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Fremd- und Permanenterregung

Die Synchronmaschine

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Bild 1: Revision des Synchrongenerators im Kraftwerk Unterweser

Die großen, fremderregten Synchronmaschinen werden in der Regel für die Erzeugung von Wechsel- und Drehstromspannungen in Kraftwerken eingesetzt (Bild 1). Ihr wesentlicher Vorteil ist die synchrone Drehzahl und die Möglichkeit, sowohl Wirk- als auch Blindleistung zu erzeugen und dem Energie-Versorgungsnetz zur Verfügung zu stellen. Mittelgroße Synchronmaschinen werden als Generator in Windkraftanlagen (Enercon) eingesetzt, um sowohl Wirk- als auch Blindleistung in das Netz einzuspeisen.

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Bild 2: Kleiner Synchrongenerator mit rotierendem Gleichrichter

Kleinere Synchronmaschinen werden beispielsweise für die Energieversorgung des Bordnetzes von Diesel-Triebfahrzeugen der Bahn eingesetzt. Auch in der Elektromobilität werden neben den permanentmagneterregten Synchronmaschinen auch fremderregte Synchronmaschinen als alternative Antriebsvariante für den Fahrmotor in Kraftfahrzeugen (Continental, Renault) entwickelt. Die permanentmagneterregte Synchronmaschine hingegen ist einer der wichtigsten Antriebe in der Robotik und in Kraftfahrzeugen. Das Betriebsverhalten der beiden Maschinentypen ähnelt sich in vielen Bereichen.

Aufbau der fremderregten Synchronmaschine

Synchronmaschinen sind die wichtigsten elektromechanischen Energiewandler. Sie werden vorrangig als Generatoren zur Stromerzeugung in Kraftwerken eingesetzt. Eine Drehzahlvariation ist nur durch eine Änderung der Ständerfrequenz (Frequenzumrichterbetrieb) oder durch Umschalten der Polpaarzahl möglich.

Die Erregerwicklung auf dem Polrad wird mit einem Gleichstrom gespeist. Die Übertragung des Gleichstroms kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen:

  • über Bürsten und Schleifringe
  • durch einen rotierenden Gleichrichter, der über eine separate Läuferwicklung den auf dem Rotor induzierten Wechselstrom gleichrichtet (Bild 2)
  • oder eine zusätzliche Erregermaschine, die mechanisch mit der Generatorwelle gekoppelt ist.
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Bild 3: Schenkelpolläufer

Neben der Erregerwicklung kann sich auf den Läufern noch eine Dämpferwicklung befinden, die aus mehreren Kupferstäben und einem Kurzschlussring besteht. Der aus Kupfer aufgebaute Kurzschlusskäfig dient zur Unterdrückung etwaiger Pendelmomente. Er ermöglicht darüber hinaus auch einen asynchronen Selbstanlauf der Maschine.

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Bild 4: Vollpolläufer

Konstruktiv wird zwischen zwei Maschinentypen unterschieden: dem Vollpol- und dem Schenkelpolläufer. Die beiden Läufertypen sind in Bild 3 und Bild 4 abgebildet. Bei der Vollpolmaschine sind die Läuferpole zylindrisch angeordnet und bei dem Schenkelpolläufer liegen ausgeprägte Pole vor.

Ein weiterer Unterschied besteht in der Art der Erregung. Bei der permanenterregten Maschine erfolgt der Aufbau des Magnetfeldes durch Dauermagnete und bei der Fremderregung erfolgt er durch eine extern zugeführte Gleichspannung in der Wicklung.

Vollpolmaschine

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Bild 5: Prinzip der Vollpolmaschine (p = 1)

Die Vollpolmaschine entspricht dem Aufbau einer allgemeinen Drehfeldmaschine, wobei der geblechte Stator wie die Asynchronmaschine eine Drehstromwicklung trägt. Der Läufer trägt eine Gleichstromwicklung und besitzt keine ausgeprägten Pole (Bild 5).

Der Vollpolläufer wird hauptsächlich als Generator bzw. als Motor bei hoher Drehzahl eingesetzt.

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Bild 6: Turboläufer eines Kernkraftwerkgenerators

Die Erregerwicklung besteht im Allgemeinen aus konzentrischen Spulen. Um die Wicklung gegenüber den auftretenden Fliehkräften zu schützen, werden die Wickelköpfe durch Kappen gehalten (Bild 6). Der Antrieb der Generatoren ist nach Bauart des Kraftwerks über eine Dampf- oder Gasturbine möglich.  Der Leistungsbereich großer Turbogeneratoren (Vollpolmaschinen) liegt in der Regel zwischen 1200 … 2000 MVA.

Schenkelpolmaschine

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Bild 7: Prinzip Schenkelpolmaschine (p = 2)

Der Antrieb eines Schenkelpolgenerators erfolgt meist über eine Wasserturbine. Der Leistungsbereich liegt bei ca. 800 MVA. Im Gegensatz zum Vollpolläufer sind die Pole einzeln ausgeprägt. Der Läufer wird als Polrad ausgeführt, das bei einem großen Durchmesser nur eine geringe axiale Länge aufweist. Damit ist für Flusskraftwerke eine senkrechte Bauform mit gemeinsamer Welle für Turbine und Generator möglich. Die Turbine und der Generator liegen unter dem Wasserspiegel. Aufgrund der konstruktiv bedingten Bauform sind niedrige Drehzahlen von ca. 60 min-1 bis 750 min-1 möglich. Ein besonderer Einsatz erfolgt in Pumpspeicherkraftwerken, wo Synchronmaschinen als Motorgenerator im Pumpbetrieb als Motor sowie auch im Generator-Betrieb zur Energieeinspeisung verwendet werden.

Wie die Vollpolmaschine trägt auch der Stator der Schenkelpolmaschine eine Drehstromwicklung. Der Läufer dagegen hat ausgeprägte Pole. Die Pole werden massiv oder geblecht ausgeführt. Auf Grund der mechanischen Asymmetrie eignet sich die Schenkelpolmaschine nur für langsam laufende Generatoren (Bild 7).

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Bild 8: PM-Synchronmaschine

Aufbau der PM-Synchronmaschine

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Bild 9: Läufer eines High-Torque-Motors

Der Aufbau einer permanentmagneterregten Synchronmaschine ist in Bild 8 dargestellt. Die Ständerwicklung besteht analog zur fremderregten Synchronmaschine aus einer dreiphasigen Drehstromwicklung. Der Läufer hingegen ist mit Permanentmagneten versehen. Anstelle der Erregerwicklung (wie bei der fremderregten Synchronmaschine) wird das Erregerfeld mithilfe der Permanentmagnete erzeugt. Der Läufer ist in der Regel trägheitsarm ausgelegt. Dies führt eher zu einer schlanken Bauform. Die permanentmagneterregte Synchronmaschine wird im Allgemeinen mit einem Umrichter/Regler betrieben. Für die Regelung der Maschine ist in den meisten Fällen ein Drehgeber notwendig.

Läuferkonstruktionen der PM-Maschine

Die Permanentmagnete werden beispielsweise auf der Läuferoberfläche aufgeklebt (Bild 9) und bandagiert oder im Läuferinneren als eingebettete Magnete untergebracht.

In Bild 10 sind die Läuferkonstruktion und der Erregerfeldverlauf – erzeugt durch die Oberflächenmagnete – schematisch dargestellt.

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Bild 10: Läuferkonstruktion mit Oberflächenmagneten

Maschinen mit eingebetteten Magneten (Bild 11) bieten den Vorteil, dass zum einen auf die Bandage der Magnete verzichtet und zum anderen der mechanische Luftspalt geringer ausgeführt werden kann.

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Bild 11: Läuferkonstruktion mit eingebetteten Magneten

Des Weiteren können die Magnete (Bild 12) in einem so genannten Flusssammler-Konzept angeordnet werden.

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Bild 12: Läuferkonstruktion mit Flusssammlungskonzept

Bei allen eingebetteten Magnetkonstruktionen ist darauf zu achten, dass die Magnete sich nicht selbst auf dem Läufer kurzschließen. Der magnetische Fluss muss sich im Wesentlichen über den Ständer schließen. Dies kann zu mechanisch aufwendigen Konstruktionen führen.

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Über den Autor
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Prof. Dr.-Ing. Andreas Baral

Elektrische Maschinen und Antriebstechnik, PHWT – Private Hochschule für Wirtschaft und Technik, Vechta

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