Synchroner Impedanzverfahren
Die Synchronimpedanzmethode, auch bekannt als die EMF-Methode, ersetzt den Einfluss der Ankerreaktion durch eine äquivalente imaginäre Reaktanz. Um die Spannungsregelung mit dieser Methode zu berechnen, sind folgende Daten erforderlich: Ankerwiderstand pro Phase, die Kurve der Leerlaufcharakteristik (OCC), die das Verhältnis zwischen Leerlaufspannung und Feldstrom zeigt, und die Kurve der Kurzschlusseigenschaft (SCC), die das Verhältnis zwischen Kurzschlussstrom und Feldstrom darstellt.
Für einen synchronen Generator lauten die Gleichungen wie folgt:
Um die synchrone Impedanz Zs zu berechnen, werden Messungen durchgeführt, und der Wert von Ea (induziertes Anker-EMF) wird abgeleitet. Mit Ea und V (Anschlussspannung) wird dann die Spannungsregelung berechnet.
Messung der Synchronimpedanz
Die synchrone Impedanz wird durch drei Haupttests bestimmt:
Gleichstrom-Widerstandstest
In diesem Test wird angenommen, dass der Wechselrichter sternförmig verbunden ist und seine Gleichstrom-Feldwicklung offen liegt, wie in der Schaltungsdiagramm unten dargestellt:
Gleichstrom-Widerstandstest
Der Gleichstrom-Widerstand zwischen jedem Paar von Anschlüssen wird entweder mit dem Amperemeter-Voltmeter-Verfahren oder mit der Wheatstone-Brücke gemessen. Der Durchschnittswert der drei gemessenen Widerstandsgrößen Rt wird berechnet, und der Gleichstrom-Widerstand pro Phase RDC wird durch Teilen von Rt durch 2 abgeleitet. Unter Berücksichtigung des Skin-Effekts, der den effektiven Wechselstrom-Widerstand erhöht, wird der Wechselstrom-Widerstand pro Phase RAC durch Multiplikation von RDC mit einem Faktor von 1,20–1,75 (typischer Wert: 1,25), je nach Maschinengröße, erhalten.
Leerlauf-Test
Um die synchrone Impedanz über den Leerlauf-Test zu bestimmen, arbeitet der Wechselrichter bei nominierter synchroner Geschwindigkeit mit offenen Lastanschlüssen (Lasten getrennt) und dem Feldstrom initial auf Null gesetzt. Das entsprechende Schaltbild ist unten dargestellt:
Leerlauf-Test (Fortsetzung)
Nachdem der Feldstrom auf Null gesetzt wurde, wird er schrittweise erhöht, wobei die Anschlussspannung Et bei jeder Erhöhung gemessen wird. Der Erregungsstrom wird typischerweise erhöht, bis die Anschlussspannung 125 % des Nennwerts erreicht. Es wird ein Diagramm zwischen der Leerlaufphasenspannung Ep = Et/sqrt 3 und dem Feldstrom If gezeichnet, was die Leerlaufcharakteristik (O.C.C) ergibt. Diese Kurve spiegelt die Form einer Standardmagnetisierungskurve wider, deren lineare Region verlängert wird, um eine Luftspaltlinie zu bilden.
Die O.C.C und die Luftspaltlinie sind in der Abbildung unten dargestellt:
Kurzschluss-Test
Beim Kurzschluss-Test werden die Ankeranschlüsse über drei Amperemeter kurzgeschlossen, wie in der Abbildung unten dargestellt:
Kurzschluss-Test (Fortsetzung)
Bevor der Wechselrichter gestartet wird, wird der Feldstrom auf Null reduziert, und jedes Amperemeter wird auf einen Bereich eingestellt, der den Nennlaststrom übersteigt. Der Wechselrichter wird bei synchroner Geschwindigkeit betrieben, wobei der Feldstrom schrittweise erhöht wird – ähnlich wie beim Leerlauf-Test – während der Ankerstrom bei jeder Erhöhung gemessen wird. Der Feldstrom wird so eingestellt, dass der Ankerstrom 150 % des Nennwerts erreicht.
Bei jedem Schritt werden der Feldstrom If und der Durchschnitt der drei Amperemeter-Lesungen (Ankerstrom Ia) aufgezeichnet. Ein Diagramm, das Ia gegen If zeichnet, ergibt die Kurzschlusseigenschaft (S.C.C), die typischerweise eine Gerade bildet, wie in der Abbildung unten dargestellt.
Berechnung der Synchronimpedanz
Um die synchrone Impedanz Zs zu berechnen, werden zunächst die Leerlaufcharakteristik (OCC) und die Kurzschlusseigenschaft (SCC) in demselben Diagramm überlagert. Dann wird der Kurzschlussstrom ISC bestimmt, der zum Nennwert der Anschlussspannung pro Phase Erated gehört. Die synchrone Impedanz wird dann als das Verhältnis der Leerlaufspannung EOC (bei dem Feldstrom, der Erated ergibt) zum entsprechenden Kurzschlussstrom ISC berechnet, ausgedrückt als s = EOC / ISC.
Das Diagramm ist unten dargestellt:
Aus der obigen Abbildung betrachte man den Feldstrom If = OA, der den Nennwert der Anschlussspannung pro Phase erzeugt. Zu diesem Feldstrom entspricht die Leerlaufspannung AB.
Annahmen der Synchronimpedanzmethode
Die Synchronimpedanzmethode geht davon aus, dass die synchrone Impedanz (bestimmt aus dem Verhältnis der Leerlaufspannung zum Kurzschlussstrom über OCC- und SCC-Kurven) konstant bleibt, wenn diese Charakteristiken linear sind. Es wird weiter angenommen, dass der Fluss unter Testbedingungen dem unter Last entspricht, obwohl dies Fehler einführt, da der kurzgeschlossene Ankerstrom gegenüber der Spannung etwa 90° verspätet ist, was hauptsächlich entmagnetisierende Ankerreaktionen verursacht. Die Effekte der Ankerreaktion werden als Spannungsabfall proportional zum Ankerstrom modelliert, kombiniert mit dem Reaktanz-Spannungsabfall, wobei die magnetische Reluktanz als konstant angenommen wird (gültig für zylindrische Rotorformen aufgrund gleichmäßiger Luftspalte). Bei geringer Erregung ist konstant (linear/ungesättigte Impedanz), aber die Sättigung reduziert jenseits der linearen Region der OCC (gesättigte Impedanz). Diese Methode liefert höhere Spannungsregelung als die tatsächliche Belastung, weshalb sie als pessimistische Methode bezeichnet wird.
