Eine Synchronmaschine ist eine elektrische Maschine, die:
Synchronmaschinen sind ab einigen Kilowatt in der Regel Drehstrommaschinen . Der Rotor, oft auch „Polrad“ genannt, wird von einer Gleichstromquelle gespeist oder mit Permanentmagneten ausgestattet .
Die Synchronmaschine wurde von Nikola Tesla erfunden . Sein Konzept erscheint in einer Einreichung von sieben Patenten von1 st Mai 1888wo er beschreibt mehrere Varianten sowie das Prinzip der Zwei-Phasen - und Drei- Phasen - Wechselstrom und deren Verteilung . Tesla soll diese Idee einer elektrischen Maschine während seines Studiums am Polytechnikum in Graz (1875-1876) entwickelt haben.
Die Synchronmaschine besteht aus einem rotierenden Teil, dem Rotor , und einem feststehenden Teil, dem Stator . Der Rotor kann aus Permanentmagneten bestehen oder aus einer mit Gleichstrom gespeisten Wicklung und einem Magnetkreis ( Elektromagnet ) bestehen.
Um Strom zu erzeugen, wird der Rotor durch eine äußere Kraft gedreht: Sein Magnetfeld induziert während der Drehung einen elektrischen Wechselstrom in den Spulen des Stators. Die Geschwindigkeit dieses Drehfeldes wird "Synchrongeschwindigkeit" genannt.
Es ist nicht möglich, eine Synchronmaschine ohne externe Hilfe korrekt zu starten, indem ihre Statorwicklungen direkt an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden. Wenn der Rotor jedoch nicht durch eine äußere Kraft angetrieben wird, ist es möglich, ihn in Drehung zu versetzen, indem seine Statorwicklungen mit einem Wechselstrom versorgt werden, dessen Frequenz progressiv von Null bis zur Synchronfrequenz ansteigt und indem sichergestellt wird, dass die Spannung an den Wicklungen proportional zur Frequenz. Seine Synchrongeschwindigkeit hängt direkt von der Frequenz der Stromversorgung ab.
Ein anderer Weg ist Selbstkontrolle der Maschine zu erreichen, welche die zur Aufrechterhaltung heißt Orthogonalität von dem Rotormagnetfluss in Bezug auf den Statorfluss, beispielsweise , indem man auf seiner Achse einen Sensor, der eine Rotorpositionsinformation liefert. Diese Informationen werden von einem elektronischen Wandler verarbeitet, der der Maschine den Statorstrom phasengleich mit seiner elektromotorischen Gegenkraft zuführt .
Der Winkel entspricht dem Winkelversatz zwischen Stator und Rotor.
Die Gleichung ist nur für eine Maschine mit glatten Polen anwendbar, deren Magnetkreis ungesättigt ist. Bei den anderen Maschinen werden Korrekturen vorgenommen, um deren Komplexität (mit mehr oder weniger Genauigkeit) zu berücksichtigen.
Zur Fortsetzung betrachtet man eine Maschine, für die:
Wir fixieren den Ursprung der Zeiten, damit wir schreiben können:
Wir leiten die Ströme der anderen beiden Phasen des Stators ab:
Mit :, und : Pulsation der Statorströme.
Zum RotorAm Rotor führt nur der Gleichstrom I r über einen Schleifkontakt auf zwei Schleifringen die Rotorspule.
Bei einem Synchronmotor gibt es keinen Schlupf, nur einen geringen Phasenverschiebungswinkel.
Hinweis
Besteht der Rotor aus einem Magneten, betrachten wir eine Spule, die ein äquivalentes magnetisches Moment erzeugt, also von einem Strom I r durchflossen wird, der nach der Hopkinson-Methode bestimmt wird (Anwendung des Ampere-Theorems auf einen magnetischen Kreis).Wie :
, dann ,Wir posieren
Der Flussausdruck wird dann
der Ausdruck der komplexen Zahl, die den Fluss repräsentiert, ist
mit der komplexen Darstellung eines "fiktiven" sinusförmigen Stroms von Maximalwert und Pulsation .
Streng genommen gilt diese Ersetzung nur im stationären Zustand: keine Änderung der Last oder der Stromversorgung. Dies ist eine notwendige Bedingung für die Behauptung, dass die Rotationsfrequenz genau der Frequenz der Stromversorgung entspricht.
Fluss durch eine RotorwicklungDer Fluss durch den Rotor ist das Ergebnis von zwei Magnetfeldern:
Wir geben die Leerlaufspannung an, d. h. die Spannung, wenn (nur durch das Rotorfeld erzeugte Spannung )
Abhängig von der Anzahl der zu berücksichtigenden Parameter gibt es mehrere gleichwertige Modelle der Synchronmaschine.
Das Behn-Eschenburg-ÄquivalentmodellDas Modell Behn Eschenburg gilt nur, wenn die Maschine ungesättigt und glattpoliert ist. Es ist das einfachste, es berücksichtigt keine Sättigung oder Variation des Luftspalts. Es besteht darin, jede Phase der Maschine durch einen Satz von drei Dipolen in Reihe zu ersetzen, so dass die Spannung an diesem Dipol gleich ist:
mit:
und konstant und unabhängig vom Betrieb der Maschine. nur proportional zur Drehfrequenz und zum Erregerstrom (Rotorstrom).Dieses Modell ist gut geeignet für große Turbogeneratoren mit hoher Leistung. Wir können das Modell (und die daraus resultierenden Berechnungen) noch vereinfachen, indem wir vor vernachlässigen .
Äquivalentes Modell von PotierDieses Modell ist vollständiger als das von Behn-Eschenburg. Es berücksichtigt die Sättigung, indem es den Erregerstrom als Funktion des durch die Statorspulen fließenden Stroms variiert. Diese Modifikation des Erregerstroms bewirkt, dass die EMK variiert.
In diesem Modell haben wir:
Es ermöglicht die Berücksichtigung der Winkelschwankungen der Reluktanz von Synchronmaschinen mit ausgeprägten Polen.
Die Stabilität im dynamischen Regime des elektrischen Netzwerks ist seine Fähigkeit, jegliches divergierende oszillatorische Regime zu vermeiden und in einen akzeptablen stabilen Zustand zurückzukehren. Dies beinhaltet das mögliche Eingreifen verschiedener Schutzmechanismen und Automatismen in Abhängigkeit von den vorgesehenen Störungen.
Die von einer Synchronmaschine an ihren Klemmen abgegebene Wirkleistung beträgt:
Mit den Bezeichnungen im nebenstehenden Diagramm, also E die elektromotorische Spannung des Generators , seine Impedanz, I den Strom, die Spannung an seinen Klemmen, die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und der Innenwinkel des Generators, in anderen Wörter den Winkel zwischen U- Grenzen und E.
Dieser Generator erhält mechanische Leistung, typischerweise von einer Turbine , die als Pm bezeichnet wird. Im Gleichgewicht ist die eingehende mechanische Leistung gleich der ausgehenden elektrischen Leistung. Die Verluste werden hier vernachlässigt. Für dieses Gleichgewicht sind zwei Innenwinkel möglich (vgl. Bild).
Der Innenwinkel des Generators wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
Wo ist die mechanische Drehzahl des Rotors, J das Trägheitsmoment des Rotors, p die Polzahl des Generators und Pe die elektrische Leistung. Ist nach dieser Gleichung die mechanische Leistung größer als die aufgenommene elektrische Leistung, dann nimmt der Innenwinkel zu und umgekehrt. Wir leiten daraus das nebenstehende Diagramm für die Richtung ab, die der Innenwinkel bei geringer Abweichung um den Gleichgewichtspunkt einnimmt.
Synchronmotoren werden für Drehzahlen von 1800 (bipolar) bis 150 U/min (48 Pole) gefertigt. Ihr Betrieb bei absolut konstanter Geschwindigkeit kann in einigen Anwendungen ein wichtiges Merkmal sein. In der Vergangenheit haben ihre Wirkungsgrade, die vor allem bei niedrigen Drehzahlen um 1 bis 2,5 % höher sind als die von Gleichstrommotoren, sie für Installationen mit hoher Einschaltdauer begünstigt. Sie sind beispielsweise eine naheliegende Wahl für den Antrieb großer Kolbenkompressoren, die Drehzahlen unter 600 U/min erfordern . Sie sind nicht geeignet, wenn große Drehmomentschwankungen auftreten. Es muss eine Gleichstromerregung bereitgestellt werden und die Kosten für die Steuerausrüstung sind daher recht hoch. Daher Synchronmotoren für wichtige Kräfte reserviert: 50 CV war ein Minimum am Ende der XX - ten Jahrhundert, und diese Grenze aufgehört hat , mit dem Fortschritt der Asynchronmotoren geschoben werden.