Lektion 9 von 10

Synchronmaschinen

Fast jedes konventionelle Kraftwerk — Kohle, Gas, Kernkraft, Wasserkraft — endet in derselben Maschine: einem Synchrongenerator. Er steckt auch hinter jedem Konzept des Lernpfads Netzstabilität: Trägheit, Polradwinkel, Turbinenregler, Erregung, Pendeldämpfungsgeräte. Diese Lektion baut das Modell auf, das du für all das brauchst, beginnend bei der Hardware.

Ständer, Läufer, Erregung

Ständer (Stator)

Der feststehende äußere Teil mit einer Drehstromwicklung, die über den Maschinentransformator mit dem Netz verbunden ist. Hier fließt die abgegebene Leistung.

Läufer (Polrad)

Der rotierende innere Teil mit einer gleichstromgespeisten Erregerwicklung. Er erzeugt beim Drehen ein umlaufendes Magnetfeld, das die Drehspannung im Ständer induziert.

Erregersystem

Liefert den Gleichstrom für die Läuferwicklung, geführt vom Spannungsregler (AVR). Mehr Erregerstrom bedeutet eine höhere innere Spannung.

Turbine und Turbinenregler

Die Antriebsmaschine liefert mechanisches Moment an die Welle; der Regler verstellt Dampf-, Gas- oder Wasserzufuhr und damit die mechanische Leistung.

Es gibt zwei Läuferbauformen. Dampf- und Gasturbinen laufen schnell, daher haben ihre Generatoren einen langen, schlanken Vollpolläufer mit zwei oder vier Polen. Wasserturbinen laufen langsam, daher haben ihre Generatoren einen kurzen, breiten Schenkelpolläufer mit vielen Polen am Umfang.

Warum er synchron heißt

Im stationären Betrieb dreht sich der Läufer genau mit der Drehzahl, die Netzfrequenz und Polzahl vorgeben — nicht schneller und nicht langsamer:

Ein zweipoliger Turbogenerator am 50-Hz-Netz dreht sich also mit 3000 1/min, ein vierpoliger mit 1500 1/min und ein 40-poliger Wasserkraftgenerator mit nur 150 1/min. Alle Synchronmaschinen im selben Netz sind elektrisch an dieselbe Frequenz gekoppelt — genau das meint der Lernpfad Netzstabilität mit „im Synchronismus bleiben“.

Mechanisch rein, elektrisch raus: das Momentengleichgewicht

Die Turbine treibt den Läufer mit mechanischem Moment an; das Netz bremst ihn mit elektrischem Moment, proportional zur abgegebenen Leistung. Im stationären Zustand sind beide gleich und die Drehzahl ist konstant. Weichen sie voneinander ab — weil ein Fehler die elektrische Last plötzlich wegnimmt oder ein Regler die Dampfventile öffnet —, beschleunigt oder verzögert der Läufer. In bezogenen Größen ist das die Bewegungsgleichung:

Diese eine Gleichung verbindet die Maschine mit zwei späteren Lektionen: H ist die Trägheitskonstante aus der Lektion zur Trägheit, und δ ist der Polradwinkel, dessen Verhalten nach einem Fehler über die transiente Stabilität entscheidet.

Das Zeigermodell: eine Spannung hinter einer Reaktanz

Für stationäre Untersuchungen wird eine Vollpolmaschine durch eine innere Spannung E — eingestellt über den Erregerstrom — hinter ihrer synchronen Reaktanz X_s dargestellt, verbunden mit der Klemmenspannung V. Mit δ als Winkel zwischen E und V gibt sie folgende Leistung ab:

Die erste Gleichung ist die Leistungs-Winkel-Kennlinie, die im ganzen Lernpfad Netzstabilität verwendet wird. Die zweite zeigt, was der Erregerstrom bewirkt: Liegt E über V, gibt die Maschine Blindleistung ab (übererregt); liegt E darunter, nimmt sie Blindleistung auf (untererregt).

Drei Reaktanzen für drei Zeitskalen

Bei einem Fehler wirken in der Erreger- und Dämpferwicklung des Läufers induzierte Ströme der Änderung kurzzeitig entgegen, sodass die Maschine anfangs viel steifer erscheint als im stationären Betrieb. Das wird mit drei Reaktanzen modelliert; typische bezogene Werte eines Turbogenerators, auf seine eigene Bemessungsleistung bezogen, sind:

Subtransient X″d

Etwa 0,12–0,25 p.u. Bestimmt die ersten Perioden eines Fehlers und damit den Stoßkurzschlussstrom, den Leistungsschalter beherrschen müssen.

Transient X′d

Etwa 0,15–0,4 p.u. Bestimmt ungefähr die erste Sekunde, weshalb klassische Modelle der transienten Stabilität sie verwenden.

Synchron Xd

Etwa 1,0–2,3 p.u. Bestimmt den stationären Zustand, lange nachdem die Dämpfer- und Erregerausgleichsvorgänge abgeklungen sind.

Dieselbe Maschine liefert also einen großen, schnell abklingenden Kurzschlussstrom: Die nächste Lektion verwendet X″d als Mitsystemimpedanz des Generators, um ihn zu berechnen.

Das Leistungsdiagramm

Ein Generator kann nicht jede Kombination aus P und Q liefern. Sein P-Q-Leistungsdiagramm ist begrenzt durch die Ständerstromgrenze (ein Kreis konstanter Scheinleistung), die Läufererwärmung bei starker Übererregung, die maximale Turbinenleistung und eine Untererregungsgrenze, die Stabilität und Ständerblechpaket-Enden schützt. Betreiber und Netzanschlussregeln arbeiten innerhalb dieser Hüllkurve — auch deshalb hat Blindleistungsbereitstellung echte Kosten.