Anregungssystem

Erregersystem

Definition

Ein Erregersystem ist ein wesentlicher Bestandteil von Synchronmaschinen und hat die Aufgabe, den erforderlichen Feldstrom für die Rotorwicklung zu liefern. Einfach ausgedrückt, ist es so konzipiert, dass es durch den Durchgang eines elektrischen Stroms durch die Feldwicklung magnetische Flussdichte erzeugt. Schlüsselmerkmale, die ein ideales Erregersystem definieren, umfassen uneingeschränkte Zuverlässigkeit in allen Betriebsszenarien, einfache Steuerungsmöglichkeiten, einfache Wartung, Stabilität und eine schnelle Transientantwort.

Die Größe der Erregung, die von einer Synchronmaschine verlangt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Laststrom, dem Leistungsfaktor der Last und der Drehzahl der Maschine. Größere Lastströme, niedrigere Geschwindigkeiten und nachlaufende Leistungsfaktoren erfordern einen höheren Grad an Erregung im System.

In einem Erregeraufbau hat jeder Generator in der Regel seinen eigenen Erreger, der als Generator fungiert. In einem zentralisierten Erregersystem werden zwei oder mehr Erreger eingesetzt, um die Spannungsschiene mit Energie zu versorgen. Obwohl dieser zentralisierte Ansatz kostengünstig ist, kann ein Fehler im System einen schädlichen Einfluss auf die in der Kraftwerksanlage betriebenen Generatoren haben.

Arten von Erregersystemen

Das Erregersystem kann in mehrere Arten unterteilt werden, wobei die folgenden drei die bedeutendsten sind: Gleichstrom-Erregersystem, Wechselstrom-Erregersystem und statisches Erregersystem. Darüber hinaus gibt es Unterarten wie das Rotor-Erregersystem und das bürstenlose Erregersystem, die im Folgenden detaillierter erläutert werden.

Gleichstrom-Erregersystem

Das Gleichstrom-Erregersystem besteht aus zwei Erregern: einem Haupterreger und einem Piloterreger. Ein automatischer Spannungsregler (AVR) spielt in diesem System eine entscheidende Rolle, indem er die Ausgabe der Erreger anpasst. Diese Anpassung zielt darauf ab, die Ausgangsspannung des Generators präzise zu steuern. Die Eingabe vom Stromtransformator zum AVR dient als Schutz, um sicherzustellen, dass der Generatorstrom bei Störungen begrenzt bleibt.

Wenn der Feldschalter in der offenen Position ist, wird ein Feldentlader über die Feldwicklung geschaltet. Angesichts der stark induktiven Natur der Feldwicklung ist dieser Widerstand essentiell, um die gespeicherte Energie abzuleiten und somit die Systemkomponenten vor potenziellen Schäden durch induzierte Spannungen zu schützen.

Gleichstrom-Erregersystem (Fortsetzung)

Beide, der Haupte- und der Piloterreger, können auf zwei Arten angetrieben werden: entweder direkt durch die Hauptwelle der Synchronmaschine oder unabhängig durch einen externen Motor. Direkt angetriebene Erreger sind oft die bevorzugte Wahl. Dies liegt daran, dass sie die Integrität des operativen Systems des Aggregats gewährleisten und sicherstellen, dass der Erregungsprozess von externen Störungen unbeeinflusst bleibt.

Der Haupteerreger hat in der Regel eine Spannung von etwa 400 Volt, und seine Kapazität beträgt etwa 0,5 % der Kapazität des Generators. Bei Turbogeneratoren sind jedoch Probleme mit den Erregern relativ häufig. Die hohen Drehzahlen dieser Maschinen tragen zur erhöhten Verschleißrate bei, was die Erreger anfälliger für Ausfälle macht. Um dies zu beheben, werden separat motorisch angetriebene Erreger als Standby-Einheiten installiert, die im Falle eines Ausfalls der primären Erreger einspringen können.

Wechselstrom-Erregersystem

Das Wechselstrom-Erregersystem integriert einen Generator und eine Thyristor-Gleichrichterbrücke, die beide direkt an der Hauptgeneratorwelle gekoppelt sind. Der Haupteerreger in diesem System kann in zwei Modi arbeiten: Selbst-Erregung, bei der er sein eigenes Magnetfeld erzeugt, um elektrische Leistung zu produzieren, oder separate Erregung, die auf eine externe Stromquelle angewiesen ist, um den Erregungsprozess zu initiieren. Das Wechselstrom-Erregersystem lässt sich weiter in zwei verschiedene Kategorien unterteilen, die jeweils ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften haben, die im Folgenden näher erläutert werden.

Rotierendes Thyristor-Erregersystem

Wie in der beiliegenden Abbildung gezeigt, weist das rotierende Thyristor-Erregersystem einen klar definierten rotierenden Bereich auf, der durch eine gestrichelte Linie abgegrenzt ist. Dieses System besteht aus einem Wechselstrom-Erreger, einem stationären Feld und einer rotierenden Wicklung. Die Ausgabe des Wechselstrom-Erregers wird durch eine Vollwellen-Thyristor-Gleichrichterbrückenschaltung rektifiziert. Dieser umgewandelte Gleichstrom wird dann an die Feldwicklung des Hauptgenerators geliefert, um das für den Betrieb des Generators notwendige Magnetfeld zu erzeugen.

Im rotierenden Thyristor-Erregersystem wird die Feldwicklung des Generators auch über eine zusätzliche Gleichrichterschaltung versorgt. Der Erreger kann seine Spannung durch Nutzung seines Restmagnetflusses aufbauen. Die Stromversorgungseinheit, zusammen mit dem Gleichrichtersteuermechanismus, erzeugt präzise gesteuerte Auslösesignale. Im automatischen Betriebsmodus wird das Generatorspannungssignal zunächst gemittelt und dann direkt mit dem vom Bediener eingestellten Spannungsregelwert verglichen. Im manuellen Betriebsmodus wird hingegen der Generator-Erregungsstrom mit einem separaten, manuell eingestellten Spannungsreferenzwert verglichen.

Bürstenloses Erregersystem

Das bürstenlose Erregersystem ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt, wobei seine rotierenden Komponenten klar in einem gestrichelten Rechteck eingeschlossen sind. Dieses hochentwickelte System besteht aus einem Generator, einem Gleichrichter, einem Haupteerreger und einem Permanentmagnetgenerator. Beide, der Haupte- und der Piloterreger, werden durch die Hauptwelle der Maschine angetrieben. Der Haupteerreger verfügt über ein stationäres Feld und eine rotierende Wicklung. Die Ausgabe der rotierenden Wicklung wird direkt, über Siliziumgleichrichter, an die Feldwicklung des Hauptgenerators angeschlossen, um eine nahtlose und bürstenfreie Übertragung der elektrischen Energie für Erregungszwecke zu gewährleisten.

Der Piloterreger ist ein wellenangetriebener Permanentmagnetgenerator. Er verfügt über rotierende Permanentmagnete, die an der Welle befestigt sind, und eine dreiphasige stationäre Wicklung. Diese Wicklung speist über Siliziumgleichrichter das Feld des Haupteerregers, was letztlich zur Erregung des Hauptgenerators beiträgt. Darüber hinaus gibt es in einer anderen Konfiguration, in der der Piloterreger, immer noch ein wellenangetriebener Permanentmagnetgenerator, dreiphasige Vollwellenphasensteuerthyristorbrücken verwendet, um den Haupteerreger zu speisen.

Das bürstenlose Erregersystem bietet mehrere bemerkenswerte Vorteile. Durch die Eliminierung von Kommutatoren, Sammlern und Bürsten reduziert es erheblich die Wartungsanforderungen. Es hat außerdem eine sehr kurze Zeitkonstante mit einer Reaktionszeit von weniger als 0,1 Sekunden. Diese kurze Zeitkonstante verbessert die dynamische Leistung des Systems bei kleinen Signalen, ermöglicht es, schneller und genauer auf geringfügige elektrische Störungen zu reagieren. Darüber hinaus vereinfacht es die Integration von ergänzenden Netzstabilisierungssignalen, die für die Aufrechterhaltung der Netzsicherheit entscheidend sind.

Statisches Erregersystem

Im statischen Erregersystem wird die elektrische Versorgung direkt vom Generator abgeleitet. Dies erfolgt über einen dreiphasigen Stern/Dreieck-Spannungsabsteller. Die Primärwicklung dieses Transformators ist mit der Generatorschiene verbunden, während die Sekundärwicklung mehrere Funktionen erfüllt. Sie speist den Gleichrichter, der den Wechselstrom in Gleichstrom für Erregungszwecke umwandelt. Darüber hinaus liefert sie elektrische Energie für die Netzsteuerschaltung und andere damit verbundene elektrische Ausrüstungen, um den nahtlosen Betrieb des gesamten Erregungs- und Steuersystems zu gewährleisten.

Das statische Erregersystem zeichnet sich durch eine beeindruckend kurze Reaktionszeit aus, was ihm ermöglicht, schnell auf Änderungen der elektrischen Bedingungen zu reagieren. Diese schnelle Reaktionsfähigkeit wiederum verleiht dem System eine hervorragende dynamische Leistung, die es in der Lage macht, selbst unter schwankenden Lasten und variierenden elektrischen Anforderungen stabil zu arbeiten.

Einer der wichtigsten Vorteile dieses Systems liegt in seiner Fähigkeit, die Betriebskosten erheblich zu senken. Indem traditionelle Erreger eliminiert werden, werden Luftwiderstandsverluste – die Energie, die durch die Reibung zwischen beweglichen Teilen und der umgebenden Luft dissipiert wird – vermieden. Darüber hinaus fallen ohne die regelmäßige Wartung der Erregerwicklungen die Wartungskosten erheblich. Diese kostenreduzierenden Merkmale machen das statische Erregersystem zu einer wirtschaftlich attraktiven Option für eine Vielzahl von Anwendungen.