Charakterisierung von Drehstrom-Synchronmaschinen

Synchronmotoren eignen sich ideal für Anwendungen, die eine konstante Rotordrehzahl unabhängig von unterschiedlicher Wellenlast erfordern, und sind in Kraftwerken zur Regelung von Frequenz und Spannung nahezu allgegenwärtig. Synchronmaschinen bestehen aus einem inneren rotierenden Kern, dem Rotor, und einem äußeren stationären Ring, dem Stator. Das Rotormagnetfeld ist fest und wird entweder mit Permanentmagneten oder einer Gleichstromquelle erzeugt. Bei dreiphasigen Synchronmotoren fließt Strom zum Stator der Maschine, wobei jede Phase mit einem eigenen Satz separater Statorspulen verbunden ist. Dadurch entsteht ein separates rotierendes Magnetfeld, das den Schwingungen des Zuleitungsstroms entspricht. Die Magnetfelder von Stator und Rotor sind gekoppelt oder gesperrt, wodurch sich der Rotor mit einer Geschwindigkeit dreht, die genau der Rotationsrate des Statormagnetfeldes entspricht. Das übergeordnete Ziel dieses Videos ist es, dreiphasige Synchronmaschinen vorzustellen, Protokolle zum Starten und Sperren der Rotor- und Statormagnetfelder zu demonstrieren und ein Protokoll zur Ermittlung der Auswirkungen von Motorlasten auf den Drehmomentwinkel zu veranschaulichen.

Um die anfängliche Trägheit vor dem Ausrichten von Stator- und Rotorfeld zu überwinden, wird eine Drehstrom-Synchronmaschine zunächst als Asynchronmotor betrieben. Bei diesem Verfahren induziert das rotierende Magnetfeld des Stators Strom im Käfigläufer, wodurch anschließend ein Magnetfeld um den Rotor herum entsteht und eine Rotation induziert wird. Sobald sich die Maschinendrehzahl der Synchrondrehzahl nähert, wird eine Gleichspannung über die Feldwicklung angelegt. Ab diesem Zeitpunkt wird das Magnetfeld des Rotors durch elektromagnetische Anregung gesteuert. Wenn das Rotormagnetfeld fixiert ist, werden die Magnetfelder von Rotor und Stator gesperrt, um eine Synchronität zwischen Rotor und Stator zu erreichen. Folglich wird die Drehzahl des Synchronmotors durch die Drehzahl des Statormagnetfeldes gesteuert und ist unabhängig von der Last. Während die Rotorlast bei einem Synchronmotor keinen Einfluss auf die Drehzahl des Rotors hat, führt sie dazu, dass die Rotorzüge leicht hinter die Statorzüge fallen. Während der Motor mit synchroner Drehzahl weiterläuft, wird der Winkelweg als Drehmomentwinkel bezeichnet, der bei geringeren Lasten kleiner und bei höheren Lasten größer ist. Mit zunehmender mechanischer Belastung nimmt der Drehmomentwinkel zu, bis der Winkel so hoch ist, dass der Rotor aus dem Takt gezogen wird. Diese hohe mechanische Belastung liegt daher über der Grenze, bis zu der der Motor belastbar ist, und wird als Sprengmoment bezeichnet. Nach der Einführung von Synchronmotoren werden wir nun Verfahren für den Start, die Synchronisation und die Charakterisierung demonstrieren.

Testen Sie vor dem Starten des Synchronmotors die Gleichstromversorgung, mit der die Magnetfelder von Rotor und Stator gesperrt werden. Schließen Sie zunächst das stromsparende Gleichstromnetzteil kurz, und schalten Sie es ein. Reduzieren Sie den Strom an der Stromversorgung auf einen Punkt von acht Ampere, schalten Sie die Stromversorgung aus und trennen Sie den Kurzschluss. Der DC-Test misst den Wicklungswiderstand des Stators. Verbinden Sie zunächst die DC-Versorgungsklemmen an den Anschlüssen eins und vier des Synchronmotors und schalten Sie die Versorgung ein. Zeichnen Sie dann die Gleichspannung und den Gleichstrom an diesen Anschlüssen auf. Variieren Sie die Spannung nach Bedarf, um eine Strombegrenzung von einem Punkt und acht Ampere zu erreichen. Notieren Sie die Spannung und schalten Sie dann die Stromversorgung aus. Wiederholen Sie die Spannungs- und Strommessungen wie beschrieben für die Ports zwei und fünf und dann für die Ports drei und sechs. Trennen Sie abschließend die Gleichstromversorgung, um den Gleichstromtest abzuschließen.

Im nächsten Schritt des Protokolls wird die Synchronmaschine im Induktionsmotormodus gestartet und anschließend die Magnetfelder von Rotor und Stator gesperrt. Überprüfen Sie zunächst, ob der dreiphasige Trennschalter, der Synchronmotorschalter und der Gleichstrommotorschalter ausgeschaltet sind. Überprüfen Sie dann, ob der Variac auf null Prozent Ausgangsspannung eingestellt ist. Verdrahten Sie bei ausgeschaltetem Gerät den Variac mit der dreiphasigen Steckdose und schließen Sie das Setup wie abgebildet an. Befestigen Sie dann ein kleines Stück Klebeband an der Rotorwelle der AC-Synchronmaschine. Stellen Sie abschließend die Skalierung von fünf bis 100 A der Stromzange des digitalen Leistungsmessers ein. Starten Sie nun den Motor, indem Sie das Gerät einschalten. Überprüfen Sie zunächst, ob sich der "Start-Run"-Schalter in der Position "Start" befindet. Schalten Sie zweitens den dreiphasigen Trennschalter ein. Drittens: Erhöhen Sie schnell die Variac-Leistung, bis der digitale Leistungsmesser etwa 115 Volt anzeigt. Diese Messungen entsprechen der Phase A, der Spannung und dem Strom der Leitung bis zur Neutralleiterphase, so dass die Leistungsfaktormessung den Leistungsfaktor pro Phase korrekt widerspiegelt. Messen Sie dann das Motordrehmoment im Induktionsmodus. Messen Sie abschließend die Motordrehzahl mit der Stroboskoplichttechnik. Weitere Informationen zu dieser Technik finden Sie im Science Education-Video "DC Motors". Wenn die Maschine gestartet und die ersten Parameter gemessen sind, ist sie bereit für die Synchronisation. Schalten Sie zunächst das 125-Volt-Gleichstromnetzteil ein. Drehen Sie dann den Schalter "Start-Run" in die Position "Run". Achten Sie darauf, wie sich der Maschinensound verändert. Wenn das Magnetfeld des Rotors an das rotierende Magnetfeld des Stators gekoppelt ist, wird das Geräusch der Maschine gleichmäßiger. Wenn die Magnetfelder von Rotor und Stator gesperrt oder synchronisiert sind, messen Sie den Ankerstrom und die Ankerspannung, die Leistung und den Leistungsfaktor. Messen Sie dann die Feldspannung und den Feldstrom über die Anzeige der Gleichstromversorgung. Messen Sie als Nächstes die mechanischen Eigenschaften, das Drehmoment und die Drehzahl. Schalten Sie abschließend das Gerät aus, beginnend mit der Gleichstromversorgung. Drehen Sie dann den "Start-Run"-Schalter in die Position "Start" und stellen Sie den Variac wieder auf null Prozent Leistung. Schalten Sie zuletzt den dreiphasigen Trennschalter aus.

Wenn ein Gleichstrommotor mechanisch an die Synchronmaschine gekoppelt wird, um eine mechanische Last bereitzustellen, kann der Drehmomentwinkel im Synchronmotor durch den Nebenschlussfeldstrom im Gleichstrommotor verändert werden. Dieses Protokoll untersucht den Zusammenhang zwischen Motorfeldlast und Drehmomentwinkel. Schließen Sie das Gerät bei ausgeschaltetem Gerät wie abgebildet an und stellen Sie den Shunt-Lastwiderstand auf zwei Kiloohm ein. Schalten Sie nun das Gerät wie zuvor beschrieben ein. Erfassen Sie die elektrischen und mechanischen Parameter wie bisher. Zeichnen Sie als Nächstes den Drehmomentwinkel auf, während das Shunt-Feld geladen ist. Verwenden Sie dazu den Blitz, um die Welle des Synchronmotors visuell einzufrieren. Stellen Sie die Blitzfrequenz mit dem "Kurs"-Knopf so ein, dass sie ungefähr 1800 U/min entspricht, der synchronen Drehzahl eines 60-Hertz-Geräts mit vier Zugen. Richten Sie dann das Blitzlicht auf den Rand der Motorwelle und stellen Sie die "feine" Spitze ein, bis die Welle stationär erscheint. Messen Sie zunächst den Drehmomentwinkel mit RL auf 200 Ohm und schalten Sie S1 und S2 aus. Wiederholen Sie dann die Winkelmessungen, wobei das Shunt-Feld wie folgt geladen ist. Schalten Sie S1 ein, und messen Sie das Winkeldelta eins, schalten Sie dann S2 ein und messen Sie das Winkeldelta zwei. Schalten Sie zuletzt S2 aus, ändern Sie RL auf 300 Ohm und schalten Sie S2 wieder ein. Schalten Sie abschließend das Gerät wie zuvor beschrieben aus.

Der DC-Phasenwiderstand wurde aus dem DC-Test als das Verhältnis von Gleichspannung zu Gleichstrom geschätzt, wenn er zwischen einer Phasenklemme und dem Neutralleiter angelegt wird. Der Phasenwiderstand trägt zu Verlusten in der Maschine bei und führt zu einem Spannungsabfall am Anker. Der Feldwiderstand wurde auf ähnliche Weise gemessen, indem Gleichspannung an die Feldwicklung angelegt und der Feldstrom gemessen wurde. Der Feldwiderstand steuert den Feldstrom. Die Feldspannung kann mit einem festen Feldwiderstand variiert werden, um den Feldstrom zu variieren. Schließlich wurde der Drehmomentwinkel mit zunehmender mechanischer Belastung größer, modifiziert durch Variation des Nebenschlussfeldstroms im Gleichstrom. Die tatsächliche Leistung der Maschine wird dann mit dem Drehmomentwinkel in Beziehung gesetzt, wie gezeigt. Dies sagt uns, dass die Ausgangsleistung am höchsten ist, wenn der Drehmomentwinkel Null ist.

Synchronmaschinen werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine konstante Drehzahl auf der Motorwelle mit sehr engen Drehzahlregelungen erfordern. Dreiphasige gewickelte Rotor-Synchrongeneratoren sind weltweit die Hauptquelle für elektrische Energie. Um den Generator in einer Anlage an das Stromnetz anzuschließen, müssen drei Faktoren in den Ausgangsspannungen des Generators mit denen des Netzes übereinstimmen: Größe, Frequenz und Phasenfolge. Während automatische Synchronisierer normalerweise in großen Kraftwerken eingesetzt werden, wird eine einfache Methode für die manuelle Synchronisation im Science Education-Video "AC Synchronous Machine Synchronization" demonstriert. Synchronmotoren werden häufig für einfache Geräte wie z.B. Kugelmühlen eingesetzt. Eine Kugelmühle ist ein Gerät, das Materialien mischt und mahlt, indem ein Zylinder mit kleinen Metallkugeln gedreht wird. Durch den Aufprall der Kugeln werden die im Zylinder platzierten Materialien zerkleinert. Diese Mühlen werden häufig zum Mischen von Materialien wie Farben oder zum Pulverisieren von Materialien wie Pflanzengetreide verwendet.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Charakterisierung von AC-Synchronmaschinen gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie AC-Synchronmaschinen funktionieren, wie die Maschine gestartet und synchronisiert wird und wie sich Motorlasten auf den Drehmomentwinkel auswirken. Danke fürs Zuschauen.