Elektromotoren

Synchronmaschine

Inhaltsübersicht

In diesem Artikel geben wir dir einen Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise der Synchronmaschine.

Schau auf jeden Fall auch direkt mal in unser Video dazu rein. Hier haben wir dir alle wichtigen Infos zur Synchronmaschine kurz und prägnant zusammengefasst!

Synchronmaschine einfach erklärt

Bei der Synchronmaschine handelt es sich um um eine Drehstrommaschine, dessen mechanische Drehzahl der Drehzahl seines magnetischen Drehfeldes besitzt. Eine Synchronmaschine kann sowohl als Generator, als auch als Motor betrieben werden.

Synchronmaschine Aufbau

Eine Synchronmaschine besteht im wesentlichen aus einem Stator, auch Ständer genannt und einem Rotor auch Läufer genannt. Im Rotor wird ein konstantes Magnetfeld erzeugt, dies geschieht entweder durch Permanentmagnet oder durch eine elektromagnetische Fremderregung. Je nach Bauart der Synchronmaschine kann der Rotor als Schenkelpolläufer oder Vollpolläufer ausgeführt sein.

Im Gegensatz dazu wird im Stator ein magnetisches Drehfeld erzeugt. In diesem Artikel wird sich auf eine Erzeugung dieses Drehfelds durch Dreiphasenwechselstrom konzentriert. Dafür sind im Stator drei um 120 Grad versetzt angeordnete Induktivitäten verbaut.

Ein Asynchronmotor kann dabei sowohl als Außenpolmaschine als auch als Innenpolmaschine realisiert werden.

Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine

Da die drei Stänge einer Synchronmaschine synchron aufgebaut sind, genügt es für ihr Ersatzschaltbild einen einzelnen Strang zu betrachten.

Ersatzschaltbild Synchronmaschine Synchronmotor
Vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine

Dem Ersatzschaltbild kann entnommen werden, dass sich die Strangspannung U_S aus der Polradspannung, den Spannungsabfällen an Haupt- und Nebenreaktanz, sowie dem Spannungsabfall am Wicklungswiderstand zusammensetzt.

Funktionsweise der Synchronmaschine

Im folgenden gehen wir näher auf die einzelnen Betriebsmodi einer Synchronmaschine und deren Funktionsweise ein.

Generatorbetrieb einer Synchronmaschine

Beim Betrieb der Synchronmaschine als Generator wird der Rotor extern mechanisch angetrieben. Handelt es sich um einen fremderregten Rotor, so muss dieser entsprechend erregt werden. Das Magnetfeld des Rotors induziert in die Statorwicklungen periodisch eine Spannung. Diese Spannung wird als Polradspannung bezeichnet. Wie aus dem Ersatztschaltbild zu erkennen ist, kann diese Spannung nur im Leerlauf an den Klemmen des Motors abgegriffen werden. Sie ist allerdings eine für den Lastfall hilfreiche Rechengröße.

Motorbetrieb einer Synchronmaschine

Beim Motorbetrieb wird an die Synchronmaschine von außen eine Dreiphasenwechselspannung angelegt. Das dadurch erzeugte magnetische Drehfeld des Stators setzt den Rotor in Bewegung. Die Maschine kann dadurch eine externe mechanische Last antreiben.

Drehzahl der Synchronmaschine

Wie bereits erwähnt ergibt sich die Motordrehzahl direkt aus der Frequenz des magnetischen Drehfeldes.

    \[n= \frac{f}{p}\]

n \widehat{=}Motordrehzahl in Hz f \widehat{=} Frequenz  der angelegten Wechselspannung    p \widehat{=} Anzahl der Polpaare.

Häufig wird die Drehzahl allerdings in Umdrehungen pro Minute angegeben. Sie kann wie folgt berechnet werden:

    \[n= \frac{f}{p} \cdot 60\frac{s}{min}\]

Drehzahleinstellung

Die Drehzahleinstellung erfolgt bei der Synchronmaschine durch Variation der Frequenz der angelegten Wechselspannung. Wird eine Synchronmaschine direkt vom Netz betrieben so ist die Frequenz der angelegten Spannung in Europa gleich 50Hz. Daraus lässt sich direkt die Drehzahl der Maschine berechnen. Um nun die Maschine bei einer anderen Drehzahl zu betreiben muss zwischen Maschine und Netz ein Wechselrichter geschalten werden. Ein Wechselrichter kann aus der Netzspannung eine Spannung anderer Frequenz erzeugen, mit der die Maschine dann gespeist wird.

Polradwinkel der Synchronmaschine

Der Polradwinkel \delta einer Synchronmaschine entspricht dem Winkel zwischen Rotor und dem Drehfeld des Stators. Dabei läuft der Rotor im Motorbetrieb dem Drehfeld nach. Im Generatorbetrieb eilt der Rotor hingegen dem Drehfeld des Stators vor. Wichtig ist, dass das Drehmoment der Maschine vom Polradwinkel anhängt.

    \[M=-M_K \cdot sin(\delta)\]

Wird die Synchronmaschine im Motorbetrieb im Leerlauf betrieben, so muss kein Drehmoment aufgewendet werden, da der Motor nicht belastet wird. Für diesen Fall ist der Winkel zwischen Rotormagnetfeld und Statormagnetfeld gleich 0.

Wird der Motor nun belastet, so muss ein Drehmoment aufgebracht werden. Entsprechend ist der Winkel zwischen Rotor und Statordrehfeld nicht länger 0. Der Motor erreicht sein maximales Drehmoment für einen Polradwinkel von 90°.

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