V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung in elektrischen ... · zahl im stationären Betrieb, was bedeutet, dass Stator- und Rotordrehfeld synchron laufen. Die Drehzahl n ist dabei

V301

Regelung von Wirk- und Blindleistung in elektrischen Netzen

letzte Überarbeitung: 04.06.2014

Das Verhalten einer Synchronmaschine im Netzparallelbetrieb wird mithilfe eines Maschinenprüfstands, der Antriebs- und Bremseinheit sowie Erreger- und Synchro-nisiereinrichtung beinhaltet, untersucht. Neben dem stationären Verhalten im Vier-quadrantenbetrieb wird auch das dynamische Verhalten beim Zuschalten und an der Stabilitätsgrenze beleuchtet. Dadurch wird das für die elektrische Energieerzeugung wichtigste Betriebsmittel und sein Zusammenwirken mit dem Netz veranschaulicht. Der Aspekt Modellierung und theoretische Analyse wird mit praktischer Betriebsfüh-rung und Messung verknüpft.

Die Anleitung ist von jedem Teilnehmer vor Versuchsbeginn gewissenhaft durchzuarbeiten. Insbesondere sind die Aufgaben in Kapitel 6 im Vorfeld zu lösen.

Das erfolgreiche Bestehen des Versuchs erfordert ein testiertes Protokoll, das inner-halb von 2 Wochen nach der Teilnahme am Versuch einzureichen ist. Beachten Sie bei der Anfertigung die Richtlinien in Anhang C und nehmen Sie die Vorlage in An-hang D als Grundlage für die Ausarbeitung. Versuchsauswertungen, die nicht die Struktur der Vorlage aufweisen, werden nicht akzeptiert.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft

V301 – Regelung von Wirk- und Blindleistung

Seite – 2 –

1 Einleitung ................................................................................. 3

2 Konventionen bei Zählpfeilsystemen ............................................. 4

3 Wesentliche Größen der Dreiphasensysteme .................................. 5

3.1 Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme .............................................. 5

3.2 Leistungen und Verbraucher des Drehstromsystems .................................... 6

3.3 Einphasige Ersatzdarstellung symmetrischer Dreiphasensysteme ............... 8

3.4 Leistungsmessung in symmetrischen Drehstromsystemen ........................... 9

4 Betriebsverhalten der Synchronmaschine .................................... 12

4.1 Aufbau der Synchronmaschine ................................................................... 12

4.2 Ersatzschaltbild und Leistungsgleichungen des Synchrongenerators ......... 12

4.3 Statische Stabilität des Synchrongenerators am starren Netz ..................... 14

4.4 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine .................................................. 17

5 Versuchsaufbau ....................................................................... 19

6 Aufgabenstellung (theoretischer Teil) .......................................... 24

7 Aufgabenstellung (messtechnischer Teil) ..................................... 25

7.1 Inbetriebnahme des Maschinenprüfstands .................................................. 25

7.2 Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie ..................................................... 26

7.3 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine .................................................. 26

7.4 Dynamische Vorgänge beim Zuschalten der Synchronmaschine ............... 26

7.5 Betriebsarten der Synchronmaschine .......................................................... 26

7.6 Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb ..................................... 27

Anhang A Lösungsblätter ............................................................ 28

Anhang B Kenndaten der Synchronmaschine .................................. 30

Anhang C Richtlinien für die schriftliche Ausarbeitung ...................... 31

Anhang D Inhalte der schriftlichen Ausarbeitung ............................. 32


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1 Einleitung

Der weitaus größte Teil der elektrischen Energie wird heute dreiphasig zum Verbrau-cher geleitet. Hierzu werden symmetrische Dreiphasensysteme verwendet. Gegen-über dem einfachen Wechselstromsystem besitzen Sie folgende Vorzüge:

Einfache Möglichkeit zur Drehfelderzeugung (deshalb auch Drehstromsyste-me genannt).

Beim vollständigen System (Null-Leiter vorhanden) hat man die Wahl zwi-schen zwei Spannungen verschiedener Größe.

Bei symmetrischer Belastung ist der Augenblickswert der Leistung konstant. Der Bedarf an Leitermaterial und die Übertragungsverluste sind in Bezug auf die übertragene Leistung geringer.

Die Frequenz beträgt allgemein 50 Hz. Die USA und ein Teil Japans verwen-den 60 Hz. Zur Betrachtung der prinzipiellen Eigenschaften von Dreiphasen-systemen spielt aber die Frequenz keine Rolle.


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2 Konventionen bei Zählpfeilsystemen

Bei der Ersatzdarstellung elektrischer Netzwerke unterscheidet man im Prinzip zwei Zählpfeildarstellungen:

das Erzeugerzählpfeilsystem (EZS) und das Verbraucherzählpfeilsystem (VZS)

Der Unterschied zwischen beiden besteht in der Richtungsdefinition von Strom- und Spannungspfeil.

Das EZS definiert die Wirkleistungsabgabe positiv, d.h. Strom- und Span-nungspfeil sind an Quellen und Senken gleichgerichtet. Dadurch wird erzeugte Leistung, sei es Wirk- oder Blindleistung, positiv gezählt.

Das VZS definiert die Wirkleistungsaufnahme positiv, d.h. Strom- und Span-nungspfeil sind an Quellen und Senken entgegen gerichtet. Dadurch werden sowohl aufgenommene Wirkleistung als auch induktive (=aufgenommene) Blindleistung positiv gezählt.

Abbildung 1: Zählpfeilsysteme im Vergleich

Es ist unerheblich nach welchem System die Zählpfeile angeordnet werden, da auch die Kombination beider Systeme in einem Netzwerk möglich ist. Zu beachten ist le-diglich, dass bei der Definition der Vorzeichen des Leistungsflusses die Strom- und Spannungszählpfeile des entsprechenden Elementes herangezogen werden müs-sen, da bei Kombination beider Systeme z.B. die Wirkleistungsabgabe nicht an allen Elementen das gleiche Vorzeichen aufweist!


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3 Wesentliche Größen der Dreiphasensysteme

3.1 Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme

Spannungssymmetrische Dreiphasensysteme (Drehstromsysteme) sind dadurch charakterisiert, dass zum einen die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen 120° beträgt und zum anderen die Spannungsbeträge aller Phasen gleich groß sind.

Derartige Spannungssysteme können daher in folgender komplexer Schreibweise dargestellt werden:

011:

jeUULPhase (1)

12022 : jeUULPhase (2)

ojeUULPhase 240

33 : (3)

Die Größe U ist der Spannungsbetrag der einzelnen Phase gegen Erdpotential, die sogenannte “Leiter-Erdspannung”, die natürlich in symmetrischen Drehstromsyste-men für alle Phasen gleich groß ist. Weiterhin kann in einem Drehstromsystem aber auch die Spannung zwischen zwei Phasen, die sogenannte “verkettete Spannung” oder “Dreieckspannung” abgegriffen werden. Für diese Spannung gilt ersichtlich:

000 301200

2112 3 jjj eUeUeUUUU (4)

000 2100240


000 90240120


Die verkettete Spannung des symmetrischen Drehstromsystems ist also um den Fak-tor 3 größer als die Leiter-Erdspannung. Die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasenspannungen beträgt 120°, während die beiden Drehstromsysteme um 30° gegeneinander verschoben sind. Die Lage aller Spannungszeiger in der komplexen Ebene zeigt Abbildung 2 .


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In der elektrischen Energieversorgung kommen, abgesehen von einigen Sonderfor-men wie Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ), praktisch nur spannungs-symmetrische Drehstromsysteme für die Energieübertragung zum Einsatz. Im Rah-men dieses Versuchs wird ebenfalls ein dreiphasiges symmetrisches Spannungssys-tem vorausgesetzt.

3.2 Leistungen und Verbraucher des Drehstromsystems

Verbraucher können im Drehstromsystem grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Arten angeschlossen werden, nämlich in Sternschaltung resp. Dreieckschaltung. Beide Anschlussformen sind für einen Verbraucher in Abbildung 3 dargestellt. Für einen symmetrischen Verbraucher ergeben sich keine nennenswerten Unterschiede in beiden Anschlussarten, es kann von “außen” nicht einmal festgestellt werden, ob der Verbraucher im Stern oder Dreieck geschaltet ist. Die Summe aller drei Phasen-ströme ist in diesem Falle Null, weshalb der Neutralleiter der Sternschaltung stromlos bleibt und entfallen kann (Hochspannungsnetze werden in guter Näherung symmet-risch betrieben, so dass kein vierter Leiter benötigt wird).

31U

12U

23U

1U

2U3U

1L

2L3L

1U

3U

2U

12U

23U

31U

30°

120°

Abbildung 2: Spannungszeiger im Drehstromsystem


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Verbraucher in Sternschaltung

Für einen Verbraucher in Sternschaltung nach Abbildung 3 a) gilt mit der Verbrau-cherimpedanz Z und dem Lastwinkel L:

3,2,1;: iZ

UImPhasenstro

ii

(7)

LjeIUIUIUIUStungScheinleis 3: 332211

(8)

LIUSPngWirkleistu cos3Re: (9)

LIUSQungBlindleist sin3Im: (10)

Verbraucher in Dreieckschaltung

Für einen Verbraucher in Dreieckschaltung nach Abbildung 3 b) gilt mit der Verbrau-cherimpedanz Z und dem Lastwinkel L:

Aufgrund des symmetrischen Verbrauchers sind die Ströme in den Verbraucher-zweigen (I12, I23, I31) gleich groß, der Betrag dieser Dreieckströme sei I. Aus der Be-ziehung:

31121 III (11)

ergibt sich dann, dass der Dreieckstrom I um 3 kleiner als der Phasenstrom I ist. Mit diesen Überlegungen lassen sich die Leistungen des Verbrauchers errechnen zu:

313123231212:

IUIUIUStungScheinleis

LL jj eIUeIU

33 (12)

LL IUIUPngWirkleistu cos3cos3: (13)

LL IUIUQungBlindleist sin3sin3: (14)


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Für symmetrischen Betrieb gilt demnach ganz allgemein:

Die Leistungsbestimmung aus den Phasengrößen ist unabhängig von der Schaltungsart der Verbraucher.

An den Verbraucherelementen liegt bei Dreieckschaltung die um 3 größere verkettete Spannung an.

Dagegen ist der Strom durch die Verbraucherelemente um 3 kleiner als bei entsprechender Sternschaltung gleicher Leistung.

3.3 Einphasige Ersatzdarstellung symmetrischer Dreiphasensysteme

Bei symmetrischem Betrieb eines Dreiphasensystems genügen die Größen einer Phase zur vollständigen Beschreibung des Systemzustandes. Dementsprechend kann ein symmetrisches Drehstromsystem durch eine einphasige Ersatzschaltung dargestellt werden. Diese Ersatzschaltung wird beschrieben durch die Leiter-Erdspannung U, den Phasenstrom I sowie die Impedanzen einer Phase gegen Er-de. Die verkettete Spannung tritt in der einphasigen Ersatzdarstellung natürlich nicht mehr auf und in Dreieckschaltung angeschlossene Verbraucher sind in eine äquiva-lente Sternschaltung (mittels Dreieck-Stern-Umwandlung) umzurechnen.

Zu beachten ist außerdem, dass die Leistung der einphasigen Ersatzschaltung nur 1/3 der dreiphasigen Leistung beträgt, so dass Leistungsangaben entsprechend um-gerechnet werden müssen!

1I1I

2I2I

3I3I

0I

1L 1L

2L2L

3L3L

N

Z

ZZ

Z

Z

Z

a) Sternschaltung b) Dreieckschaltung

Abbildung 3: Anschlussarten eines Verbrauchers im Dreiphasensystem


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3.4 Leistungsmessung in symmetrischen Drehstromsystemen

Wirkleistungsmessung

Es genügt, die Leistung einer Phase zu messen, da das Netz symmetrisch betrieben wird. Besitzt das System einen Null-Leiter, so erfolgt die Messung wie in Abbildung 4 a gezeigt. In diesem Fall ergibt sich die gemessene Wirkleistung des Verbrauchers zu:

PhasegemessenenderWirkstromImitIUP wwmes : (15)

und damit die dreiphasige Wirkleistung zu:

wmesges IUPP 33 (16)

Besitzt das System keinen Null-Leiter, gestaltet sich die Messung schwieriger. Ent-weder kann über einen sogenannten “Sternpunktbildner” (das ist ein sehr hochohmi-ger Verbraucher in Sternschaltung) ein künstlicher Sternpunkt geschaffen werden, gegen den wiederum die Leiter-Erdspannung abgegriffen werden kann, oder es wird eine Messung nach Abbildung 4 b (sogenannte “Aron-Schaltung”) mit zwei Wattme-tern durchgeführt. Hier ergibt sich ersichtlich:

)210(cosRe 01311 Lmes IUIUP

(17)

)30(cosRe 02232 Lmes IUIUP

(18)

Dabei sei L der Phasenwinkel der Verbraucherimpedanz. Die dreiphasige Leistung des Verbrauchers bestimmt sich damit dann zu:

wLmesmesges IUIUPPP 3cos312 (19)


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Zu beachten ist, dass diese Schaltung auch bei unsymmetrischen Verbrauchern an-gewendet werden kann, sofern kein Null-Leiter vorhanden ist.

Blindleistungsmessung

Für die Messung der Blindleistung ist es unerheblich, ob der Null-Leiter vorhanden ist oder nicht. Es wird hier die Tatsache ausgenutzt, dass jeweils eine verkettete Span-nung um 90° phasenverschoben zu einer Phasenspannung ist (Abbildung 2), so dass bei der Schaltung des Wattmeters nach Abbildung 5 gerade die Blindleistung in Phase 1 gemessen wird. Es ergibt sich:

Sym.

Last

Sym.

Last

1L

2L

3L

mesP1

mesP2

mesP1L

2L

3L

N

a) Messung mit Null-Leiter b) Messung ohne Null-Leiter

Sym.

Last

mesQ1L

2L

3L

N

Abbildung 4: Wirkleistungsmessung bei einem symm. Drehstromverbraucher

Abbildung 5: Blindleistungsmessung bei einem symm. Drehstromverbraucher


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mesLL QIUIUIU

ˆsin3)90(cosRe 0

123 (20)

und damit die dreiphasige Blindleistung:

Lmesges IUQQ sin33 (21)


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4 Betriebsverhalten der Synchronmaschine

4.1 Aufbau der Synchronmaschine

Synchronmaschinen sind elektromechanische Energiewandler, die sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb eingesetzt werden können. Das Betriebsverhalten im Motor- und Generatorbetrieb unterscheidet sich – abgesehen von der Wirkleistungs-flussrichtung – nicht, so dass hier nur der praktisch bedeutsamere Generatorbetrieb beschrieben ist.

Wesentliches Merkmal der Synchronmaschine ist die belastungsunabhängige Dreh-zahl im stationären Betrieb, was bedeutet, dass Stator- und Rotordrehfeld synchron laufen. Die Drehzahl n ist dabei mit der Polpaarzahl p der Maschine und Netzfre-quenz f gegeben zu:

p

fn (22)

Man unterscheidet zum einen zwei- und vierpolige Maschinen, sogenannte Turboge-neratoren, deren Erregerwicklung praktisch über den gesamten Rotorumfang verteilt ist, so dass der Rotor einen nahezu homogenen Zylinder bildet. Derartige Maschinen sind mit einer Drehzahl von 3.000 U/min resp. 1.500 U/min (bezogen auf 50 Hz) ge-eignet als Generatoren für Dampf- und Gasturbinen. Zum anderen sind die hochpoli-gen Maschinen zu erwähnen (z.B. 16-, 24-, 48-polige Maschinen), sogenannte Schenkelpolmaschinen, deren Erregerwicklung in ausgeprägten Polen untergebracht ist, so dass hier der Rotor keinen homogenen Zylinder bildet. Derartige langsam lau-fende Maschinen werden vorwiegend als Wasserkraftgeneratoren eingesetzt. Auf-grund des inhomogenen Rotorzylinders der Schenkelpolmaschinen ist die mathema-tische Behandlung dieses Maschinentyps ungleich schwieriger, so dass im Rahmen dieses Versuchs nur die einfacher zu behandelnden Turbogeneratoren berücksichtigt werden.

4.2 Ersatzschaltbild und Leistungsgleichungen des Synchrongenera-tors

Der symmetrisch betriebene Synchrongenerator kann in einem einphasigen Ersatz-schaltbild als eine komplexe Spannungsquelle E mit dem Innenwiderstand R + jX dargestellt werden. Der ohmsche Anteil R des Innenwiderstandes kann dabei für die meisten stationären Rechnungen vernachlässigt werden, so dass sich das in Abbil-dung 6 gezeigte Ersatzschaltbild ergibt.


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Abbildung 6: Ersatzschaltbild des symm. betriebenen Synchrongenerators

Die Spannungsquelle E, auch Polradspannung genannt, entsteht durch Induktion des Rotorfeldes im Stator. Bezieht man nun die Spannungsgleichungen der Maschine auf die Klemmenspannung UG des Generators, so erhält man unter Berücksichtigung des Polradwinkels (Phasenwinkel zwischen E und UG) sowie des Lastwinkels (Phasenwinkel zwischen UG und IG) die Beziehung:

j

GGj eIXjUeE (23)

Daraus ergeben sich die Leistungsgleichungen:

sin3

X

EUP GG

G (24)

X

U

X

EUQ

GGGG

23cos

3 (25)

Die Polradspannung E ist dabei abhängig vom Erregerstrom ir, während der Polrad-winkel durch das mechanische Moment der Antriebsmaschine beeinflusst werden kann. Für einen beliebigen Arbeitspunkt im Generatorbetrieb zeigt Abbildung 7 das Zeigerdiagramm der Maschine zu dem Ersatzschaltbild nach Abbildung 6.

jX

EGU

GI


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Abbildung 7: Zeigerdiagramm (übererregter Synchrongenerator)

4.3 Statische Stabilität des Synchrongenerators am starren Netz

Die Leistungsgleichungen für Turbogeneratoren (Vollpolläufer):

X

UPQ

X

EUPmit

PP

G

KG

GK

KG

23cos

3sin

(26)

Dabei ist PK die maximal abgebbare Wirkleistung des Generators, die auch Kippleis-tung genannt wird. Da der Polradwinkel durch das mechanische Antriebsmoment beeinflusst wird, kann die Wirkleistungsabgabe der Maschine in Abhängigkeit von der Antriebsleistung als Funktion von dargestellt werden. Dies ist ersichtlich für den Turbogenerator eine sin-Funktion, wobei für 0 die Wirkleistungsabgabe negativ wird. Das entspricht demnach einer Wirkleistungsaufnahme, so dass die Maschine als Motor betrieben wird. Das Leistungsverhalten ist aber im Motor- und Generator-betrieb – wie anfangs bereits erwähnt – identisch. Abbildung 8 zeigt die Wirkleis-tungsabgabe der Synchronmaschine als Funktion des Polradwinkels .

E

GIjX

GI

GU


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Abbildung 8: Wirkleistungskennlinie für einen Vollpolläufer

Im stationären Betriebszustand sind mechanische und elektrische Leistung im Gleichgewicht. Es ergeben sich zwei potentielle Arbeitspunkte (Punkt A und B, Ab-bildung 8).

Für den Arbeitspunkt A gilt:

Wird durch eine externe Störung (z.B. Laständerung) größer, steigt die elektrische Wirkleistung PG, so dass die Maschine gebremst wird und wieder in den Arbeitspunkt A läuft. Dies gilt sinngemäß für eine Verkleinerung von .

Für den Arbeitspunkt B gilt:

Bei Zunahme von durch eine externe Störung nimmt die elektrische Leistung ab, so dass die Maschine beschleunigt wird und aus dem Arbeitspunkt B herausläuft. Die Maschine wird instabil und fällt außer Tritt, d.h. Rotor und Statordrehfeld laufen nicht mehr synchron.

Gleiche Betrachtungen gelten für den Motorbetrieb. Damit ist die Synchronmaschine am starren Netz statisch stabil für

2/2/ (27)

Bei Schenkelpolmaschinen ist die Betrachtung der statischen Stabilität nicht so ein-fach durchführbar. Genauere Angaben dazu finden sich in der im Anhang aufgeführ-ten Literatur.

2

2

P

mechP

KP

instabil

instabil

stabil

stabil

KP

A B

Motorbetrieb

Generatorbetrieb


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Bei konstanter Antriebsleistung ( = konst.) und starrer Netzspannung (UG = konst.) hängt die Blindleistung nur vom Erregerstrom ir ab. Durch entsprechende Wahl des Erregerstromes kann die Blindleistung QG daher negativ, null oder positiv werden. D.h. durch Steuerung des Erregerstromes kann die Maschine Blindleistung abgeben oder aufnehmen, was bei der Spannungsregelung im elektrischen Netz aber auch im Phasenschieberbetrieb älterer Kompensationsanlagen ausgenutzt wird. In diesem Zusammenhang sind zwei Begriffe definiert, die unabhängig vom Wirkleistungsar-beitspunkt die Blindleistungsverhältnisse der Maschine beschreiben:

übererregter Betrieb

QG 0; die Maschine gibt Blindleistung an das Netz ab. Sie wirkt für das Netz wie eine Kapazität.

untererregter Betrieb

QG 0; die Maschine nimmt Blindleistung aus dem Netz auf. Sie wirkt für das Netz wie eine Induktivität.


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4.4 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine

Die Belastbarkeit einer Synchronmaschine wird durch ihre Baugröße und die Kon-struktion der Maschine bestimmt (Kühlung der Rotor- und Statorwicklung, Eisensätti-gung, Auslegung der Erregung etc.). Daher sind vorgegebene technische Grenzwer-te zuverlässig einzuhalten.

Die Forderung, dass der Synchrongenerator nicht mehr als seine maximale Schein-leistung Smax, für die die Maschine gebaut ist, abgeben darf, wird im Diagramm durch einen Halbkreis dargestellt. Smax wird durch die maximal zulässige Erwärmung der Statorwicklung vorgegeben.

Die minimal und maximal abgebbare (Generator-)Wirkleistung PG,min und PG,max wird durch die Turbine begrenzt. Bei Wasserkraftgeneratoren ist PG,min=0, PG,max wird durch die maximale Durchflussmenge des Wassers bestimmt. Bei thermischen Kraftwerken werden diese Grenzwerte durch den minimalen und maximalen Dampf-strom durch die Turbine festgelegt. Sie sind als horizontale Geraden in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine


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Aus den Leistungsgleichungen (26) folgt:

tan²tan (28)

Für PG=0 folgt daher für Punkt A, der die Blindleistung darstellt, die im untererregten Betrieb maximal aufgenommen werden kann:

² (29)

Wird ein Generator ohne Abgabe von Wirkleistung betrieben befindet er sich Pha-senschieberbetrieb. Zur Erzeugung von Blindleistung muss von der Turbine keine Arbeit geleistet werden. Bei alleiniger Erzeugung bzw. Aufnahme von Blindleistung befindet sich der Generator im Phasenschieberbetrieb.

Die meisten der sich am Netz befindlichen Generatoren verfügen über eine Span-nungsregelung, die die minimale Polradspannung Emin vorgibt. Die maximale Polrad-spannung Emax ist durch die maximal zulässige Erwärmung der Statorwicklung vor-gegeben. Diese Grenzwerte lassen sich im Betriebsdiagramm durch zwei Kreise mit dem Radius darstellen, wobei für die Polradspannung die jeweiligen Extremwerte eingesetzt werden.

(30)

Eine weitere Grenze des Betriebsdiagramms ist die Stabilitätsgrenze im untererreg-ten Stabilitätsbereich. Der theoretische Wert dieser Grenze liegt bei 90° .Im Allgemeinen wird jedoch 70° gewählt. Somit entsteht eine Gerade im Punkt A mit der Steigung . Das vollständige Betriebsdiagramm und der daraus resultie-rende Betriebsbereich sind in Abbildung 9 dargestellt.


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5 Versuchsaufbau

Das Verhalten der Synchronmaschine wird mittels des in Abbildung 10 skizzierten Versuchsaufbaus untersucht. Es werden dabei die folgenden Komponenten verwen-det:

(1) Servomotor als Antrieb oder Bremse für die Synchronmaschine (2) Synchronmaschine (3) Antriebs- oder Bremseinheit für den Servomotor. Diese kann Momenten- oder

Drehzahlgeführt betrieben werden (4) Trenntransformator. Dieser entkoppelt die Generatorklemmen- von der Netz-

spannung. (5) Erregereinrichtung für die Synchronmaschine. Diese wird ausschließlich „o-

pen-loop“ betrieben, d.h. sie regelt den Erregerstrom und nicht die Klemmen-spannung des Generators.

(6) Synchronisiereinrichtung. Diese zeigt Spannungsbetrags-, Frequenz- und Phasenwinkelabweichungen an.

(7) Trennschalter. Dieser wird im Rahmen des manuellen Synchronisierens betä-tigt.

(8) Multifunktionales Leistungsmessgerät. (9) Versorgungseinheit der Versuchstafel (nicht relevant für den prinzipiellen Auf-

bau). (10) Netznachbildung. Hier werden Leitungen durch konzentrierte Elemente

nachgebildet (findet in diesem Versuch keine Verwendung).


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Abbildung 10: Prinzipschaltbild des Versuchsaufbaus

Die Komponenten des Maschinenprüfstands gliedern sich in einen Maschinensatz, der Prüftafel und Antriebseinheit sowie Trenntransformator (Abbildung 11).

1 32 4

5, 6, 7, 8, 9

Abbildung 11: Maschinenprüfstand

∆ F, ∆ U, ∆φ

0,4kV, 50Hz

SMMU, I, P,

Q

(1) (2)

(3)(4)

(5)

(6)

(8)

(7)

(10)

Starres Netz Msoll, nsoll Ie,soll


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Erreger- und Synchronisiereinrichtung mit Netzkuppelschalter sind neben einem mul-tifunktionalen Messgerät und der Netznachbildung in Form eines Tafelaufbaus zu-sammengefügt (Abbildung 12).

Die Inbetriebnahme des Maschinenstands erfolgt in folgenden Schritten:

1. Trenntrafo und Drehstromversorgung einschalten (Entriegelung Not-AUS; FI ein; Schlüsselschalter ein; Motorschutzrelais ein); Drehspulmessinstrument des Doppelspannungsmessgerätes zeigt netzseitige Leiter-Erd-Spannung an

2. Digitalmultimeter einschalten und Messbereichseinstellung DC wählen 3. Digitales Steuergerät für Servoantrieb/-bremse einschalten 4. Gleichstromversorgung aktivieren (Poti in Nullstellung drehen; Einschalten;

Start-Taster drücken)

105 76

8

9

Abbildung 12: Tafel des Maschinenprüfstands


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Abbildung 13: Antriebseinheit des Servomotors

Nun erfolgt das eigentliche Hochfahren der Synchronmaschine (Typ A):

Digitales Steuergerät mit "Set-Mode"-Taste in "Speed Control"-Modus schal-ten

Zur Aktivierung des Steuergerätes die Taste "RUN" drücken und über die Tas-ten bzw. bei "Speed" auf die synchrone Drehzahl erhöhen (aktuelle Drehzahl im Menü 0051)

Die Erregerspannung über das Poti der Gleichstromversorgung langsam er-höhen, bis der Spannungsbetrag des zweiten Zeigers des Doppelzeigerspan-nungsmessgerätes mit der Netzspannung übereinstimmt.

Befindet sich das Synchronoskop in der "12-Uhr-Stellung", wird die Maschine an das Netz geschaltet

Die Maschine läuft nun synchron am Netz und die eigentlichen Versuche (Leerlauf, Generator- und Motorbetrieb) können durchgeführt werden.


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Ein neuerer Versuchsstand verfügt über eine automatische Umschaltung zwischen Drehzahl- und Momentenregelung und wird dementsprechend wie folgt hochgefah-ren (Typ B):

Digitales Steuergerät mi der „Set-Mode“-Taste in den Modus „Synchronizati-on“ schalten

Das Steuergerät mit der Taste „RUN“ aktivieren

Mithilfe des Drehimpulsgebers den Maschinensatz auf die synchrone Drehzahl bringen

Die Erregerspannung über das Poti der Gleichstromversorgung langsam er-höhen, bis der Spannungsbetrag des zweiten Zeigers des Doppelzeigerspan-nungsmessgerätes mit der Netzspannung übereinstimmt.

Befindet sich das Synchronoskop in der "12-Uhr-Stellung", wird die Maschine an das Netz geschaltet

Der Wechsel zum momentengeführten Betrieb wird automatisch durchgeführt. Das Soll-Moment kann anschließend über den Drehimpulsgeber gewählt wer-den.


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6 Aufgabenstellung (theoretischer Teil)

Dieser Teil ist vor Versuchsbeginn schriftlich vorzubereiten!

Der Synchrongenerator eines Kraftwerks speist in ein starres 20-kV-Netz. Er hat die folgenden Kennwerte:

Ug=20kV Emax=30kV Emin=10kV δmax=70°

Smax=20MVA Pmin=2MW Pmax=18MW xd=22Ω

a) Warum vereinfacht die Modellierung des Netzanschlusspunktes als starres Netz die Betrachtung des gegebenen Falles erheblich?

b) Konstruieren Sie das zugehörige einphasige Ersatzschaltbild (ESB) im EZS. c) Konstruieren Sie das Betriebsdiagramm des Generators. Hinweise dazu fin-

den sie in den Vorlesungsunterlagen. d) Der Generator speist mit 15 MVA bei einem Verschiebungsfaktor cos(φ) von

0,8 (kapazitiv) ein. Konstruieren Sie das zugehörige Zeigerdiagramm. e) Bestimmen Sie die theoretische Kippleistung des Generators


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7 Aufgabenstellung (messtechnischer Teil)

7.1 Inbetriebnahme des Maschinenprüfstands

Identifizieren Sie zunächst die vorliegenden Komponenten anhand der Abbildungen in der Versuchsanleitung und verschalten Sie sie gemäß Abbildung 10. Die Wicklun-gen der Synchronmaschine werden dabei im Stern verschaltet. Lassen Sie ihren Aufbau vom Versuchsbetreuer kontrollieren, bevor Sie den Maschinensatz in Betrieb nehmen.

Anfahren des Maschinensatzes:

Schalten Sie den Prüfstand ein und verwenden Sie das multifunktionale Messgerät, um das Anliegen der Netzspannung hinter dem Netzschalter zu prüfen. Kontrollieren Sie die Hilfsspannungsversorgung der Antriebseinheit für den Servo sowie der Erre-gereinrichtung.

Fahren Sie Anschließend den Maschinensatz über den Servomotor hoch bis auf Nenndrehzahl. Die Bedienung des Servomotors ist in Kapitel 5 beschrieben. Wie vie-le Pole hat die Synchronmaschine?

Synchronisierung:

Um eine Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator einer Synchronmaschine zu erreichen, muss der Rotor erregt werden. Stellen Sie den Soll-Erregerstrom auf Null und schalten Sie die Erregereinrichtung zu. Erhöhen Sie langsam den Erregerstrom bis an den Statorklemmen der Synchronmaschine Nennspannung anliegt.

Synchronisieren Sie die Maschine auf das Netz. Korrigieren Sie Abweichungen in Spannungsbetrag und –frequenz. Kuppeln Sie Synchronmaschine und Netz über den Kuppelschalter, sobald das Synchronoskop die Zwölf-Uhr-Stellung anzeigt.

Generator- und Motorbetrieb der Synchronmaschine:

Schalten Sie die Antriebseinheit des Servomotors ab. Betreiben Sie den Servomotor momentengeführt und wechseln Sie dabei zwischen Generator- und Motorbetrieb der Synchronmaschine. Erhöhen Sie das Moment dabei jeweils vorsichtig, um instabile Betriebszustände zu vermeiden. Warum ist ein drehzahlgeführter Betrieb des Servos bei Betrieb am Netz nicht sinnvoll?

Deaktivieren Sie den Erregerstrom der Synchronmaschine, wenn sie sich nicht dreht, indem Sie zunächst den Sollwert langsam reduzieren und anschließend die Erregung abschalten.


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7.2 Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie

Betreiben Sie die Synchronmaschine im Leerlauf bei Nenndrehzahl, d.h. bei geöffne-tem Kuppelschalter. Welcher Spannung im ESB entspricht bei dieser Betriebsart die Klemmenspannung? Tragen Sie Erregerstrom gegen Klemmenspannung anhand von zehn Messpunkten auf (s. entsprechende Tabelle in Anhang A). Ermitteln Sie anhand einer Ausgleichsgeraden den Faktor kIerr , der in vereinfachender Weise ei-nen proportionalen Zusammenhang zwischen Klemmenspannung und Erregerstrom im Leerlauf angibt.

7.3 Betriebsdiagramm der Synchronmaschine

Konstruieren Sie das Betriebsdiagramm der Synchronmaschine für den Generator-betrieb. Entnehmen Sie die Grenzen den Kenndaten der Synchronmaschine (Anhang B) und der Erreger-Leerlauf-Kennlinie. Um der Stabilitätsgrenze nicht zu nah zu kommen, wird, wie bei Kraftwerksgeneratoren üblich, der Polradwinkel auf 70° begrenzt. Tragen Sie die berechneten Grenzen in das entsprechende Lösungs-blatt ein und konstruieren Sie das Betriebsdiagramm unter Wahl eines sinnvollen Maßstabs.

7.4 Dynamische Vorgänge beim Zuschalten der Synchronmaschine

Schalten Sie die Synchronmaschine bei unterschiedlichen Phasenwinkeldifferenzen auf das Netz. Beginnen Sie mit einer ideal synchronen Zuschaltung (Synchronoskop auf „zwölf-Uhr“). Trennen Sie die Maschine wieder vom Netz und schalten Sie sie bei einer größeren Phasenwinkeldifferenz zu. Achten Sie auf Geräusche und Vibratio-nen. Wiederholen Sie den Vorgang bis maximal der „neun-Uhr“, bzw. „drei-Uhr-Stellung“. Erläutern Sie ihre subjektiven Eindrücke.

7.5 Betriebsarten der Synchronmaschine

Phasenschieberbetrieb der Synchronmaschine

Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Phasenschieber, d.h. mit deaktivierter Servo-Antriebseinheit. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten

untererregter Phasenschieber übererregter Phasenschieber

Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und kon-struieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger-Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Vernachlässigen Sie dabei die Wirkleistungsaufnahme des Maschinensatzes. Tragen Sie die Be-triebspunkte in das Betriebsdiagramm ein. Ist ein Phasenschieber sinnvoll, auch wenn er keine Wirkleistung umsetzt?


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Generatorbetrieb der Synchronmaschine

Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Generator. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten

Untererregter Generator Übererregter Generator

Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und kon-struieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger-Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Tragen Sie die Be-triebspunkte in das Betriebsdiagramm ein.

Im untererregten Betrieb gerät die Synchronmaschine leicht in den instabilen Zustand. Erhöhen Sie in diesem Fall entweder die Erregung oder verringern Sie das Antriebsmoment.

Motorbetrieb der Synchronmaschine

Fahren Sie die Maschine hoch, synchronisieren und schalten Sie sie aufs Netz und betreiben Sie sie als Motor. Wählen Sie zwei sinnvolle, stabile Arbeitspunkte für die zwei Betriebsarten

Untererregter Motor Übererregter Motor

Tragen Sie die Messergebnisse auf dem entsprechenden Lösungsblatt ein und kon-struieren Sie die zugehörigen Zeigerdiagramme. (Hinweis: Ziehen Sie die Erreger-Leerlaufkennlinie heran, um die Polradspannung zu bestimmen). Tragen Sie die Be-triebspunkte in das Betriebsdiagramm ein.

Im untererregten Betrieb gerät die Synchronmaschine leicht in den instabilen Zustand. Erhöhen Sie in diesem Fall entweder die Erregung oder verringern Sie das Bremsmoment.

7.6 Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb

Die maximale Wirkleistung einer Synchronmaschine, die sog. Kippleistung, wird auf der Stabilitätsgrenze erreicht. Welchem Polradwinkel entspricht das? Warum wird dieser Arbeitspunkt in der Realität nicht (gewollt) angefahren.

Bestimmen Sie für den Synchrongenerator die Kippleistung bei einem Erregerstrom von 0,2 A, 0,5 A, 1 A sowie 1,2 A und tragen Sie diese gegen den Erregerstrom auf. Wie groß ist dabei die jeweilige Blindleistungsaufnahme resp. –abgabe? Erläutern Sie Ihre Ergebnisse. Tragen Sie die vier Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm ein und erläutern Sie, warum sie im unzulässigen Betriebsbereich liegen.


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Anhang A Lösungsblätter

Tabelle 1: Wertetabelle für die Erreger-Leerlaufkennlinie (0)

Ierr [A]

UG [V]

kIerr =__________ V/A

Tabelle 2: Grenzen im Betriebsdiagramm (7.3)

Grenze Smax Pmax Pmin δmax Emin Emax

Wert 70°

Tabelle 3: Messwerte für die Betriebsarten der Synchronmaschine (7.5)

Untererregter Phasenschieber

U in V I in A Ierr in A E in V P in W Q in Var

0

Übererregter Phasenschieber


0

Untererregeter Generator


Übererregter Generator


Untererregter Motor


Übererregter Motor



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Tabelle 4: Kippleistung der Synchronmaschine (7.6)

Erregerstrom Ierr in A

Kippleistung Pk in W (3-phasig)

Blindleistung Q in Var (3-phasig)

0,2

0,5

1,0

1,2


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Anhang B Kenndaten der Synchronmaschine

Xd 360 Ω

nNenn 1.500 1/min

Ierr,max 1,6 A

Imax 2,66 A

Pmax 0,8 kW


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Anhang C Richtlinien für die schriftliche Ausarbeitung

Verfassen Sie einen zusammenhängenden Text, der die in der Vorlage (Anhang D) angegebenen Punkte enthält und Fragen beantwortet. Frage-Antwort-Strukturen werden nicht akzeptiert! Halten Sie sich an die vorgegebene Gliederung. Beachten sie folgende Richtlinien:

Umfang: mind. 10 DIN A4 Seiten

Schriftgröße 12; Zeilenabstand: 1,5

zusätzlich die ausgefüllte Lösungsblätter (Anhang A)

Zum Inhalt: Der Bericht sollte

… auf Wiederholungen der Aufgabenstellung verzichten

… und die wesentlichen Ergebnisse des Versuches diskutieren.

Zur Sprache: Wissenschaftlich neutral/objektiv und aktuell

d.h. keine persönlichen Formulierungen (kein „ich“, „wir“, „man“),

im Präsens schreiben (keine Vergangenheit)!

Abgabe: Spätestens vier Wochen nach Versuchsdurchführung

digital als PDF an [email protected]

(die Ausarbeitung wird auf Plagiate geprüft)


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Anhang D Inhalte der schriftlichen Ausarbeitung

1. Einleitung

(1) Aufbau und Funktion der Synchronmaschine (2) Vor- und Nachteile von Synchronmaschinen im Einsatzgebiet der Stromer-

zeugung in Großkraftwerken

2. Allgemeines zur vorliegenden Synchronmaschine

(1) Wie viele Pole hat die Synchronmaschine? (2) Warum ist ein drehzahlgeführter Betrieb des Servos beim Betrieb der Syn-

chronmaschine am Netz nicht sinnvoll? (3) Warum müssen reale Synchrongeneratoren in Großkraftwerken synchronisiert

werden? (4) Welche Synchronisationsmöglichkeiten gibt es und wie funktionieren sie?

3. Aufnahme der Erreger-Leerlaufkennlinie

(1) Welcher Spannung im ESB entspricht bei dieser Betriebsart die Klemmen-spannung?

(2) Tabelle 1: Wertetabelle für die Erreger-Leerlaufkennlinie (3) UG-IERR-Kennlinie, kERR über eine Ausgleichsgerade bestimmen. Erläutern und

bewerten Sie die Kennlinie!

4. Betriebsarten der Synchronmaschine

(1) Vorgehensweise beim Erstellen von Zeigerdiagrammen (2) Phasenschieberbetrieb:

2 Zeigerdiagramme: übererregt

Untererregt

(3) Ist ein Phasenschieber sinnvoll, obwohl er keine Wirkleistung umsetzt? (4) Generatorbetrieb:


Untererregt

(5) Was ist die übliche/häufigste Betriebsart eines großen Synchrongenerators? (6) Motorbetrieb:


untererregt

(7) Erläuterung der Zeigerdiagramme (8) Wie kann die Wirk -und Blindleistungsaufnahme bzw. –abgabe

Beeinflusst werden?


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(9) In welchen Bereich läuft die Maschine stabil und warum? (statische Stabilität) Gehen Sie dabei speziell auf die Wirkleistungskennlinie eines Vollpolläufers ein!

5. Bestimmung der Kippleistung im Generatorbetrieb

(1) Bei welchem Polradwinkel ist die Kippleistung erreicht? (2) PK(IERR)-Diagramm anhand Tab.4 (3) Erläutern Sie ihre Ergebnisse.

6. Betriebsdiagramm der Synchronmaschine

(1) Grenzen im Betriebsdiagramm und Begründung der jeweiligen Grenzen. Er-läutern Sie dabei was die Grenzen aussagen und woraus sie folgen.

(2) Betriebsdiagramm im Generatorbetrieb (3) folgende Betriebspunkte in das Betriebsdiagramm eintragen:

a. 2 mal Generator (über/untererregt aus 7.5) b. 2 mal Phasenschieber (über/untererregt aus 7.5) c. 4 Kippleistungspunkte aus 7.6

(4) Erläutern Sie, warum die Betriebspunkte an der Kippleistungsgrenze im unzu-lässigen Betriebsbereich liegen.

(5) Bewerten Sie das Betriebsdiagramm!

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V301 Regelung von Wirk- und Blindleistung in elektrischen ... · zahl im stationären Betrieb, was bedeutet, dass Stator- und Rotordrehfeld synchron laufen. Die Drehzahl n ist dabei