Drehstrom-Synchronmaschine
Eine Drehstrom-Synchronmaschine ist ein Elektromotor, der mit Drehstrom betrieben wird oder ein Generator, der Drehstrom erzeugt. Sie kann aber auch zur Blindleistungskompensation verwendet werden.
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Aufbau
Die Maschine besitzt eine Außenwicklung, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor trägt entweder Permanentmagneten oder eine Erregerwicklung zur Felderzeugung. Im zweiten Fall werden zwar Schleifkontakte notwendig, über die aber im Gegensatz zur Gleichstrommaschine nicht kommutiert wird, so dass das Bürstenfeuer mit all seinen Konsequenzen für die Lebensdauer entfällt. Bei schnelllaufenden Turbogeneratoren in Dampfkraftwerken sind auch schleifringlose Erregungen über Außenpol-Synchrongeneratoren und rotierende Gleichrichter ("RG-Sätze") Stand der Technik.
Eigenschaften
Über die Frequenz des zugeführten Wechselstroms ist die Drehzahl des Synchronmotors exakt und winkelgenau regelbar. Ein Winkelgeber überprüft ständig die tatsächliche Motorstellung und somit die tatsächliche Drehfrequenz. Bei starker Belastung hängt der Motor dem Soll-Phasenwinkel geringfügig hinterher. Um einen Synchronmotor stufenlos in der Drehzahl regeln zu können, muss ein Frequenzumrichter verwendet werden.
Betrieb
Die Synchronmaschine hat im Unterschied zur Drehstrom-Asynchronmaschine keinen Schlupf. Bei der Synchronmaschine ist die Drehzahl des Läufers gleich der Drehzahl des elektromagnetischen Drehfeldes, d. h. der Läufer rotiert synchron zum Drehfeld. Deshalb wird keine Spannung im Rotor induziert.
Die Wirkleistung wird vom Polradwinkel bestimmt. Die Maschine wirkt mit einem voreilenden Polrad als Generator, mit einem nacheilenden Polrad als Motor. Wird der Winkel zu groß (größer als ca. 90°), fällt die Maschine aus dem Tritt. Sie muss abgeschaltet und neu synchronisiert werden. Große Synchronmaschinen laufen nicht von allein an, sondern müssen mechanisch hochgefahren und synchronisiert werden. Kleine Synchronmaschinen können als Asynchronmaschine hochlaufen bis sie Tritt fassen. Eine übererregte Synchronmaschine hat im Netz die Wirkung eines Kondensators, eine untererregte die Wirkung einer Drossel. Die Synchronmaschine wird deshalb auch als Phasenschieber zur Erzeugung von Blindleistung und somit zur Spannungshaltung in Energieverteilungsnetzen eingesetzt.
Anwendung
Hauptanwendungen der Synchronmaschinen sind die Wechsel- und Drehstrom-Generatoren in den Kraftwerken. Mehr als 99% der elektrischen Energieerzeugung geschieht mit Synchrongeneratoren. Auch die Lichtmaschinen in Autos sind überwiegend Synchrongeneratoren mit nachgeschaltetem Gleichrichter. Ein besonders einfacher Synchrongenerator mit Permanentpol-Erregung ist der Fahrraddynamo.
Turbogeneratoren sind mit Dampfturbinen gekoppelt und meist zweipolig. Sie rotieren daher mit 3000 U/min (50Hz) oder 3600 U/min (60 Hz) und können bis 1200 MVA gebaut werden. Vierpolige Turbogeneratoren laufen halb so schnell und können derzeit bis 1800 MVA realisiert werden.
Schenkelpolmaschinen in Wasserkraftwerken haben größere Polzahlen und daher geringere Drehzahlen von 750 U/min bis etwa 60 U/min.
In Pumpspeicherwerken werden die Synchronmaschinen als Motorgeneratoren sowohl im Pump- als auch im Generator-Betrieb verwendet.
Man kann sich bei Betrieb am starren Netz auf ihre konstante Drehzahl verlassen. (Früher gab es elektrische Uhren mit solchen Elektromotoren.) Synchronmaschinen werden teilweise in Bahnantrieben (z.B. beim TGV), als Generatoren in allen Größen (von einigen Watt bis zu mehreren hundert Megawatt) und industriellen Hochleistungsantrieben, vor allem für Gebläse, Verdichter und Pumpen eingesetzt.
Ebenfalls sehr wichtige Sonderformen sind Schrittmotoren (hochpolige Synchronmaschinen, vorwiegend zur genauen Positionierung von Werkzeugen), aber auch sonstige Servomotoren.