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2013 | Buch

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Drehstrommaschinen im Inselbetrieb

Modellbildung - Parametrierung - Simulation

verfasst von: Hartmut Mrugowsky

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Im ersten Teil des Buches werden qualifizierte Modelle für Drehstrom-Synchron- und Asynchronmaschinen entwickelt sowie bewährte und neue Methoden zur Bestimmung der benötigten Modellparameter und charakteristischen Kennlinien erläutert. Im zweiten Teil wird die Nutzung dieser Modelle bei der Simulation praxisrelevanter Zustände und Vorgänge im Inselnetz auf dem PC demonstriert. Unter Inselnetze sind kleine Netze mit begrenzter Leistung zu verstehen, z.B. Notstromanlagen und Bordnetze von Schiffen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Die Drehstrom-Kraftübertragung von Lauffen am Neckar über 175 km zur Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt am Main 1891 war eine überzeugende Demonstration der neuen, insbesondere von Haselwander, von Dolivo-Dobrowolsky (AEG) und Brown (Oerlikon) entwickelten Drehstromtechnik und der Beginn der überregionalen Drehstrom-Energieversorgung in Deutschland. Die in Lauffen stationierte 300-PS-Klauenpol-Dynamomaschine (Oerlikon) und der in Frankfurt betriebene 100-PS-Asynchronmotor mit Schleifringläufer in „umgekehrter Bauweise“ (AEG), also primäre Wicklung im Läufer, sekundäre Wicklung im Ständer mit Anschlüssen für einen Wasserwiderstand, waren ebenso wie die ölgekühlten 100-kVA- bzw.

Hartmut Mrugowsky

2. Die verallgemeinerte lineare Drehstrommaschine

Zusammenfassung

Betrachtet wird eine Drehstrom-Schenkelpolmaschine mit einer dreisträngigen Ankerwicklung im Stator und dem Polsystem im Rotor, also eine Innenpolmaschine nach Bild 1.1 bis Bild 1.3. Das ist bezüglich der Außenpolmaschinen nach Bild 1.5 keine Einschränkung, da für die Funktion und das Betriebsverhalten nur die Relativbewegung zwischen Stator und Rotor von Bedeutung ist. Stator und Rotor sollen rotationssymmetrisch und jedes Polpaar auch gleichartig und achsensymmetrisch bezüglich Polachse und Pollücke ausgeführt sein.

Hartmut Mrugowsky

3. Parameter und Parameterbestimmung für lineare Drehstrom-Synchronmaschinen

Zusammenfassung

Zur Charakterisierung einer konkreten linearen, also ungesättigten Drehstrom-Synchronmaschine werden neben den Nenndaten für die Bezugsgrößen in den vorstehenden Modellgleichungen nach Kapitel 2 die in Tabelle 3.1 aufgeführten Parameter benötigt.

Hartmut Mrugowsky

4. Berücksichtigung der magnetischen Sättigung

Zusammenfassung

Zur Führung des magnetischen Flusses, zur Verminderung des magnetischen Spannungsabfalls und zur Formung des Luftspaltfeldes kommt in elektrischen Maschinen sowohl im Ständer als auch im Läufer Eisen in Form von Dynamoblech oder Dynamostahl zum Einsatz. Die magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) des Eisens vermindert sich bei höheren Feldstärken deutlich, der Zusammenhang zwischen Durchflutung und Fluss oder Strom und Flussverkettung ist degressiv nichtlinear. Für das in Kapitel 2 dargestellte mathematische Modell der „linearen“ Drehstrommaschine wurde diese magnetische Sättigung noch vernachlässigt. Moderne Maschinen sind jedoch so hoch ausgenutzt, dass relativ kleine Änderungen des Arbeitspunktes bereits zu einem veränderten Betriebsverhalten führen.

Hartmut Mrugowsky

5. Erregersysteme für Drehstrom-Synchronmaschinen

Zusammenfassung

Am einfachsten lässt sich das Luftspaltfeld bei Synchronmaschinen durch in den magnetischen Kreis eingefügte Permanentmagnete (PM) realisieren (Bild 1.4). Die Permanentmagnet-Erregung stellt eine konstante Grunddurchflutung dar, vergleichbar mit einer starken Remanenz einer elektrisch erregten Maschine. Da aber keine Erregerwicklung vorhanden ist, besteht keine Möglichkeit zur gezielten Veränderung des dadurch hervorgerufenen permanenten Längsfeldes. Auch auf einen separat ausgeführten Dämpferkäfig wird bei PM-erregten Maschinen vielfach verzichtet, um den zur Steuerung angeschlossenen Stromrichter vor zu hohen, energiereichen subtransienten Stromspitzen zu schützen.

Hartmut Mrugowsky

6. Besonderheiten der Drehstrom-Asynchronmaschine

Zusammenfassung

Die Ständerwicklung der normaler Drehstrom-Asynchronmaschine mit nur einer festen Polpaarzahl z _p weist gegenüber der der Drehstrom-Synchronmaschine (Innenpol-Bauform) keine prinzipiellen Unterschiede auf. Um die Strangwicklungen in Stern oder Dreieck schalten und ggf. auch während des Betriebes umschalten zu können, werden meist alle sechs Wicklungsenden auf von außen zugängliche Klemmbretter oder Anschlussbolzen herausgeführt.

Hartmut Mrugowsky

7. Kennwertbestimmung an Drehstrom-Asynchronmaschinen

Zusammenfassung

Die Modellparameter der Drehstrom-Asynchronmaschine werden vorteilhaft ebenfalls als bezogene Größen verwendet, um sie leichter vergleichen zu können. Statt der bezogenen Induktivitäten werden meist die bei ω = 1 wertgleichen bezogenen Reaktanzen angegeben. Benötigt werden die Modellparameter nach Tabelle 7.1.

Hartmut Mrugowsky

8. Das Inselnetz als Mehrmaschinen-System

Zusammenfassung

Unter einem Inselnetze wird ein Drehstrom-Elektroenergiesystem verstanden, das räumlich eng begrenzt ist und nur von einem Kraftwerk oder sogar nur einem Generator gespeist wird. Auch transformatorische Kopplungen mit anderen Netzen bestehen nicht, so dass die Kraftwerksleistung allein durch die eingeschalteten Verbraucher des Inselnetzes bestimmt wird. Es ist ein reines Strahlennetz und vorzugsweise mit geerdetem Sternpunkt als Vierleitersystem ausgeführt, um mit der Strangspannung eine weitere Spannungsebene zur Verfügung zu haben. Wechselstromverbraucher können dann also zwischen einem Außen- und dem Mittelpunktleiter mit der Strangspannung oder zwischen zwei Außenleitern mit der Leiter-Leiter-Spannung betrieben werden.

Hartmut Mrugowsky

9. Simulationsbeispiele

Zusammenfassung

Mit den vorstehend erläuterten Modellen und Modellergänzungen lässt sich das Betriebsverhalten von Drehstrommaschinen mit ihren Antriebs- und Arbeitsmaschinen im Inselnetz durch Rechnersimulationen mit meist guter Treffsicherheit und Genauigkeit untersuchen. Benötigt werden dafür neben den mathematischen Modellen geeignete mathematische Lösungsmethoden zur Lösung linearer und nichtlinearer algebraischer und gewöhnlicher Differentialgleichungen, eine geeignete rechentechnische Basis (heute meist ein PC) und dafür eine geeignete Programmierumgebung (vielfach MATLAB/Simulink, jedoch auch allgemeine Programmiersprachen wie C++ oder Fortran).

Hartmut Mrugowsky

10. Anhang A: Antriebs- und Arbeitsmaschinen

Zusammenfassung

Als Antriebsmaschine für Generatoren kommen bei Notstromanlagen, auf Schiffen und Offshore- Plattformen und auch bei der separaten Elektroenergieversorgung abgelegener Gebiete vorzugsweise Dieselmotoren zum Einsatz. Da im Hinblick auf den angetriebenen Generator lediglich das Drehmoment, das im betrachteten Betriebszustand oder Übergangsvorgang bei einer bestimmten Drehzahl auf den Generatorläufer übertragen wird, von Interesse ist, genügt ein stark vereinfachtes, summarisch wirkendes Dieselmotor-Modell.

Hartmut Mrugowsky

11. Anhang B: Anlagenkennwerte der Simulationsbeispiele

Hartmut Mrugowsky

Backmatter

Titel: Drehstrommaschinen im Inselbetrieb
verfasst von: Hartmut Mrugowsky
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-8348-2136-2
Print ISBN: 978-3-8348-1609-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2136-2