Eine Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, in der der Rotor (auch: Läufer) synchron mit dem Drehfeld des Stators (auch: Ständer) läuft. Synchronmaschinen werden häufig als Drehstrommaschinen, also als Drehstrom-Synchronmaschinen, ausgeführt. Die Synchronmaschine trägt ihren Namen wegen der Betriebseigenschaft, dass ihr Rotor exakt mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchron umläuft. Das unterscheidet Synchronmaschinen von Asynchronmaschinen, deren Rotor dem Drehfeld im Motorbetrieb nach- und im Generatorbetrieb voreilt. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist, dass im Gegensatz zu Asynchronmaschinen für den Betrieb von Synchronmaschinen ein zusätzliches Erregerfeld benötigt wird.
Vom Prinzip her kann jede Synchronmaschine als elektrischer Motor und elektrischer Generator betrieben werden.
Synchrongeneratoren dienen in der Energiewirtschaft in einem weiten Leistungsbereich der Bereitstellung von elektrischer Energie. Sie liefern gleichzeitig Wirkleistung und Blindleistung (im Allgemeinen von induktiv cos phi 0,8 bis kapazitiv cos phi 0,9 bzw. als sogenannter Phasenschieber, der ausschließlich Blindleistung liefert) und folgen den Anforderungen der Übertragungsnetzbetreiber an das Stromnetz. Das Blindleistungsverhalten wird durch den Erregerstrom beeinflusst. Durch den Synchronisiervorgang wird der Synchrongenerator ans Netz geschaltet. Im Generatorbetrieb läuft die Maschine allgemein mit relativ konstanter Drehzahl, abhängig von der Netzfrequenz.
Synchronmotoren finden vielseitigen Einsatz als Antriebsmaschinen in der Industrie, zum Beispiel als Antriebe für Schiffe und Züge oder für Pumpen und Verdichter. Synchronmotoren müssen im Gegensatz zu Generatoren oft in ihrer Drehzahl variabel sein. Um einen Synchronmotor stufenlos in der Drehzahl regeln zu können, wird Leistungselektronik wie z. B. ein Frequenzumrichter verwendet. Ein Drehgeber (Strichgeber, Resolver) erfasst im Betrieb ständig die Läuferstellungsänderung. Daraus ermittelt die Steuerungselektronik die tatsächliche Drehzahl. Bei Belastung läuft der Läufer des Synchronmotors dem Drehfeld im lastabhängigen Polradwinkel hinterher. Im Generatorbetrieb ist der Polradwinkel positiv in Drehrichtung, eilt also vor.
mini|hochkant=1.5|Synchrongenerator im Kernkraftwerk Balakowo. Das im Betrieb gasdichte Generatorgehäuse ist turbinenseitig geöffnet und Teile der Ständerwicklung und des Läufers liegen frei. Über die einzelnen weißen Rohrleitungen wird den braun lackierten Hohlleitern der Ständerwicklung das Kühlmittel aus der außen umlaufenden blauen Rohrleitung zugeführt.
Geschichte Als Vorläufer der dreiphasigen Synchronmaschine kam ab Mitte des 19. Jahrhunderts der einphasige Wechselstromgenerator zur Versorgung von Beleuchtungsanlagen zum Einsatz. 1887 entwickelten Friedrich August Haselwander und 1888 der US-Amerikaner Charles Schenk Bradley unabhängig voneinander den dreiphasigen Synchrongenerator. Bei den Entwicklungen bildeten sich die Bauformen der Schenkelpol- und Vollpolmaschine aus. Ein Mitgründer der Brown, Boveri AG, Charles E. L. Brown, gilt als Erfinder des Walzenläufers, mit in Nuten am Umfang verteilter Erregerwicklung.
Die Weiterentwicklung der Synchronmaschine hing stark mit dem Ausbau der elektrischen Energieversorgung im Rahmen der Elektrifizierung und dem Bedarf von immer leistungsstärkeren Generatoren zusammen. Zuerst entstanden Einzelpol- beziehungsweise Schenkelpolmaschinen, da diese geeignet waren, mit den langsamlaufenden Kolbendampfmaschinen als Antriebsmaschine Elektrizität zu erzeugen. Als die Dampfturbinen die Kolbendampfmaschinen ersetzten, kamen die schnelllaufenden walzenförmigen Vollpolläufer zum Einsatz.
Der Synchronmaschine kommt eine große Bedeutung bei der Stromerzeugung zu. In Großkraftwerken, wie Kohle- oder Kernkraftwerken und in Gasturbinenkraftwerken aller Größen, kommen fast ausschließlich Synchrongeneratoren zum Einsatz.
Unabhängig davon wurden in der Industrie schon immer Synchronmaschinen eingesetzt, wenn eine konstante Antriebsdrehzahl oder Phasenschieberbetrieb benötigt wurde.
Arten von Synchronmaschinen Man unterscheidet folgende Arten von Synchronmaschinen: Vollpolmaschinen (Turbogeneratoren) – hohe Drehzahlen Schenkelpolmaschinen – niedrige bis mittlere Drehzahlen Klauenpolmaschinen – hohe Drehzahlen bei geringerer Leistungen Synchronmotoren – niedrige bis hohe Drehzahlen
Ausführungen Synchronmaschinen werden je nach Anwendung als Außen- oder Innenpolmaschinen gefertigt. Beide Maschinentypen haben gemeinsam, dass sie wie alle Drehstrommaschinen über einen Läufer und einen Ständer verfügen. In jedem Fall wird eine Erregereinrichtung für den Betrieb der Maschinen benötigt.
Innenpolmaschine mini|Schnitt durch eine Schenkelpolmaschine (Innenpolmaschine), animiertes SVG, anklicken zum Start; funktioniert nicht in allen Browsern mini|Schnitt durch eine Vollpolmaschine (Innenpolmaschine) mini|Prinzipieller Aufbau eines Polrades mit statischer Erregung mini|Für eine Revision „gezogener“ Läufer eines Turbogenerators
Stator Der äußere feststehende Teil der Synchronmaschine ist der Stator und ist je nach Bauart entsprechend konzipiert. So besteht er z. B. bei Turbogeneratoren aus dem Ständergehäuse, dem Blechpaket mit der eingelegten Ständerwicklung (mit verdrillten Kupferteilleitern, den Roebelstäben).
Rotor Weitere Bezeichnungen für den Rotor sind Läufer, Polrad und seltener Induktor. Je nach Anwendung findet man bei Innenpolmaschinen Schenkelpol-Rotoren z. B. in Wasserkraftwerken bzw. Vollpol-Rotoren in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken; vereinzelt bis ca. 60 MW auch Schenkelpol-Rotoren.
Der Vollpol-Rotor bei Turbogeneratoren wird auch als Walzenläufer oder Volltrommelläufer bezeichnet. Dieser ist rotationssymmetrisch aufgebaut und wird im Hinblick auf seine sehr hohen mechanischen Beanspruchungen aus einem hohen vergüteten Schmiedeteil hergestellt und unterliegt sehr hohen Qualitäts- und Prüfverfahren.
Die Kühlung des Rotors und damit verbunden des Ständerblechpakets erfolgt durch ein bzw. mehrere Lüfterräder.
Im Gegensatz besitzt der Schenkelpol-Rotor bei Schenkelpolmaschinen ausgeprägte Polschuhe und Schenkel, weswegen sie je nach Polpaarzahl einen großen Durchmesser aufweisen. Die Erregerwicklung ist auf den Schenkeln des Rotors gewickelt.
Erregung Es gibt grundsätzlich drei Arten von Erregersystemen für Synchronmaschinen, Permanentmagnet-Erregung für kleinere Synchronmaschinen, die statische Erregung und bürstenlose Erregung.
Handelt es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM), trägt der Läufer Permanentmagnete zur Erregung. Die gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Hybridsynchronmaschine (HSM) hingegen vereint die Wirkung der elektromagnetischen Reluktanz und der Wirkung von Permanentmagneten zur Drehmomentbildung.
Unter statischer Erregung versteht man die Zuführung der vollständigen Erregerleistung, die aus dem Kraftwerkseigenbedarf entnommen und über den Generator Erregerschaltschrank zum Synchrongenerator zugeführt wird. In diesem Fall ist der Rotor mit zwei Schleifringen versehen. Bei wasserstoffgekühlten Synchrongeneratoren ist eine spezielle Schleifringwelle mit separatem Lager mit einer speziellen wasserstoffdichten Durchführung nötig. Die Energieübertragung an die Schleifringe erfolgt mittels sogenanntem belüftetem Bürstenapparat mit Haltern für die speziellen Kohlebürsten, die routinemäßig während der Stillstands-Inspektion, aber auch während des Betriebs einzeln ersetzt werden können.
Die bürstenlose Erregung besteht aus einem am Generatorrotor angekuppelten Außenpol-Synchrongenerator. Der erzeugte Drehstrom (es gibt auch Ausführungen mit fünfphasigem und mehr Wechselstrom) auf seinem Rotor wird mit Hilfe eines mitdrehenden Gleichrichtersatzes (rotierende Gleichrichter, sogenannte RG-Sätze) zu einem Gleichstrom als Erregerstrom gleichgerichtet. Die Zuführung erfolgt in den axialen Bohrungen der Welle. Vorteil: servicearm und Erregerenergie wird unmittelbar von der Rotationsenergie des Generatorsatzes erzeugt. Eine geringe elektrische Energie wird dem Kraftwerkseigenbedarf entnommen, so dass alle zugehörigen Komponenten technisch einfacher und damit preiswerter ausgeführt werden können.
Dämpferwicklung (Dämpferkäfig) Größere Synchronmaschinen verfügen über eine Dämpferwicklung (Dämpferkäfig). Sie wirkt sich auf das Betriebsverhalten von Synchronmaschinen aus. Bei Vollpolmaschinen sitzt die Dämpferwicklung in den Nuten der Erregerwicklung oder zwischen diesen Nuten in gesonderten Dämpfernuten. Bei Schenkelpolmaschinen sitzt die Dämpferwicklung in gesonderten Dämpfernuten der Polschuhe. Die Dämpferwicklung bei Vollpolmaschinen ähnelt vom Prinzip her dem Aufbau des Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine. Synchronmaschinen können aber in Abhängigkeit von der Bauform ohne eine Dämpferwicklung eine Eigendämpfung aufweisen, die sich ebenfalls auf den Betrieb auswirkt.
Die wichtigste Aufgabe der Dämpferwicklung von Synchronmaschinen besteht darin, mechanische Pendelmomente zu dämpfen. Pendelmomente treten auf durch Asynchronbetrieb, an die Synchronmaschine angekuppelte Maschinen mit periodischem Drehmoment (z. B. Verbrennungsmotoren als Antriebsmaschine oder Kolbenkompressoren als Arbeitsmaschine) und Laststöße. Im unsymmetrischen Betrieb (Schieflast) und im Extremfall bei Einphasenbetrieb tritt ein inverses Drehfeld auf, das ebenfalls gedämpft wird. Ungedämpft hätte das inverse Drehfeld hohe Verluste zur Folge.
Für den Generatorbetrieb ist vor allem die Dämpfung der inversen Felder von Bedeutung. Inverse Felder verursachen einen Strom in der Dämpferwicklung, dessen Frequenz doppelt so groß wie die Netzfrequenz ist. Die Dämpferwicklung wird hierbei mit geringem Widerstand ausgeführt, um die Verluste gering zu halten.
Im Motorbetrieb sind vor allem Pendelmomente zu dämpfen. Bei Belastung mit einem konstanten Lastmoment besteht unter einem konstanten Polradwinkel ein Gleichgewicht zwischen dem durch die Last abgeforderten und dem durch die Maschine zugeführten Drehmoment (siehe auch Federmodell des Polradwinkels einer Synchronmaschine). Durch plötzliche Erhöhung des Lastmomentes (Laststoß) verzögert sich wegen des Massenträgheitsmoments des Läufers seine Drehbewegung über den Polradwinkel hinaus. Das Lastmoment ist nun kleiner als das Motormoment und das verursacht wiederum durch das Massenträgheitsmoment eine Beschleunigung bis zu einem zu geringen Polradwinkel. Dieses Pendeln wiederholt sich mit immer kleiner werdender Amplitude, bis wieder ein Gleichgewicht erreicht ist. Durch die Relativbewegung zwischen Ständerdrehfeld und Läufer wird nach dem Prinzip der Asynchronmaschine ein Drehmoment erzeugt, welches den Pendelbewegungen entgegenwirkt. Ähnlich wirken ebenfalls Massivteile des Läufers wie der massive Läuferballen der Vollpolmaschine oder die massiven Polschuhe der Schenkelpolmaschine. Das heißt, eine gewisse Dämpfung kann auch ohne Dämpferwicklung stattfinden. Neben dem Dämpfen von Pendelmomenten kann die Dämpferwicklung auch zum Selbstanlauf nach dem Prinzip des Asynchronmotors mit Käfigläufer dienen.
Auslegung der Wicklungen Die Ständer- und Erregerwicklung werden nach ihrer spezifizierten Bemessungsleistung ausgelegt. Dabei wird auch der mögliche zulässige Kurzschlussstrom berücksichtigt und die Einhaltung der technischen Vorgaben durch DIN EN IEC 60034 gewährleistet.
Daraus resultierende Kupferquerschnitte der Wicklungen zusammen mit der Dicke der Wicklungsisolierung bestimmen damit die erforderlichen Nutenquerschnitte. Die durch den Strom verursachte Wicklungserwärmung erfordert den Einsatz bestimmter Isolierstoffe, um die Grenz-Übertemperatur nicht zu überschreiten. Die Vorgabe für größere Synchronmaschinen im 50 Hz-Sektor ist die Isolierstoffklasse „F“ (155 °C) mit Ausnutzung nach „B“ (130 °C), so dass ausreichend thermische Reserve zur Verfügung steht (im 60 Hz Sektor findet man keine Einschränkung der Ausnutzung).
Außenpolmaschine