Synchrongenerator (Bulletin 64/2010)
Der Stromerzeuger in Flusskraftwerken

von Heinrich Kriesi, AMS
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Bei der Ansicht von Flusskraftwerken - hier oben das Kraftwerk Laufenburg im Rhein - springen meist die imposanten hallenähnlichen Maschinenhäuser ins Auge. In deren Innern beeindrucken die grossen Synchrongeneratoren. Als Metall-Modellbauer ist mir die Ähnlichkeit der Statorgehäuse mit den grossen Märklinringen aufgefallen. Dies inspirierte mich zum Bau eines Generatormodelles mit Märklin-Bauteilen.

Wasser Turbinen

Bis zu einer Fallhöhe von ca. 15 mwerden Kaplan-Turbinen eingesetzt. Das Laufrad gleicht einem Schiffspropeller, dessen Flügel verstellbar sind.

Bei grösseren Fallhöhen sind Francis-Turbinen geeigneter, weil sie auch verstellbare Leitschaufeln haben. Diese können also nach Wassermenge und Fallhöhe angepasst werden.

Bei noch grösseren Wasser-Fallhöhen wird dann das unter höherem Druck (100 Meter Wasserhöhe entspricht 10 bar Druck) stehende Wasser auf Pelton-Turbinen geleitet.

Der Einbau einer oben gezeigten Kaplan-Turbine erfolgt meistens vertikal, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt und die Antriebswelle zum Generator senkrecht steht.

Bei neueren Kraftwerken – wie in Ruppoldingen in der Aare und in Rheinfelden im Rhein – werden Rohrturbinen mit integrierten Generatoren eingesetzt. Oberirdisch bedarf es keiner grossen Maschinenhäuser mehr. Bei einer Umrüstung von alt auf neu werden häufig die nicht mehr benötigten, nur noch historisch interessanten Maschinenhäuser abgebrochen. Schade eigentlich, aber wer will die Unterhaltskosten dieser Denkmäler übernehmen?

Funktionweise eines Synchrongenerators

In achsparallelen Nuten ist eine Statorwicklung fest eingelegt und verschaltet. Die bei der Bewegung des Rotors mitumlaufenden wechselnden Magnetfelder überwinden den Luftspalt zwischen Rotorpolen und dem Stator und schneiden die Statorwicklungen. Dort wird aufgrund der sich mit jedem Rotorumlauf wechselnden Magnetfelder in jeder der Wicklungen eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz synchron zur Rotordrehzahl ist.


Maschinenhaus:  Die Generatoren, welche Strom mit einer Frequenz von 50 Hertz erzeugen


Schematische Darstellung eines Flusskraftwerkes

Bau des Märklin-Modelles

Ich habe versucht, mit Märklinteilen undmöglichst geringem elektrotechnischem Zusatzaufwand ein Modell zu bauen, mit dem die prinzipielle Funktionsweise eines Synchrongenerators demon-striert werden kann. Der Bau eines vorbildgetreuen Modells wäre eher eine Aufgabe für den feinmechanischen Modellbau. Es gibt verschiedene Bauformen von Synchronmaschinen. Am besten zum Nachbau geeignet ist eine Innenpolmaschine in Schenkelpolbauart, wie oben dargestellt.


Vereinfachte schematische Darstellung einer vierpoligen Innenschenkelpolmaschine

Bau des Polrades ( Rotor )

Die Zahl der Polpaare p ist nach der zu erzeugenden Netzfrequenz f und der Antriebsdrehzahl n des Generators zu wählen.

Dabei gilt:       p  =  60 x  f / n

Die Turbinen der Laufkraftwerke sind häufig für eine niedrige Drehzahlausgelegt, z. B. 150 Upm (Umdrehungen pro Minute). Damit ergibt sich bei unserer Netzfrequenz von 50 Hertz eine Polpaarzahl p von 20.

Unter Verwendung der Standard-Märklin-Bauteile ist aber innerhalb der grossen Ringe nur Platz für zwei Polpaare vorhanden.

Mit zwei Polpaaren wäre zum Erreichen einer Netzfrequenz von 50 Hz eine Umdrehungszahlvon 1500 Upm erforderlich. Diese Drehzahl ist aber wegen der im Modell nicht zu vermeidenden Unwucht des Rotors nur schwer erreichbar.

Beim Polrad treten im Gegensatz zum Stator keine Wechselfelder auf, es kann daher aus massivem Eisen konstruiert werden.

Die Spulenkerne wurden aus Karton gefertigt und die Spulen nach dem Wickeln auf die Schenkel aufgeschoben und nachher die Polschuhe montiert.


Stator mit Polrad

Der für die Magnetisierung der Pole erforderliche Gleichstrom wird diesen über Schleifringe und Kohlebürsten zugeführt. Der Erregerstrom stammte früher meist aus einem an der Generatorwelle direkt angebauten Gleichstromgenerator.

Zur Speisung der Polradmagnete  sind zwei Schleifringe erforderlich. Sie bestehen aus den kleinen Schnurlaufrädern mit aufgepressten Kupferringen.

Bau desStators

Die grossen Ringe eignen sich hervorragend als Statorgehäuse. Um den magnetischen Fluss zu leiten, muss darin ein ringförmiger Eisenkörper eingelegt werden.  Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten ist er aus dünnen, geschichteten und elektrisch voneinander isolierten Blechen aufzubauen. Diese Blechanordnung findet man auch bei Transformatoren.

Um den Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor klein zu halten, muss der Luftspalt schmal sein.

Diese Bedingung wäre gut zu erfüllen, da der Radius des Märklin-Bogenbandes und der Innenradius des grossen Ringes übereinstimmen. Aber einen ringförmigen Eisenkörper zu bauen, der den Zwischenraum zwischen den beiden grossen Ringen  voll ausfüllt, ist, ohne dass mir Metallbearbeitungsmaschinen zur Verfügung stehen, nicht machbar. Ich habe als Behelf aus Schnittbandkernen acht Klötze herausgesägt und sie auf dem Umfang des Stators verteilt.


Polrad mit Schleifringen

 


Schnittbandkern z.B. aus Kleintransformatoren

Diese Klötze sind aber nicht ringförmig. Der Luftspalt ist daher nur bei den Nuten wirklich klein. Mit einem dünnen Ring aus Blechstreifen sind sie auf der Aussenseite magnetisch gekuppelt. Durch Klemmung zwischen den Gehäuseringen werden diese fixiert.

Diese Konstruktion ist aus magnetischer Sicht miserabel und hat auch einenbescheidenen Wirkungsgrad des Generators zur Folge.

Die Krafwerksgeneratoren erzeugen dreiphasigen Drehstrom. Dazu wären dreium je 120 Grad  (elektrisch) verschobene Wicklungen notwendig. Ich habe mich auf eine Phase beschränkt und nur vier Doppelnuten ausgesägt.

In achsparallelen Nuten auf der Innenseite des Ringes sind die vierStatorwicklungen eingelegt, an denen der Strom abgenommen wird.


Stator, hier eine Statorspule von vier

Am hinteren Statorgehäuse sind die Kohle„bürsten“ befestigt. Als Führung zur Aufnahme der Kohle“bürsten“ eignen sich die Kupplungsmuffen, Märklin-Nr. 63 (neu 11718). Als Kohlestifte habe ich Motoren-Kohlestifte genommen und rundgefeilt.

Mit einem Erregerstrom von 2 Ampère, Spannung ca. 1 Volt und 50 Hertz erreichte ich die Drehzahl von 1500 Upm (kurzzeitig) und eine Ausgangsspannung von 1 Volt.


2 Kohlebürsten

Fertiges Modell

 


Einsatz des Rotors in den Stator

 


Generator mit etwa 2,5 kg Gewicht

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