Was ist ein fremderregter Synchronmotor (Schleifringläufer)?
Funktionsprinzip
Ein fremderregter Synchronmotor hat einen gewöhnlichen dreiphasigen Ständer, doch der Läufer trägt Schenkelpole mit Erregerwicklungen, die über zwei Schleifringe und Kohlebürsten mit Gleichstrom gespeist werden. Der Ständer erzeugt ein Drehfeld mit 120 × f / p min⁻¹, und die erregten Läuferpole rasten darin ein wie zwei sich anziehende Magnete. Ist der Läufer eingerastet, dreht er unabhängig von der Last exakt mit Synchrondrehzahl, bis die Last zu groß wird und er außer Tritt fällt.
Die Erregung bestimmt den Leistungsfaktor
Der Erregerstrom legt die Polradspannung E_f fest, die der Läufer im Ständer induziert. Ist E_f kleiner als die Netzspannung, ist der Motor untererregt: Er bezieht Magnetisierungsstrom aus dem Netz und arbeitet wie ein Asynchronmotor mit nacheilendem Leistungsfaktor. Mehr Erregerstrom bringt den Ständerstrom in Phase mit der Spannung (Leistungsfaktor eins), und noch mehr macht den Motor übererregt, sodass er Blindleistung ins Netz liefert. Leerlaufend und übererregt ist er ein Phasenschieber, der den Leistungsfaktor einer Anlage verbessert.
Polradwinkel, V-Kurven und Kippmoment
Die Last ändert nicht die Drehzahl, sondern den Polradwinkel δ zwischen Läuferpolen und Drehfeld. Die Leistung folgt P = 3·V·E_f·sin δ / X_s, das Moment ist also bei δ = 90° am größten: das Kippmoment. Es ist proportional zur Netzspannung und zum Erregerstrom, weshalb schwache Erregung oder ein Spannungseinbruch einen belasteten Motor außer Tritt bringt. Trägt man bei fester Last den Ankerstrom über dem Erregerstrom auf, entsteht die V-Kurve: Das Minimum liegt beim Leistungsfaktor eins, nach beiden Seiten steigt der Strom.
Anlauf und Einsatzgebiete
Ein Synchronmotor hat im Stillstand kein resultierendes Moment, daher laufen große Maschinen über eine Dämpferwicklung in den Polschuhen wie Asynchronmotoren an, und die Erregung wird nahe der Nenndrehzahl zugeschaltet, um den Läufer in Tritt zu ziehen. Fremderregte Maschinen treiben große Kompressoren, Mühlen, Brecher, Pumpen und Motor-Generator-Sätze an, wo konstante Drehzahl, hoher Wirkungsgrad und Blindleistungskompensation Schleifringe und Erregermaschine rechtfertigen.
Häufig gestellte Fragen
- Wie ändert der Erregerstrom den Leistungsfaktor eines Synchronmotors?
- Bei konstanter Last und Netzspannung bleibt der Wirkanteil des Ankerstroms gleich, der Erregerstrom verschiebt aber den Blindanteil. Unterhalb der Erregung für Leistungsfaktor eins ist der Motor untererregt und nacheilend, darüber übererregt und voreilend und liefert Blindleistung. Verschieben Sie den Regler für den Erregerstrom und beobachten Sie Leistungsfaktor, Blindleistung und V-Kurve.
- Was ist das Kippmoment und was passiert, wenn es überschritten wird?
- Das Kippmoment ist die größte Last, die der Läufer tragen kann, ohne den Tritt mit dem Drehfeld zu verlieren; es tritt bei einem Polradwinkel von 90° auf. Wird es überschritten, rutscht der Läufer um eine Polteilung durch, das mittlere Moment bricht ein und der Strom steigt stark an, sodass der Motor abgeschaltet werden muss. Mehr Erregerstrom oder Spannung hebt die Grenze an.
- Warum läuft ein Synchronmotor bei jeder Last mit konstanter Drehzahl?
- Der Läufer ist im Drehfeld eingerastet, dessen Drehzahl von Netzfrequenz und Polzahl bestimmt wird (n = 120 × f / p). Mehr Last vergrößert nur den Polradwinkel, die Drehzahl bleibt exakt synchron, bis die Kippgrenze überschritten wird.