Erregerstromes
IErr aufgezeichnet.
,
Versuchsdurchführung:
Schließen Sie die drei Wicklungsstränge U, V und W der Synchronmaschine miteinander
kurz (siehe Abbildung 2). Der Feldsteller für die Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Nun
wird die Drehzahl des Synchrongenerators mittels des Gleichstrommotors auf die
Nenndrehzahl nN = 1500 U/min eingestellt. Danach wird der Feldsteller zugeschaltet und
der Erregerstrom langsam bis ca. IErr = 1,1A erhöht, dabei sollte der maximale Kurzschlussstrom von IK = 8A in der Drehstromwicklung der Synchronmaschine erreicht
werden.
• Nehmen Sie ca. 10 Messwerte für IK bei einem Erregerstrom IErr = 0 bis 1,1A auf.
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und Leistungselektronik
Abbildung 2: Kurzschlussmessung
A
N
U
Synchronm aschine
V
W
F1
GS
DC
Feldsteller
F2
M
Gleichstrom motor
2.3 Nennspannung
Die Nennspannung UN der Synchronmaschine wird zwischen den Klemmen U und V, bei
einem Erregerstrom IErr für den maximalen Kurzschlussstrom IK gemessen werden. Diese
gemessene Spannung entspricht der Polradspannung bei Nennstrom.
Versuchsdurchführung:
Bauen Sie einen Spannungsmesser wie in Abbildung 3 gezeigt ein. Der Feldsteller für die
Erregung bleibt noch ausgeschaltet! Die Drehzahl des Synchrongenerators wird mittels
des Gleichstrommotors auf die Nenndrehzahl nN = 1500 U/min eingestellt. Danach wird
der Feldsteller zugeschaltet und der Erregerstrom IErr langsam bis auf die unter 2.2
ermittelten Werten eingestellt.
• Messen Sie Polradspannung UN
Abbildung 3: Polradspannung bei Nennstrom
v
N
Synchronmaschine
U
V
GS
W
F1
DC
Feldsteller
F2
Gleichstrommotor
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M
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2.4 Kennlinien
Aus den vorangegangenen Messreihen aus Aufgabe 2.1 bis 2.3 sind die Leerlauf- und
Kurzschlusskennlinie zu zeichnen und die Kenndaten der Synchronmaschine zur ermitteln
Abbildung 4: Kennlinien
Leerlauf KurzschlussKennlinie
400
10
Luftspaltgerade
350
Nennstrom
300
Kurzschluss
strom
Kurzschlussstrom
Leerlaufspannung in Volt
Nennspannung
ungesättigter
Kurzschlussstrom
200
5
150
Kurzschlussstrom in Ampere
Leerlaufspannung
250
100
50
0
Lufspaltgerade‐
strom
0
0.2
0.4
0.6
Leerlauf‐
erregerstrom
0.8
1
Erregerstrom in Ampere
UN
IN
IK
I *K
IErrK
IErrL
Ifg
= Nennstrangspannung
= Nennstrangstrom
= Kurzschlusstrom
= ungesättigter Kurzschlussstrom
= Erregerstrom für Kurzschlussfall
= Erregerstrom für Leerlauffall
= Strom für Luftspaltgerade
KC
= Kurzschlussverhältnis im Leerlauf
Xd
= Synchrone Reaktanz
ZN
= Nennimpedanz
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Kurzschluss‐
erregestrom
1.2
1.4
1.6
0
1.8
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Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Inselbetrieb
Der Inselbetrieb einer Synchronmaschine bedeutet, dass die Maschine und das lokale
Versorgungsnetz nicht an das Verbundnetz der Energieversorgungsunternehmen
angeschlossen sind. Der Generator muss die gesamte Leistung abgeben, die von den
Verbrauchern benötigt wird. Die Leistungsabnahme wirkt sich auf die Drehzahl (Frequenz)
des Motor-Generatorsatzes aus, daher muss diese über die Leistungszufuhr (im Versuch
die Gleichstrommaschine) eingestellt werden. Zusätzlich wird über den Erregerstrom des
Feldstellers die Klemmenspannung der Synchronmaschine auf einen konstanten Wert
gehalten.
3.1 Ohmsche Belastung.
Der Inselbetrieb soll mit einer ohmschen Belastung simuliert werden. Hierfür steht Ihnen
im Labor ein Drehstromwirkwiderstand zur Verfügung.
Abbildung 5: Inselbetrieb mit ohmscher Last
N
U2
V2
U1
W2
V1
3 Phasen
Widerstand mit
R1, R2 und R3
W1
V
U
W
Schalter
Synchronmaschine
U
W
V
Trennverstärker
DreiphasenLeistungsmesser
v
v
A
v
A
L1
Zeigermessgeräte
A
L2
L3
Sicherungssockel
N
L1`
L2`
N
U
V
Synchronmaschine
GS
L3`
W
F1
DC
Feldsteller
F2
Gleichstrommotor
M
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und Leistungselektronik
Versuchsdurchführung:
Bauen Sie die Schaltung wie in Abbildung 5 auf. Der Feldsteller für die Erregung bleibt
noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der
Synchronmaschine auf die Nenndrehzahl nN = 1500 min-1 ein und schließen Sie dann den
Schalter „Synchronmaschine“. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht
bis die Klemmenspannung UUV am Generator gleich der Nennspannung UN ist. Achten Sie
dabei auch auf die vom Typenschild vorgegeben Werte der Synchronmaschine.
• Nehmen Sie die Spannungs-, Strom- und Leistungswerte, sowie die dazugehörigen Zeitverläufe von einem Wicklungsstrang der Synchronmaschine, für jeden unten gegebenen Widerstandswert für UUV = UN = konst. auf. Das heißt, Sie müssen
je nach Wert der Belastungswiderstände den Erregerstrom neu einstellen.
• Wiederholen Sie die Messreihe mit konstanter Erregung von IErr = 1,1A = konst.
• Zeichnen Sie mittels Zeigerdiagram den Lastwinkel und die Polradspannung der
Synchronmaschine in Abhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung.
Die einzelnen Belastungswiderstände des Drehstromwiderstands sind alle gleich groß und
haben für diese Messreihen die folgenden Werte:
RLast
in Ω
19,2
20,3
21,3
22,8
24,0
25,6
27,5
29,4
31,8
34,5
38,0
42,7
54,7
63,7
76,7
3.2 Induktive Belastung
Der Inselbetrieb soll mit einer induktiven Belastung simuliert werden. Hierfür stehen Ihnen
im Labor drei gleiche Induktivitäten zur Verfügung.
Versuchsdurchführung:
Bauen Sie die Schaltung wie in Abbildung 6 auf. Der Feldsteller für die Erregung bleibt
noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der
Synchronmaschine auf die Nenndrehzahl nN = 1500 min-1 ein und schließen Sie dann den
Schalter „Synchronmaschine“. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht
bis die Klemmenspannung UUV am Generator gleich der Nennspannung UN ist. Achten Sie
dabei auf die vom Typenschild vorgegeben Werte der Synchronmaschine.
• Nehmen Sie die Spannungs-, Strom-, Phasenwinkel und Leistungswerte, sowie
die dazugehörigen Zeitverläufe von einem Wicklungsstrang der Synchronmaschine, für jeden unten gegebenen Induktivitätswert für IErr = 1,5A = konst. auf.
• Zeichen Sie in einem Zeigerdiagram den Phasenwinkel und die Polradspannung
der Synchronmaschine in Abhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung.
Die Spulen sind gleich groß und haben dieselbe Induktivität. Nutzen Sie nur die festen
Abgriffe der Spulen, aber nicht die variablen Verstellmöglichkeiten.
L
in mH
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42
114
220
360
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Abbildung 6: Induktive Belastung
N
3 Induktivitäten
L1
L2
L3
V
U
W
Schalter
Synchronmaschine
U
W
V
Trennverstärker
DreiphasenLeistungsmesser
v
v
A
v
A
L1
Zeigermessgeräte
A
L2
L3
Sicherungssockel
N
L1`
L2`
N
U
V
Synchronmaschine
GS
L3`
W
F1
DC
Feldsteller
F2
Gleichstrommotor
M
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und Leistungselektronik
3.3 Unsymmetrische Belastung
(Zusatzaufgabe in Absprache mit dem betreuenden Professor)
Bauen Sie die Schaltung wie in Abbildung 7 auf. Der Feldsteller für die Erregung bleibt
noch ausgeschaltet! Stellen Sie mit Hilfe der Gleichstrommaschine die Drehzahl der
Synchronmaschine auf die Nenndrehzahl nN = 1500 min-1 ein und schließen Sie dann den
Schalter „Synchronmaschine“. Jetzt wird die Erregung dazu geschaltet und solange erhöht
bis die Klemmenspannung UUV am Generator gleich der Nennspannung UN ist. Achten Sie
dabei auf die vom Typenschild vorgegeben Werte der Synchronmaschine. Achten Sie
dabei auf die vom Typenschild vorgegeben Werte der Synchronmaschine.
• Nehmen Sie die Spannungs-, Strom-, Phasenwinkel und Leistungswerte, sowie
die dazugehörigen Zeitverläufe von einem Wicklungsstrang der Synchronmaschine, für jeden unten gegebenen Belastungszustand für IErr = 1,4A = konst. auf.
• Zeichen Sie in einem Zeigerdiagram den Phasenwinkel, Lastwinkel und die Polradspannung der Synchronmaschine in Abhängigkeit der Erregung bzw. der Belastung.
Diese ohmschen und induktiven Werte sollen für die oben genannte Messreihe eingestellt
werden.
4
R
in Ω
19,2
19,2
19,2
19,2
76,7
76,7
76,7
76,7
L1
in mH
360
220
360
42
360
220
360
42
L2
in mH
220
114
220
360
220
114
220
360
L3
in mH
360
220
114
220
360
220
114
220
Netzparallelbetrieb der Synchronmaschine
Wird die Synchronmaschine über das lokale Netz an das starre Verbundnetz der
Energieversorgungsunternehmen gekoppelt, muss im Augenblick der Aufschaltung eine
Übereinstimmung der Frequenz, Amplitude und Phasenlage der Klemmenstrangspannung
zur Netzspannung gewährleistet sein. Ist dieses nicht der Fall, kommt es zu nicht
gewollten Ausgleichsvorgängen, welche die Synchronmaschine zerstören können und das
Versorgungsnetz unerlaubt belasten können. Wurde die Synchronmaschine auf das starre
Netz aufgeschaltet, lässt sich die Drehzahl nicht mehr verändern. Setzen Sie sich mit den
oben genannten Bedingungen für eine Synchronisation ans Netz auseinander.
4.1 Synchronisation auf das starre Netz
Versuchsdurchführung:
Bauen Sie die Schaltung wie in Abbildung 8 auf. Wenn die Synchronmaschine auf
Nenndrehzahl ist schalten Sie den Schalter „Synchronmaschine“ ein. Der „Netzschalter“
muss noch geöffnet sein. Schalten Sie jetzt den Feldsteller zu und erhöhen die Erregung
langsam. Beobachten Sie dabei die Lampen der „Dunkelschaltung“, als auch die
Zeitverläufe der Netzspannungen UNetz und Klemmenspannung UStr am Oszilloskop.
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Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
• Welche vier Bedingungen sind für eine erfolgreiche Synchronisation erforderlich?
• Bestimmen Sie den richtigen Einschaltpunkt der Synchronisation.
• Beschreiben Sie die „Dunkelschaltung“ als Hilfsmittel zur Synchronisation.
• Wie müsste eine „Hellschaltung“ aufgebaut werden.
Abbildung 8: Dunkelschaltung
L1
L2
L3
N
L2
L1
L1
L2
L3
L1
L2
L3
L3
Dunkelschaltung
Netzschalter
W
U
V
V
U
W
Schalter
Synchronmaschine
U
W
V
Trennverstärker
DreiphasenLeistungsmesser
v
v
A
v
A
L1
Zeigermessgeräte
A
L2
L3
Sicherungssockel
N
L1`
L2`
N
U
V
Synchronmaschine
GS
L3`
W
F1
DC
Feldsteller
F2
Gleichstrommotor
M
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Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Nachdem die Synchronmaschine auf das starre Netz aufgeschaltet wurde, kann die
Maschine im generatorischen, so wie auch im motorischen Bereich betrieben werden. In
beiden Betriebsarten ist es je nach Vorgabe der Betriebsparameter möglich, Wirk-,
induktive Blind- oder kapazitive Blindleistung in das Netz einzuspeisen oder aus dem Netz
aufzunehmen. Die nachfolgenden Versuche sollen dieses verdeutlichen.
4.2 Generatorischer Betrieb
Versuchsdurchführung:
Nachdem die Synchronisation erfolgreich war, wird die Frequenz der Klemmenstrangspannung UStr auf ca. fUstr = 50,1Hz erhöht. Die Synchronmaschine läuft jetzt generatorisch. Stellen Sie das Drehmoment der Gleichstrommaschine mit Hilfe der Ankerstrombegrenzung für einen Ankerstrom von IA = 20A ein.
• Variieren Sie den Erregerstrom IErr der Synchronmaschine und nehmen Sie jeweils
zwei Messreihen für Über- und Untererregung der Synchronmaschine auf. Messen
Sie hierbei die Ströme, Spannungen, Leistungen und Phasenwinkel von einem
Wicklungsstrang der Synchronmaschine.
• Werten Sie die Ergebnisse aus.
4.3 Motorischer Betrieb
Nachdem die Synchronisation erfolgreich war, wird die Frequenz der Klemmenstrangspannung UStr auf ca. fUstr = 49,9Hz vermindert. Die Synchronmaschine läuft jetzt
motorisch. Stellen Sie das Drehmoment der Gleichstrommaschine mit Hilfe der Ankerstrombegrenzung für einen Ankerstrom von IA = 20A ein.
• Variieren Sie den Erregerstrom IErr der Synchronmaschine und nehmen Sie jeweils
zwei Messreihen für Über- und Untererregung der Synchronmaschine auf. Messen
Sie die Ströme, Spannungen, Leistungen und Phasenwinkel von einer Wicklung
der Synchronmaschine.
• Werten Sie die Ergebnisse aus.
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