Erregersysteme für Synchronmaschinen dienen zur Bereitstellung des zum Betrieb von Einphasen- und Drehstrom-Synchronmaschinen notwendigen magnetischen Erregerfeldes. Dies erhält man, wenn man die auf dem Polrad untergebrachte Erregerwicklung mit einem Gleichstrom I_E speist oder Permanentmagnete nutzt.

Grundlagen

Um das Blindleistungsverhalten der Maschine steuern zu können, muss dieser Strom einstellbar sein. Damit sich der Strom nicht sprunghaft bei Laständerungen verändert, wird oft ein Hochlaufgeber verwendet. Bei Großgeneratoren kann der Erregerstrom einen Wert von über 10 kA betragen. Die Erregerleistung nimmt dabei für kleine Synchronmaschinen (einige 100 kVA) von 3 bis 5 % der Bemessungsscheinleistung S_N an und für größere Synchronmaschinen (einige 100 MVA) etwa 0,5 %. Bei einem zweipoligen Turbogenerator mit 100 kVA wären zirka 3 kW Erregerleistung aufzubringen und etwa 4000 kW für einen 1000-MVA-Generator. Je nach Einsatzart und Leistungsbereich der Synchronmaschine (Generator-, Motor-, Phasenschieber-, Insel- oder Netzbetrieb) wurden verschiedene Erregersysteme entwickelt.

Erregertypen

Permanentmagneterregung von Synchronmaschinen

Überwiegend werden Synchronmotoren (Servos) kleiner bis mittlerer Leistung mittels Permanentmagneten dauerhaft erregt. Mittlerweile findet diese Art der Erregung auch bei Generatoren in manchen Windkraftanlagen Verwendung. Als Material für die Permanentmagnete kommen hartmagnetische Ferrite und Seltenerdmagnetwerkstoffe wie Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Cobalt in Frage. Für Maschinen größerer Leistungen ist die Verwendung von Permanentmagneten wegen des hohen Preises unwirtschaftlich, hier ist die Erregerleistung vergleichsweise relativ gering. Mit dem Einsatz von Permanentmagneten ergibt sich ein konstantes Erregerfeld. Dadurch kann die abgegebene Generatorspannung nicht mehr gesteuert werden. Sie ist zur Drehzahl proportional und zur Belastung umgekehrt proportional. Eine Beeinflussung des Blindleistungsverhaltens der Maschine ist ebenfalls nicht möglich. Permanenterregte Synchrongeneratoren werden daher zur Netzkopplung mit einem Frequenzumrichter betrieben.

Ein Vorteil der Permanentmagneterregung ist neben dem Wegfall der Erregereinrichtung und der Erregerleistung die Schwarzstart-Fähigkeit.

Erregergrad

Das Maß der Erregung einer Synchronmaschine ist der Erregergrad:

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {|{\underline {U}}_{P}|}{|{\underline {U}}_{\text{Netz}}|}}}$ mit der Polradspannung ${\displaystyle U_{P}}$ und der Netzspannung ${\displaystyle U_{\text{Netz}}}$

Zudem sind die Spannungen um den Winkel ${\displaystyle \vartheta }$ phasenverschoben und um den Erregergrad ${\displaystyle \varepsilon }$ unterschiedlich groß, also

${\displaystyle {\underline {U}}_{P}=\varepsilon \,{\underline {U}}_{\text{Netz}}\,e^{\mathrm {j} \vartheta }}$

Der Erregergrad kann in der Stromortskurve grafisch dargestellt werden.

Geltende Normen

• DIN EN IEC 60034-3 – Drehende elektrische Maschinen – Teil 3: Besondere Anforderungen an Synchrongeneratoren, angetrieben durch Dampfturbinen oder Gasturbinen, und an synchrone Phasenschieber (Vorsichtsmaßnahmen für den drehenden Teil der Erregereinrichtung bei wasserstoffgekühlten Generatoren)
• DIN EN 60034-16-1 – Drehende elektrische Maschinen – Teil 16-1: Erregersysteme für Synchronmaschinen – Begriffe
• E DIN IEC/TS 60034-16-2 – Drehende elektrische Maschinen – Teil 16-2: Erregersysteme für Synchronmaschinen – Modelle für Untersuchungen des Energieversorgungsnetzes
• Normenreihe IEEE 421

Literatur

• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 14., aktualisierte und erweiterte Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2007, ISBN 978-3-446-41754-0.
• Helmut Lindner, Harry Brauer, Constans Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. 7., völlig neubearbeitete Auflage. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 1999, ISBN 3-446-21056-3.