Table Of ContentHartmut Mrugowsky
Drehstrommaschinen
im Inselbetrieb
Modellbildung – Parametrierung –
Simulation
2. Auflage
Drehstrommaschinen im Inselbetrieb
Hartmut Mrugowsky
Drehstrommaschinen im
Inselbetrieb
Modellbildung – Parametrierung
– Simulation
2., überarbeitete und erweiterte Auflage
Prof.(i.R.)Dr.-Ing.HartmutMrugowsky
InstitutfürElektrischeEnergietechnik
UniversitätRostock
Rostock,Deutschland
[email protected]
ISBN978-3-658-08989-4 ISBN978-3-658-08990-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-08990-0
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Vorwort zur zweiten Auflage
FürdiezweiteAuflagewurdenalleKapitelnochmalskritischdurchgesehenunddiedabei
festgestellten FehlerundUnkorrektheitenbeseitigt.NeueErkenntnissezurBerechenbar-
keit der gemeinsamen Streureaktanz der Polsystemkreise (Canay-Reaktanz) aus Mess-
wertenführtenzurvollständigen ÜberarbeitungundErweiterungeinigerAbschnittevon
Kap. 3. Erweitert wurden außerdem in Kap. 10 (Anhang A) die Ausführungen zu den
Antriebs-undArbeitsmaschinen.
HinweiseaufnochvorhandeneFehlerundUnkorrektheitensowieAnregungenzurVer-
besserungdiesesBüchleinswerdenweiterhindankendangenommen.
DemVerlagSpringerViewegundinsbesonderedemLektoratElektrotechnik|IT|In-
formatikdankeichfürdieUnterstützungbeiderRealisierungdiesesBuchprojektes.
Rostock,imJanuar2015 HartmutMrugowsky
V
Vorwort zur ersten Auflage
Simulationsprogramme sind heute wichtige Hilfsmittel in der täglichen Ingenieurarbeit.
UmdasVerhaltenvonDrehstrommaschinenimNetzzuuntersuchen,kommennebenspe-
zialisierter Fachsoftware vielfach allgemeine Softwarepakete, z.B. MATLAB/Simulink,
zum Einsatz, oder es werden in einer allgemeinen Programmiersprache kleinere Simu-
lationsprogramme für den eigenen Gebrauch geschrieben. Für die Nutzung, besonders
aber für die Entwicklung solcher Simulationssoftware benötigt der Ingenieur gründli-
che Kenntnisse über das Betriebsverhalten der Drehstrommaschinen und das Netz, über
geeigneteModellansätzezuderenNachbildungunddiefürdieseerforderlichenAnlagen-
charakteristika(ModellparameterundcharakteristischeKennlinien).
DasallgemeineBetriebsverhaltenelektrischerMaschinenunddiezuihrerNachbildung
heuteüblicherweiseverwendetenmathematischenModelleaufderGrundlagederZwei-
Achsen-TheoriewerdeninverschiedenensehrgutenLehrbüchern–einigedavonsindim
Literaturverzeichnis aufgeführt – ausführlich behandelt, auf die deshalb hier verwiesen
werdenkann.NursehrkurzodergarnichtwirdindiesenBüchernjedochaufdieBerück-
sichtigung dermagnetischen Sättigungin den MaschinenmodellenunddieNachbildung
modernerErregersystemeeingegangen,undauchdieBeschaffungundAufbereitungder
erforderlichen Anlagencharakteristika wird kaum behandelt. Das vorliegende Buch soll
hier zu den eingeführten Lehrbüchern eine Ergänzung darstellen. Es ist entstanden aus
den Aufzeichnungen für eine Spezialvorlesung für Studierende der Elektroenergietech-
nik im vorletztenFachsemester undsetzt dieGrundkenntnisseüberdenAufbauunddas
BetriebsverhaltenderDrehstrommaschinenimNetzweitgehendvoraus.
DasBuchwendetsichinersterLinieanStudierendederElektroenergietechnikinden
oberen Semestern. Darüber hinaus soll es aber auch für Doktoranden und Ingenieure
in F/E-Abteilungen, die sich mit dem Betriebsverhalten von Drehstrom-Synchron- und
Asynchronmaschinen speziell in Inselnetzen befassen, eine Hilfe sein bei der Nutzung
vorhandeneroderderEntwicklungneuerSimulationsprogramme.FürdieSimulationsbei-
spiele wurde deshalb im Gegensatz zur üblichen Betrachtungsweise ein Inselnetz, also
ein separates Drehstromnetz begrenzter Leistung, zugrunde gelegt, bei dem als Folge
von Schalthandlungennicht nur größereSpannungs- sondern auch Frequenzänderungen
auftreten können.Um diese zu erfassen, müssen nebenden leistungsstarken Drehstrom-
maschinenauchderengekuppeltenAntriebs-bzw.Arbeitsmaschinenmitihrenrelevanten
VII
VIII VorwortzurerstenAuflage
mechanischenEigenschaftenberücksichtigtwerden,dennsiebeeinflussenwesentlichdas
FrequenzverhaltenimInselnetz.EinfacheModellansätzefürdiewichtigstenAntriebs-und
ArbeitsmaschinensinddeshalbinKap.10(AnhangA)beigefügt.
TrotzsorgfältigerDurchsichtdesManuskripteskönnenFehlerimText,indenBildern
undinsbesonderebeidenvielenFormelnnichtausgeschlossenwerden.Fürentsprechende
HinweisesindderAutorundderVerlagdankbar,undauchHinweiseundVorschlägezur
VerbesserungdesWerkeswerdendankendangenommen.
An dieser Stelle möchteich den Kollegen und Mitarbeitern des Institutes für Elektri-
scheEnergietechnikderUniversitätRostockdankenfürihrestetsbereitwilligeUnterstüt-
zung. Besonderen Dank sage ich den Herren Prof. Dr. Werner Deleroi (Delft) und Prof.
Dr.BerndR.Oswald(Hannover)fürdieDurchsichtdesManuskriptesunddievielenHin-
weise und Vorschläge, mit denen sie zur Verbesserung des Buches beigetragen haben.
UndschließlichdankeichmeinerliebenFrau,diedurchihrVerständnisundihreFürsorge
diesesVorhabenunterstützthat.
Rostock,imFebruar2013 HartmutMrugowsky
Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen1
A,B,C KoeffizientendesflüchtigenErregerstrom-Anteils;Konstanten
a,b,c,... Konstanten
a parameterabhängigeAbkürzung;Erregerstromverhältnis
a Drehzeiger
B,b KraftstoffmengejeArbeitstakt
C Polformkoeffizient
c HilfsvariablenachCanay;Federsteife
C Transformationsmatrix
d Dämpfungsbeiwert
e variableAbkürzung(Spannung);schlupfabhängigeGröße
f Frequenz
g allgemeineVariable
g Grundschwingungsbeiwert
1
H Trägheitskonstante;Baugrößeinmm
h geschätzteStabhöheeinesRechteckstabes
I,i Strom
i Getriebeübersetzung
ij
J Massenträgheitsmomentinkgm2
k Faktor
k Induktivitätsminderungsfaktor
i
k KehrwertdesWiderstands-Temperaturkoeffizienten˛bei0°Cin1/K,
˛
k =235KfürKupfer,k =225KfürAluminium
˛ ˛
L,l Induktivität;LuftmengejeArbeitstakt
l ideelleAnkerlänge
i
M,m Drehmoment
N Nutanzahl
1EntsprechendderallgemeinenPraxiswerdeneinheitenbehafteteGrößenvorzugsweisemitgroßen,
zeitlicheAugenblickswerteundbezogeneGrößendagegenmitkleinenBuchstabengekennzeichnet.
IX
X FormelzeichenundAbkürzungen
n Drehzahlins(cid:2)1
P,p Wirkleistung;Ladeluftdruck;Dampfdruck
p Laplace-Operator
R,r Widerstand
S Scheinleistung
s Schlupf;Sättigungskoeffizient
T Zeitkonstanteins
t Zeitins
U,u Spannung
ü Übersetzungsverhältnis
v Verhältnis
w Windungszahl
(w(cid:2) ) effektiveWindungszahlfürdieGrundwelle
1
X,x Blindwiderstand,Reaktanz
x Regelabweichung
y Stellwert
Z,z Impedanz;Zylinderanzahl
z Polpaarzahl
p
ˇ Frequenzverhältnis-Exponent
(cid:3) Hilfswinkel;Frequenzverhältnis
(cid:3) elektrischeLeitfähigkeitdesStabmaterialsinS/m
S
ı Winkelfehler;Schaltwinkel;Erwärmungsfaktor
ı ideellerLuftspalt
i
(cid:4) Zündverzögerungswinkel
(cid:5) Durchflutung
(cid:6) mittlereWicklungsübertemperaturinK
# Drehwinkel;Fortschrittswinkel;Celsius-Temperatur
(cid:7) Eigenwert;Luftverhältnis
(cid:8) Überlappungswinkel
(cid:8) magnetischeFeldkonstante
0
(cid:9) Laufvariable;Ordnungszahl
(cid:2) reduzierteLeiterhöhe
(cid:2) WicklungsfaktorfürdieGrundwelle
1
(cid:2) Schrägungsfaktor
schr
(cid:10) Streukoeffizient
(cid:11) Zeit,Zeitkonstanteinp.u.(bezogenauf1/! )
N
(cid:11) Polteilung
p
' Phasenwinkel;elastischerVerdrehwinkel
(cid:12), Flussverkettung;verhältnismäßigeDämpfung
˝,! Winkelgeschwindigkeit;Kreisfrequenz
:= Ersetzung(linksneuerWert,rechtsalterWert)
FormelzeichenundAbkürzungen XI
Indizes
A Antriebs-oderArbeitsmaschine;Anlaufwert
AP Arbeitspunkt
a Anker;Anfangswert
a,b,c Strängea,b,c
B Brückenfaktor
B6 B6-Brückenschaltung
b Blindanteil
c elastischerAnteil
D Dämpfersystem;Diodengröße;Leerlaufdrossel;Dieselmotor;D-Anteil
d d-Komponente;dämpfenderAnteil
DK Dampfkessel
Dr Drosselspule
DT Dampfturbine
dyn dynamischerWert
E Erregermaschine;Eingangswert
e Endwert;Eigenwert;Anregungswert
eff effektiv
F,f Erregersystem,Feld-
FD Erregerdeckenspannung
Fe Eisen
g Gleichwert
ges Gesamtwert
GT Gasturbine
H Hauptmaschine;Harmonische
h Hauptfeld
HD Hochdruck
I Integralwert
i Stromwert;Induktivität;innererWert
i Laufvariable
ij IndizesbenachbarterDrehmasseniundj
ist Istwert
J Trägheit
j Laufvariable
K Kühlmittel;Kupplung
k Kurzschluss;Kommutierung;Kipppunkt
k Ordnungszahl
L Turbolader;Zuleitung
M Motor,Messwerk
m mechanisch
