Synchronisation von Drehstrom-Synchronmaschinen

AC-Synchrongeneratoren sind das Rückgrat der Stromerzeugung in Kraftwerken weltweit und werden häufig zur Stabilisierung des Stromnetzes eingesetzt. Es ist wichtig, die Phasenfolgen, Spannungsgrößen und Frequenzen des Synchrongenerators mit denen der Leistung im Netz abzustimmen. Wenn der Generator phasenverschoben mit dem Netz ist, kann der Generator keinen Strom liefern. Während in großen Kraftwerken automatische Synchronisierer eingesetzt werden, wird hier eine einfache Methode der manuellen Synchronisation demonstriert. In diesem Video werden dreiphasige Synchrongeneratoren vorgestellt und Protokolle zur Anpassung der Spannungs- und Frequenzausgänge für die manuelle Synchronisation des Generators mit dem Stromnetz demonstriert.

AC-Synchronmaschinen bestehen aus dem inneren rotierenden Kern, dem Rotor, und dem äußeren stationären Ring, dem Stator. Das Rotormagnetfeld ist stationär und wird durch eine angelegte Gleichspannung induziert. Das Statormagnetfeld wird mit dreiphasigem Wechselstrom angeregt, wobei jede Phase mit einem eigenen Satz von Statorspulen verbunden ist. Dadurch wird ein rotierendes Magnetfeld mit konstanter Größe und Rotationsfrequenz induziert, das den Schwingungen des Versorgungsstroms entspricht. Die Magnetfelder von Stator und Rotor sind gekoppelt, wodurch sich der Rotor mit genau der gleichen Geschwindigkeit dreht wie das rotierende Magnetfeld des Stators. Weitere Informationen zu den Eigenschaften von AC-Synchronmaschinen finden Sie im wissenschaftlichen Bildungsvideo von JOVE, AC Synchronous Machine Characterization. Wenn die Synchronmaschine als Stromgenerator betrieben wird, übt eine Antriebsmaschine ein Drehmoment auf den Rotor aus, was zu einer Biegedifferenz zwischen dem Rotor und den Statormagnetfeldern führt. Steht das aufgebrachte Drehmoment der Rotorbewegung entgegen, nimmt die Maschine Blindleistung aus dem System auf, um die Maschine wieder in Synchronisation zu bringen. Wenn das aufgebrachte Drehmoment stattdessen die Drehung erhöht und die Maschine überreizt, liefert der Generator Strom an das System. Eine Drei-Lampen-Methode kann verwendet werden, um visuell zu bestätigen, dass der Generator Strom mit der gleichen Spannungsgröße, Frequenz und Phasenfolge wie das Stromnetz liefert. Bei Synchrongeneratoren wird die Frequenz durch Drehzahländerung der Antriebsmaschine gesteuert. Wenn der Generator und die Systemstromversorgung phasenverschoben sind, flackern die Lampen. Wenn die Spannung übereinstimmt, bewirkt eine Nulldifferenz, dass alle drei Lampen gleichzeitig aus- und eingeschaltet werden. Nachdem nun die Grundprinzipien von Synchrongeneratoren erläutert wurden, wird die manuelle Synchronisation eines AC-Synchrongenerators mit dem Stromnetz demonstriert.

Beginnen Sie mit der Initialisierung eines Gleichstrommotors oder eines Leistungsprüfstands als Antriebsmaschine. Vergewissern Sie sich, dass der Drehstromtrennschalter, der Synchronmotor und der Gleichstrommotor ausgeschaltet sind. Wenn der Variac auf 0 % eingestellt ist, verdrahten Sie ihn mit der dreiphasigen Steckdose. Schließen Sie als Nächstes das Setup wie gezeigt an. Schalten Sie dann den Drehstromschalter an der Synchronmaschine ein. Stellen Sie abschließend sicher, dass S1 und die drei Lampen parallel geschaltet sind. Beachten Sie die Polaritäten der digitalen Leistungsmesstasten. Überprüfen Sie dann, ob der Startlauf in die Startposition wechselt. Stellen Sie bei ausgeschaltetem S1 die HF auf den maximalen Widerstand ein. Schalten Sie den dreiphasigen Trennschalter und dann die Hochspannungs-Gleichstromversorgung ein. Drücken Sie anschließend die VI-Anzeigetaste am Netzteil, um die Betriebsspannung im Strom anzuzeigen, und stellen Sie die Spannung auf 15 Volt ein. Drücken Sie dann START auf dem DC-Versorgungsfeld. Der Prüfstand sollte über einen großen transienten Strom verfügen, der aus der Gleichstromversorgung entnommen wird. Wenn jedoch die Überstrombegrenzung oder die OCT-Anzeige aufleuchtet, erhöhen Sie die Überstrombegrenzung. Beobachten Sie nun, wie sich die Synchronmaschine langsam dreht. Erhöhen Sie abschließend die Ausgangsspannung der Gleichstromversorgung auf etwa 160 Volt und messen Sie die Drehzahl der Welle mit der Blitzlichttechnik. Passen Sie anschließend die Versorgungsspannung an, um eine Drehzahl von 1.800 U/min zu erreichen. Notieren Sie dann den Gleichstrom und die Gleichspannung.

Synchronisieren Sie nun den Generator nach der Drei-Lampen-Methode mit dem fertig montierten Gerät, wie gezeigt. Schalten Sie den Startlaufschalter auf der Synchronmaschinenseite auf Run und prüfen Sie, ob die drei Lampen leuchten. Passen Sie als Nächstes die HF an der Versorgungsspannung iterativ an, um eine Generatorspannung von 120 Volt zu erreichen. Stellen Sie die Frequenz des VG am digitalen Leistungsmesser auf 60 Hz ein. Werte innerhalb von +/- 2 % sind akzeptabel. Erhöhen Sie dann den Variac-Ausgang leicht auf 120 Volt. Zu diesem Zeitpunkt liefern sowohl das Netz als auch der Generator 120 Volt mit einer Frequenz von 60 Hz. Zeichnen Sie Spannungs-, Strom- und Leistungsmesswerte an beiden Leistungsmessern auf, einschließlich +- oder --Zeichen. Verwenden Sie abschließend das Beleuchtungsmuster der Lampen, um die Synchronisation zu bestätigen oder anzupassen. Bei der Drei-Lampen-Methode werden die Lampen nach Erreichen der gewünschten Wechselspannung gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Wenn eine Phasenfolge von A, B, C aus dem Gitter mit der Sequenz A, C, B von der Maschine getroffen wird, ergibt der Zyklus der Lampen, da die Spannungen an den Lampen an allen drei Phasen gleichzeitig nie Null ergeben. Wenn die drei Lampen stattdessen nicht synchron wechseln und flackern, haben der Generator und das Gitter unterschiedliche Phasensequenzen über den Lampensatz hinweg. Identifizieren Sie die Sequenzen. Einer als ABC und der andere als ACB. Um die Reihenfolge anzupassen, drehen Sie den Variac zuerst auf 0 % zurück und drücken Sie STOP auf dem Netzteil. Nachdem Sie die Gleichspannung wieder auf 15 Volt reduziert haben, schalten Sie abschließend die Phasen B und C auf der Generatorseite. Wenn alle drei Lampen gleichzeitig aufgehellt und gedimmt werden, dann haben der Generator und das Netz die gleiche Phasenfolge und sind korrekt synchronisiert. Andernfalls wiederholen Sie die Änderung der Phasensequenz In dem Moment, in dem alle Lichter erlöschen, schalten Sie den Schalter S1 ein. Jetzt sollten alle Lichter aus bleiben, da S1 jetzt als Kurzschluss über ihre Klemmen wirkt. Anschließend wird der Generator mit dem Netz synchronisiert.

Synchronmaschinen werden in industriellen Anwendungen häufig zur Stabilisierung der Leistung eingesetzt. Der Leistungsfaktor der Maschine gibt an, ob die Maschine unter bestimmten Bedingungen Blindleistung liefern kann. Energie speichern und abgeben, um das Netz zu stabilisieren. Wenn die Maschine auf diese Weise funktioniert, wird sie als Synchronkondensator bezeichnet. Bei der Nutzung von Wind als erneuerbarer Energiequelle ist die Windkraftanlage die treibende Kraft des Synchrongenerators. Um zu verhindern, dass der Generator bei hohen Lasten abwürgt, werden die Winkel der Rotorblätter der Turbine differenziell gesteuert, um die Drehzahl bei variablen Windgeschwindigkeiten zu optimieren. Um den erzeugten Windstrom in das Netz einzuspeisen, verwenden Windkraftanlagen eine automatische Synchronisationsschnittstelle, um den Strom sicher an Versorgungsleitungen zu übertragen.

Sie haben gerade die Einführung von JOVE in die AC-Synchronmaschinensynchronisation gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie die Spannungs- und Frequenzausgänge von dreiphasigen Synchrongeneratoren einstellen können. Synchronisieren Sie den Generator manuell mit dem Stromnetz und messen Sie die Auswirkungen von Feldstrom- und Drehzahlschwankungen auf die Generatorleistung. Danke fürs Zuschauen!