Inhaltsverzeichnis 2. Versuchsauswertung 2
2.1.1 Aufgabenstellung 2
2.1.2 Versuchsaufbau 2 2.2 Inselbetrieb 3 2.2.A Leerlaufversuch …………………………………………………………………………………................................................3
2.2.B Belastungskennlinie U (IA) für veränderte Widerstände. 5
2.2.C Kurzschlussversuch. Bestimmen der synchronen Reaktanz Xd des Generators 6 2.3 Betrieb am starren Netz………………………………………………………………………………………………………………………….…7
2.3.1 Synchronisierungsbedingungen und Netzankopplung…………………………………………………………………..….8
2. Versuchsauswertung
2.1.1 Aufgabenstellung
Ziel des Versuches ist die Vermessung einer Synchronmaschine (SM) im Generatorbetrieb. Die Synchronmaschine wird mittels eines Gleichstrom-Motors mit Tachogenerator angetrie-ben. Einstellbare Größen sind die Erregerspannung, der Erregerstrom sowie die Belastung.
Kenndaten der Synchronmaschine Nennspannung UA,N=400 V | 2 Schleifringe versorgen die SM mit Gleichspannung | Nenndrehzahl nN=1500 min-1 | 4-polige Maschine (Vollpolläufer) | |
Zu messende Größen sind: Ankerspannung UA , Ankerstrom IA des Generators, Drehzahl n und Frequenz f
2.1.2 Versuchsaufbau | Links: Synchronmaschine (verwendet als Generator), Rechts: Gleichstrom-Motor mit Tachogenerator |
| | Synchrongenerator, Gleichstrommotor und diverse Messgeräte | 2 parallel geschaltete Spannungsquellen – Dient der Einstellung des Erregerstroms | | Microprozessor mit B6 Gleichrichterschaltung- Dient der Drehzahleinstellung des Gleichstrommotors |
2.2 Inselbetrieb
2.2.A Führen Sie einen Leerlaufversuch durch.
A1) Nehmen Sie bei Nenndrehzahl n die Leerlaufspannung U0 in Abhängigkeit des Erregerstromes IE auf.
Messwerte A1: UN=400 V, n=1500 min-1 und f=50 Hz; n und f=const. IE in A | U0 in V | Abbildung 2.2.A1: Vermessung Synchronmaschine, Leerlaufkennlinie, Inselbetrieb | 0,0 | 7 | | 0,1 | 75 | | 0,2 | 160 | | 0,3 | 230 | | 0,4 | 290 | | 0,5 | 337 | | 0,6 | 370 | | 0,7 | 392 | | 0,8 | 405 | | 0,9 | 418 | | 1,0 | 428 | | 1,1 | 436 | | 1,2 | 442 | | 1,3 | 448 | | 1,4 | 454 | |
Auswertung:
Prinzipiell arbeitet ein Synchrongenerator im Leerlauf nach dem Prinzip, dass durch einen Erregerstrom IE ein magnetischer Fluss Φ erzeugt wird, welcher in den jeweils 120° verschobenen Strängen eine Leerlaufspannung U0 (Polradspannung) induziert. Leerlauf bedeutet, dass keine Ströme in den Ständerwicklungen fließen. Die im Diagramm eingetragene tatsächliche Erregerspannung IE0 (0,78 A) resultiert aus dem Schnittpunkt von Nennspannung und der aufgenommenen Leerlaufkennlinie. IE0* (0,51 A) ist die Größe des Luftspalterregerstrom, dieser wird mittels des Schnittpunktes von Leerlaufspannung und Luftspaltgeraden abgelesen. Die Luftspaltgerade stellt den Verlauf des Erregerstroms ohne Magnetisierungsverluste dar. Ab einem bestimmten Strom-Spannungsverhältnis kommt es zur Sättigung des Eisenkerns, welche eine Nichtlinearität hervorruft. Dies zeigt sich ab einem Stromwert von 0,3 A - hier steigt die Leerlaufspannung nur noch geringfügig an. Der Verlauf ähnelt dem eines fremderregten Gleichstrommotors.
Zu Beginn des Versuchs wurde festgestellt, dass obwohl kein Erregerstrom floss es zu einer Leerlaufspannung von 7 V kam. Dieses Verhalten wird durch die Remanenz vom Vorversuch verursacht.
Auswertung:
Das Diagramm zeigt eindeutig das in der Literatur beschriebene lineare Verhalten von Leerlaufspannung U0 und Drehzahl n. Durch diesen Zusammenhang kann die 1. Maschinen-gleichung beschrieben werden:
UL=k1*ϕ*n (k1=2 π*N; N:Anzahl d. Wicklungen)
Da sich die Polpaarzahl nicht ändert gilt mit n=f/p , dass UL~ f ist.
2.2.B Der Generator wird bei Leerlauf-Nennerregung (IE.N = 0,8 A) im Inselbetrieb mit einer ohmschen Last belastet. Nehmen Sie die Belastungskennlinie U (IA) für veränderte Widerstände (R abnehmend von 100% bis 10%) auf. | Die Abbildung zeigt einen dreiphasig veränderbaren Widerstand (rechtes Bild, 3x270 Ω in Sternschaltung).Das Maximum (roter Pfeil, linkes Bild) ist laut Laboringenieur mit 85 % des Gesamtwiderstandes angegeben und wird in Abständen von 8,5 % verringert. Es erfolgt eine Umrechnung auf 100 %. | |
Auswertung:
Die Abbildung 2.2.B2 verdeutlicht die Abhängigkeit von Leiterspannung U1 und Ankerstrom IA. Der Verlauf lässt sich durch die in Abb.2.2.B1 hergeleitete Formel U1=UP-IA*jX1 beschreiben. Hierbei ist die Polradspannung UP proportional zum Erregerstrom IE. Mit Hilfe dieser Formel wird klar, dass mit steigendem Ankerstrom IA die Leiterspannung proportional sinken muss. Qualitativ ist dieses Verhalten zu erkennen.
Mit steigender Belastung sinkt auch die Leiterspannung. Um einen Spannungsabfall zu kompensieren, muss der magnetische Fluss im Luftspalt, welcher vom Erregerstrom abhängt, erhöht werden. Dies kann jedoch nur geschehen, wenn es noch nicht zur magnetischen Sättigung gekommen ist (siehe 2.2.A1). Bei Frequenzschwankungen müssen die Drehzahl n und der Erregerstrom entsprechend angepasst werden.
2.2.C Betreiben Sie den Synchrongenerator bei Nenndrehzahl im Kurzschluss. Steigern Sie den Erregerstrom IE bis der Kurzschlussstrom IK den Generator-Nennstrom von
IA.N = 1,6 A erreicht. Bestimmen Sie die synchrone Reaktanz Xd des Generators.
| Maschenregel: 0=UP-IA*jX1 jX1=UpIAUP:PolradspannungIA:AnkerstromX1:synchrone Reaktanz (Xd) |
Abbildung 2.2.C: Vereinfachtes einphasiges Ersatzschaltbild, Kurzschluss, Inselbetrieb gegeben: Erregerstrom IE=0,56 A | Kurzschlussstrom IK=IA=1,7 A | interpolierte Leerlaufspannung U0=356,8 V (aus WT 2.2.A.1 bei IE=0,56 A) | jX1=UpIA mit Up=U0 X1=U0IK=13*356,8 V1,7A=121,17 Ω Auswertung:
Mittels eines dreipoligen Kabels wurden die Klemmen der Drehstromwicklung kurzgeschlossen. Wird nun das Polrad gedreht, bewirkt die in den Ständerwicklungen induzierte Spannung einen sogenannten Kurzschlussstrom. Das hiermit einhergehende Magnetfeld wirkt nun dem Magnetfeld des Läufers entgegen – die beiden Felder heben sich praktisch auf. Beim Kurzschlussversuch sind trotz hoher Ströme keine Sättigungserschein-ungen festzustellen, wodurch sich dieser zur Bestimmung der synchronen Reaktanz sehr gut eignet. Als Leerlaufspannung im Kurzschluss wurde 356,8 V aus WT 2.2.A.1 bei IE=0,56 A gewählt, da zu diesem Zeitpunkt kein Strom von der Erregerseite her fließt.
2.3 Betrieb am starren Netz
Versuchsaufbau
4
4
3
3
2
2
1
1
| 1) Glühlampen der Dunkelschaltung
2) Doppelspannungs- und Doppelfrequenzmessgerät3) Nullspannungsmesser4) Drehfeldmessgerät |
Um einen Synchrongenerator an ein Netz zu schalten, müssen Synchronisationsbedingungen eingehalten werden. Bei einer Fehlsynchronisation entstehen Ausgleichströme, die wiederum Drehmomente nach sich ziehen. Bei Fehlsynchronisationen führen die entstehenden großen Drehmomente zu direkten Schäden am Generator, da die Momente auf die Maschine und auf das Maschinenfundament wirken.
Die Synchronisationsbedingungen lauten:
1. gleiche Höhe der Netz- und Generatorspannung
2. gleiche Frequenz der Netz- und Generatorspannung
3. gleiche Phasenlage
4. gleiche Phasenfolge
2.3.1 Stellen Sie die Synchronisierungsbedingungen her und schalten den Generator ans Netz
Um die Synchronisierungsbedingungen zu erreichen wird die Drehzahl der Synchronmaschine auf 1500 min-1 eingestellt, was der Netzfrequenz von 50 Hz entspricht. Der Betrag der Spannung des Generators wird über den Erregerstrom auf den Betrag der Spannung des Netzes angeglichen.
Die Synchronisationsbedingungen konnten mit Hilfe des Doppelspannungs- bzw. Doppelfrequenz-messgerätes gut ablesen werden, da hier beide Spannungen bzw. Frequenzen direkt nebeneinander angezeigt wurden. Dieses Messprinzip reicht jedoch nur für eine Grobeinstellung aus, da z.B. die Frequenz nur über einen Wert auf einer Skala verglichen wird und nicht mit einem direktem Zahlenwert.
Ein Drehfeldmessgerät wurde zur genaueren Messung der Frequenzsynchronisation verwendet.
Anhand der Richtung in die sich der Zeiger des Messgerätes bewegte, ließ sich ablesen, ob der Synchrongenerator schneller oder langsamer als das Netz drehte.
Optisch ließ sich dies am deutlichsten an der Dunkelschaltung erkennen. Besteht eine Spannungsdifferenz zwischen Netz und Maschine leuchten dazwischen geschaltete Lampen auf, da sie von der Differenzspannung gespeist werden. Frequenz und Phasengleichheit besteht nur dann wenn die Lampen der Dunkelschaltung nicht leuchten. Die Lampen leuchten mit der Frequenz, die genau der Differenz der Frequenzen von Maschine und Netz entspricht.
Der Generator wurde also genau zu dem Zeitpunkt, als die Lampen der Dunkelschaltung nicht leuchteten und somit Netz und Maschine synchron waren, ans Netz geschaltet.
A) Nehmen Sie die V-Kennlinie (IA / IE) bei einer Belastung von 250 W auf.
Auswertung :
Durch die Änderung des Erregerstromes resultiert eine Änderung der Blindleistung bzw. des cos Φ, dies liegt begründet darin, dass der Erregerstrom sich direkt auf die Polradspannung Up auswirkt. Die Spannung der Reaktanz jX1I1 ändert sich analog, da die Differenz zwischen der Polradspannung und der Spannung über jX1I1 wieder gleich der unveränderten Netzspannung U1 sein muss.
U1=Up+jX1I1
Da der Strom I eine Phasenverschiebung von 90° zu jX1I1 hat ändert er ebenfalls seine Lage.
Es entsteht ein Strom der der Netzspannung nacheilt.
Durch Erhöhung des Erregerstroms steigt der Leistungsfaktor cos Φ an. Bei einem Erregerstrom von 0,1 bis 0,8 A wird so die untererregte Betriebsart des vermessenen Synchrongenerators gefahren mit einer Abgabe induktiver Blindleistung und einem negativen Leistungsfaktor cos Φ. Bei einem höheren Erreger-strom wird die übererregte Betriebsart erreicht, wobei kapazitive Blindleistung geliefert wird und der cos Φ positiv wird. Eine Abgabe von induktiver Blindleistung entspricht einer Aufnahme von kapazitiver Blindleistung und umgekehrt. Bei einem negativen Leistungsfaktor nimmt die Synchronmaschine kapazitive Blindleistung auf, bei einem positiven Leistungs-faktor nimmt diese induktive Blindleistung auf. Der Synchrongenerator deckt im übererregtem Betrieb den
Blindleistungsbedarf induktiver Verbraucher im Netz und wirkt so stabilisierend auf das Netz.
Das Erregersystem richtig auszulegen ist also für ein stabiles Netz zwingend notwendig.
