Was ist ein Synchrongenerator (Drehstromgenerator)?
Funktionsprinzip
Ein Synchrongenerator wandelt Wellenleistung in dreiphasigen Wechselstrom. Ein Gleichstrom im Erregerfeld magnetisiert den Läufer, und die drehenden Pole induzieren in den Ständerwicklungen die Polradspannung E_f. Der Läufer muss genau mit der Synchrondrehzahl n = 120·f/p laufen; eine vierpolige Maschine liefert bei 1500 min⁻¹ 50 Hz. Je Strang gilt E_f = V + jXs·I: Die Klemmenspannung ist die Polradspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Synchronreaktanz, und E_f eilt V um den Polradwinkel δ voraus. Fast der gesamte Strom der Welt entsteht so, mit Turbinen, die Generatoren antreiben.
Inselbetrieb und Spannungsregelung
Speist der Generator seine eigene Last, legt die Drehzahl die Frequenz und der Erregerstrom die Spannung fest, während die Last den Strom bestimmt. Eine induktive Last wie ein Motor macht die Ankerrückwirkung entmagnetisierend: Die Spannung sinkt, und das Feld muss erhöht werden. Eine Last mit Leistungsfaktor 1 senkt sie weniger, und eine kapazitive Last magnetisiert die Maschine und kann die Spannung über den Leerlaufwert heben. Die Spannungsänderung ist (E_f − V)/V: positiv bei induktiver, negativ bei kapazitiver Last.
Parallelbetrieb und Synchronisieren
Bevor ein Generator ans Netz geschaltet wird, müssen vier Bedingungen erfüllt sein: gleiche Spannung, gleiche Frequenz, gleiche Phasenfolge und Phasenwinkel null, den das Synchronoskop anzeigt. Wird der Schalter außer Tritt geschlossen, entstehen ein großer Stromstoß und ein heftiger Drehmomentstoß. Am Netz gehören Spannung und Frequenz der Sammelschiene: Das Turbinenmoment bestimmt die Wirkleistung, der Erregerstrom die Blindleistung. Übererregt liefert die Maschine Blindleistung, untererregt nimmt sie welche auf.
Polradwinkel, Stabilität und Leistungsdiagramm
Die Wirkleistung ist P = 3·V·E_f·sin δ / Xs, also wächst δ mit der Turbinenleistung. Bei δ = 90° erreicht die Leistung ihr Maximum von etwa 3·V·E_f/Xs; darüber rutscht der Läufer durch und der Synchronismus geht verloren. Ein stärkeres Feld hebt die Grenze. Das P–Q-Diagramm fasst alle Grenzen zusammen: Ständererwärmung (Ankerstromkreis), Läufererwärmung (Erregerstromkreis), Antriebsleistung und Stabilitätsgrenze.
Häufig gestellte Fragen
- Warum sinkt die Klemmenspannung bei einer induktiven Last?
- Ein nacheilender Strom erzeugt einen Ankerrückwirkungsfluss, der dem Erregerfluss entgegenwirkt, und verursacht außerdem einen Spannungsabfall an der Synchronreaktanz. Beides wirkt fast in Richtung von E_f, daher sinkt V stärker als bei einer Last mit Leistungsfaktor 1. Um die Spannung zu halten, erhöht man den Erregerstrom. Eine kapazitive Last bewirkt das Gegenteil und kann die Spannung anheben.
- Wie steuert man Wirk- und Blindleistung eines Generators am Netz?
- Das Netz hält Spannung und Frequenz, sie lassen sich nicht wählen. Öffnet man das Turbinenventil, steigen Wellenmoment, Wirkleistung und Polradwinkel. Der Erregerstrom ändert die Blindleistung: Erhöhen Sie ihn, um mehr zu liefern, senken Sie ihn, um Blindleistung aufzunehmen. Probieren Sie beides im Simulator aus und verfolgen Sie P und Q im Leistungsdiagramm.
- Was passiert, wenn die Turbinenleistung zu hoch ist?
- Der Polradwinkel wächst bis 90°, der Grenze der statischen Stabilität. Darüber kann die elektrische Leistung die Turbinenleistung nicht mehr ausgleichen, der Läufer beschleunigt und rutscht gegenüber dem Netzfeld durch, und die Maschine muss abgeschaltet werden. Ein größerer Erregerstrom hebt die Grenze, deshalb fällt eine schwach erregte Maschine zuerst außer Tritt.