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Synchronmaschine

Die Synchronmaschine ist eine Drehfeldmaschine, die folglich mit einem dreiphasigen Drehstrom (siehe Modul 7) im Statorkreis betrieben wird. Der Rotor kann entweder permanent (mit Dauermagneten) oder durch einen Gleichstromkreis erregt werden. Dieser Maschinentyp wird in Kraftwerken zur Stromgewinnung eingesetzt, da er aber über einen sehr hohen Wirkungsgrad verfügt, wird er auch in der modernen Antriebstechnik in kleineren Leistungsklassen immer häufiger eingesetzt. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, dass die Synchronmaschine immer durch eine Leistungselektronik geregelt werden muss, da sie an einem einfachen Drehstromnetz nicht anläuft.

Vorteile:

  • Robust und wartungsfrei.
  • Hohe Regeldynamik.
  • Hohe Leistungsdichte bei geringem Bauvolumen.
  • Überlastfähigkeit.

Nachteile:

  • Aufwendige Umrichtertechnik.
  • Aufwendige Regelung.
  • Gesteuerter Betrieb nur mit großem Aufwand oder gar nicht möglich.

1 Aufbau

  • Drei Statorwicklungen, die 120° zueinander versetzt sind.
  • Geblechte Ausführung des Stators, da dieser ein magnetisches Wechselfeld erfährt.
  • Im Läufer befindet sich die Erregerwicklung.
  • Der Läufer wird teilweise nicht geblecht.
Schematische Schnittansicht einer fremderregten Synchronmaschine. Das Bild zeigt die verschiedenen Komponenten des Motors, einschließlich des Gehäuses, der Lager, des Läufers, der Erregerwicklung sowie des Statorblechpakets und der Statorwicklungen.
Abbildung 1: Grafik einer aufgeschnittenen fremderregten Synchronmaschine.

Querschnitt einer remderregten Synchronmaschine. In der Mitte befindet sich der Rotor mit der Erregerwicklung. Dieser wird ringförmig umschlossen vom Stator, der drei Statorwicklungen enthält. Diese sind jeweils um 120 Grad zueinander versetzt angeordnet.

Abbildung 2: Aufbau einer fremderregten Synchronmaschine. Die um 120° zueinander versetzten Statorwicklungen sind hier farbig veranschaulicht.

2 Feldverläufe

Das Diagramm zeigt drei sinusförmige Wellen, die die Ströme I1, I2 und I3 darstellen. Die Sinuskurven sind um 120 Grad zueinander versetzt. Unterhalb des Diagramms befindet sich jeweils an den Positionen 0, 120, 240 und 360 Grad eine Abbildung des Querschnitts einer fremderregten Synchronmaschine. Die in den Abbildungen eingezeichneten Flussrichtungen der Ströme innerhalb der drei Statorwickungen verhalten sich analog zu den im Diagramm dargestellten Sinuskurven.

Abbildung 3: Richtung des Drehfeldvektors. Der Rotor dreht sich synchron zu den sinusförmigen, um 120\(^\circ \) zueinander versetzten Drehfeldern des Stators.

Bei der Synchronmaschine bewirkt die magnetische Kopplung zwischen Stator und Rotor das Drehmoment. Im Motorbetrieb folgt das Rotorfeld dem Statorfeld. Die mechanische Drehzahl muss daher immer gleich der elektrischen Drehfrequenz sein. Zwischen dem Stator und dem Rotor befindet sich der lastabhängige sogenannte Polradwinkel \(\vartheta \). Bei \(\vartheta =90^\circ \) ist das Drehmoment am größten. Wird im Motorbetrieb der Polradwinkel durch eine zu hohe Belastung größer als \(90^\circ \), sinkt das erzeugte Drehmoment und die Maschine „kippt“– das heißt, sie bleibt schlagartig stehen.

  • Der Statorfluss entsteht durch die Überlagerung der Flüsse der drei Wicklungen.
  • Der Läuferfluss entsteht durch die Erregerwicklung.

Ein Diagramm, das zwei Kurven zeigt. Auf der X-Achse wird der Polradwinkel von 0 bis 180 Grad dargestellt. Auf der Y-Achse wird der Drehmoment abgebildet. Zwei parabelförmige Kurven UN und einhalb UN von 0 bix 180 Grad, deren Maximum bei 90 Grad liegt, sind in das Diargramm eingezeichnet. Das Maximum der Kurve von einhalb UN liegt etwa auf halber Höhe des Maximums von UN.

Abbildung 4: Drehmomentkennlinie in Abhängigkeit vom Polradwinkel.

3 Ersatzschaltbild

Im Netzbetrieb ist die Klemmenspannung \(U_1\) und die Frequenz \(\omega \) fest vorgegeben. Das ist ein häufiger Betriebsfall für die Synchronmaschine.

Schaltbild eines einphasigen Vollpolgenerators. Auf der linken Seite bedindet sich eine Reihenschaltung bestehend aus einem Widerstand R1, einer Induktivität X1 Sigma, einer Induktivität XH und einer Spannungsquelle Up, welche über die Spannungsquelle U1 geschlossen ist. Parallel zu U1 und Up ist zwischen X1 Sigma und Xh die Spannung Uq eingezeichntet. An der Anordnung liegt der Strom I1 an. Auf der rechten Seite bedindet sich eine Induktivität mit dem Strom IE.

Abbildung 5: Komplexes einphasiges ESB eines Vollpolgenerators. Beispielsweise im Netzbetrieb.
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