Erregung der Synchronmaschine

Das Drehfeld im Stator dreht sich — aber für sich allein zieht es keine Last. Der Läufer muss ein eigenes Magnetfeld besitzen, das vom Statorfeld magnetisch „mitgenommen“ wird. Erst dieses Zusammenspiel erzeugt ein Drehmoment. Das Erzeugen dieses Läuferfeldes nennt man Erregung.

In der klassischen Synchronmaschine wird das Läuferfeld durch eine Spule erzeugt, die mit Gleichstrom durchflossen wird — die Erregerwicklung. Sie sitzt im Läufer (auch Polrad genannt). Damit das funktioniert, muss man dem rotierenden Teil irgendwie Gleichstrom zuführen — und genau das ist die eigentliche Aufgabe der Erregungstechnik.

Warum Gleichstrom? Damit der Läufer dem Stator-Drehfeld synchron folgen kann, braucht er ein zeitlich konstantes Magnetfeld. Würde im Läufer Wechselstrom fließen, ergäbe das ein pulsierendes Feld, das in Summe kein konstantes Drehmoment liefern könnte.

Es gibt drei Wege, das Läuferfeld zu erzeugen:

• Schleifringerregung: Gleichstrom wird über Bürsten und Schleifringe in die Erregerwicklung des Läufers eingespeist.
• Bürstenlose Erregung: Eine kleine Erregermaschine sitzt auf derselben Welle und versorgt die Erregerwicklung über einen mitrotierenden Gleichrichter — ganz ohne Bürsten.
• Permanenterregung: Statt einer Wicklung sitzen Dauermagnete im Läufer. Diese Variante wird im eigenen Beitrag zum permanentmagneterregten Synchronmotor (PMSM) behandelt, hier nur am Rand erwähnt.

Die ersten beiden Varianten lassen sich aktiv steuern — der Erregerstrom kann verändert werden. Die Permanenterregung ist konstruktionsbedingt fest und kann nicht geregelt werden.

Der Läufer einer erregten Synchronmaschine heißt Polrad, weil er die magnetischen Pole trägt. Die Form des Polrads richtet sich nach der Drehzahl der Maschine. Es gibt zwei Grundbauformen.

Der Schenkelpolläufer hat ausgeprägte, hervorstehende Pole mit aufgewickelter Erregerwicklung. Er wirkt mechanisch wie ein Stern aus Polen. Diese Bauform verträgt keine hohen Drehzahlen — die Pole würden bei großen Fliehkräften reißen. Dafür kann man viele Pole unterbringen, also kleine Synchrondrehzahlen erreichen. Typisch sind 4 bis über 100 Pole.

Der Vollpolläufer (auch Turboläufer) is ein glatter Zylinder. Die Erregerwicklung liegt in Nuten an der Oberfläche. Wegen der gleichmäßigen Massenverteilung verträgt er hohe Drehzahlen. Er hat meist nur 2 oder 4 Pole und läuft entsprechend schnell.

In jedem Fall wird die Erregerwicklung über zwei Anschlüsse mit Gleichstrom gespeist. Die typische Größenordnung der Erregerleistung liegt bei rund 0,3 bis 2 Prozent der Scheinleistung der Maschine — bei einem 100-MVA-Generator also bei einigen hundert Kilowatt.

Im Polrad sitzt zusätzlich häufig ein Dämpferkäfig: kurzgeschlossene Kupferstäbe in den Polen oder am Umfang, ähnlich einem Käfigläufer beim Asynchronmotor. Er dient vor allem dem Anlauf und zur Dämpfung von Schwingungen. Mehr dazu in Kapitel 6.

Die Schleifringerregung ist die klassische Lösung: Eine externe Gleichspannungsquelle speist Gleichstrom über zwei Schleifringe und mitschleifende Bürsten in die Erregerwicklung des rotierenden Läufers ein. Die Schleifringe sitzen auf der Welle, isoliert gegen die Welle und gegeneinander. Die Bürsten sind stationär im Gehäuse befestigt und drücken über Federn auf die Schleifringe.

Woher kommt die Gleichspannung? Bei modernen Anlagen — und besonders bei Maschinen in industriellen Größenordnungen in Österreich — wird sie nicht aus Batterien oder einer eigenen Gleichstrommaschine bezogen, sondern aktiv aus dem Drehstromnetz erzeugt:

• Ein Erregertransformator passt die Netzspannung auf das benötigte Spannungsniveau an (typisch 100–600 V).
• Ein steuerbarer Gleichrichter mit Thyristoren (Thyristorsatz) richtet die Wechselspannung gleich und stellt den Erregerstrom über den Zündwinkel der Thyristoren genau auf den geforderten Wert.

Mit dieser Kette lässt sich der Erregerstrom schnell und feinstufig verändern — die Steuerbarkeit ist eine der Stärken dieses Konzepts.

Die Erregerleistung ist das Produkt aus Erregerspannung und Erregerstrom:

Sie liegt typisch im Bereich von 0,3 bis 2 Prozent der Scheinleistung der Maschine.

Bei großen Maschinen — etwa Kraftwerksgeneratoren ab dem zwei- bis dreistelligen MVA-Bereich — sind Bürsten und Schleifringe unerwünscht. Sie verschleißen, erzeugen Staub und brauchen Wartung. Die Lösung: eine Erregermaschine, die direkt auf der Welle sitzt und ihre Energie über einen ebenfalls mitrotierenden Gleichrichter an die Erregerwicklung der Hauptmaschine abgibt. Bürsten gibt es in diesem Konzept nicht mehr.

So funktioniert die bürstenlose Erregung im Detail:

• Auf der Welle der Hauptmaschine sitzt eine zusätzliche, kleinere Maschine — die Erregermaschine. Sie ist als Außenpolmaschine ausgeführt: Der Gleichstromteil (die Erregerwicklung dieser kleinen Maschine) ist feststehend im Gehäuse, der Drehstromteil (der Anker mit der dreisträngigen Wicklung) dreht auf der Welle mit.
• Im Anker der Erregermaschine wird Drehstrom induziert, weil ihr Stator-Magnetfeld stationär ist und ihre Wicklung rotiert.
• Dieser rotierende Drehstrom wird über einen mitrotierenden Gleichrichter (Dioden auf einem Träger auf der Welle) gleichgerichtet.
• Das Ergebnis: Gleichstrom direkt auf der Welle — und ohne jeden Schleifkontakt — in der Erregerwicklung der Hauptmaschine.

Geregelt wird das System über die stationäre Erregerwicklung der kleinen Erregermaschine. Verändert man dort den Strom, ändert sich ihre induzierte Drehspannung, der gleichgerichtete Strom und schließlich der Erregerstrom der Hauptmaschine. Die eigentliche Stellgröße liegt also bequem im Stillstand — nur klein dimensioniert.

Der Erregerstrom ist die zentrale Stellgröße der Synchronmaschine — aber was er wirklich bewirkt, hängt davon ab, ob die Maschine allein arbeitet oder am Netz hängt.

Im Inselbetrieb (die Maschine speist allein in ein Netzgebiet ohne andere Generatoren) regelt der Erregerstrom die Klemmenspannung. Mehr Erregung — mehr Polradfluss — höhere induzierte Spannung. Hier ist der Erregerstrom der Spannungsregler.

Am starren Netz (die Maschine arbeitet parallel zu einem überragenden Verbundnetz) ist die Spannung von außen vorgegeben. Sie lässt sich durch die eigene Erregung praktisch nicht ändern. Was der Erregerstrom hier verschiebt, ist die Blindleistung der Maschine.

Die Konvention ist klar definiert:

• Untererregt bedeutet: Der Erregerstrom ist niedriger als bei cos φ = 1 nötig wäre. Die Maschine nimmt induktive Blindleistung aus dem Netz auf und wirkt für das Netz wie eine induktive Last.
• Übererregt bedeutet: Der Erregerstrom ist höher als bei cos φ = 1 nötig wäre. Die Maschine gibt induktive Blindleistung ins Netz ab und wirkt für das Netz wie ein Kondensator.

Die Wirkleistung der Maschine wird durch den Erregerstrom nicht direkt beeinflusst — sie ergibt sich aus dem mechanischen Drehmoment der Antriebsseite (bei Generatoren) bzw. aus der mechanischen Last (bei Motoren).

Die Zusammenhänge zwischen Stator-Strom und Erregerstrom werden in den V-Kurven abgebildet. Pro Wirkleistungsstufe gibt es eine U-förmige Kurve mit Minimum bei cos φ = 1. Links vom Minimum: untererregt. Rechts: übererregt.

Berechnet man die Leistungen eines dreiphasigen Synchrongenerators aus Klemmenspannung (Außenleiterspannung U), Leiterstrom I und Leistungsfaktor cos φ, gelten:

Eine Synchronmaschine hat ein grundsätzliches Problem: Aus dem Stand zieht sie nicht selbst an. Wenn man Stator und Erregerwicklung gleichzeitig einschaltet, steht der Läufer still, während das Statorfeld bereits mit voller Drehzahl rotiert. Es entstehen Pendelmomente — schnell wechselnde Drehmomente, die sich im Mittel zu Null aufheben. Es gibt Drehmoment in eine Richtung, im nächsten Moment in die andere. Der Läufer ruckelt, wird mechanisch belastet und kommt nicht in Drehzahl.

Die übliche Lösung beim Direktanlauf am Netz: ein Dämpferkäfig im Läufer, baulich ähnlich einem Käfigläufer beim Asynchronmotor. Damit kann die Synchronmaschine zunächst wie ein Asynchronmotor anlaufen — der Stator zieht über das Drehfeld am kurzgeschlossenen Käfig und beschleunigt den Läufer. Während dieser Hochlaufphase bleibt die Erregerwicklung stromlos oder über einen Widerstand kurzgeschlossen, um Überspannungen darin zu vermeiden.

Erst wenn der Läufer nahe an die synchrone Drehzahl gekommen ist (typisch wenige Prozent Schlupf), wird die Erregung zugeschaltet. Das Polrad „rastet“ magnetisch ins Drehfeld ein, der Schlupf wird zu Null, die Maschine läuft synchron.

Bei großen Generatoren in Kraftwerken sieht der Weg anders aus: Sie werden mechanisch durch die Turbine bis nahe synchron beschleunigt, die Erregung wird auf den Sollwert hochgefahren — und dann werden sie ans Netz synchronisiert. Vier Bedingungen müssen vor dem Zuschalten erfüllt sein:

• gleiche Spannungshöhe wie das Netz
• gleiche Frequenz
• gleiche Phasenlage
• gleiche Drehrichtung der Phasenfolge

Die Spannungshöhe stellt der Erregerstrom ein — hier wird wieder die Doppelrolle der Erregung deutlich. Frequenz und Phasenlage regelt die Turbinendrehzahl, die Phasenfolge ist konstruktiv vorgegeben.