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Startseite - GBT Forum - Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
 

Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl

Text Datum Benutzer
Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Hallo,
wir suchen Information zum Thema Elektrische Maschinen Pulsweitenmodulation von Gleichstromm (Drehzahl)
Mit bestem Dank.
Gruss Ganter
10 Feb 2005
17:43:11
Ganter
Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Guten Tag, Im Anhang Infos ( Text und Link )zu Ihrem Thema,viel Erfolg!
Gruss L.Huchter

Inhaltsverzeichnis l Elektrische Maschinen

1.1 Gleichstrommaschinen 1.1.0 Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren 1.1.1 Mechanischer Aufbau der Gleichstrommaschinen 1.1.2 Anschlußbezeichnungen von Gleichstrommaschinen, Feldstellern und Anlassern 1.1.3 Bestimmung der Drehrichtungen von Gleichstrommaschinen 1.1.4 Funktion der Gleichstrommaschinen 1.1.5 Erregerarten der Gleichstromgeneratoren 1.1.6 Betriebsarten

1.3 Gleichstrommotoren 1.3.1 Wirkungsweise Stromdurchßossene Leiterschleife im Magnetfeld, Anlassen des Gleichstrommotors, Nebenschlußmotor, Reihenschlußmotor, Universalmotor, Doppelschlußmotor, Fremderregter Motor, Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren, Leonardschaltung, Leistungsmessungen, Verluste und Wirkungsgrade

1.3.2 Funkentstörung 1.3.3 Bremsschaltungen von Gleichstrommotoren 1.3.4 ScheibenlÀufermotor

1.5 Asynchronmaschinen fĂŒr Dreiphasenwechselstrom 1.5.1 Drehfeld 1.5.2 SchleifringlĂ€ufermotor Aufbau, Wirkungsweise, Betrieb/Betriebsverhalten, Drehmomente, Leistungsschild 1.5.3 KurzschlußlĂ€ufermotor Aufbau, Wirkungsweise, Anlauf, Hochlauf 1.5.4 Asynchronlinearmotor Aufbau, Wirkungsweise, Magnetschwebebahn 1.5.5 Anlaßverfahren der Drehstrom-Asynchronmotoren von KurzschlußlĂ€ufermotoren, von SchleifringlĂ€ufermotoren, allgemeine Bestimmungen ĂŒber Anlassen von Asynchronmotoren 1.5.6 Elektrische Bremsungen von Drehstrom-Asynchronmotoren Gegenstrombremsung, Gleichstrombremsung 1.5.7 Drehzahlsteuerungen von Drehstrom-Asynchronmotoren durch Beeinflussung des Schlupfes, durch Änderung der Frequenz, durch Änderung der Polpaarzahlen nach konventioneller bzw. nach neuester Methode (PAM-Wicklungen) 1.5.8 Spannungsumschaltungen von Drehstrom-Asynchronmotoren 1.5.9 Betriebliche und praktische GegenĂŒberstellungen von KurzschlußlĂ€ufermotoren und SchleifringlĂ€ufermotoren Vorteile des KurzschlußlĂ€ufermotors gegenĂŒber dem SchleifringlĂ€ufermotor, Vorteile des SchleifringlĂ€ufermotors gegenĂŒber dem KurzschlußlĂ€ufermotor 1.5.10 Elektrische Welle Aufbau und Schaltungsweise, Wirkungsweise der einfachen Wellenschaltung

1.6 Asynchronmaschinen fĂŒr Einphasenwechselstrom 1.6.1 Aufbau 1.6.2 Wirkungsweise Einschaltmoment, Anlauf 1.6.3 Spezieller Hilfsstrang 1.6.4 Spaltpolmotor Aufbau, Wirkungsweise 1.6.5 Drehstrom-Asynchronmotor am Einphasennetz Steinmetzschaltung

1.7 Synchronmaschinen 1.7.1 Aufbau Außenpolmaschine, Innenpolmaschine, DĂ€mpferwicklung, Erregermaschine 1.7.2 Wirkungsweise des Synchrongenerators Leerlauf, Belastung 1.7.3 Parallelschaltung Synchronisiervorgang, PrĂŒfung der Phasenlage, Lastverteilung 1.7.4 Wirkungsweise des Synchronmotors Anlaufbedingungen, Betriebsverhalten, Phasenschieber 1.7.5 Synchron-Kleinstmaschinen Synchron-Kleinstmotor, Drehstrom-Reluktanzmotor 1.7.6 Schrittmotoren Funktionsbegriff, Aufbau, Betriebsverhalten, Schrittfrequenz, Schrittwinkel

3 Drehzahlverstellung elektrischer Antriebe 3.1 Grundbegriffe der Stromrichtertechnik 3.1.1 Steuern der Energieflußrichtung 3.1.2 Einteilung der Stromrichter nach der Art der Kommutierung 3.1.3 Schutz von Stromrichtern 3.1.4 Ungesteuerte Stromrichter (Gleichrichter) 3.1.4.1 Einpulsschaltung (Einwegschaltung) Ml 3.1.4.2 Zweipuls-Mittelpunktschaltung M 2 3.1.4.3 Zweipuls-BrĂŒckenschaltung B 2 3.1.4.4 Dreipuls-Mittelpunktschaltung M 3 3.1.4.5 Sechspuls-BrĂŒckenschaltung (Drehstrom-BrĂŒckenschaltung) B 6 3.1.5 Dimensionierungshinweis fĂŒr Gleichrichterschaltungen 3.1.5.1 Spannungsbeanspruchung der Dioden 3.1.5.2 Strombeanspruchung der Dioden 3.1.5.3 Sicherungsauslegung

3.2 Gesteuerte Stromrichter fĂŒr Gleichstrommotoren 3.2.1 Impulssteuersatz 3.2.2 Halb- und vollgesteuerte Stromrichterschaltungen 3.2.3 Gleichrichterbetrieb 3.2.4 Wechselrichterbetrieb 3.2.5 Wechselrichtertrittgrenze 3.2.6 Zweipulsige vollgesteuerte BrĂŒckenschaltung B 2 3.2.7 Sechspulsige BrĂŒckenschaltung B 6 3.2.8 Halbgesteuerte BrĂŒckenschaltung B 2 HZ 3.2.9 Aufbau eines geregelten Stromrichters 3.2.10 Zusammenwirken von Stromrichter und Motor 3.2.10.1 Gleichstrom-Nebenschlußmotor 3.2.10.2 Motor und Stromrichter 3.2.10.3 Drehrichtungs- und Momentenumkehr mit Stromrichtern 3.2.11 Einsatzbereich von Gleichstrom-Nebenschlußmotoren 3.2.12 Gleichstromumrichter (Gleichstromsteller) 3.2.12.1 Funktion eines Gleichstromstellers 3.2.12.2 Steuerung der Ausgangsspannung 3.2.12.3 Einsatz von Gleichstromstellern 3.2.12.4 4-Quadranten-Betrieb mit mechanischer Umschaltung 3.3 Drehzahlsteuerung des Drehfeldmotors/Drehstrommotors mittels Frequenzumrichtern 3.3.1 Wechsel- und Drehstromsteller fĂŒr Induktionsmotoren 3.3.1.1 Steller fĂŒr Wechselstrommotoren 3.3.1.2 Steller fĂŒr DrehstromkurzschlusslĂ€ufermotoren 3.3.2 Drehzahlsteuerung beim Drehstrom-SchleifringlĂ€ufermotor 3.3.2.1 Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) 3.3.3 Umrichter mit Zwischenkreis 3.3.3.1 Umrichter mit Stromzwischenkreis 3.3.3.2 Umrichter mit Spannungszwischenkreis 3.3.3.3 Pulsumrichter (Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung)

Elektrische Maschinen

Unter einer elektrischen Maschine versteht man allgemein Generator oder auch Elektromotor. Der Generator wird von einer Arbeitsmaschine angetrieben und wandelt somit mechanische in elektrische Energie um. Der Motor treibt eine Arbeitsmaschinen an und wandelt somit elektrische in mechanische Energie um. Je nach Spannungsarten werden in der Praxis Gleich- und Wechselstrommaschinen eingesetzt.

1.1 Gleichstrommaschinen DC

1.1.1 Mechanischer Aufbau der Gleichstrommaschinen

Die Gleichstrommaschine ist mechanisch Ă€hnlich der bekannten Drehstrommaschine aufgebaut und besteht aus Stator und Rotor. Bei der Gleichstrommaschine nennt man dies StĂ€nder und Anker. Der Anker ist stets derjenige Teil, in dessen Wicklungen Spannungen induziert werden. Hierbei kann der Anker als drehender oder ruhender Teil ausgefĂŒhrt werden. So gehört z.B. die Gleichstrommaschine zu den Aussenpolmaschinen, hierbei ist der rotierende Teil der Anker. Bei der Synchronmaschine (Innenpolmaschine) ist der StĂ€nder der Anker, der drehende Teil das Polrad.

Mechanischer Aufbau StĂ€nder: Polkörper, Erregerwicklung, Wendepolwicklung, BĂŒrstenhalter, KohlebĂŒrsten, Lagerschilde, Gleitlager, Anschlussbrett

Anker: Ankerkörper, Ankerwicklung, Welle, Stromwender, LĂŒfter

a) StĂ€nder (Magnetgestell) Er stellt den ruhenden Teil der Maschine dar. Er wird aus massivem Werkstoff (Stahl-, Grauguss oder auch Aluminium) in einem StĂŒck oder in geschweisster Bauweise bzw. Aluminiumstrangguß hergestellt. Durch das Joch erfolgt der magnetische RĂŒckfluss. Im Inneren der Maschine befinden sich die ausgeprĂ€gten Hauptpole mit den dazugehörenden Erregerspulen. Bei mittleren und grösseren Maschinen werden zwischen den Hauptpolen die Hilfs- oder Wendepole angeordnet. Auf den Wendepolen ist die mit dickem Draht ausgefĂŒhrte Wendepolwicklung angeordnet, die in Gegenreihe zum Anker geschaltet ist. Zur Vermeidung der Wirbelstromverluste mĂŒssen die Polschuhe der Hauptpole aus geschichteten Dynamoblechen zusammengesetzt werden, die gegenseitig durch Lack oder Zunderung (frĂŒher auch Papier) isoliert werden.

Aus fertigungstechnischen GrĂŒnden werden oftmals die gesamten Hauptpole aus geschichteten Dynamoblechen hergestellt.

Die WicklungsanschlĂŒsse (Erreger- und Ankerwicklung) werden zum Anschlussbrett herausgefĂŒhrt und dort je nach Schaltungsart miteinander verbunden.

b) Anker

Der genutete Ankerkörper ist aus Dynamoblechen zusammengeschichtet, um ebenfalls Wirbelstrombildung zu verhindern. Die von den Nuten aufgenommene Ankerwicklung wird je nach Strombelastung als Runddraht oder Profilstab ausgefĂŒhrt. Wegen der grossen FliehkrĂ€fte muss die Wicklung in den einzelnen Nuten durch StĂ€be aus Isoliermaterialien , Kunststoffen oder Holz, gesichert werden. Meistens wird um die komplette Ankerwicklung noch eine zusĂ€tzliche Bandage aus Draht, Fieberglas o.Ă€. gezogen. Die Ankerwicklung ist in sich geschlossen und besteht aus einzelnen Teilspulen. Durch die rĂ€umlich angeordneten einzelnen Ankerspulen werden im konstanten Magnetfeld Wechselspannungen induziert, die gegeneinander zeitlich verschoben sind. Der Anfang einer Spule und das Ende der nĂ€chsten werden in die Lötfahne einer Stromwenderlamelle (Kollektor) gefĂŒhrt und dort durch Weich- oder Hartlot verbunden.

Der Wickeldraht kann mit veschiedenen Materialien isoliert sein. Die Isolierstoffe sind nach VDE 0530 in Klassen eingeteilt. Diese Klassen sind nach Buchstaben, jedoch nicht alphabetisch, geordnet. Die wichtigsten Bezeichnungen sind: Klasse B - Dauertemperatur max. 130°C, F - 155°C, H - 180°C, C - >180°C.

Ein Datenblatt, Liste 001x, erhalten Sie auf Wunsch.

Die Ankerwicklung kann als ohmscher Widerstand mit — je nach Polzahl und Wicklungsart — zwei bzw. mehreren parallelen Ankerzweigen aufgefasst werden.

c) Stromwender Der Stromwender (Kollektor, Kommutator) besteht aus einzelnen in Umfangsrichtung angeordneten Hartkupferlamellen. Die Lamellen sind einzeln und gegen die Welle durch Glimmerzwischenlagen, Mikanitplatten oder anders isoliert. Bei kleinen Maschinen wird der Stromwender auf die Welle gepresst, bei grossen Maschinen wird er zusÀtzlich durch eine Passfeder (Wellenkeil) gesichert.

Er hat die Aufgabe, die induzierte Wechselspannung in der Ankerwicklung in die Gleichspannung des Netzes umzuformen. Die elektrische Verbindung zwischen Stromwender und dem ruhenden Teil wird durch KohlebĂŒrsten aus Graphit oder Kupferbronce hergestellt. Diese befinden sich im BĂŒrstenhalter, die es gestatten, je nach Bedarf den geforderten Druck der BĂŒrste (etwa 2 N ‱ cm-2) auf den Stromwender einzustellen.

Durch die dauernde BerĂŒhrung sind die KohlebĂŒrsten, die Kollektoren und durch den Abrieb auch die Anker störanfĂ€llig und bedĂŒrfen einer regelmĂ€ssigen Wartung. Der Stromwender ist damit ein empfindlichen Bauteil der Gleichstrommaschine.

1.1.a Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren DC

Nebenschlußmotoren: Im Normalfall verwendet man heute zur Drehzahlregelung bei Nebenschlußmotoren Thyristorstromrichter. (Siehe Abschnitt 3.1 und 3.2) Hiermit wird im Allgemeinen die Ankerspannung von Null bis zur Nennspannung und damit die Nenndrehzahl von Null bis zum Maximum verĂ€ndert. Bei grĂ¶ĂŸeren GerĂ€ten sind normalerweise bereits FeldschwĂ€chgerĂ€te integriert, mit denen die Feldspannung und damit die Magnetisierung in der Feldwicklung reduziert werden kann. Hierdurch erhöht sich die Drehzahl ĂŒber die Nenndrehzahl hinaus.

Achtung Unfallgefahr ! Die Drehzahl darf nur auf die maximal angegebenen Werte des Typenschildes erhöht werden. Eventuell ist RĂŒckfrage beim Hersteller erforderlich. Es droht die Zerstörung der Maschine.

Vorsicht Unfallgefahr ! Die Anschlußleitungen zur Feldwicklung bei Nebenschlußmotoren mĂŒssen sorfĂ€ltig und bruchsicher verlegt werden, da beim Lösen der Leitungen FeldschwĂ€chung eintritt und der Motor durchgeht, d.h. sich die Drehzahl ĂŒber die zulĂ€ssige Grenze hinaus erhöht. Es droht die Zerstörung der Maschine.

Reihenschlußmotoren: Hier ist die Drehzahl belastungsabhĂ€ngig. Die Motoren dĂŒrfen nicht ohne Belastung betrieben werden.

Vorsicht Unfallgefahr ! Es ist darauf zu achten, daß alle Kraftverbindungen ĂŒberdimensioniert und stĂ€ndig gewartet werden, da der Motor ebenfalls durchgeht, wenn er nicht belastet wird. Es droht die Zerstörung der Maschine.

Absicherung gegen Zerstörung: Einbau von DrehzahlĂŒberwachungsgerĂ€ten

1.1.2 Anschlussbezeichnungen von Gleichstrommaschinen, Feldstellern und Anlassern Die Anschlussbezeichnungen fĂŒr Gleichstrommaschinen sind in den VDE-Vorschriften 0570 festgelegt worden. z.B.:

A1-A2 (frĂŒher A-B) = Anker B1-B2 (frĂŒher G-H) = Wendepolwicklung C1-C2 = Kompensationswicklung D1-D2 (frĂŒher E-F) = Reihenschlußwicklung E1-E2 (frĂŒher C-D) = Nebenschlußwicklung fĂŒr Selbsterregung F1-F2 (frĂŒher I-K) = Fremderregte Feldwicklung usw.

a) Feldsteller Soll die Spannung eines fremderregten Generators, Nebenschluss- oder Doppelschlussgenerators bei Belastung konstant gehalten werden, schaltet man in Reihe mit der Erregerwicklung einen Feldsteller. Der Feldsteller ist ein hochohmiger, verĂ€nderlicher Widerstand. Er wird auch fĂŒr DrehzahlĂ€nderungen von Gleichstrommotoren angewendet. Wird der Feldsteller vor das Erregerfeld geschaltet, sind die Anschlußbezeichnungen folgende:

1. Anschluß t an positiven Netzpol (L+) oder an positiven Ankeranschluß; 2. Schleifer s an Nebenschlußwicklungsanschluß E l oder fremderregte Wicklung Fl; 3. Kurzschlußkontakt q an negativen Netzpol (L-) oder negativen Ankeranschluß. Der Kurzschlußkontakt q hat hierbei die Aufgabe, beim Abschalten des Erregerstromes die Wicklung kurzzuschließen und somit eine GefĂ€hrdung der Wicklung durch zu hohe Selbstinduktionsspannung und den damit verbundenen starken Lichtbogen auszuschließen. b) Anlasser

Im Gegensatz zum Feldsteller wird der Anlasser als relativ niederohmiger Vor- oder Begrenzungswiderstand in Reihe mit dem Anker geschaltet. Im Einschaltaugenblick des Motors begrenzt dieser Widerstand den Anlaufstrom bei normaler Vollast etwa auf das l,5fache des Nennstromes. Normale Anlasser sind nur fĂŒr S2-Betrieb ausgelegt, dĂŒrfen also nur zum Anlassen verwendet werden. Die AnschlĂŒsse des Anlassers sind:

L = Anschluß vom positiven Netzpol L+ R = Anschluß zum Anker (Rotor) M = Anschluß zur Nebenschlußwicklung (Magnetfeld) c) Stellanlasser (Steueranlasser)

HĂ€ufig werden Anlasser und Feldsteller zu einer Baueinheit zusammengefĂŒgt. Die ersten Kontakte sind Anlasserstufen, die letzten Kontakte werden dem Feldsteller zugeordnet. Mit den Anlaßstufen begrenzt man den Anlaßspitzenstrom und steuert zusĂ€tzlich die Motordrehzahl bis zur Nenndrehzahl. Mit dem Feldsteller fĂŒhrt man eine FeldschwĂ€chung durch und erreicht damit eine DrehzahlĂ€nderung ĂŒber Nenndrehzahl.

Der Stellanlasser wird in der Praxis fĂŒr Nebenschluß- und Doppelschlußmotoren eingesetzt. Die Drahtquerschnitte mĂŒssen fĂŒr Dauerbelastung ausgelegt sein.

1.1.3 Bestimmung der Drehrichtungen von Gleichstrommaschinen

Die Drehrichtung fĂŒr Generator und Motor wird von der Antriebsseite bzw. Abtriebsseite (Wellenseite) bestimmt. Normalerweise werden die Maschinen in der Praxis fĂŒr Rechtslauf (Uhrzeigersinn) ausgelegt. In SonderfĂ€llen muß die Richtung der Maschine angegeben werden. Bei den Schaltbildern von Gleichstrommaschinen kann die Drehrichtung nicht wie gewöhnlich nach der Generator- oder Motorregel bestimmt werden;

hier gelten besondere Bestimmungen. Gleichstrommaschine von der der Stromwenderseite entgegengesetzten Seite aus KurzschlußlĂ€ufer von der Abtriebsseite aus


a) Generator

Durchfließt der Strom die Erregerwicklung in alphanumerischer Reihenfolge (F 1—F2), wird die Ankerklemme A l bei Rechtslauf der positive Pol.

Achtung ! Bei DrehrichtungsĂ€nderung können bei selbsterregten Generatoren nur die AnkeranschlĂŒsse vertauscht werden. Ein Vertauschen der FeldanschlĂŒsse ist nicht möglich, sie wĂŒrde eine Zerstörung der Remanenz mit sich bringen. Nur bei fremderregten Generatoren können die FeldanschlĂŒsse geĂ€ndert werden. Trotz DrehrichtungsĂ€nderung muß die PolaritĂ€t des Netzes unbedingt erhalten bleiben.

Bei Generatoren wird die Ankerwicklung als Energieerzeuger betrachtet, die Richtung des Stromes lĂ€uft von A l oder A 2 zum Netz. Die Erregerwicklung wird als Energieverbraucher angesehen, der Strom fließt von F l nach F 2. b) Motor Fließt der Strom in alphanumerischer Folge durch Anker- und Erregerwicklung, erhĂ€lt der Motor den Drehsinn «Rechtslauf». Wird die Stromrichtung in der Anker- oder Erregerwicklung vertauscht, so Ă€ndert man die Drehrichtung. Werden beide Stromrichtungen verĂ€ndert, bleibt die Drehrichtung erhalten.

Bei den Motoren wird sowohl die Anker- als auch die Erregerwicklung als Energieverbraucher betrachtet. Der Strom fließt bei Rechtslauf in alphanumerischer Reihenfolge vom Netz zum Motor durch die Wicklung. 1.1.4 Funktion der Gleichstrommaschinen (Generator bzw. Motor) Die Gleichstrommaschinen können sowohl als Generator wie auch als Motor eingesetzt werden. In den Grundschaltungen bleiben beide Maschinen gleich.

a) Generator

Der Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Er muß von einer Kraftmaschine angetrieben werden, damit durch Drehbewegungen Feldlinien geschnitten werden und somit in den Ankerleitern die Urspannung U0 entsteht.

Die Generatorregel lautet:

HĂ€lt man die rechte Hand so, daß die Feldlinien vom Nordpol her auf die InnenflĂ€che der Hand auftreffen und der abgespreizte Daumen in die Bewegungsrichtung zeigt, so fließt Induktionsstrom in der Richtung der ausgestreckten Finger.

Wird der Generator belastet, fließt durch die Ankerwicklung mit dem inneren Widerstand Ri, der Belastungsstrom IA, der den inneren Spannungsfall IA ‱ Ri verursacht. Die an den Klemmen A l und A 2 zur VerfĂŒgung stehende Klemmenspannung UKL ist um den Betrag des inneren Spannungsfalls geringer. Der Unterschied von U0 — UK1 = /a ‱ Ri ist erforderlich, um den Strom IA durch den Innenwiderstand zu treiben. Der innere Spannungsfall ist der Urspannung U0 entgegengerichtet, die somit höher als die Klemmenspannung sein muß. Nach dem Ohmschen Gesetz fĂŒr Gleichstrommaschinen lautet die Spannungsformel fĂŒr den Generator:

UKl = U0- IA-Ri, wobei Ri = innerer Gesamtwiderstand ist, der von /A durchflossen wird.

Bei Generatoren ist der «Drehwille» (Gegendrehmoment) immer entgegengesetzt der Antriebsdrehrichtung

Die Lenzsche Regel lautet:

Jeder von einer induzierten Spannung hervorgerufene Strom ist so gerichtet, daß sein Magnetfeld die erzeugende Bewegung hemmt. Wird die Spannungsformel UKl = U0 — IA ‱ Ri mit dem Ankerstrom IA multipliziert unter BerĂŒcksichtigung der Erregerverluste, ergibt sich die Leistungsformel fĂŒr normale Generatoren (Nebenschluß- und Doppelschlußgeneratoren) UKl ‱ INetz = U0 ‱ IA - IA2 ‱ Ri - Ie2 ‱ RNebenschluss U0 ‱ Ia= Ankerleistung

UKL ‱ INetz= Netzleistung (Nennleistung)

IA2 ‱ Ri= innere elektrische Verluste

Ie2 ‱ RNebenschluß= Verluste Nebenschlußfeld



Die genormten Netzspannungen sind 110 V, 220 V und 440 V. Um die Spannungsverluste in den Zuleitungen zum Verbraucher auszugleichen, werden die Generatorspannungen ĂŒber 110 V um etwa 5% erhöht, z.B. 115 V, 230 V und 460 V. b) Motor Der Unterschied zwischen Generator und Motor besteht lediglich in der Stromrichtung bzw. zwischen dem Spannungsunterschied der Klemmenspannung UKL, und der induzierten Gegenspannung u0 bei Belastung. Da der Motor im Gegensatz zum Generator elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, muss die Klemmenspannung um den inneren Spannungsfall IA ‱ Ri grösser sein als die induzierte Gegenspannung Uo. Die elektrische Energie fliesst vom Netz zum Motor. Die Spannungsformel fĂŒr den Motor lautet:

UKL= u0+ia‱Ri Beim Motor wirkt das Drehmoment der angetriebenen Maschine dem inneren Motor-Drehmoment entgegen. Die Leistungsformel lautet: UKL‱ INetz= U0‱ IA + IA2 ‱ Ri + Ie2 ‱ RNebenschluss Zusammenfassung Gleichstrommaschinen können je nach Stromrichtung und Ă€usserer Schaltung ihre Energieform in die eine oder in die andere Richtung umformen.

Sollen die Nenndaten der Maschine erhalten bleiben, muss der Generator, als Motor betrieben, eine höhere Ankerspannung erhalten. Bei ÜberfĂŒhrung in den Generatorzustand muss die Antriebsdrehzahl oder der magnetische Fluss erhöht werden.

1.1.5 Erregerarten der Gleichstromgeneratoren

Die verschiedenen Erregerarten der Gleichstromgeneratoren unterscheiden sich hinsichtlich der Erzeugung des magnetischen Feldes. Man unterscheidet grundsÀtzlich drei verschiedene Erregerarten:

a) Fremderregung

Wird der Erregerstrom einer fremden Spannungsquelle (z.B. Batterie. Gleichstromgenerator) entnommen, so wird die Maschine fremderregt.

b) Selbsterregung

Die gebrÀuchlichste Erregerart ist die Selbsterregung. Durch den Restmagnetismus der Hauptpole und des Joches wird in der Ankerwicklung des hochfahrenden Generators eine geringe Spannung induziert (etwa 2 bis 4°/o der Nennspannung). Diese reicht aus, um den Generator auf seine volle Klemmenspannung zu erregen. Die Spannung schaukelt sich auf. Ein Fehlen der Selbsterregung kann folgende Ursachen haben:

1. Falsche Drehrichtung des Generators. 2. Das Erregerfeld ist dem Restmagnetismus durch den Erregerstrom entgegengerichtet. 3. Kein Restmagnetismus vorhanden. Man unterscheidet drei Arten von Selbsterregungen: 1. Reihenschlusserregung. 2. Nebenschlusserregung. 3. Doppelschlusserregung.

c) Eigenerregung

Unter Eigenerregung versteht man die Erregung einer Hauptmaschine durch einen selbsterregten Generator. Beide Maschinen sind direkt mechanisch durch eine Welle bzw. ĂŒber Treibriemen, Ketten- oder Zahnradtrieb miteinander verbunden und werden nur eigens fĂŒr diesen Zweck verwendet.

1.1.6 Betriebsarten Die Betriebsarten von elektrischen Motoren werden lt. VDE 0530 «Regeln fĂŒr elektrische Maschinen» in verschiedene Belastungsgruppen eingeteilt. Die Motoren mĂŒssen so bemessen werden, dass die zulĂ€ssigen Wicklungstemperaturen bei den jeweiligen Arbeitsverfahren nicht ĂŒberschritten werden. Um den Motor auch bei Schaltbetrieb voll ausnutzen zu können, wird fĂŒr die Nennleistung die mittlere quadratische Leistung eingesetzt. Die mittlere quadratische Leistung wird aus folgender Formel bestimmt: ________________________ Pm = Ö ((PÂČ1 * t1 + PÂČ2*t2)/(t1 + t2))

Belastungsdauer t = t1 + t2 Zeit der Ruhepause = tr Spieldauer = t + tr Bei der Bestellung oder Planung dieser Motoren gibt die relative Einschaltdauer ED das VerhÀltnis von Belastungsdauer zur Spieldauer an.

ED = Belastungsdauer/(Belastungsdauer + Pause) * 100%

ED = t / (t +tr ) * 100%

ED = Belastungsdauer / Spieldauer * 100%

Die Normwerte fĂŒr die relative Einschaltdauer sind 15%, 25%, 40%, 60%, bezogen auf eine Spieldauer von max. 10 min. Eine abweichende Spieldauer muß auf dem Leistungsschild der Maschine angegeben werden. Wird eine elektrische Maschine vor der vorhandenen Nennleistung im Dauerbetrieb (S1) auf eine Betriebsart mit aussetzendem Betrieb umgerechnet, kommt folgende Formel zur Anwendung:

PÂČ1 * ED1 = PÂČ2 * ED2

Beispiel

Ein Drehstrommotor P1 = 8 kW, fĂŒr Dauerbetrieb (ED1 = 100%) ausgelegt, soll fĂŒr eine relative Einschaltdauer von ED2 = 40% und 10 min. Spieldauer eingesetzt werden. Wie groß darf die Leistung P2 des motors sein ? Wie lange sind Belastungsdauer und Pause ? ___________ P2 = P1 * Ö (ED1 / ED2) ___________ P2 = 8 kW * Ö (100% / 40%) = 8 kW * 1,58 = 12,64 kW

ED = Belastungsdauer/(Belastungsdauer + Pause) * 100%

Belastungsdauer = (ED/100%) * Spieldauer

Belastungsdauer = (40%/100%) * 10 min. = 4 min.

Pause = Spieldauer - Belastungsdauer

Pause = 10 min. - 4 min. = 6 min.

Bemerkung Dieser Motor mit einer Nennleistung von 8 kW kann durch die kurzzeitige Belastung von 4 min. Belastungsdauer in seiner Motorleistung um das 1,58fache erhöht werden. Ebenso kann ein kurz-ED-Motor mit entsprechend verminderter Leistung dauerbelastet werden.

(Das Datenblatt Betriebsarten mit Angaben ĂŒber S1 bis S8, Liste-Nr. 001y kann auf Wunsch bezogen werden.)

1.1.7 Bauformen der elektrischen Maschinen (Ein Datenblatt, Liste- Nr. 001x steht auf Wunsch zur VerfĂŒgung)

1.1.8 Schutzarten (Ein Datenblatt, Liste- Nr. 001y steht auf Wunsch zur VerfĂŒgung)


1.3 Gleichstrommotoren DC

13.1Wirkungsweise 1.3.1.1 Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld

Befindet sich eine drehbare, Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld, erfÀhrt diese eine Ablenkung, deren Richtung nach der Motorregel (linke Hand) bestimmt ist. Die Motorregel lautet:

HĂ€lt man die linke Hand so, dass die Feldlinien vom Nordpol in die InnenflĂ€che der Hand eintreten und die ausgestreckten Finger in Stromrichtung zeigen, so zeigt der abgespreizte Daumen die Ablenkrichtung des Leiters an. Erreger- und Ankerfeld bilden zusammen ein resultierendes Magnetfeld, das ein Drehmoment M = 2 ‱ F ‱ R am Ankerumfang ausĂŒbt. Das entwickelte Drehmoment ist gleich dem angenĂ€herten Produkt aus Magnetfeld 0 und Ankerstrom /A. M ~F‱ /A Nach dem Induktionsgesetz entsteht in der Leiterschleife eine Induktionsspannung, wenn diese durch Drehbewegung von Kraftlinien geschnitten wird. Diese Spannung ist beim Motor die Gegenspannung U0 (beim Generator die induzierte Spannung U0), die der Ursache, der angelegten Klemmenspannung UKL, entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Die Richtung der Gegenspannung wird nach der Generatorregel (rechte Hand) bestimmt. Ihre Grösse ist vom Magnetfeld 0 und der Drehzahl n der Leiterschleife abhĂ€ngig. u0 ~ F ‱ n Wird die Leiterschleife mit dem Stromwender verbunden, findet in der neutralen Zone eine Kommutierung statt, so dass die Stromrichtungen unter dem Nord- und SĂŒdpol gleich bleiben. Deshalb entsteht eine fortlaufende Rotation. Das gleiche Prinzip liegt auch bei mehreren Leitern in einem lamellierten und genuteten Ankerkörper vor. Ein Vertauschen der AnschlĂŒsse von Erregerwicklung oder Leiterschleife ruft eine Drehrichtungsumkehr hervor. 1.3.1.2 Anlassen des Gleichstrommotors

Beim direkten Einschalten von grösseren Gleichstrommotoren (etwa ab l kW Nennleistung) treten erhebliche Stromerhöhungen auf. die eine BeschÀdigung der Stromquelle, des Netzes bzw. der Ankerwicklung des Motors zur Folge haben können. Der Grund des hohen Einschaltstromes liegt in der fehlenden induzierten Gegenspannung U0. Im Stillstand wird der Strom allein durch den sehr kleinen Ankerwiderstand RA begrenzt. Durch Vorschalten eines Anlasswiderstandes zum Ankerkreis kann der Anlassspitzenstrom auf ein Mindestmass begrenzt werden. Der Einschaltstrom wird nach dem Ohmschen Gesetz der Gleichstrommaschine bestimmt.

Sobald sich der Anker dreht, wird eine Gegenspannung u0 induziert. Der Anlasswiderstand wird nun stufenweise abgeschaltet, die Spannungsdifferenz zwischen Klemmenspannung UKL und Gegenspannung u0 wird verringert. Je nach Verwendungszweck kommen in der Praxis zur AusfĂŒhrung:

a) Anlasser fĂŒr Kurzzeitbetrieb (normales Anlassen) b) Anlasser fĂŒr Dauerbetrieb (normales Anlassen und Drehzahlsteuerung bis Nenndrehzahl).

Im Leerlauf (unbelasteter Zustand) ist die Gegenspannung fast gleich der Klemmenspannung. Der innere Spannungsfall DU = UKl — U0 lĂ€sst nur einen geringen Strom fliessen. Sobald der Anker durch ein Gegenmoment von aussen belastet wird, verringert sich die Drehzahl und damit gleichzeitig die Gegenspannung. Der innere Spannungsfall wird grösser und somit auch der Ankerstrom. Dieser wird aber benötigt, damit der Motor bei grösserer Belastung das Gegenmoment ĂŒberwinden kann. Die Gegenspannung gilt als eigentlicher Regulator des Motors. Sie passt sich den BelastungsverhĂ€ltnissen an und regelt automatisch die Stromaufnahme des Motors.

Die normal verwendeten Stromrichter (siehe 3.1 - 3.2) beinhalten bereits einen Sanftanlauf mit Stromreduzierung, da die Spannung automatisch langsam hochgeregelt wird.

1.3.1.3 Nebenschlussmotor

Beim Nebenschlussmotor ist die Erregerwicklung E1—E2 parallel zur Ankerwicklung Al-B2 geschaltet. Beide Wicklungen liegen unmittelbar an der gleichen Netzspannung. In Reihe mit dem Anker liegt der Anlasswiderstand (Begrenzungswiderstand), der den Ankerstrom IA auf das geforderte Mass begrenzt. Die Erregerwicklung (Nebenschlusswicklung) liegt schon beim Einschaltvorgang an voller Netzspannung und wird durch den Erregerstrom Ie sofort voll erregt. Das Magnetfeld ist somit nicht vom Belastungsstrom und der Drehzahl des Ankers abhĂ€ngig.

Ein Nebenschlussmotor erreicht deshalb im Anlauf mit konstantem Magnetfluss (ohne Einfluss der AnkerrĂŒckwirkung) sein höchstes Drehmoment M ~ IA.

Im Gegensatz zum Reihenschlussmotor, dessen Drehmoment quadratisch mit dem Strom ansteigt, werden diese Motoren nur fĂŒr Antriebe verwendet, die im Anlauf ein kleines bis mittleres Gegenmoment ĂŒberwinden mĂŒssen.

Im Anlaufmoment ist der Anlasswiderstand voll eingeschaltet, und das Magnetfeld ist in voller Höhe erregt. Am Anlasswiderstand fĂ€llt dabei der grĂ¶ĂŸte Teil der Netzspannung ab, der Rest am Anker.

Nach der Formel n ~ U0 / FverhÀlt sich die Motordrehzahl bei konstantem Magnetfeld 0 linear zur induzierten Gegenspannung uo im Anker n ~ U0 .

Aus dieser Erkenntnis heraus kann mit dem Anlasswiderstand die Drehzahl des Motors bis zur Nenndrehzahl gesteuert werden.

Der Nachteil dieser unwirtschaftlichen Drehzahlsteuerung liegt in der grossen Verlustleistung im Anlasser (PV = IA2 ‱ RV), wodurch sich ein schlechter Gesamtwirkungsgrad ergibt.

Im Nennbetrieb erhÀlt der Anker die volle Netzspannung nach der Formel

n ~ (UKl - IA ‱ Ri) / F Die Motordrehzahl wird durch die Differenz U0 = UKl - IA ‱ Ri bestimmt. Der SpannungsfallIA- Ri, zwischen Leerlauf und Nenndrehzahl bei konstanter Klemmenspannung stellt einen kleinen Wert dar. Der Motor bleibt in seiner Drehzahl fast konstant. Eine wirtschaftliche Drehzahlsteuerung wird durch Drehzahlerhöhung erreicht, indem das Magnetfeld der Nebenschlusswicklung durch einen Feldsteller geschwĂ€cht wird. Bei konstanter Netzspannung und konstantem Ankerstrom /A lautet die Formel n ~ 1/F, d.h., die Drehzahl ist umgekehrt proportional dem Magnetfeld F. Bei einer SchwĂ€chung des Erregerfeldes wird die induzierte Gegenspannung u0 im Augenblick geringer. Die erhöhte Spannungsdifferenz (Spannungsverlust in der Maschine) D U = UKl - u0im Anker treibt einen grösseren Ankerstrom durch den Ankerkreis, was wiederum ein grösseres Motormoment zur Folge hat. Die Drehzahl steigt so lange an, bis der Ankerstrom IA wieder so weit zurĂŒckgeht, dass das Motormoment ausreicht, um das Lastmoment zu ĂŒberwinden. Eine FeldschwĂ€chung hat immer einen RĂŒckgang des Motormoments zur Folge; die Leistungsminderung wird durch die Drehzahlerhöhung wieder ausgeglichen. Wird bei einem leerlaufenden Nebenschlussmotor das Feld sehr stark geschwĂ€cht, steigt die Drehzahl entsprechend an; der Motor geht durch. In SonderfĂ€llen wird der Motor mit einer Hilfsreihenschlusswicklung ausgelegt, um ein unstabiles Drehzahlverhalten durch die AnkerrĂŒckwirkung zu vermeiden.

Vorsicht Unfallgefahr ! Die Anschlußleitungen zur Feldwicklung bei Nebenschlußmotoren mĂŒssen sorfĂ€ltig und bruchsicher verlegt werden, da beim Lösen der Leitungen FeldschwĂ€chung eintritt und der Motor durchgeht, d.h. sich die Drehzahl ĂŒber die Nenndrehzahl erhöht.

Zusammenfassung

a) Der Nebenschlussmotor ist im mechanischen Aufbau wie der Nebenschlussgenerator ausgefĂŒhrt. b) Die Drehzahl Ă€ndert sich kaum mit Belastung: Der Motor ist in seinem Drehzahlverhalten sehr stabil. Der Nebenschlussmotor wird dort eingesetzt, wo eine gleichmĂ€ssige Drehzahl erforderlich ist, z.B. bei Werkzeugmaschinen und PersonenaufzĂŒgen.

c) Die Drehzahlsteuerung kann sowohl unterhalb sowie oberhalb der Nenndrehzahl erfolgen. d) Eine Drehrichtungsumkehr wird meistens im Ankerkreis mit einem Wendeschalter vorgenommen. Der Anlasswiderstand muss mit der Erregerwicklung leitend (galvanisch) verbunden werden, damit im Ausschaltaugenblick die hohe Selbstinduktionsspannung der Wicklung ĂŒber dem Anlasser und Ankerkreis kurzgeschlossen wird. 1.3.1.4 Reihenschlussmotor

Beim Reihenschlussmotor liegen Anker- und Erregerwicklung in Reihenschaltung und werden somit vom gemeinsamen Strom / durchflossen, der gleichzeitig Erregerstrom /E und Ankerstrom /A ist.

Im Leerlauf (bei Entlastung) hat der Motor sein geringstes Moment zu ĂŒberwinden. Somit ist auch der aufgenommene Strom / sehr gering. Er wird nach folgender Formel bestimmt:

I = (UKl - U0) / (RA + RW + RH)

RA = Widerstand der Ankerwicklung

RW= Widerstand der Wendepolwicklung

RH= Widerstand der Hauptwicklung



Der geringe Strom baut nur ein geringes Erregerfeld auf. Um die Gegenspannung aufrechtzuerhalten, die wegen der geringen SpannungsfÀlle nur wenig kleiner als die Klemmenspannung ist, muss die Drehzahl entsprechend hohe Werte annehmen. Die angenÀherte Formel lautet (wie beim Nebenschlussmotor):

u0 ~ F ‱ n n ~ U0 / F

Vorsicht Unfallgefahr ! Die Drehzahl verhÀlt sich bei konstanter Klemmenspannung umgekehrt zum Magnetfeld F . Der Reihenschlussmotor kann deshalb im Leerlauf eine hohe Drehzahl annehmen, so dass der Anker durch die hohen mechanischen Beanspruchungen (FliehkrÀfte) gefÀhrdet ist; er geht durch. Um dies zu vermeiden, muss der Reihenschlussmotor immer mit der anzutreibenden Maschine direkt oder starr gekuppelt werden. Im Anlauf fliesst durch die Erregerwicklung ein krÀftiger Strom, der ein starkes Erregerfeld aufbaut.

Im Gegensatz zum Nebenschlussmotor, dessen Drehmoment linear mit dem Ankerstrom bei konstantem Magnetfeld steigt, wird bei einem Reihenschlussmotor (im ungesĂ€ttigten Bereich des Eisens) das Motormoment quadratisch mit dem Ankerstrom ansteigen M ~ I2, da das Magnetfeld sich proportional mit dem Strom Ă€ndert (M ~ F ‱ I, F ~ I, M ~ I ‱ I => M ~ I2) .

Das treibende Motormoment ist im Anlauf daher sehr gross; so benötigt der Motor fĂŒr ein vierfaches Nenndrehmoment nur eine zweifache Nennstromaufnahme aus dem Netz.

Reihenschlussmotoren haben deshalb von allen Gleichstrommotoren das höchste Drehmoment. Sie werden vorwiegend fĂŒr schwere Lasten verwendet. (Auch als Fahrmotoren, Bahnen etc.)

Zum Anlassen des Motors kann wie bei jedem Gleichstrommotor ein verÀnderbarer Anlasswiderstand vorgeschaltet werden. Seine Drehzahl kann damit bis zur Nenndrehzahl gesteuert werden.

Zusammenfassung

Anker- und Erregerwicklung liegen in Reihe und werden vom gemeinsamen Strom I durchflossen. Die Erregerwicklung wird wegen des starken Belastungsstromes mit wenigen Windungen und starkem Querschnitt ausgefĂŒhrt. Die Drehzahl Ă€ndert sich sehr stark bei Belastung. Im Leerlauf neigt der Motor zum Durchgehen und darf deshalb nur starr verbunden werden. Im Anlauf entwickelt er ein krĂ€ftiges Moment. Die VerĂ€nderung der Motordrehzahl kann folgendermassen vorgenommen werden: Drehzahlerhöhung durch Nebenwiderstand zur Erregerwicklung oder Anzapfung der Erregerwicklung. Drehzahlminderung durch Vorwiderstand oder Reihenschaltung von zwei Motoren (Bahnmotoren). Der Reihenschlussmotor findet Anwendung bei Strassenbahnen, bei Elektrokarren, bei Schnellbahnen, bei Hebezeugen, als Autoanlasser. 1.3.1.5 Universalmotor AC + DC Der Universalmotor ist ein kleiner Reihenschlussmotor, der sowohl mit Gleichstrom als auch mit einphasigem Wechselstrom bei normaler Netzfrequenz betrieben werden kann. Man nennt ihn deshalb auch Allstrommotor. Da öffentliche Netze fast nur noch Wechselstrom fĂŒhren, wird der Universalmotor in erster Linie hierfĂŒr dimensioniert.

Er unterscheidet sich in der Bauform vom normalen Gleichstrommotor durch das gedrungene StĂ€nderpaket, das mit den Polschuhen ein StĂŒck bildet. Zur Vermeidung der Wirbelströme beim Betrieb von Wechselspannung ist das StĂ€nderpaket aus Dynamoblechen zusammengeschichtet.

Die Erregerwicklung ist symmetrisch zum Anker aufgeteilt. Hierdurch wirken die Teilspulen der Erregerwicklung wie Drosselspulen, die zur Funkentstörung beitragen. Aus technischen und rationellen GrĂŒnden wird der Anker mit seiner Wicklung maschinell hergestellt.

Im Gegensatz zum Einphaseninduktionsmotor, dessen synchrone Drehfelddrehzahlen durch Netzfrequenz und Polpaarzahl bestimmt werden, können mit dem Universalmotor Drehzahlen ĂŒber 3.000 min-1 bis 30.000 min-1 erreicht werden.

Da bekanntlich die Erregerwicklungen bei Wechselspannung neben dem ohmschen einen induktiven Widerstand besitzen, ist der Spannungsabfall an ihnen grösser; Drehzahl und Leistung gehen daher beim Übergang von Gleich- auf Wechselspannung um etwa 15% zurĂŒck.

Soll in SonderfĂ€llen fĂŒr beide Spannungsarten bis etwa 6.000 min-1 die Leistung konstant gehalten werden, wird die Erregerwicklung mit Anzapfungen (Zusatzwicklungen) ausgefĂŒhrt. Beim Gleichstrombetrieb erhĂ€lt der Motor einige Windungen mehr als bei Wechselstrombetrieb.

In seiner Wirkungsweise verhĂ€lt sich der Universalmotor wie ein normaler Gleichstrom-Reihenschlussmotor. Bei starker Belastung fliesst in der Anker- und der Erregerwicklung ein hoher Belastungsstrom. Beide Wicklungen erzeugen krĂ€ftige magnetische Felder, so dass der Motor in der Lage ist, ein starkes Drehmoment im Anlauf und im Betrieb zu entwickeln. Bei Entlastung werden der Strom und damit die Magnetfelder schwĂ€cher. Der Motor entwickelt dadurch eine höhere Drehzahl und kann durchgehen. Aus SicherheitsgrĂŒnden wird in einigen FĂ€llen auf die Motorwelle ein Fliehkraftschalter montiert, der bei kritischen Drehzahlen den Motor abschaltet oder einen ohmschen Widerstand zuschaltet. Eine einfache grobstufige und unwirtschaftliche Drehzahlsteuerung ist wie bei jedem Gleichstrommotor der Vorwiderstand. Eine feinstufige, aber ebenfalls nicht verlustlose Drehzahlsteuerung wird durch die Barkhausenschaltung erreicht. Ein ohmscher Widerstand wird als Potentiometer so geschaltet, dass ein Teil als Vorwiderstand Rv, der andere als Parallelwiderstand Rp zur Ankerwicklung liegt.

So neigt der Motor bei Leerlauf nicht mehr zum Durchgehen, er verliert dadurch den starren Reihenschlusscharakter. Motorwicklungen und Widerstand mĂŒssen aufeinander abgestimmt werden. FĂŒr spezielle Drehzahlsteuerungen, z.B. bei Handbohrmaschinen, wendet man heute Phasenanschnittsteuerungen durch Thyristoren oder Triac an.

Zusammenfassung

Der Universalmotor ist stets ein Reihenschlussmotor. Dadurch wirken die Erregerwicklungen wie Drosseln und bewirken eine Funkentstörung. ZusĂ€tzlich wird der Motor mit einem Breitbandentstörer entstört. Da die rĂ€umlichen Abmessungen sehr gering sind, können keine Wendepole untergebracht werden. Zur Behebung des LĂ€uferquerfeldes werden die BĂŒrsten um l bis 2 Stromwenderlamellen aus der neutralen Zone gegen die Drehrichtung verschoben. Diese hochtourigen Kleinstmotoren mit ihren Drehzahlen von 1500 min-1 bis 30000 min-1 sind in ihrer Leistung auf etwa 2000 W begrenzt. Die Anwendung des Motors ist sehr vielseitig, z.B. fĂŒr Handbohrmaschinen, Haushaltsmaschinen (Staubsauger, Mixer usw.) 1.3.1.6 Doppelschlussmotor Der mechanische Aufbau des Doppelschlussmotors entspricht dem eines Doppelschlussgenerators. Die Erregerwicklungen werden gewöhnlich so geschaltet, dass sie sich in ihrem magnetischen Verhalten unterstĂŒtzen (normalkompoundiert). Im unbelasteten Zustand (Leerlauf) verhĂ€lt er sich wie ein Nebenschlussmotor mit konstantem Magnetfluss F . Ein Durchgehen ist deshalb bei Entlastung nicht möglich.

Bei Belastung wird die Reihenschlusswicklung vom belastungsabhĂ€ngigen Ankerstrom durchflossen, das Nebenschlussfeld wird zusĂ€tzlich durch das Reihenschlussfeld unterstĂŒtzt. Der Motor erhĂ€lt ein gutes Anzugsmoment bei belastungsabhĂ€ngiger Drehzahl. Doppelschlussmotoren besitzen deshalb keine so steife Drehzahlkennlinie wie der normale Nebenschlussmotor und kein so hohes Drehmoment wie der Reihenschlussmotor. Je nach AusfĂŒhrung und Anwendung der Erregerwicklungen kann die eine oder andere Charakteristik des Motors annĂ€hernd erreicht werden.

In SonderfÀllen wird die Reihenschlusswicklung so geschaltet, dass sie der Nebenschlusswicklung entgegenwirkt (gegenkompoundiert). Dieses Verfahren ist nur dort anzuwenden, wo der Motor eine stabile Drehzahl bei verÀnderlicher Belastung (bis zur Nennlast) erreichen soll. Die Gegenkompoundierung soll möglichst vermieden werden, denn mit stÀrkerer Belastung wird auch das Hauptfeld schwÀcher, und das Drehmoment des Motors nimmt ab.

Bei grossen Belastungsstössen kann notfalls das Gegenmoment nicht mehr ĂŒberwunden werden, die Stromaufnahme aus dem Netz steigt durch die fehlende Gegenspannung in der Ankerwicklung an, die Sicherungen sprechen an.

Zusammenfassung

Beim Doppelschlussmotor werden die Nebenschluss- und Reihenschlusswicklungen gemeinsam auf einem Polkern untergebracht und am Anschlussbrett geschaltet. Das Anschlussbrett erhĂ€lt gegenĂŒber anderen Gleichstrommotoren 6 KlemmenanschlĂŒsse. Die Nebenschlusswicklung kann auch durch eine fremderregte Wicklung ersetzt werden. Bei der Wicklung F l — F 2 hat man am Anschlussbrett nur noch eine BrĂŒcke. Anwendung findet der Doppelschlussmotor dort, wo Leerlauf und Stossbelastungen zu erwarten sind, z.B. bei Pressen, Stanzen, Scheren. Durch sein weiches Drehmoment-Drehzahl-Verhalten bei Belastung passt er sich gut den Arbeitsbedingungen an. Die Drehzahl des Motors kann, wie bei jedem Gleichstromnebenschlussmotor, durch einen Anlasswiderstand oder Feldsteller verĂ€ndert werden. 1.3.1.7 Fremderregter Motor Der fremderregte Motor benötigt getrennte Spannungsquellen fĂŒr den Anker- und Erregerkreis. Er ist im mechanischen Aufbau wie der Nebenschlussmotor ausgefĂŒhrt. Statt der Anschlussbezeichnung E l — E 2 erhĂ€lt er die Bezeichnung F l — F 2. ZusĂ€tzlich mĂŒssen auf dem Leistungsschild die Erregerspannung und der Erregerstrom angegeben werden. Fremderregte Motoren werden z.B. als Spielzeugmotoren fĂŒr kleine Leistungen mit Dauermagneten versehen. Da Anker- und Erregerkreis galvanisch getrennt sind, bleibt bei einem SpannungsrĂŒckgang am Anker das Erregerfeld konstant.

Dadurch bleibt die Drehzahl im Vergleich zum Nebenschlussmotor stabiler. Ausserdem neigt der fremderregte Motor weniger zum Durchgehen als der Nebenschlussmotor. Eine DrehzahlĂ€nderung ist wie bei jedem Gleichstrommotor durch Anker- und Feldsteuerung möglich. Fremderregte Motoren werden heute dort verwendet, wo bei gleichbleibendem Nenndrehmoment die Drehzahlabweichung zwischen Leerlauf- und Nenndrehzahl gering sein soll, z.B. bei Leonardschaltung. Da es heute nur noch selten klassische Gleichstromnetze gibt, werden die Gleichstrommotoren meistens von Wechselspannung (Drehspannung) ĂŒber GleichrichtersĂ€tze gespeist. (siehe 3.1-3.2)

Vorsicht Unfallgefahr! Auch hier gilt: Die Fremderregungsspannung darf nicht unterbrochen werden. Durch die eintretende FeldschwĂ€chung wĂŒrde der Motor durchgehen.

Wird statt eines Anlassers ein Stelltransformator fĂŒr den Ankerkreis verwendet, so kann auf einfache Weise die Drehzahlsteuerung bei konstanter Erregung im unteren Drehzahlbereich fast verlustlos erfolgen.

Die BelastungsabhÀngigkeit der Drehzahl ist in jedem Bereich nur gering. Die Drehzahlverstellung im unteren wie auch im oberen Drehzahlbereich verhÀlt sich wie beim Nebenschlussmotor.

Zusammenfassung

Der fremderregte Motor ist im mechanischen Aufbau wie ein Nebenschlussmotor ausgefĂŒhrt. Er erhĂ€lt durch seine getrennten Gleichspannungsquellen eine gute DrehzahlstabilitĂ€t bei Nennlast. Fremderregte Motoren werden ĂŒberwiegend in der Steuer- und Regeltechnik,z.B. beim Leonardsatz, angewendet. Motoren mit sehr geringer Leistung werden mit Dauermagneten versehen, z.B. Spielzeugmotoren, Trockenrasierer usw. 1.3.1.8 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren FĂŒr die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren ergeben sich zwei Steuerungsarten:

Drehzahlsteuerung durch Änderung der Ankerspannung und Drehzahlsteuerung durch Änderung der Feldspannung. Bei der Drehzahlsteuerung durch SpannungsĂ€nderung am Anker liegt mit dem Ankerwiderstand ein Vorwiderstand RV (Stellwiderstand) in Reihe. Diese Steuerung lĂ€ĂŸt sich nur im Bereich von Null bis zur Nenndrehzahl (Betriebsdrehzahl) durchfĂŒhren. Die Drehzahl Ă€ndert sich hierdurch etwa proportional mit der anliegenden Spannung am Anker. Am Vorwiderstand fĂ€llt damit die restliche Spannung ab. Das bedeutet hohen Leistungsverlust und damit schlechten elektrischen Wirkungsgrad, außerdem wird die Drehzahl. sehr stark lastabhĂ€ngig. Diese Steuerungsmöglichkeit wird nur selten oder nur bei Motoren mit geringer Leistung angewendet. Durch die verminderte BelĂŒftung mĂŒssen diese Motoren im unteren Drehzahlbereich mit herabgesetztem Drehmoment arbeiten oder bei vollem Drehmoment mit FremdbelĂŒftung ausgelegt werden. Eine feinstufige und fast verlustlose Drehzahlsteuerung im unteren Drehzahlbereich wird meistens durch die Leonardschaltung erreicht. Eine weitere Möglichkeit, die Drehzahl des Gleichstrommotors zu verĂ€ndern, wird durch SpannungsĂ€nderung an der Erregerwicklung (FeldschwĂ€chung) hervorgerufen. Es kann also nur eine Steuerung im Drehzahlbereich ĂŒber Nenndrehzahl erfolgen. Bei gleichmĂ€ĂŸiger Belastung und konstanter Ankerklemmenspannung muß durch FeldschwĂ€chung der Ankerstrom infolge geringerer Gegenspannung ansteigen, bis Antriebsdrehmoment und Gegenmoment durch Drehzahlerhöhung ausgeglichen werden.

Das neue Motordrehmoment muß bei erhöhter Drehzahl zurĂŒckgehen, wenn die Motorleistung konstant bleiben soll. Damit eine UnstabilitĂ€t der Drehzahl vermieden wird, soll der Drehzahlbereich nicht grĂ¶ĂŸer als l:4 sein. Bei Entlastung (Reihenschlußmotor) oder stark eingestellter FeldschwĂ€chung (Nebenschlußmotor) können die Drehzahlen des Motors rapide ansteigen: Der Motor geht durch, der Anker erleidet mechanischen Schaden.

Achtung Unfallgefahr ! Die Drehzahl darf nur auf die maximal angegebenen Werte des Typenschildes erhöht werden. Eventuell ist RĂŒckfrage beim Hersteller erforderlich. Es droht die Zerstörung der Maschine. Abhilfe: Einbau einer DrehzahlĂŒberwachung, DrehzahlwĂ€chter mit Schaltkontakten.

1.3.1.9 Leonardschaltung

Bei der Leonardschaltung findet man eine feinstufige, belastungsunabhĂ€ngige und fast verlustlose Drehzahlsteuerung vor. Der Leonardsatz besteht aus verschiedenen Maschinen. Der eigentliche Steuersatz setzt sich aus dem fremderregten Steuergenerator G1 und dem fremderregten Steuermotor M2 zusammen. Bei beiden Maschinen sind die Anker elektrisch miteinander verbunden. Der Steuergenerator G1 wird von einem Drehstrommotor M1 mit gleichbleibender Drehzahl angetrieben. Die Erregerwicklungen der fremderregten Maschine werden von einer Erregermaschine G2 (selbsterregter Nebenschluß- oder Doppelschlußgenerator) gespeist. Die Erregermaschine kann aber auch durch einen Gleichrichtersatz ersetzt werden. Die Ankerspannung des Steuermotors M2 wird durch VerĂ€nderung des Feldstellers R1 vom fremderregten Steuergenerator G1 beeinflußt. Wird die Stromrichtung in der Erregerwicklung des Steuergenerators durch den Wendeschalter umgepolt, Ă€ndert sich auch die PolaritĂ€t der Ankerspannung.

Bleibende PolaritĂ€t der Erregung des zu steuernden Motors M2 und PolaritĂ€tsĂ€nderung am Anker dieses Motors verursachen DrehrichtungsĂ€nderung. Eine Drehzahlverstellung des Steuermotors M2 erfolgt ĂŒberwiegend im unteren Drehzahlbereich. Eine Drehzahlverstellung des Motors M2 im oberen Drehzahlbereich kann auch durch eine FeldschwĂ€chung erreicht werden. FĂŒr stoßartig belastete LeonardsĂ€tze wird zum Schutz des Netzes vor starken StromstĂ¶ĂŸen ein Schwungrad (Ilgnerrad) auf der Welle angebracht. Leonardsatz und Ilgnerrad ergeben dann den Ilgnerumformer. Der Antriebsmotor M1 muß hierbei ein elastisches Drehmoment-Drehzahl-Verhalten zeigen. Es werden deshalb meistens Induktionsmotoren mit verĂ€nderlichen LĂ€uferwiderstĂ€nden (SchleifringlĂ€ufermotoren) verwendet.

Vorteile

feinstufige und fast verlustlose Drehzahlsteuerungen, fĂŒr große Motorleistungen bis l:15 bei 6000 kW, fast unabhĂ€ngig von der Belastung (Nebenschlußcharakter), gute betriebsmĂ€ĂŸige Drehrichtungsumkehr (durch Anker- oder Feldumpolung), fast konstantes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. Nachteile durch die mechanisch gekuppelten Maschinen wird der Wirkungsgrad schlecht (h ~ 0,7), hohe Anschaffungs- und Wartungskosten, Steuergenerator G1 und Steuermotor M2 besitzen — im Gegensatz zur Zu- und Gegenschaltung — die gleichen Leistungen, da der Ankerstrom beide Ankerwicklungen durchfließt. Bei der Zu- und Gegenschaltung ist die Leistung des Steuergenerators G1 nur halb so groß wie die des Steuermotors M2. Die andere HĂ€lfte der Leistung fĂŒr den Steuermotor wird einem Gleichstromnetz entnommen. 1.3.1.10 Leistungsmessungen Um die abgegebene Leistung eines Elektromotors zu bestimmen, werden in der Praxis verschiedene Meßverfahren angewendet.

a) Bei der Wirbelstrombremse werden nichtferromagnetische Scheiben, z.B. Kupfer- oder Aluscheiben, mit der Motorwelle gekuppelt und zwischen gleichstromerregten Elektromagneten abgebremst. Durch die Rotation der Scheibe wird je nach Drehzahl des Motors die GrĂ¶ĂŸe der Wirbelströme mit ihren Feldern verĂ€ndert. Die Scheibe wird hierdurch abgebremst und der Motor auf seine abgegebene Leistung kontrolliert. Das Moment G ‱ l der Waage ist gleich dem abgegebenen Motormoment M. Mit Hilfe des gemessenen Drehmoments und der gemessenen Drehzahl kann die mechanische Leistung des Motors bestimmt werden zu:

P = (G ‱ l ‱ n) / 9550 = (M ‱ n)/ 9550 P = in kW, G= in N, l = in m Der Motorwirkungsgrad wird nach folgender Formel berechnet:

h = ((M ‱ n) / 9,550) / (U ‱ I) ‱ 100% h = (Pab/Pzu) ‱ 100% b) Bei der Backenbremse befindet sich zwischen zwei Bremsbacken die abzubremsende Bremstrommel. Das Reibungsmoment wird durch den Druck der Backen mittels der FlĂŒgelmuttern eingestellt. Das abgegebene Motormoment muß gleich dem Gegenmoment aus Gewicht und Hebelarm sein. Stimmen Strom und Drehzahl des Motors mit den Nenndaten ĂŒberein, so gibt der Motor seine mechanische Nennleistung an die Trommel ab. Sowohl die Wirbelstrombremse als auch die Backenbremse werden fĂŒr kleine bis mittlere Leistungen verwendet. Messungen an Drehstrommotoren können bei diesem PrĂŒfverfahren nur im stabilen Bereich vorgenommen werden. c) Der Bremsgenerator (Pendelmaschine) ist wegen seiner hohen Meßgenauigkeit fĂŒr elektrische Maschinen die meist angewandte Leistungsmeßmethode. Der Bremsgenerator kann auch als Motor benutzt werden. Wird die Pendelmaschine als Generator verwendet, so kann die abgegebene Energie in den WiderstĂ€nden in WĂ€rme umgesetzt (Verlustbremsung) oder in das Netz zurĂŒckgeschickt werden (Nutzbremsung). Die Pendelmaschine wird als Nebenschluß- oder fremderregte Maschine ausgefĂŒhrt. Um die Messungen so genau wie möglich zu halten, werden StĂ€nder und Anker durch Kugellager voneinander getrennt gelagert. Das direkt gemessene Motormoment wird vom beweglichen StĂ€nder ĂŒber einen Hebelarm auf die Drehmomentwaage ĂŒbertragen. Die Firma Kemmerich in Gummersbach liefert auch komplette Gleichstrom-Pendelmaschinen aus der Liste 011r Hochgeschwindigkeitsmotoren der Baureihe N30/F093 in BaugrĂ¶ĂŸe 112 bis 225 bis ca. 160 kW und max. 8.500U/min. 1.3.1.11 Verluste und Wirkungsgrade Bei der Bestimmung der Wirkungsgrade kleinerer Maschinen erfolgt die direkte Messung aus Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe. FĂŒr große Maschinen bevorzugt man wegen der Genauigkeit die indirekte Ermittlung des Wirkungsgrades nach dem Einzelverlustverfahren. Die Verluste werden aufgeteilt in:

a) Leerverluste

Luft-, Lager-, BĂŒrstenreibungsverluste sowie Eisenverluste (Wirbelstrom- und Hysteresisverluste).

b) Erregerverluste

Sie werden bei Aufbau des Magnetfeldes (Erregerfeldes) durch den Erregerstrom in der Feldwicklung hervorgerufen.

Die Leer- und Erregerverluste ergeben zusammen die Leerlaufverluste der Gleichstrommaschine.

Die Leerlaufverluste erwÀrmen die Maschine stÀndig und sind fast unabhÀngig von der Belastung.

c) Last- oder StromwÀrmeverluste

Sie treten auf in den Ankerwicklungen, Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen und Reihenschlußwicklungen.

Ferner treten sie zu einem kleinen Prozentsatz als Übergangsverluste unter den BĂŒrsten auf. Die StromwĂ€rmeverluste sind verĂ€nderliche Verluste, die sich nach der Belastung richten.

d) Zusatzverluste

Nicht erfaßbare Verluste werden als Zusatzverluste (0,5% bis Wo der Bezugsleistung) hinzugefĂŒgt. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus der Formel:

h = Pab / (Pab + (Leer-, Erreger-, Last- und Zusatzverluste) h= Pab/ (Pab+PV)

Die Wirtschaftlichkeit einer Maschine ist von den Gesamtverlusten abhÀngig. 1.3.2 Funkentstörung

Bei der Funkentstörung unterscheidet man die verschiedenen Störungsarten nach ihrer Entstehung, z.B.:

a) natĂŒrliche Störungen (atmosphĂ€rische Störungen), b) mechanische Störungen (hervorgerufen durch gelockerte Masse- oder Steckverbindungen), c) elektrische Störungen. Den Praktiker interessiert hauptsĂ€chlich der Punkt c). Durch Unterbrechung von Schaltkontakten, Stromwenderlamellen usw. finden Spannungs- oder Stromunterbrechungen statt, die sich auf Leitungen direkt oder drahtlos als Störschwingungen fortpflanzen und im Tonfunk- oder Fernsehbereich unerwĂŒnschte Nebenwirkungen (Prasseln oder Knattern) hervorrufen. Diese Störungen sind mit Hilfe geeigneter Maßnahmen (Funkentstörung) zu vermeiden. Es sind hierbei die Bestimmungen laut VDE 0875 von GerĂ€ten, elektrischen Maschinen und Anlagen fĂŒr Nennfrequenzen von 0 bis 10 kHz gĂŒltig. Nach entsprechender PrĂŒfung erhalten die GerĂ€te das Funkschutzzeichen. Man unterscheidet zwei Arten von Störspannungen:

a) symmetrische Störspannung, b) unsymmetrische Störspannung.

Zu a) Symmetrische Störspannungen treten zwischen zwei stromfĂŒhrenden Leitern auf.

Zu b) Unsymmetrische Störspannungen treten zwischen Netzleiter und GehĂ€use bzw. zwischen Netzleiter und Erde auf. Ist das GehĂ€use mit einem Schutzleiter verbunden, sind diese Störspannungen besonders groß.

Die Reichweite der Störspannungen wird aber mit zunehmender Entfernung sehr stark gedĂ€mpft. Zur Reduzierung von symmetrischen Störspannungen werden zur Störquelle Kondensatoren parallel oder Drosseln in Reihe geschaltet. Eine gute Entstörung wird erreicht, wenn das WiderstandsverhĂ€ltnis vom Innenwiderstand Z, der Störquelle zum Innenwiderstand Zc des Kondensators groß ist. Somit entsteht nur noch eine geringe Reststörspannung, die sich auf die AußenwiderstĂ€nde Ra ausbreiten kann. Entstörkombinationen enthalten kapazitive Querglieder und induktive LĂ€ngsglieder. Bei Universalmotoren werden deshalb die Feldwicklungen (l D l—l D 2 und 2 D l —2 D 2) symmetrisch zur Ankerwicklung aufgeteilt; sie wirken somit als Entstördrosseln. Meistens werden Funkentstörungen aus preislichen GrĂŒnden mit Kondensatorkombinationen durchgefĂŒhrt, die induktivitĂ€tsarm sind und somit die Störspannungen gut kurzschließen.

FĂŒr einfache Entstörungen wird meistens ein BerĂŒhrungsschutzkondensator mit begrenzter KapazitĂ€t (fĂŒr erhöhte Sicherheit) zwischen GehĂ€use und Netzleiter eingebaut, und ferner zwischen den Netzleitern ein weiterer Kondensator oder zwei symmetrische Kondensatoren. Die Entstörungskondensatoren werden u.a. nach ihrer Schaltung benannt:

a) X-Kondensatoren, b) Y-Kondensatoren (frĂŒher: BerĂŒhrungsschutzkondensatoren).

Zu a): X-Kondensatoren verbinden zwei Außenleiter oder einen Außenleiter mit Mittelleiter. Es können Kondensatoren unbegrenzter KapazitĂ€t sein mit beliebig hohem Strom. Beim Versagen, z.B. Kurzschluß, muß ein elektrischer Unfall ausgeschlossen sein.

Zu b): Y-Kondensatoren verbinden einen unter Spannung stehenden Leiter mit berĂŒhrbarem bzw. nicht berĂŒhrbarem (schutzisoliertem) leitenden Teil der Maschinen. Es sind Kondensatoren mit erhöhter Sicherheit (hoher Isolierfestigkeit) und begrenzter KapazitĂ€t. Durch die KapazitĂ€tsbegrenzung soll der durch den Kondensator fließende Wechselstrom und bei Gleichstrom der Energieinhalt des Kondensators auf ein ungefĂ€hrliches Maß herabgesetzt werden.

Betreffs der Entstörung sind bei allen GerÀten und Maschinen die EMV-Vorschriften einzuhalten. (Siehe auch speziell bei Stromrichtern und Frequenzumrichtern)

1.3.3 Bremsschaltungen von Gleichstrommaschinen

Man verwendet folgende Bremsarten:

a) Die Widerstandsbremsung (Kurzschlußbremsung)

— Nachlaufbremsung, — Senkbremsung.

b) Die Gegenstrombremsung

Zu a): Im allgemeinen werden bei der Widerstandsbremsung die Maschinen vom Netz getrennt und wandeln dabei mechanische Energie in den Brems- oder BelastungswiderstÀnden in WÀrme um.

FĂŒr diesen Zweck können Nebenschluß- oder Reihenschlußmaschinen sowie fremderregte Maschinen verwendet werden.

Bei der Nachlaufbremsung (elektrische Fahrzeuge) bleibt die Drehrichtung der Maschinen erhalten. Durch den Restmagnetismus erregen sich die Maschinen selbst und treiben einen Strom durch die Ankerwicklung, der der induzierten Spannung entgegengerichtet ist (Lenzsche Regel). Die Motoren arbeiten als Generatoren und werden abgebremst. Die Drehzahl der Nachlaufbremsung liegt unter der Nenndrehzahl. Bei den Nebenschlußmaschinen bleibt die Schaltung bestehen, wĂ€hrend die Erregerwicklung der Reihenschlußmaschinen umgepolt werden muß, da sonst die Selbsterregung aufgehoben wird.

Bei der Senkbremsung wird die Drehrichtung durch die sinkende Last umgekehrt. Die elektrische Energie wird in BremswiderstĂ€nden vernichtet. Reihenschlußmaschinen können bei dieser AusfĂŒhrung ihre Schaltung beibehalten. Bei den Nebenschlußmaschinen muß diesmal die Erregerwicklung umgepolt werden, damit sie sich selbst erregt.

Bei der Senkbremsung lĂ€ĂŸt sich noch ein Nutzeffekt erreichen, indem die Energie ins Netz zurĂŒckgeschickt wird. Die erzeugte Spannung muß dann grĂ¶ĂŸer sein als die Netzspannung. Das kann in der Praxis durch Drehzahlerhöhung oder FeldverstĂ€rkung, z.B. mit Fahrzeugen bei AbwĂ€rtsfahrten (Talfahrten) oder durch Kranbetrieb, erreicht werden. Es kommen ĂŒberwiegend Reihenschlußmaschinen zur Anwendung.

Zu b): Bei der Gegenstrombremsung wird die Stromrichtung durch Umschaltung der Ankerwicklung geĂ€ndert. Die zugefĂŒhrte elektrische Leistung kann ein Mehrfaches der durch die Bremsung verursachten mechanischen Leistung betragen. Die Maschine wird daher thermisch sehr stark beansprucht.

1.3.4 ScheibenlÀufermotor

Der ScheibenlĂ€ufermotor arbeitet nach dem Prinzip des Barlowschen Rades. Zwischen einem axialen, homogenen Magnetfeld befindet sich eine drehbar gelagerte Kupferscheibe mit radialen Strombahnen. Die rotierende Scheibe taucht z.T. in einen Quecksilberteich ein; hierdurch wird dem Rad Strom zugefĂŒhrt und ĂŒber eine Welle wieder abgefĂŒhrt. Der Ankerstromkreis ist somit in sich geschlossen.

Die Drehbewegung der Scheibe kommt dadurch zustande, daß die elektrischen LadungstrĂ€ger (Strom /) im Halbmesser der Scheibe mit dem homogenen, axialen Magnetfeld FD des Dauermagneten eine Kraftwirkung und damit eine Drehbewegung nach der Motorregel hervorrufen.

Der in der Praxis anwendbare ScheibenlĂ€ufermotor gehört zu den fremderregten Gleichstrommotoren. Er unterscheidet sich von den normalen Gleichstrommaschinen dadurch, daß der rotierende Teil kein gewöhnlicher, genuteter Trommelanker nach Hefner-Alteneck mit darin befindlichen Ankerwicklungen ist, sondern ein eisenloser, scheibenförmiger Anker mit einer dĂŒnnen, trĂ€gheitsarmen Isolierscheibe.

Die Ankerwicklungen werden beidseitig auf der Isolierscheibe durch ein fotochemisches Ätzverfahren (gedruckte Schaltung) oder durch Ausstanzen der LeiterzĂŒge aus Kupferfolien hergestellt. Die Wicklungen sind durch untere und obere Verbindungen in sich geschlossen. Durch die blanken Ankerleiter sind die KĂŒhlungsverhĂ€ltnisse sehr gut. Außerdem kann der Motor unter hohem Strom festgebremst werden, ohne thermischen Schaden zu nehmen.

Die StromzufĂŒhrung der Ankerwicklungen kann durch Trommelstromwender, durch FlĂ€chenstromwender oder durch direkte BerĂŒhrung der KohlebĂŒrsten mit den Ankerleitern erfolgen. Das magnetische, axial verlaufende Erregerfeld wird von kurzen, kreisförmigen Ferrit-Dauermagneten erzeugt, die ein- oder beidseitig des MotorgehĂ€uses angebracht sind und deren Feldlinien sich ĂŒber dem GehĂ€use schließen. Durch das homogene Erregerfeld bleibt das Drehmoment ĂŒber dem gesamten Bereich einer Umdrehung konstant. Außerdem kann bei Nennlast im Dauerbetrieb eine geringere Drehzahl erreicht werden.

Deshalb wird in vielen FĂ€llen auf eine mechanische Übersetzung verzichtet.

Die ScheibenlĂ€ufermotoren in Verbindung mit elektronischen Regeleinrichtungen können im Impulsbetrieb angewendet werden. Wegen der geringeren Ankermasse sind sie dem Schrittmotor (Abschnitt 1.7.6) in manchen Anwendungsgebieten ĂŒberlegen.

Um die LeistungsfÀhigkeit eines kompletten Antriebssystems zu steigern, bieten verschiedene Firmen mikroprozessorgesteuerte, freiprogrammierte Positionssteuerungen an.

Die Klemmenspannung des ScheibenlÀufermotors liegt im Bereich von 6 V bis 150 V bei etwa 3000 (4800) min-1. Der Leistungsbereich erstreckt sich von 15 W bis ca. 13 000 W.

Angewendet wird der ScheibenlĂ€ufermotor fĂŒr Pumpen-, Wickel-, Ventil-, Schubantriebe usw. In SonderfĂ€llen werden diese Maschinen auch in einem GehĂ€use als Doppelscheibenmotor geliefert. Die Systeme sind völlig getrennt aufgebaut, so daß die eine Scheibe als Motor, die andere als Tachogenerator verwendet werden kann.

Der Vorteil eines ScheibenlĂ€ufermotors gegenĂŒber einem normalen Gleichstrommotor liegt in

der Materialersparnis von StĂ€nder und Anker. Das VerhĂ€ltnis von Leistung und Bauvolumen ist damit sehr gering. dem geringen Eigengewicht der Ankerscheibe. Das bedeutet, daß das TrĂ€gheitsmoment und damit auch die mechanische Zeitkonstante sehr niedrig ist. dem gleichmĂ€ĂŸigen Lauf bei niedriger Drehzahl und dem gleichmĂ€ĂŸigen Drehmoment. der großen FlĂ€che fĂŒr die AbfĂŒhrung der VerlustwĂ€rme. Damit können kurzzeitig hohe Kurzschlußströme beherrscht werden. Die Stromdichten im Dauerbetrieb betragen ca. 45 A/mm2, bei kurzem oder intermittierendem Betrieb 100 A/mm2. 1.5 Asynchronmaschinen fĂŒr Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) AC

Es sind fĂŒr die Praxis die wichtigsten und am hĂ€ufigsten vorkommenden Maschinen.

1.5.1 Drehfeld (umlaufendes Magnetfeld)

Grundlegende Voraussetzung fĂŒr die Funktion der Asynchronmaschinen (KurzschlußlĂ€ufer, KĂ€figlĂ€ufer, Squirrel-Cage-Type) fĂŒr Drehstrom (Generatoren und Motoren) ist das umlaufende Magnetfeld. Da Asynchronmaschinen stromwenderlos sind, spricht man auch von Drehfeldmaschinen ohne Stromwender. Zur gleichen Maschinengruppe werden die Synchronmaschinen gezĂ€hlt (Abschnitt 1.7).

Bei dreiphasig verkettetem Wechselstrom hat das entstehende Drehfeld wĂ€hrend des Umlaufes unverĂ€nderte GrĂ¶ĂŸe und wird deshalb als symmetrisch oder kreisförmig bezeichnet. Die Drehzahl des synchron umlaufenden Magnetfeldes richtet sich nach der Polpaarzahl der Maschinen und der Frequenz der angelegten Netzspannung

n0 = (60 * F) / p n0 Umdrehungen in 1/min bzw. min-1 f Frequenz in 1/s bzw. s-1 p Polpaare Wie unter Transformatoren Abschnitt 1.4.2.2 beschrieben, wird auch hier das Magnetfeld F vom Magnetisierungsstrom I” und damit der Leerlaufdurchflutung Q” verursacht. In den Abschnitten 1.5.2 bis 1.5.10 werden die Asynchronmotoren behandelt. HierfĂŒr gilt: In einem Asynchronmotor fĂŒr Drehstrom wird ein symmetrisches Drehfeld erzeugt, wenn seine Dreiphasenwicklung vom Drehstrom durchflossen wird.

Bei einem Asynchronmotor weist der rotierende Teil (LĂ€ufer, Rotor) gegenĂŒber dem Drehfeld einen Schlupf auf (asynchron — nicht im Tritt befindlich). Das Drehfeld schneidet die LĂ€uferleiter und induziert in ihnen Spannungen. Der Asynchronmotor heißt deshalb auch Induktionsmotor.

Asynchronmotoren fĂŒr Drehstrom können mit Schleifring- oder KurzschlußlĂ€ufern ausgerĂŒstet sein.

Betrieb mit Hilfsphase z.B. mit Kondensator: Siehe auch 1.6 und 1.6.2.2 Anlauf und 1.6.5 DS-Motoren am Einphasenetz und 1.6.5.1 Steinmetzschaltung sowie Abschnitt Ott-Steinmetzschalter

1.5.2.1 Aufbau

Der StĂ€nder oder Stator ist zur Vermeidung von Wirbelströmen aus genuteten StĂ€nderblechen aufgebaut, in welchem, möglichst gleichmĂ€ĂŸig verteilt, die dreiphasige Wicklung untergebracht ist. Das StĂ€nderblech besitzt aber keine ausgeprĂ€gten Pole wie z.B. die Gleichstrommaschine. Die gewĂŒnschte Polzahl wird durch entsprechenden Wickelschritt erreicht. Anfang und Ende jedes Stranges werden gewöhnlich zum Anschlußbrett gefĂŒhrt, weshalb diese Wicklung als offen bezeichnet wird.

Die gewĂŒnschte Verkettung in Stern- oder Dreieckschaltung (Y- oder A-Schaltung, Star or Delta) erfolgt am Anschlußbrett.

Der LĂ€ufer oder Rotor besitzt ebenfalls eine in Nuten gebettete Wicklung, die mit ihrer Polzahl auf die Polzahl des StĂ€nders abgestimmt ist. Die Wicklung ist gewöhnlich dreiphasig, meist in Y-Schaltung, seltener in A-Schaltung ausgefĂŒhrt. Die Schaltung erfolgt hier direkt im LĂ€ufer, so daß ĂŒber die Schleifringe nur die WicklungsanfĂ€nge K, L, M herausgefĂŒhrt sind. Die LĂ€uferwicklung kann auch zweiphasig sein (Abschnitt 1.5.2.3).

Soll der SchleifringlĂ€ufermotor nach dem Anlauf als KurzschlußlĂ€ufermotor weiterarbeiten, werden durch BĂŒrstenabhebevorrichtung die Schleifringe kurzgeschlossen und die KohlebĂŒrsten abgehoben.

1.5.2.2 Wirkungsweise

1.5.2.2.1 Anlauf

In der am Drehstromnetz liegenden StĂ€nderwicklung wird das Drehfeld erzeugt. Dieses schneidet die StĂ€nderleiter und induziert die primĂ€re Urspannung U01 Deshalb auch die Bezeichnung PrimĂ€ranker fĂŒr den StĂ€nder. Ferner durchsetzen die magnetischen Feldlinien den Luftspalt und induzieren im Rotor die sekundĂ€re Urspannung U02. Der Rotor trĂ€gt deshalb auch die Beze
10 Feb 2005
17:45:24
Huchter
Folge 2 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Folge 2

1.5.2.2.1 Anlauf

In der am Drehstromnetz liegenden StĂ€nderwicklung wird das Drehfeld erzeugt. Dieses schneidet die StĂ€nderleiter und induziert die primĂ€re Urspannung U01 Deshalb auch die Bezeichnung PrimĂ€ranker fĂŒr den StĂ€nder. Ferner durchsetzen die magnetischen Feldlinien den Luftspalt und induzieren im Rotor die sekundĂ€re Urspannung U02. Der Rotor trĂ€gt deshalb auch die Bezeichnung SekundĂ€ranker. Da im Einschaltaugenblick der LĂ€ufer steht, hat das umlaufende Magnetfeld seine grĂ¶ĂŸte Schnittgeschwindigkeit. Der Motor verhĂ€lt sich in dem Moment wie ein kurzgeschlossener Transformator mit hoher Kurzschlußspannung UK. Die induzierte Urspannung U02 treibt den LĂ€uferstrom I2. HĂ€tte der LĂ€ufer nur ohmschen Widerstand, lĂ€gen Urspannung U02 und Strom I2 in Phase. Im Einschaltmoment entspricht die GrĂ¶ĂŸe der LĂ€uferfrequenz der Netzfrequenz (f1= f2). Der induktive LĂ€uferwiderstand XL2 = 2 ‱ p ‱ f2 ‱ L2 hat somit seinen höchsten Wert. WĂ€re der ohmsche Widerstandsanteil im LĂ€ufer Null, wĂŒrde der Strom I2 der Urspannung U02 um 90° nacheilen: Der Motor wĂŒrde nicht anlaufen.

Zur Erzielung eines gĂŒnstigen Anzugsmomentes muß der ohmsche Anteil des LĂ€uferwiderstandes möglichst hoch sein.

Um das zu erreichen, wird ein LĂ€uferanlasser mit der LĂ€uferwicklung in Reihe geschaltet.

1.5.2.2.2 Betrieb, Betriebsverhalten

Aus dem Stillstand (Schlupf s == 100°/o) erfolgt der Hochlauf in den belasteten Motorzustand (Schlupf etwa 3 bis 6°/o). Mit der Abnahme des Schlupfes verringert sich die Schnittgeschwindigkeit des Drehfeldes.

Damit tritt eine Verminderung der LĂ€uferspannung, der LĂ€uferfrequenz und des induktiven LĂ€uferwiderstandes ein.

Die LÀuferspannung und die LÀuferfrequenz Àndern sich linear mit dem Schlupf.

Im Betrieb ist — wegen des geringen induktiven Widerstandes — ohmscher Widerstand im LĂ€uferkreis vorherrschend. LĂ€uferspannung und LĂ€uferstrom liegen fast in Phase.

Ein stromdurchflossener Leiter erhĂ€lt im Magnetfeld einen Bewegungsantrieb. Somit wird auf die Seiten einer drehbar gelagerten Spule ein KrĂ€ftepaar ausgeĂŒbt, welches ein Drehmoment M bewirkt. DafĂŒr sind zwei Voraussetzungen zu erfĂŒllen:

a) Die FlĂŒsseF1 und F2 mĂŒssen Komponenten haben, die in Phase liegen. Denn nur gleichzeitig auftretende Felder können eine Kraftwirkung ausĂŒben. b) Die magnetischen Achsen vonF1 und F2 mĂŒssen möglichst um 90° rĂ€umlich verschoben sein; denn nur eine Kraft, die senkrecht zum Hebelarm steht (Analogie: Kraft-Hebelarm-Gesetz), bewirkt ein Drehmoment. Nach dem Lenzschen Gesetz mĂŒĂŸte der LĂ€ufer so lange beschleunigt werden, bis die Urspannung U02 = 0 V wird. Dieser Fall wĂŒrde bei synchronem Lauf eintreten. Die LĂ€uferverlustleistung wĂ€re dann ebenfalls Null, und die Rotorverluste könnten nicht gedeckt werden; also muß der Rotor schlĂŒpfen. Der Schlupf wird positiv gezĂ€hlt, wenn der LĂ€ufer dem Drehfeld nacheilt. Da der Asynchronmotor die synchrone Drehzahl nie erreichen kann, ist ein Durchgehen im Leerlauf unmöglich. Der Asynchronmotor zeigt in seiner Arbeitsweise Nebenschlußverhalten. 1.5.2.2.3 Drehmomente Die DrehmomentverhĂ€ltnisse sind nach VDE 0530 genormt.

a) Das Anzugsmoment MA ist das im Stillstand hervorgerufene Drehmoment. Beim SchleifringlĂ€ufermotor liegt es relativ hoch, der Motor zieht gut an. b) Das Sattelmoment MS ist das kleinste an der Welle eines Motors auftretende Moment zwischen Anzugs- und Kippmoment (Abschnitt 1.5.3.2.2). Es tritt beim SchleifringlĂ€ufermotor nicht in Erscheinung. c) Das Kippmoment MK ist das höchste Moment, das der Motor zwischen Sattel- und Nennmoment ausĂŒben kann. Es liegt etwa 1,6 bis 2,5fach ĂŒber dem Nennmoment. d) Das Nennmoment MN tritt im normalen Betriebsfalle auf. Mit der auf dem Leistungsschild angegebenen Leistungsabgabe PN und der Nenndrehzahl nN, ergibt sich das Nennmoment MN zu

MN= PN* 9550/nN MN Nennmoment in Nm PN Abgabeleistung in kW nN Nenndrehzahl in l/min oder min-1 Bei synchroner Drehzahl n0 (Schlupf s == 0°/o) wĂ€re das Drehmoment M gleich Null. Der Asynchronmotor muß also stets schlĂŒpfen. (Beispiel: Synchrone Drehzahl bei 2-poligem Motor =3.000U/min., asynchrone Schlupfdrehzahl z.B. 2950U/min.)

1.5.2.3 Leistungsschild

Neben den ĂŒblichen StĂ€nderangaben der Asynchronmaschinen ĂŒber Spannungen, Ströme, Leistungen, Frequenz, Leistungsfaktor cos j sowie Angaben ĂŒber Drehzahlen, Isolationsklasse und Schutzart findet man beim SchleifringlĂ€ufermotor weitere Hinweise ĂŒber LĂ€uferschaltung, LĂ€uferspannung und LĂ€uferstrom.

a) Die LĂ€uferschaltung ist gewöhnlich in Stern ausgefĂŒhrt. Bei Dreieck -Schaltung — unter gleichen Wicklungsbedingungen wie bei Stern-Schaltung — wird die LĂ€uferspannung geringer, der LĂ€uferstrom höher. Die Zweiphasenschaltung (L-Schaltung) wird dann zur Anwendung kommen, wenn bei geforderter Polzahl eine dreiphasige Wicklung in symmetrischer Anordnung nicht unterzubringen ist. Eine unsymmetrische Anordnung (Bruch- oder Teillochwicklung) hat oftmals schlechtes Anlauf- und auch Laufverhalten zur Folge. b) Die LĂ€uferspannung ist laut VDE 0530 die im Stillstand des LĂ€ufers zwischen zwei Schleifringen bei geöffnetem LĂ€uferkreis gemessene Spannung fĂŒr Stern- und Dreieck-Schaltung. FĂŒr die L-Schaltung bezieht sich die Spannungsangabe auf den Strang. Die Spannungswerte im LĂ€ufer liegen meist unter denen des StĂ€nders. Gewöhnlich betragen die LĂ€uferspannungen 1/4 bis 1/2 der StĂ€nderspannungen. Sie liegen selbst bei Hochspannungsmotoren sehr selten ĂŒber 1000 V. c) Der LĂ€uferstrom von Asynchronmaschinen mit dreiphasigem SekundĂ€rkreis ist der an den Schleifringen im Nennbetrieb gemessene Strom. Beim ZweiphasenlĂ€ufer beziehen sich die Stromangaben auf den Strang. 1.5.3 KurzschlußlĂ€ufermotor 1.5.3.1 Aufbau

Der StĂ€nderaufbau ist mit dem des SchleifringlĂ€ufermotors identisch. Die LĂ€ufernuten erhalten jeweils nur einen Leiter (Stab), wobei alle Leiter an den Stirnseiten des LĂ€uferkörpers ĂŒber Ringe kurzgeschlossen werden. Die LĂ€uferwicklung wird deshalb als Kurzschlußwicklung, aber auch als KĂ€figwicklung bezeichnet. Die Herstellungsweise der KĂ€figwicklung ist einfach. Die StĂ€be werden ohne Isolation in die geschlossenen Nuten eingeschoben und mit den Stirnringen verlötet bzw. verschweißt. Geschlossene Nuten sind in betrieblicher Hinsicht offenen bzw. halboffenen Nuten ĂŒberlegen. Bei den heute ĂŒblichen Bauformen wird die KĂ€figwicklung oft aus Aluminium im Druckgußverfahren mitsamt Stirnringen und LĂŒftungsflĂŒgeln hergestellt. Zur Erreichung gĂŒnstigerer Anlaufbedingungen verschrĂ€nkt bzw. staffelt man die LĂ€uferstĂ€be. Die Ausbildung des Sattelmomentes (Abschnitt 1.5.3.2.2) wie auch magnetische Wirbelungen, RĂŒttelkrĂ€fte, GerĂ€usche und Bremsungen werden damit sehr vermindert. FĂŒr gute Anlaufbedingungen sind neben Anordnung der KĂ€figwicklung im LĂ€ufereisen auch Anzahl und Form der LĂ€uferstĂ€be von Wichtigkeit.

a) Beim RundstablĂ€ufer liegt die KĂ€figwicklung wenig tief im LĂ€ufereisen. Mit dieser Anordnung werden gĂŒnstige Betriebsbedingangen, aber kein guter Anlauf erreicht. b) Beim S treunutlĂ€ufer liegt die KĂ€figwicklung tiefer im LĂ€ufereisen. Der Anlaufstrom verringert sich mit wachsendem VerhĂ€ltnis h:d. c) Der DoppelkĂ€figlĂ€ufer (DoppelstablĂ€ufer, DoppelnutlĂ€ufer) besitzt einen AnlaufkĂ€fig (HilfskĂ€fig) und einen HauptkĂ€fig (LaufkĂ€fig, BetriebskĂ€fig). Der Stabquerschnitt des im LĂ€ufereisen liegenden HauptkĂ€figs entspricht etwa 3- bis lO mal dem des AnlaufkĂ€figs. Der AnlaufkĂ€fig ist vielfach aus Bronze bzw. Widerstandsmaterial, auch Silumin hergestellt. d) Der HochstablĂ€ufer (TiefnutlĂ€ufer) besitzt hohe und schmale, tief ins LĂ€ufereisen gehende KĂ€figstĂ€be. e) Der KeilstablĂ€ufer (TrapezlĂ€ufer) ist dem HochstablĂ€ufer Ă€hnlich, besitzt aber am Nutengrund erweiterten Wicklungsquerschnitt. Seine Wirkungsweise kann als Kompromiß zwischen der des TiefnutlĂ€ufers (HochstablĂ€ufers) und DoppelkĂ€figlĂ€ufers angesehen werden . StreunutlĂ€ufer, DoppelkĂ€figlĂ€ufer, HochstablĂ€ufer, KeilstablĂ€ufer faßt man unter dem gemeinsamen Begriff StromverdrĂ€ngungslĂ€ufer zusammen. Bei den StromverdrĂ€ngungslĂ€ufern liegt die KĂ€figwicklung bzw. ein Teil der KĂ€figwicklung tief im LĂ€ufereisen. 1.5.3.2 Wirkungsweise

1.5.3.2.1 Anlauf

Der SchleifringlĂ€ufermotor zeigte gute Anlaufeigenschaften. Die Ursache war der hohe ohmsche Widerstand des LĂ€uferkreises (Abschnitt 1.5.2.2.1). Bei einem normalen RundstablĂ€ufer liegen die VerhĂ€ltnisse wesentlich ungĂŒnstiger: Der ohmsche Widerstand des LĂ€uferkreises ist sehr gering und der induktive relativ hoch. Dadurch sind LĂ€uferstrom (SekundĂ€rstrom) I2 und LĂ€uferfeld (SekundĂ€rfeld) F2 dem StĂ€nderstrom (PrimĂ€rstrom) I1 und dem StĂ€nderfeld (PrimĂ€rfeld, Drehfeld) F1 fast 180° entgegengerichtet. Analog dem kurzgeschlossenen SchleifringlĂ€ufermotor verhĂ€lt sich auch der RundstablĂ€ufer beim Einschalten wie ein Transformator mit kurzgeschlossener SekundĂ€rwicklung. Durch die sehr ungĂŒnstige Phasenlage des Stromes I2 zur Urspannung U02 (bedingt durch den geringen ohmschen Widerstandsanteil) ist das Anzugsmoment wesentlich kleiner als das Kippmoment und außerdem die Stromaufnahme aus dem Netz wesentlich ungĂŒnstiger.

RundstablĂ€ufer nehmen im Anlauf den etwa 8- bis 10fachen Nennstrom auf. Wird die RundstablĂ€uferwicklung tief ins Eisen gelegt, kann sich ein krĂ€ftiges Streufeld Fs bilden. Das schwellende Streufeld verursacht beim Anlauf eine hohe, dem Strom I2 entgegenwirkende Urspannung U'02 (hoher induktiver Widerstand). Die Urspannung U'02 verringert scheinbarden Leiterquerschnitt, was einer ohmschen Widerstandserhöhung gleichkommt. Der LĂ€uferstrom bleibt in normalen Grenzen. Die Anlaufeigenschaften werden, trotz geringerer Stromaufnahme I1 aus dem Netz, verbessert. Gute Anlaufeigenschaften werden mit allen StromverdrĂ€ngungslĂ€ufern erreicht. Die Widerstandserhöhung wĂ€chst linear mit der Nuttiefe. Eine gĂŒnstige Streufeldausbildung im LĂ€ufer ruft erhöhten ohmschen Widerstandsanteil und damit bessere Anlaufeigenschaften hervor. 1.5.3.2.2 Hochlauf

Im Gegensatz zu den Drehmomenten eines SchleifringlĂ€ufermotors (Abschnitt l .5.2.2.3) ist beim RundstablĂ€ufermotor wegen des geringen ohmschen Widerstandes der KĂ€figwicklung das Anzugsmoment wesentlich ungĂŒnstiger. Bei etwa 1/7 der synchronen Drehzahl zeigt sich hĂ€ufig eine Einbuchtung der Kennlinie (Sattel), verursacht durch Oberwellen.

Obwohl bei Wechselstrommaschinen fĂŒr die Feldverteilung die reine Sinuskurve am gĂŒnstigsten ist, lassen sich Verzerrungen nicht ganz vermeiden. Außer der Grundwelle (reine Sinusform) entstehen noch Oberwellen. Sie werden verursacht durch magnetische Streuungen, bedingt durch Wicklungsverteilungen, Nuten, ZĂ€hne. Ebenfalls entstehen aber auch Belastungs- und Drehfeldoberwellen. Sie treten gewöhnlich bei elektrischen Maschinen in ungerader Ordnungszahl (Harmonische) in Erscheinung, können aber auch in gerader und gebrochener Ordnungszahl auftreten. Grundfeld und Oberfelder werden vom gleichen Strom mit der gleichen Frequenz erzeugt. Die Umlaufgeschwindigkeit der Oberfelder muß deshalb kleiner sein als die des Grundfeldes. Bei Drehstrommaschinen bilden

1.7.13.19. Harmonische ein mitlÀufiges Drehfeld 3.9.15. Harmonische kein Drehfeld 5.11.17. Harmonische ein gegenlÀufiges Drehfeld.

Liegt z.B. bei einem 4poligen 50-Hz-KurzschlußlĂ€ufermotor eine Oberwelle mit der 7. Harmonischen vor, ist deren synchrone Drehzahl ca. n0 = 1500 min-1:7 = 215 min-1. Hat dann der anlaufende Motor nicht das erforderliche Hochlaufmoment, kann der Rotor bei dieser Drehzahl festgehalten werden.

Bei Ă€lteren Maschinen kommt es nach Umwicklungen vor, daß durch unvorhergesehene Oberwellenbildung der LĂ€ufer im Sattel «hĂ€ngen» bleibt und mit der Satteldrehzahl («Schleichdrehzahl») weiterlĂ€uft.

Abhilfemaßnahmen zur Überwindung des Sattelmomentes sind unterschiedliche Nutenzahlen im StĂ€nder und LĂ€ufer sowie SchrĂ€nkung bzw. Staffelung der Nuten. Die Drehmomentenkurve des StromverdrĂ€ngungslĂ€ufers hat nur sehr geringe Einsattelung.

1.5.3.2.3 Betrieb, Betriebsverhalten

Es gelten hier im allgemeinen die gleichen Bedingungen wie beim SchleifringlĂ€ufermotor (Abschnitt 1.5.2.2.2). Das Flußschaubild gibt ĂŒber die Leistungsverteilung Aufschluß.

a) Die benötigte Blindleistung Q betrĂ€gt im Mittel 30 bis 60°/o (hĂ€ngt von der MotorgrĂ¶ĂŸe und Drehzahl ab) der Scheinleistung S. Die Blindleistung hat einmal das zur Drehmomentenbildung notwendige Magnetfeld zu erstellen. Außerdem hat sie die Streufelder aufzubauen, also jene Magnetfelder, die nicht ĂŒber den Luftspalt gehen, sich also nicht wie das Nutzfeld zum Drehmoment M verketten. b) Die StĂ€nderverluste treten als Verluste in der Kupferwicklung PVCu und als Verluste im Eisen (Wirbelstrom- und Hysteresisverluste) PVFe auf. c) Die Rotorverluste sind dem Schlupf s prozentual gleich. BetrĂ€gt also der Rotorschlupf 4%, sind 4% der ĂŒbertragenen StĂ€nderleistung P(abStĂ€nder) Rotorverluste. In der Praxis wird aber auch oft der prozentuale Anteil der Rotorverluste von der Nennleistung (Wellenleistung, Nutzleistung) des Motors hergeleitet. d) Die an der Welle abgegebene Nutzleistung Pab wird auf dem Leistungsschild angegeben. Die Änderung des Belastungszustandes zwischen Leerlauf und Vollast wirkt sich in erster Linie nur auf die Wirkleistung aus. Die BlindleistungsĂ€nderung ist dagegen geringfĂŒgig, d.h., schon im Leerlauf entnehmen Asynchronmotoren dem Netz erhebliche Blindleistung. Die Folge ist ein schlechter Leistungsfaktor cos j. Beispiel Ein KurzschlußlĂ€ufermotor möge mit 33°/o Nennlast in Dreieck (A)-Schaltung arbeiten. Die Spannung sei UStr = 380 V, der Leistungsfaktor cos j = 0,63. Wird der Motor in diesem Zustand auf Stern ( Y ) umgeschaltet, wird UStr = 220 V. Damit _ geht der Strangstrom auf das l/Ö3fache zurĂŒck, und die Blindleistung fĂ€llt auf __ __ 1/Ö3 * 1/Ö3 = 1/3 ihres Ursprungswertes.

1.5.3.2.3a) Kompensation

Der Wert des Leistungsfaktors cos j steigt auf 0,92 . Die Blindleistung Ă€ndert sich quadratisch mit der Spannung. Jeder Asynchronmotor benötigt Wirk- und Blindleistung. Die Wirkleistung muß unbedingt vom Kraftwerk bezogen werden, die Blindleistung kann an Ort und Stelle mit Hilfe von Synchronmotoren bzw. Kondensatoren erzeugt werden.

a) Der Synchronmotor kann durch Änderung seiner Polraderregung Blindleistung ins Netz schicken bzw. Blindleistung dem Netz entnehmen. Somit kann jeder gewĂŒnschte Leistungsfaktor cos j hergestellt werden (Abschnitt 1.7.4.3). b) Die Parallelschaltung von Kondensatoren mit der StĂ€nderwicklung ergibt einen Schwingkreis und damit eine Blindleistungsquelle. Einzelkompensationen, bei denen die Kondensatoren unmittelbar mit den MaschinenanschlĂŒssen verbunden werden, sind dann wirtschaftlich, wenn nur eine Maschine bzw. wenige Maschinen gleichzeitig in Betrieb sind. Gruppen- bzw. Zentralkompensationen sind fĂŒr den Betrieb mehrerer Maschinen gĂŒnstiger. Es empfiehlt sich, mit Hilfe automatischer SteuergerĂ€te, Kondensatoren entsprechend der Belastungshöhe zu- bzw. abzuschalten. Sind alle oder viele Motoren immer gleichzeitig in Betrieb, kann bereits am Klemmbrett jeden Motors mit Kondensatoren auf cos j = 0,95 kompensiert werden.

Bei Überkompensierungen (zuviel KapazitĂ€t) können SchĂ€den, vor allem an GlĂŒhlampen, durch Überspannungen auftreten. Man kompensiert gewöhnlich nicht ĂŒber den Leistungsfaktor cos j = 0,95 induktiv, da sich bei höherer Kompensation eine Überkompensation im Leerlauf oder bei Teillast ergeben wĂŒrde. Bei Unterkompensierungen ergeben sich durch mangelhafte Blindleistungsentlastungen erhöhte Leitungsquerschnitte sowie tarifliche Nachteile. (Die örtlichen EVU's installieren bei grĂ¶ĂŸeren Betrieben BlindleistungszĂ€hler. Die Blindleistung muß bezahlt werden) Nachstehend zur Blindlastdeckung einiger Motoren die zugehörigen Kondensatorleistungen. kW-Motornennleistung kvar-Kondensatorleistung entspricht uF- C = (Q*1s)/314*UÂČ 4,0 bis 4,9 2 (2000 var*1 s)/(314*(400 V)ÂČ) = 39,8 ”F 5,0 bis 5,9 2,5 (2500 var*1 s)/(314*(400 V)ÂČ) = 49,8 ”F




Um frĂŒhzeitige AusfĂ€lle zu vermeiden, die dann die Sicherungen ansprechen lassen und den Motor auf 2-Phasen durchbrennen lassen können, ist bei Verwendung von preisgĂŒnstigen Becherkondensatoren darauf zu achten, daß die Dauerbetriebsspannung mindestens etwa 30% höher angegeben ist als die Nennspannung der Motoren.Bei 400V Netzspannung mĂŒssen also mindestens 500V Dauerbetriebskondensatoren mit S1 (100%ED) benutzt werden.

Ein hoher Leistungsfaktor cos j bedeutet gute Ausnutzung elektrischer Anlagen, Entlastung der Leitungen von Blindleistung, Verringerung der Verluste sowie Einsparung von Material.

Abhilfe: Um das Auslösen von Einzelsicherungen zu vermeiden, gibt es auch wieder Möglichkeiten. So gibt es speziell fĂŒr 3-phasige Verbraucher wie Motoren, Sicherungsautomaten als 3-er-Einheit, mit einem mechanischen BĂŒgel ĂŒber den Automaten. Das Auslösen einer Sicherung hat dann das Abschalten alle 3 Sicherungen zur Folge, wodurch 2-Phasenlauf vermieden wird (Kemmerich-Produktreihe S 9). NatĂŒrlich können auch elektronische Überwachungsrelais eingesetzt werden, die die Symmetrie der Spannung auf allen 3 Phasen ĂŒberwachen.

1.5.4 Asynchronlinearmotor

Der Linearmotor ist ein neues Antriebselement sowohl fĂŒr die Mechanisierung und Automatisierung im innerbetrieblichen Transport wie auch fĂŒr neue Antriebssysteme im Personen- und GĂŒterbeförderungswesen, im Kranbetrieb und in anderen Industriezweigen. Vergleichbar zu den bekannten rotierenden elektrischen Maschinen, lĂ€ĂŸt sich der Linearmotor als Synchronlinearmotor und Asynchronlinearmotor herstellen. Von den beiden genannten Arten kommt dem Asynchronlinearmotor die grĂ¶ĂŸere Bedeutung zu.

1.5.4.1 Aufbau

Denkt man sich das StĂ€ndereisenpaket eines konventionellen Asynchronmotors unter einer Presse zusammengedrĂŒckt, erhĂ€lt man ein flaches doppelseitiges Eisenpaket. Die Einzelbleche der StĂ€nderpakethĂ€lften sind wie ein Kamm geschlitzt (Doppel-Induktorkamm). In den Nuten wird die StĂ€nderwicklung (PrimĂ€rwicklung) untergebracht. Zwischen den StĂ€nderhĂ€lften liegt die ebenfalls gestreckte LĂ€uferschiene. Diese sogenannte Reaktionsschiene ist aus Kupfer- oder Aluminiummaterial hergestellt. Die StĂ€nderpaketausfĂŒhrung kann aber auch einseitig sein (Einfach-Induktorkamm). Allerdings werden dann — gegenĂŒber dem Doppel-Induktorkamm — die elektrischen und mechanischen Bedingungen ungĂŒnstiger. Um einen magnetischen Zug zwischen Einfach-Induktorkamm und Reaktionsschiene zu verhindern, steht dem einseitigen StĂ€nderblechpaket ein lamelliertes Eisenpaket gegenĂŒber. Dazwischen wird die Reaktionsschiene gefĂŒhrt. Der asynchrone Linearmotor stellt also gegenĂŒber dem konventionellen Asynchronmotor ein offenes Antriebssystem dar. Bei Einschienenbahnen ĂŒbernimmt gewöhnlich der Tragkörper gleichzeitig die Rolle der Reaktionsschiene.

1.5.4.2 Wirkungsweise

Durch die gestreckte StĂ€nderausfĂŒhrung erhĂ€lt man eine flache Magnetisierungsebene. Das magnetische Drehfeld wird zu einem Wanderfeld (Schubfeld); daher auch die Bezeichnung «Wanderfeldmotor ». Wird vom Wanderfeld ein flacher, ebener Leiter (Reaktionsschiene) geschnitten, werden dort Wirbelströme erzeugt. Das Wanderfeld und das Magnetfeld der Wirbelströme stehen nach dem Hebelgesetz senkrecht aufeinander, so daß es zur Kraftbildung (Drehmomentenbildung) kommt. Denkt man sich bei einem normalen Drehstrom-Asynchronmotor den LĂ€ufer feststehend und den StĂ€nder drehend, jedoch die elektrische Energie dem rotierenden StĂ€nder zugefĂŒhrt, ist die Drehfeldrichtung im StĂ€nder der mechanischen Bewegungsrichtung entgegengesetzt. Der gleiche praktische Fall liegt beim asynchronen Linearmotor vor: Das Wanderfeld ist der mechanischen VorwĂ€rtsbewegung entgegengerichtet.

1.5.4.3 Vor- und Nachteile des Asynchronlinearmotors gegenĂŒber konventionellen rotierenden Asynchronmotoren

Vorteile

Es sind keine Zwischenschaltungen von Getrieben oder sonstigen Mechanismen notwendig, womit sich ein Verlust- und Verschleißfortfall fĂŒr mechanische Übertragungsglieder ergibt. Die konstruktive Gestaltung des PrimĂ€r- und SekundĂ€rteiles ist relativ einfach. Trotz grĂ¶ĂŸerer momentaner lokaler ErwĂ€rmung im SekundĂ€rteil tritt rasch wieder AbkĂŒhlung ein. BremsvorgĂ€nge sind durch Übersynchronismus, Gegenstrombremsung sowie Gleichstrombremsung (Abschnitt 1.5.6) gut möglich. Bahntriebwagen sind — infolge des mechanisch mit ihnen nicht verbundenen SekundĂ€rteiles (Reaktionsschiene) — massemĂ€ĂŸig wesentlich entlastet. Bei Vorhandensein von Luft- bzw. Magnetkissen (Abschnitt 1.5.4.4) ist die Zugkraft unabhĂ€ngig von der Haftreibung und der Neigung der Strecke. Nachteile Durch die Bauweise des offenen Antriebssystems muß der Linearmotor regelrecht seiner Aufgabenstellung angepaßt werden, um bisherige hydraulische oder pneumatische linear bewegte Maschinen durch rein elektrischen Antrieb erfolgreich abzulösen. Wirkungsgrad, Leistungsfaktor sowie Schubkraft sind hier — wegen des grĂ¶ĂŸeren Luftspaltes und wegen des gestreckten PrimĂ€rteiles — gegenĂŒber konventionellen Motoren schlechter. Anfahrt bzw. sonstige GeschwindigkeitsverĂ€nderungen erfordern verĂ€nderbare Frequenz (Abschnitt 1.5.7.2), verĂ€nderbare SpannungsgrĂ¶ĂŸe und eventuell auch Polumschaltung (Abschnitt 1.5.7.3). Die SpurfĂŒhrung von Fahrzeugen muß als Einflußfaktor auf den Luftspalt des Linearmotors zwischen dem PrimĂ€r- und SekundĂ€rteil durch FĂŒhrungsrollen ausgeglichen werden. Der gestreckte SekundĂ€rteil verteuert wegen des hohen Materialaufwandes die Anlage wesentlich. Bei Schnellbahnen bilden Weichen und Kreuzungen von Schienen ein besonders schwieriges Problem.

1.5.4.4 Magnetschwebebahn

Etwa 80% der Verkehrsleistung in der Personen- und GĂŒterbeförderung werden heute elektrisch erbracht, der Rest durch Dieselfahrzeuge. Die letzte Dampflok der Bundesbahn fuhr 1977.

Heute wird fĂŒr den Bahnbetrieb in zwei Richtungen gearbeitet, und zwar an der klassischen Rad-Schiene-Technik und der berĂŒhrungsfreien Fahrtechnik.

Der klassischen Rad-Schiene-Technik sind mit zunehmender Geschwindigkeit, infolge zwangslĂ€ufig höheren Verschleißes und Unterhaltungsaufwandes, Grenzen gesetzt. Also kann zur BewĂ€ltigung höherer Geschwindigkeiten als Bindeglied zwischen konventionellem Fahren und Fliegen nur das Schweben (« magnetisches Rad ») in Frage kommen.

Zur Lösung der technischen AusfĂŒhrung des « magnetischen Rades » bieten sich zwei Möglichkeiten an, und zwar das elektrodynamische Schweben und das elektromagnetische Schweben. Beiden Verfahren liegen einfache physikalische Prinzipien zugrunde.

1.5.4.4.1 Elektrodynamisches Schweben (EDS)

Beim EDS-System kommen starke supraleitende Elektromagnete zur Anwendung, die — sobald das Fahrzeug in Bewegung ist — in der Reaktionsschiene große Ströme und somit starke abstoßende ReaktionskrĂ€fte an den Schwebestellen bewirken. Auf diese Weise werden die Fahrzeuge getragen und spurgefĂŒhrt. Die supraleitenden Spulensysteme werden durch flĂŒssiges Helium fast bis zum absoluten Nullpunkt (ca. 4 Kelvin) abgekĂŒhlt. Bei diesen Temperaturen hat das bevorzugte Niob-Titan-Material keinen meßbaren ohmschen Widerstand mehr. Eingeleitete elektrische Ströme fließen in dieser stark unterkĂŒhlten und dann kurzgeschlossenen Spule ohne weitere Energiezufuhr von außen in voller Höhe sehr lange weiter.

Die nach dem EDS-System arbeitenden Fahrzeuge haben zum Anfahren («Starten») und Stillsetzen («Landen») eigene Laufwerke, da erst bei bestimmter Geschwindigkeit der Schwebeeffekt wirksam wird. Auch dienen die Laufwerke fĂŒr den Notfall.

1.5.4.4.2 Elektromagnetisches Schweben (EMS)

Beim EDS-System waren abstoßende ReaktionskrĂ€fte zwischen Schiene und Elektromagnet wirksam, beim EMS-Prinzip hat man es mit anziehenden ReaktionskrĂ€ften zum Tragen der Fahrzeuge zu tun. Steuer- und Regelsysteme sorgen fĂŒr die richtige magnetische FeldstĂ€rke und Wahrung des Schwebeabstandes. Wenn die Bordmagnete eingeschaltet sind, schwebt — im Gegensatz zur EDS-Anlage — sogar das Fahrzeug im Stillstand. Bei abgeschalteten Magneten ruht das Fahrzeug auf gefedertem Gleitsystem. Im Störungsfalle kommt das Fahrzeug ebenfalls durch das Gleitsystem sicher zum Stehen.

1.5.5 Anlaßverfahren der Drehstrom-Asynchronmotoren

Die Inbetriebnahme eines jeden Drehstrom-Asynchronmotors ist mit erhöhter Stromaufnahme verbunden. Um sie auf ein Minimum zu reduzieren, wird im allgemeinen beim KurzschlußlĂ€ufermotor die Spannung an den StĂ€nderstrĂ€ngen vermindert und beim SchleifringlĂ€ufermotor der ohmsche Widerstand im LĂ€uferkreis erhöht. Beim KurzschlußlĂ€ufermotor erfolgt also der Anlaßvorgang ĂŒber den StĂ€nderkreis, beim SchleifringlĂ€ufermotor vorwiegend ĂŒber den LĂ€uferkreis.

1.5.5.1 Anlaßverfahren von KurzschlußlĂ€ufermotoren : Es steht eine Vielfalt von Möglichkeiten zur VerfĂŒgung.

a) Das direkte Anlassen kommt wegen des sehr hohen Einschaltstromes nur fĂŒr kleine Leistungen in öffentlichen Netzen zur Anwendung. Die EVU's (Energieversorgungsunternehmen) begrenzen im Allgemeinen auf 3 kW. b) Das Stern-Dreieck-Anlaßverfahren ist die hĂ€ufigste Anlaßmethode. Durch die Stern-Schaltung betrĂ€gt die _ Strangspannung das 0,58fache (l/Ö3fache) gegenĂŒber der Dreieck-Schaltung. Theoretisch fĂ€llt damit der Strom gegenĂŒber dem direkten Anlassen auf 1/3. Mit dem Strom wird auch das Anlaufmoment MA herabgesetzt. Damit beim Umschalten von Stern auf Dreieck infolge Unterbrechung der Rush-Strom (Stoßstrom) nicht zu hoch wird, fĂŒhrt man den Stern-Dreieck-Schalter in Sprungschaltbauweise aus. FĂŒr kleinere Leistungen kommt der Walzenschalter, fĂŒr grĂ¶ĂŸere Leistungen der Nockenschalter zur Anwendung.

c) Das Anlassen mit StĂ€nderanlasser entspricht der allgemeinen Inbetriebsetzung der Gleichstrommotoren (Abschnitt 1.3.1.2). Die Herabsetzung der StĂ€nderspannung bringt ein quadratisches Abfallen des Drehmomentes mit sich. Die AnlaßwiderstĂ€nde -können vor der StĂ€nderwicklung bzw. bei Sternschaltung im geöffneten Sternpunkt liegen. StĂ€nderanlasser finden dort Anwendung, wo möglichst stoßfreier Anlauf verlangt wird. Es können Fest- oder FlĂŒssigkeitsanlasser verwendet werden.

d) Das Anlassen mit Kusaschaltung (Kurzschluß-Sanftanlauf) kommt ebenfalls fĂŒr besonders stoßfreies, weiches Anlaufen in Frage. Durch den DĂ€mpferwiderstand (Kusawiderstand) lassen sich die Anlaufbedingungen weitgehend beeinflussen. An den AnschlĂŒssen herrscht Spannungsunsymmetrie, die mit abnehmender StromstĂ€rke geringer wird. Beim Anlassen kann man sich den Motor durch zwei Motoren auf einer Welle ersetzt denken, von denen der eine ein mitlaufendes, der andere ein inverslaufendes Drehfeld besitzt. Der gegendrehend gedachte Motor wirkt dabei als Bremse.

e) Das Anlassen mit Transformator ist im Prinzip das gleiche Verfahren wie mit AnlaßwiderstĂ€nden. Es fallen hier die ErwĂ€rmungsverluste weg. Je nach Wahl lĂ€ĂŸt sich das Anlassen stufig bzw. stufenlos (stetig) durchfĂŒhren. Die entstehenden Spannungs-, Strom- und Drehmomentbedingungen sind die gleichen wie beim Anlassen mit Stern-Dreieck-Schalter bzw. StĂ€nderanlasser. Anlaßtransformatoren sind meist als Spartransformatoren (Abschnitt 1.4.7) ausgefĂŒhrt, sie werden aber auch in V-Schaltungsbauweise hergestellt. Wegen der hohen Anschaffungskosten kommt dieses Anlaßverfahren gewöhnlich nur in seltenen FĂ€llen zur Anwendung.

f) Das Anlassen mit Magnetpulverkupplung wird bei schwierigen AnlaufverhĂ€ltnissen angewandt. Bei Direkteinschaltung erfolgt der Kupplungsvorgang nach dem Hochlauf des Motors, bei Stern-Dreieck-Schaltung nach dem Umschalten auf Dreieck. Auf diese Weise können Maschinen mit großer Leistung durch sanftes «magnetisches Kuppeln» stoßfrei in Betrieb gesetzt werden. Die Übertragung des Drehmomentes erfolgt nach dem Anlauf schlupf frei. Wird das höchstzulĂ€ssige Drehmoment ĂŒberschritten, setzt ein SchlĂŒpfen der Kupplung ein. Die Wirkungsweise der Doppelsteuer-Magnetpulverkupplung ist folgende: Die beiden gegenlĂ€ufigen ZahnrĂ€der sind starr mit ihrem jeweiligen Kupplungs-Außenteil verbunden, die Ritzel starr mit ihrem entsprechenden Kupplungsbecher. Wird (angenommen) die Erregerspule k1 mit Gleichstrom ĂŒber Schleifringe versorgt, stellt das Spezialeisenpulver zwischen Kupplungsaußenteil und Kupplungsbecher eine «starre» Verbindung (magnetischen Kraftschluß) her. Das obere Ritzel bildet nun mit der Abtriebswelle den mechanischen Kraftschluß. Das untere Kupplungssystem lĂ€uft leer mit. Soll die Abtriebswelle umgekehrt laufen, muß Erregerspule K2 mit Gleichstrom versorgt werden. Die Drehrichtung des Antriebsmotors Ă€ndert sich nicht.

g) Das Anlassen mit Anwurfmotor findet bei sehr großen Leistungen Anwendung. Ein kleiner SchleifringlĂ€ufermotor oder Gleichstrommotor fĂ€hrt einen großen KurzschlußlĂ€ufermotor leer hoch und wird bei der synchronen Drehzahl des angeworfenen Motors abgeschaltet. Der große KurzschlußlĂ€ufermotor wird in diesem Augenblick an das Netz gelegt und fĂ€llt in den Asynchronismus zurĂŒck. Auf diese Weise tritt kein hoher Einschaltstrom auf.

h) Üblich ist heute das Hochfahren ĂŒber SanftanlaufgerĂ€tebzw.Frequenzumrichter.

h.1) Man unterscheidet bei den SanftanlaufgerĂ€ten (Softstarter) preisgĂŒnstige GerĂ€te, bei denen nur 1 Phase per Phasenanschnittsteuerung spannungsmĂ€ĂŸig langsam, elektronisch automatisch zeitlich einstellbar, hochgefahren wird, 2-phasigen GerĂ€ten, bei denen 2 Phasen angeschnitten werden und 3-phasige GerĂ€te, bei denen alle 3 Phasen hochgefahren werden. Die einpasigen GerĂ€te werden meist nur fĂŒr kleine Motoren eingesetzt, die schnell hochlaufen, da bei zu langsamem Hochlauf, also bei großen Motoren mit großen Schwungmassen die beiden anderen Wicklungen zu lange unter voller Spannung stehen , zu heiß werden und durchbrennen können.

h.2) Frequenzumrichter haben den Sanftanlauf bereits integriert, da sie so geschaltet sind, daß nach dem Einschalten oder im Fall einer Störung die Spannung automatisch immer von Null hochgefahren wird. Dies wird schon deshalb so gemacht, weil sonst die Bauteile ĂŒberdimensioniert werden mĂŒĂŸten. (Siehe auch 3.3)

SanftanlaufgerĂ€te liefert Kemmerich Gummersbach aus Baureihe V34 Mini-E-Start mit 0,3 bis 4 kW, als E-Start bis 1.000kW und bis 1.000Volt. Eine besonders preisgĂŒnstige Version bei GroßgerĂ€ten ist die W3-Beschaltung, bei der 6 Kabel zum Motor gefĂŒhrt werden mĂŒssen, damit aber der Strom und somit der Preis verringert werden kann. Auch höhere Leistungen und Spannungen sind möglich.

Ebenfalls werden Frequenzumrichter in allen Leistungen und fĂŒr Hochspannung geliefert.Übrigens sind fast alle GerĂ€te offen fĂŒr Schaltschrankeinbau oder bis IP65 wasserdicht lieferbar. Elektronische Netz-RĂŒckspeiseeinheiten fĂŒr fast alle Frequenzumrichter runden das Programm ab.

Spannungsverminderung im StĂ€nderkreis setzt hohe Anlaufströme herab; gewĂŒnschte Drehzahlsteuerungen bei festgelegtem Drehmoment sind auf diese Weise nicht fĂŒr jeden Fall zu erreichen. 1.5.5.2Anlaßverfahren von SchleifringlĂ€ufermotoren

Die Anlaufbedingungen der Asynchronmotoren werden wesentlich verbessert, sobald VerĂ€nderungen im LĂ€uferkreis mit Hilfe von LĂ€uferanlassern erfolgen. Nach dem Hochlauf werden bei großen Motorenleistungen mittels BĂŒrstenabhebevorrichtung die Schleifringe kurzgeschlossen und die BĂŒrsten abgehoben. Der SchleifringlĂ€ufermotor lĂ€uft dann als KurzschlußlĂ€ufermotor weiter.

a) Der stufenlose Anlaßvorgang wird mit einem normalen LĂ€uferanlasser (Anlasser mit Querschnittsauslegung fĂŒr kurzzeitigen Betrieb) vorgenommen. SelbsttĂ€tiger stufenloser Anlaßvorgang wird mit dem FlĂŒssigkeitsdampfanlasser erreicht. Bei diesem Anlasser bildet die FlĂŒssigkeit (Elektrolyt) den Widerstand. Da der Elektrolyt ein Heißleiter ist, vermindert sich dessen Widerstandswert stufenlos bei ErwĂ€rmung. Durch einen weiteren Heißleiter oder ein Relais im Steuerkreis kann ein SchaltschĂŒtz in TĂ€tigkeit gesetzt werden, wodurch der LĂ€uferkreis automatisch kurzgeschlossen wird. b) Der stufige Anlaßvorgang erfolgt ĂŒber SchĂŒtzsteuerkreise. In bestimmten Verzögerungsintervallen wird der LĂ€uferanlasser gruppenweise abgeschaltet. Erhöhung des ohmschen Widerstandes im LĂ€uferkreis hat geringe Stromauf-nahme aus dem Netz und Anlauf mit hohem Drehmoment zur Folge. 1.5.5.3Allgemeine Bestimmungen ĂŒber Anlassen von Asynchronmotoren In öffentlichen Netzen dĂŒrfen keine beliebigen Stromerhöhungen bei AnlaßvorgĂ€ngen auftreten, da die SpannungsfĂ€lle ihre zulĂ€ssigen Grenzen ĂŒberschreiten wĂŒrden. Maßgebend fĂŒr die anzuschließenden Leistungen sind die örtlichen EVU-Bestimmungen, die sich weitgehend nach den aufgestellten Musterbedingungen richten.

Nach den technischen Anschlußbedingungen fĂŒr den Anschluß von Motoren an das Niederspannungsnetz hat seit dem l. Mai 1982 die Vereinigung Deutscher ElektrizitĂ€tswerke e.V. (VDEW) folgende allgemeine Bedingungen festgelegt:

Anschluß von Motoren

a) Durch den Anlauf von Motoren dĂŒrfen keine störenden Spannungsabsenkungen im Netz verursacht werden. Diese Bedingung ist im allgemeinen erfĂŒllt, wenn bei Wechselstrommotoren die Nennleistung 1,4 kW oder bei Drehstrommotoren der Anzugstrom 60 A nicht ĂŒberschritten wird; ist der Anzug nicht bekannt, so ist dafĂŒr das Achtfache des Nennstromes anzusetzen. Die angegebenen Werte gelten fĂŒr den Betrieb von Einzelmotoren. Werden diese Werte bei gleichzeitigem Anlauf von mehreren Motoren ĂŒberschritten, so sind die zu treffenden Maßnahmen mit dem EVU zu vereinbaren. b) Vor der Planung des Anschlusses grĂ¶ĂŸerer Motoren und solcher Motoren, die Netzstörungen durch besonders schweren Anlauf, hĂ€ufiges Einschalten oder schwankende Stromaufnahme (z.B. SĂ€gegatter, Aufzugmotoren) verursachen können, sind die zutreffenden Maßnahmen mit dem örtlichen EVU zu vereinbaren. GrĂ¶ĂŸere WerkstĂ€tten bzw. Industriebetriebe werden von einer eigenen Transformatorenstation versorgt. 1.5.6Elektrische Bremsungen von Drehstrom-Asynchronmotoren Bei der elektrischen Bremsung wird die in den bewegten Massen enthaltene kinetische Energie

Wkin= (m*u2)/2=(J*w)/2

Wkin Kinetische Energie in Nm m Bewegte Masse in kg uGeschwindigkeit in m ‱ s-1 J TrĂ€gheitsmoment in kgm2 w Winkelgeschwindigkeit in s-1

in elektrische Energie umgewandelt. Der Motor geht in den Generatorzustand ĂŒber. Die elektrische Energie wird entweder vom Netz oder von WiderstĂ€nden aufgenommen. Bei Gleichstrommotoren kann diese Art der Bremsung ohne nennenswerte zusĂ€tzliche Aufwendung erfolgen (Abschnitt 1.3.3).

Beim Drehstrom-Asynchronmotor ist die Netzabbremsung anwendbar, wenn der Motor ĂŒbersynchron lĂ€uft. Durch die LĂ€ufervoreilung zum Drehfeld entsteht ein negativer Schlupf: Der Motor wird zum Asynchrongenerator (Abschnitt 1.5.12.2). Ein Stillstand wird natĂŒrlich auf diese Weise nicht erreicht und muß in geforderten FĂ€llen durch Trennung vom Netz und mechanisches Bremsen erfolgen. Eine Abbremsung auf ohm-sche WiderstĂ€nde entfĂ€llt hier prinzipiell. Die in der Praxis eingebĂŒrgerten Bremsmethoden fĂŒr Drehstrom-Asynchronmotoren sind Gegenstrom- und Gleichstrombremsung.

1.5.6.1Gegenstrombremsung

Wenn bei auslaufenden Drehstrommotoren zwei StĂ€nderanschlĂŒsse vertauscht werden, kehrt sich die Drehfeldrichtung um. Achtung: Unfallgefahr! Bei schlagartigem Tausch zweier Phasen kann die Motorwelle abscheeren oder die Kupplung brechen und Antriebsteile können unkontrolliert wegfliegen. Die Bremswirkung tritt infolge konstanten Bremsmomentes rasch ein. Der Durchlauf bei Drehzahl n gleich Null muß durch einen BremswĂ€chter (Abschnitt 2.7.8) ĂŒberwacht werden, da sonst der Motor in entgegengesetzter Richtung hochlĂ€uft. Bei inverser Drehfeldrichtung tritt eine Erhöhung der LĂ€uferspannung, des LĂ€uferstromes und der LĂ€uferfrequenz ein. Die WĂ€rmeverluste in der LĂ€uferwicklung und im LĂ€ufereisen nehmen zu. Bei SchleifringlĂ€ufermotoren wird außerdem die LĂ€uferwicklungsisolation erhöht beansprucht.

1.5.6.2Gleichstrombremsung

Die StĂ€nderwicklung wird vom Drehstromnetz abgeschaltet und an eine Gleichstromhilfsquelle gelegt. Die GrĂ¶ĂŸe der Gleichspannung fĂŒr die Auslaufbremsung richtet sich nach der Nennspannung und der Motornennleistung. Bei 400 V Nennspannung betrĂ€gt z.B. fĂŒr einen 50-kW-Motor die Gleichspannung ~ 10 V, fĂŒr einen 5-kW-Motor ~ 40 V und fĂŒr einen 0,5-kW-Motor schon ~ l10 V. Der Bremsstrom kommt etwa auf das 2,5fache des Nennstromes. Die Gleichspannung wird gewöhnlich ĂŒber Trockengleichrichter (frĂŒher Seleen, heute meist Silizium, Germanium) gewonnen. Es kommen als Schaltmöglichkeiten die offene Stern-, die geschlossene Stern- und die Dreieckschaltung zur Anwendung.

Sobald der StĂ€nder an der Gleichspannungsquelle liegt, baut sich ein magnetisches Gleichfeld auf. Rotiert der LĂ€ufer in diesem Feld, wird nach der Generatorregel eine Spannung induziert, die einen Strom zum Fließen bringt, dessen Magnetfeld mit dem Erregerfeld ein Gegendrehmoment (Bremsmoment) erzeugt. Ein entgegengesetztes Hochlaufen des Motors kann nicht erfolgen. Drehstrommotoren mit hoher BremsschalthĂ€ufigkeit mĂŒssen wegen ĂŒberhöhter ErwĂ€rmung zusĂ€tzlich belĂŒftet werden.

Bei sehr hohen SchalthĂ€ufigkeiten der Bremsen (die ErwĂ€rmung hĂ€ngt von der anzutreibenden Masse und den Zeiten ab) liefert Kemmerich Gummersbach auch Brems-Kupplungs-Kombinationen. Diese haben den Vorteil, daß der Motor drehzahlunvermindert (Drehzahl auch ĂŒber Frequenzumrichter einstellbar) durchlĂ€uft und eine Kupplung ( z.B. auch zwischen Getriebe und Motor ) innerhalb Bruchteilen von Sekunden den Antrieb zuschaltet und/oder abschaltet. Die Bremse hat die gleiche Funktion wie vorgenannt oder wird auch zum Halten des Stillstands benutzt.

Soll der Motor auch noch in beiden Richtungen mit sehr hoher SchalthĂ€ufigkeit betrieben werden, so kommt meist ein mechanisches Wendegetriebezum Einsatz. Auch hierbei kann der Motor in einer Drehrichtung durchlaufen. Das Wendegetriebe hat 2 gegensĂ€tzlich laufende ZahnrĂ€der, wobei jeweils die gewĂŒnschte Drehrichtung ĂŒber Magnetkupplungen abgerufen werden.

1.5.7Drehzahlsteuerungen von Drehstrom-Asynchronmotoren (AC)

Drehzahlsteuerungen von Drehstrom-Asynchronmotoren sind durch VerĂ€nderungen im LĂ€uferkreis bzw. im StĂ€nderkreis möglich. VerĂ€nderungen im LĂ€uferkreis kommen fast ausschließlich beim SchleifringlĂ€ufermotor durch Schlupfbeeinflussung vor.

Im StĂ€nderkreis beeinflußt die Frequenz bzw. die Polpaarzahl die Drehzahl nach der Beziehung

n0= (60*f)/p

1.5.7.1Drehzahlsteuerung durch Beeinflussung des Schlupfes (AC)

Erfolgt die Drehzahlsteuerung unter Last, hat man einen SteuerschleifringlĂ€ufer vor sich. Wird wĂ€hrend des Betriebes ein Widerstand des Stellanlassers (Anlasser mit Querschnittsauslegung fĂŒr Dauerbetrieb) zugeschaltet, muß sich bei konstantem Drehmoment die Urspannung U02 im LĂ€ufer erhöhen. Das kann aber nur durch erhöhte Schnittgeschwindigkeit des Drehfeldes erreicht werden: der Motor muß langsamer laufen.

Die WiderstÀnde im Rotorkreis stehen bei konstantem Drehmoment im gleichen VerhÀltnis zu den Schlupfdrehzahlen.

Beispiel

Ein vierpoliger SchleifringlĂ€ufermotor, Frequenz f = 50 Hz, Drehzahl n1Betrieb= 1450 min-1 hat einen Rotorwiderstand RRotor = 0,5 Ohm. Es werden 2,5 Ohm LĂ€uferanlasserwiderstand (RAnl) zugeschaltet. Wie groß wird die neue Betriebsdrehzahl n2Betrieb?

Lösung

Im normalen Betrieb betrÀgt die Schlupfdrehzahl

n1Schlupf = 1500 min-1 - 1450min-1 = 50min-1

Die neue Schlupfdrehzahl wird

n2Schlupf = n1schlupf*(RAnl+RRotor)/RRotor= 50 min-1* (2,5 Ohm+0.5 Ohm) =300min-1

Die neue Betriebsdrehzahl wird dann

n2Betrieb = 1500 min-1 - 300 min-1 = 1200min-1 Der DrehzahlrĂŒckgang bei konstantem Drehmoment M bedeutet Leistungsverminderung und somit Verschlechterung des Wirkungsgrades h. Entsprechend der GrĂ¶ĂŸe des zugeschalteten Stellanlasserwiderstandes wird ein Teil der Leistung in WĂ€rme umgesetzt. Beispiel

Ein vierpoliger SchleifringlĂ€ufermotor, Frequenz f = 50 Hz, Leistung P1 = 5 kW, Drehzahl n1 Betrieb= 1450 min-1 arbeitet mit einem Wirkungsgrad h1= 0,85. Wie groß werden Leistung P2 und Wirkungsgrad h2 bei der Drehzahl n2 Betrieb = 1200 min-1 Drehmoment M ist konstant.

Lösung

P2 = (n2Betrieb*P1)/n1Betrieb = (1200 min-1*5 kW)/1450 min-1 = 4,14 kW

Das heißt: PV = P1 - P2 = 5 kW - 4,14 kW = 0,86 kW werden in WĂ€rme umgewandelt. Somit wird der prozentuale Verlust

(PV ‱ 100%)/P1= (0.86 kW ‱ 100%)/ 5 kW = 17,2%

Damit wird der neue Wirkungsgrad

n2 = (P2*n1) / P1=(4,14 kW*0,85) / 5 kW = 0,705 Diese Art der DrehzahlĂ€nderung ist vergleichbar mit der Drehzahlsteuerung durch Stellanlasser bei Gleichstrommotoren. Die entstehenden Verluste können bei Motoren kleiner Leistungen bzw. bei kurzer Steuerzeit in Kauf genommen werden. Der normale Drehzahlsteuerbereich liegt bei etwa 1,5 : l. Die Drehzahlsteuerung mit LĂ€uferanlasser (Stellanlasser) ist wegen der hohen Verluste bei grĂ¶ĂŸeren Leistungen unwirtschaftlich.

GĂŒnstiger liegen die VerhĂ€ltnisse dann, wenn die angetriebene Maschine eine angenĂ€hert quadratische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie hat (z.B. LĂŒfter). Die auftretenden Verluste werden hier gering, so daß sich eine Aufstellung teurer SteuermaschinensĂ€tze nicht lohnt.

Bei LĂŒfter- und Pumpenmotoren, also Motoren mit (entsprechend der Drehzahl) quadratischem zunehmendem Drehmoment kann statt eines Frequenzumrichters eine preisgĂŒnstigere Phasenanschnittsteuerung, also nur eine SpannungsverĂ€nderung zur DrehzahlverĂ€nderung eingesetzt werden.

Die Drehzahl von Asynchron- KurzschlußlĂ€ufermotoren ist frequenzabhĂ€ngig, nicht spannungsabhĂ€ngig!

Da jedoch bei quadratisch zunehmendem Drehmoment des Antriebs der Motor bei Verwendung von Phasenanschnittsteuerungendas jeweils höhere Drehmoment nicht hat, versucht er zwar zur Nenndrehzahl hochzulaufen, schafft es aber nicht. Achtung: Der Motor kann sich ĂŒbermĂ€ĂŸig erwĂ€rmen. Anwendung: Ventilatoren, Unterwasserpumpen, Antriebe mit guter KĂŒhlung.


1.5.7.2Drehzahlsteuerung durch Änderung der Frequenz

Siehe auch 3.3 Frequenzumrichter

An normalen Drehstromnetzen mit der Frequenz f = 50 Hz ist eine Steigerung der Drehzahl fĂŒr Asynchronmotoren ĂŒber n = 3000 min-1 nicht möglich. Eine Drehzahlerhöhung ĂŒber 3000 min-1 ist nur durch Frequenzsteigerung zu erreichen. Die Spannung mit der geförderten Frequenz muß in besonderen Maschinen (Frequenzumformer) hergestellt werden (Abschnitt 1.9.2).

Wird ein Motor mit der Netzspannung U = 400 V und der Netzfrequenz f = 50 Hz an ein Netz mit f = 100 Hz gelegt, steigt die Drehzahl auf das Doppelte. Außerdem wĂ€chst der induktive Widerstand XL == 2 ‱ p‱f‱ L auf das Doppelte. Steigert man die Spannung (U ebenfalls auf das Doppelte (U = 800 V), bleibt die StromstĂ€rke I praktisch konstant, denn es gilt die Beziehung

U Spannung in V I StromstÀrke in A R ohmscher Widerstand in W XLinduktiver Widerstand in ^W

Der ohmsche Widerstand R ist hierbei vernachlĂ€ssigbar klein. Theoretisch mĂŒĂŸte sich sogar die Leistung verdoppeln. Frequenzsteigerungen bringen aber ein lineares Wachsen der Hysteresisverluste (Ummagnetisierungsverluste) und ein quadratisches Wachsen der Wirbelstromverluste im StĂ€ndereisen mit sich. Dadurch entstehen beachtliche ErwĂ€rmungen. Aus diesem Grunde sind Frequenzsteigerungen fĂŒr normale 50-Hz-Motoren begrenzt.

WĂŒrde der gleiche Motor an ein Netz mit der Frequenz f = 16+2/3 Hz gelegt, gehen die Drehzahl und der induktive Widerstand auf ein Drittel ihrer UrsprungsgrĂ¶ĂŸe zurĂŒck. Beließe man die Ursprungsspannung U = 380 V, wĂŒrde der Strom theoretisch auf das Dreifache wachsen. Die StĂ€nderwicklung wĂŒrde in diesem Fall verbrennen. Soll der Strom in normalen Grenzen bleiben, muß die Spannung ebenfalls auf ein Drittel reduziert werden. SpannungsrĂŒckgang bei ursprĂŒnglicher StromstĂ€rke bedeutet auch LeistungsrĂŒckgang (hier auf ein Drittel).

In der praktischen Anwendung verĂ€ndert man — um eine zu hohe EisenerwĂ€rmung zu umgehen — die Spannung nicht linear mit der Frequenz. Liegt z.B. die Netzspannung von U = 400 V vor und soll der gleiche Motor fĂŒr 50 Hz und 100 Hz betrieben werden, wickelt man den Motor fĂŒr 230/400 V und schaltet ihn fĂŒr 50 Hz in Stern und fĂŒr 100 Hz in Dreieck.

Wird die Frequenz höher, eignen sich 50-Hz-Motoren nicht mehr. Es mĂŒssen fĂŒr höhere Frequenzen (150 bis 400 Hz) eigens hergestellte Motoren zur Anwendung kommen. Elektrische Werkzeugmaschinen können vorteilhaft mit solchen Sondermotoren bestĂŒckt werden, da sie gegenĂŒber gleichwertigen Universalmotoren leichter und wartungsfreier sind.

Kemmerich Gummersbach hat Hochgeschwindigkeitsmotoren(High Speed Motoren) fĂŒr fast alle Drehzahlen und Leistungen im Programm. Die höheren Frequenzen werden im Normalfall ĂŒber Frequenzumrichter bereitgestellt. Wie oben beschrieben, muß bei 500Hz (also fĂŒr 30.000 U/min. statt 3.000 U/min.) auch die Spannung auf das10-fache steigen. Da kleine Motoren aber normalerweise nicht fĂŒr 4.000 Volt gewickelt werden, wird nicht die Anschlußspannung also Netzspannung erhöht, sondern die Wicklungsspannung auf den 10.Teil also fĂŒr 40 Volt reduziert. Diese Wicklung wĂ€re also fĂŒr 40 V bei 50Hz geeignet, entsprechend 400V bei 500Hz.

Kleine Motoren mit z.B. 0,37 kW können als Spindelmotoren bis max. 200.000 U/min. geliefert werden; Einfache Motoren bis 24.000U/min. bis ca. 8 kW. Mit fallender Drehzahl kann die Leistung zunehmen. SerienmĂ€ĂŸig werden Drehstrom-Servomotoren mit Drehzahlen von ca. 12.000U/min., bis ca.6.000U/min. bei ca. 240kW geliefert. Abgerundet wird das Programm durch sogenannte Titan-LĂ€ufer-Motoren, die im Leistungsbereich 200 bis 2.000 kW bei bis 40.000 U/min. liegen. Diese Motoren haben Sonderwicklungen, wegen der Ummagnetisierungsverluste Sonderbleche im Stator, wegen der enormen FliehkrĂ€fte Sonderbleche und Sonderschnitte im Rotor und wegen der auftretenden anderen KrĂ€fte auch Titan im Rotor. DarĂŒberhinaus werden immer FremdlĂŒfter angebaut, Sonder-Hybridlager (Keramiklager) oder bei höchsten Drehzahlen Magnetlager eingebaut. TemperaturfĂŒhler (Kaltleiter) und normal Inkrementalgeber sind Standard. LagerĂŒberwachung, Stillstandsheizung etc. wird nach Kundenwunsch berĂŒcksichtigt. Einsatz: PrĂŒfstĂ€nde fĂŒr Turbinen, Getriebe, Motoren; Zentrifugen; Werkzeugmaschinen zum Schleifen, FrĂ€sen; Neuerding Energiespeicher; Vacuumpumpen usw. Großmotoren können mit 4 MW bei 20.000U/min. und bis 14 MW bei 10.000 U/min.angeboten werden. Einsatz: Gaskompressoren fĂŒr Erdgasdruckstationen/Überlandförderung etc.

Auch Gleichstrom-Hochgeschwindigkeitsmotoren sind lieferbar. Hier gilt in Bezug auf Leistung und Drehzahl das Gleiche. Ca. 30 kW können noch mit 16.000 U/min. und 160 kW mit ca. 8.000U/min. geliefert werden.


1.5.7.3Drehzahlsteuerung durch Änderung der Polpaarzahlen

Diese DrehzahlÀnderungsmöglichkeit ist bei Drehstrom-Asynchronmotoren vorherrschend. Mit polumschaltbaren Motoren sind, entsprechend der Bedingung

n0=(60*f)/p, am 50-Hz-Netz nur Drehzahlen unter n == 3000 min-1 möglich. Die PolzahlÀnderungen können erfolgen durch a) Umschaltungen zwischen getrennten StÀnderwicklungen, b) Umschaltungen der Spulengruppen einer StÀnderwicklung.

Da bei Polumschaltungen der SchleifringlĂ€ufermotoren die LĂ€uferpolzahlen den StĂ€nderpolzahlen möglichst angepaßt sein mĂŒssen, kommen vorwiegend Motoren mit KĂ€figlĂ€ufer zur Anwendung.

KĂ€figlĂ€ufer eignen sich fĂŒr jede Polpaarzahl.

Polumschaltbare Motoren sind am Leistungsschild an der doppelten oder mehrfachen Drehzahlangabe, Leistungsangabe, Stromangabe und «cos-j»-Angabe zu erkennen. Da man bei der Umschaltung der Spulengruppen einer StĂ€nderwicklung verschiedene AusfĂŒhrungsmöglichkeiten haben kann, wird noch die Schaltart angegeben. Ein weiteres typisches Merkmal ist die nach DIN 42401 genormte Anschlußbezeichnung. Die vor die Anschlußbuchstaben gestellten Ziffern l oder 2 oder 3 usw. richten sich nach Höhe der Drehzahl, wobei Ziffer l zur niedrigsten Drehzahl gehört.

1.5.7.3.1Polumschaltungen mit getrennten StÀnderwicklungen

Diese Polumschaltungsmöglichkeit erfolgte bisher vorwiegend bei gebrochenen DrehzahlverhĂ€ltnissen (3:4; 2:16 usw.). FĂŒr die StĂ€nderwicklungen wird Sternschaltung bevorzugt. Wie bei der Stern-Dreieck-Schaltung verwendet man auch hier fĂŒr kleinere Leistungen als Umschalter den Walzenschalter, fĂŒr grĂ¶ĂŸere Leistungen den Nockenschalter. Eine genauere Betrachtung zum Nockenschalter siehe Abschnitt 2.2.3.2.

1.5.7.3.2Polumschaltungen mit Spulengruppen einer StÀnderwicklung

a) Von den konventionellen Polumschaltungen mit einer StĂ€nderwicklung und dem DrehzahlverhĂ€ltnis l: 2 wurden bisher in der Praxis verwandt --Schaltung (Dahlanderschaltung) Sie ist noch heute die am hĂ€ufigsten angewandte Polumschaltung. FĂŒr die kleine Drehzahl (große Polzahl) hat bei dieser Polumschaltung die StĂ€nderwicklung -Schaltung, fĂŒr die große Drehzahl (kleine Polzahl) . Die LeistungsverhĂ€ltnisse betragen l: 1,36, die DrehmomentenverhĂ€ltnisse l: 0,68.

Der Polumschalter hat mit dem- -Schalter große Ähnlichkeit und wird ebenfalls in Walzen- bzw. Nockenbauform ausgefĂŒhrt. Beim Wicklungsanschluß am Anschlußbrett ist die Buchstabenfolge zu beachten. Die richtige Reihenfolge der AnschlĂŒsse vom Polumschalter zum Anschlußbrett muß ebenfalls beachtet werden.

Die--- Schaltung ist eine Kombination aus--Schaltung und --Schaltung. Mit dieser Schaltung wird der hohe Einschaltstrom umgangen. Der Motor lĂ€uft weich in-Schaltung an und wird auf umgeschaltet . Außerdem kann der Motor bei kleiner Drehzahl und niedriger Last (unter 33°/o Vollast) zwecks Verbesserung des Leistungsfaktors cos j in Stern-Schaltung betrieben werden (Abschnitt 1.5.3.2.3.)

--Schaltung(LĂŒfterausfĂŒhrung) Motoren dieser Polumschaltung werden bevorzugt zum Antrieb von Arbeitsmaschinen mit Schleuderwirkung, z.B. LĂŒfter, GeblĂ€se, Kreiselpumpen, RĂŒhrwerke usw., eingesetzt, da diese Arbeitsmaschinen mit der Änderung der Drehzahl ein kubisches (3. Potenz) LeistungsverhĂ€ltnis und ein quadratisches (2. Potenz) DrehmomentenverhĂ€ltnis aufweisen. Drehstrommotoren mit--Polumschaltung haben ein LeistungsverhĂ€ltnis l: 4 und ein DrehmomentenverhĂ€ltnis l: 2. Weniger zur Anwendung kommen die --Schaltung mit Umkehrung. Hier werden die LeistungsverhĂ€ltnisse l: l sowie die DrehmomentenverhĂ€ltnisse 1:0,5 --Schaltung mit Umkehrung. Hier werden die LeistungsverhĂ€ltnisse l: 3 und die DrehmomentenverhĂ€ltnisse 1:1,5. Bei den genannten Polumschaltungen werden durch Reihen — bzw. Gegenreihen — sowie Parallelschaltungen einzelner Spulengruppen die Polzahlen der StĂ€nderwicklungen stets im geraden VerhĂ€ltnis (l: 2) verĂ€ndert, was noch relativ leicht ausfĂŒhrbar ist. Gebrochene DrehzahlverhĂ€ltnisse (z.B. 2:3; 3 :4; l: 16 usw). waren bisher auf diese Weise nur mit großem Aufwand der Polumschalter und mit vielen Wicklungsanzapfungen zu erreichen. Diese Schwierigkeiten werden beseitigt durch b) Polamplitudenmodulationswicklungen(PAM-Wicklungen) Prof. Rawcliffe veröffentlichte vor einiger Zeit Patente ĂŒber Polamplitudenmodulations-Motoren (PAM-Motoren). Durch neuartige Umgruppierungsschaltungen können zwei gebrochene DrehzahlgrĂ¶ĂŸen im VerhĂ€ltnis wie z.B. 4: l oder 4:3 oder 4: 5 oder 4:6 usw. — wie bei der bekannten Dahlanderschaltung — mit 6 Anschlußklemmen ausgefĂŒhrt werden. Die Dahlanderschaltung mit dem geradlinigen VerhĂ€ltnis 4:2 kann als einfachste PAM-Schaltung angesehen werden.

Mit einer 4polpaarigen Grundwicklung lassen sich also bei f = 50 s-1 erreichen:

4polpaarig n0=0750 min-1 1. 1polpaarig n0 = 3000 min-1 2. 2polpaarig n0 = 1500 min-1 3. 3polpaarig n0 = 1000 min-1 4. 5polpaarig n0 = 0600 min-1 5. 6polpaarig n0 = 0500 min-1 6. 7polpaarig n0 = 0428 min-1


Vorteile der PAM-Motoren gegenĂŒber polumschaltbaren Motoren mit getrennten Wicklungen

a) Kleinere Bauweise, weniger Wickelmaterial, preisgĂŒnstiger. b) Wirksamer Cu-Querschnitt in der Nut praktisch doppelt so hoch. c) Besserer Wirkungsgrad h und Leistungsfaktor cos j vor allem bei höheren Polzahlen. d) HĂ€ufigere stĂŒndliche Drehzahlumschaltungen möglich. e) GĂŒnstigere Stromdichten. f) Gute Beschleunigungseigenschaften großer Schwungmassen. g) Wesentliche Verbesserung der VerhĂ€ltnisse Leistung/Gewicht/GrĂ¶ĂŸe. Lt. Angabe Jahrbuch 80 fĂŒr Elektromaschinenbau und Elektronik hat ein 6/4poliger Motor von gleicher GrĂ¶ĂŸe und Gewicht PAM-Motor == 5,7 kW Motor mit getrennten Wicklungen = 4,3 kW

Als Nachteil wĂ€re der schlechtere Wicklungsfaktor z zu nennen. Mit polumschaltbaren Motoren können nur stufige DrehzahlverhĂ€ltnisse erreicht werden. Sie werden vor allem zum Antrieb von Hebezeugen und Werkzeugmaschinen benutzt. PolzahlĂ€nderungen lassen keine stetigen DrehzahlverĂ€nderungen, sondern nur entsprechend der Polpaarzahlen ganzzahlige Drehzahlstufen zu. Motoren mit PAM-Schaltung werden wie Motoren mit Dahlanderschaltung angeschlossen. 1.5.8Spannungsumschaltungen von Drehstrom-Asynchronmotoren Als spannungsumschaltbare Motoren eignen sich sowohl Kurzschluß- wie auch SchleifringlĂ€ufermotoren. Bau- bzw. Montagefirmen, Wanderunternehmen, wie Zirkusse und Karussellbetriebe, auch Wanderdreschmaschinen fĂŒr lĂ€ndliche Bezirke, die beim Wechseln ihres Standortes auf örtlich verschiedene Anschlußspannungen treffen, sind meist mit spannungsumschaltbaren Motoren ausgerĂŒstet.

a) Motoren mit zwei StĂ€nderspannungen ĂŒberwiegen und kommen in Netzen 230/125 V bzw. 400/230 V zur Anwendung. Man bedient sich einfach der Stern-Dreieck-Umschaltung oder der Umklemmung am Anschlußbrett. b) Motoren mit drei StĂ€nderspannungen werden verschieden ausgefĂŒhrt. Wie bei der Dahlanderschaltung können die StrĂ€nge in HalbstrĂ€nge unterteilt und fĂŒr 500 V in , 400 V in und 230 V in an das Netz gelegt werden. FĂŒr die Doppelsternschaltung kann bis 440-V-Dreiphasenspannung und fĂŒr die -Schaltung bis 250-V-Dreiphasen-Spannung angelegt werden. Durch entsprechende Bemessung erfolgt die StĂ€nderwicklungsauslegung so, daß sich — trotz nicht genau passender Spannung — immer noch gĂŒnstige Betriebseigenschaften ergeben.

Die StĂ€nderwicklung kann auch neben der normalen AusfĂŒhrung eine Zusatzwicklung besitzen. Bei 500 V Spannung liegt die StĂ€nder- mit der Zusatzwicklung in Stern. bei 400 V Spannung ohne Zusatzwicklung in Stern und bei 230 V Spannung in Dreieck. Mit einem entsprechenden Schalter können die jeweiligen Umschaltungen erreicht werden.

1.5.9Betriebliche und praktische GegenĂŒberstellungen von KurzschlußlĂ€ufermotoren und SchleifringlĂ€ufermotoren 1.5.9.1Vorteile des KurzschlußlĂ€ufermotors gegenĂŒber dem SchleifringlĂ€ufermotor

a) Einfache Bauweise, geringe Herstellungskosten, störungsfrei, einfache Wartung. b) Im Betrieb liegen der Leistungsfaktor cos j und der Wirkungsgrad h etwa l bis 2% höher. Die Stirnringe der KurzschlußlĂ€uferwicklung liegen eng am Blechpaket des LĂ€ufers, wodurch die Wicklungsstreuung gering wird. Deshalb hat der KurzschlußlĂ€ufermotor weniger Blindleistungsaufnahme und auch weniger WĂ€rmeverluste als der SchleifringlĂ€ufermotor.

c) Praktische Verwendung fĂŒr alle polumschaltbaren Motoren (Abschnitt 1.5.7.3). d) Verwendung in explosionsgefĂ€hrdeten RĂ€umen. (FĂŒr explosionsgefĂ€hrdete Verwendung mĂŒssen Motoren der EEx-Schutzklassen eingesetzt werden. Man unterscheidet gemĂ€ĂŸ den verschiedenen Gasen und ZĂŒndgruppen Motoren mit Kennzeichnung EEx-e T1-T4 und druckfest gekapselter AusfĂŒhrung EEx-d. Entsprechende Tabellen können im Bedarfsfall bei Kemmerich Gummersbach bezogen werden.Der Ex-Schutz muß auf den Typenschildern vermerkt sein und im Normalfall gehört zu jedem Motor ein EEx-Zertifikat, ausgestellt von einer deutschen oder entsprechenden europĂ€ischen Behörde. PTB-Braunschweig, Cenelec etc.)

1.5.9.2Vorteile des SchleifringlĂ€ufermotors gegenĂŒber dem KurzschlußlĂ€ufermotor

a) Wesentlich gĂŒnstigere Anlaufbedingungen (Abschnitt 1.5.5.2) und Verwendung zur Drehzahlsteuerung mittels SchlupfverĂ€nderung (Abschnitt 1.5.7.1). b) Verwendbar als elektrische Welle (Abschnitt 1.5.10). c) Verwendbar als Drehtransformator (Abschnitt 1.5.11). d) Verwendbar als asynchroner Frequenzumformer (Abschnitt 1.9.2.1). 1.5.10Elektrische Welle Klapp-, Hub-, VerladebrĂŒcken, HebebĂŒhnen, Supportantriebe fĂŒr lange Wellendrehmaschinen mĂŒssen gewöhnlich von mehreren Motoren angetrieben bzw. betĂ€tigt werden. Dazu ist unbedingt ein Gleichlauf der Motoren erforderlich. Um das zu erreichen, kann man ihre LĂ€ufer durch eine starre Welle (mechanische Welle) bzw. durch Getriebe verbinden.

Ist die AusfĂŒhrung einer mechanischen Welle schwierig bzw. unmöglich, kann die Verbindung von LĂ€ufer zu LĂ€ufer elektrisch hergestellt werden (elektrische Welle).

Als elektrische Welle kommen vorwiegend SchleifringlÀufermotoren zur Anwendung.

1.5.10.1Aufbau bzw. Schaltungsweise

StĂ€nder- wie auch LĂ€uferwicklungen der SchleifringlĂ€ufermotoren mĂŒssen untereinander parallel verbunden sein. Im LĂ€uferkreis sitzt der gemeinsame Anlasser. Man kann sich das System aus zwei getrennten SchleifringlĂ€ufermotoren aufgebaut denken, deren Anlasser zur Deckung gebracht worden sind.

Haben die SchleifringlĂ€ufermotoren verschiedene Drehzahlkennlinien, treten Pendelungen und Schwebungen auf: ein geordneter Betrieb ist nicht möglich. Sollen weiterhin grĂ¶ĂŸere Drehzahlbereiche bestrichen werden, genĂŒgt die einfache elektrische Welle nicht mehr. Zwecks Erzielung einer grĂ¶ĂŸeren StabilitĂ€t fĂŒr grĂ¶ĂŸere Steuerbereiche wird jede Wellenmaschine mit einem weiteren Antriebsmotor starr gekuppelt.

1.5.10.2Wirkungsweise der einfachen Wellenschaltung

Das Drehfeld beider StĂ€nderwicklungen erzeugt in den LĂ€ufern Schlupfspannungen, die sich durch Gegenwirkung das Gleichgewicht halten. ErfĂ€hrt einer der LĂ€ufer eine kleine WinkelĂ€nderung gegenĂŒber dem anderen LĂ€ufer, entstehen Differenzspannungen, wodurch das elektrische Gleichgewicht gestört wird. Es fließt im LĂ€ufersystem ein Ausgleichsstrom, welcher bestrebt ist, die LĂ€ufer in die symmetrische Stellung zurĂŒckzufĂŒhren.

Das Gleichlaufprinzip ist nur dann sicher wirksam, wenn in den LĂ€ufern hinreichend große Spannungen erzeugt werden, d.h. der Dauerschlupf grĂ¶ĂŸere Werte auf weist. Ausdiesem Grunde erfolgt der Einbau des unvermeidlichen Anlassers, der stets zu einem gewissen Teil eingeschaltet bleiben muß. Wird von einem Wellenmotor die inverse (entgegengesetzte) Drehrichtung gefordert, mĂŒssen von diesem Motor lĂ€ufer- und stĂ€derseitig zwei gleiche StrĂ€nge vertauscht werden.

1.6Asynchronmaschinen fĂŒr Einphasenwechselstrom

Asynchronmaschinen sind robust, billig und einfach in der Wartung. Sie werden deshalb auch fĂŒr Einphasenwechselstrombetrieb bevorzugt und fast ausschließlich als Motoren verwandt.

Übersynchron angetrieben oder mit Kondensatoren erregt können Asynchronmaschinen fĂŒr Einphasenwechselstrom (Einphasen-Asynchronmaschinen, Einphasen-Induktionsmaschinen) ebenso wie Asynchronmaschinen fĂŒr Drehstrom als Generatoren arbeiten.

1.6.1Aufbau

Einphasen-Asynchronmotoren sind gewöhnlich KurzschlußlĂ€ufermotoren, sehr selten SchleifringlĂ€ufermotoren. Das StĂ€ndereisen von Drehstrom-Asynchronmotoren kann verwandt werden. Es gibt aber auch spezielle StĂ€ndereisenausfĂŒhrungen mit verschieden großen Nutquerschnitten, dem Haupt- und Hilfsstrang angepaßt. Zum Betrieb reicht der Hauptstrang (Betriebsstrang) Ul—U2 aus. Der Hauptstrang belegt zwei Drittel der StĂ€ndernuten. WĂŒrde der Hauptstrang alle Nuten belegen, wĂ€re die elektrische AusnĂŒtzung zu ungĂŒnstig. Bei 33°/o Materialmehraufwand ergĂ€be sich nur ein Spannungsgewinn von etwa 13 bis 14°/o. Das restliche Drittel der StĂ€ndernuten wird vom Hilfsstrang (Anlaufstrang) Z l —Z 2 belegt. Unter gewissen Bedingungen bleibt der Anlaufstrang wĂ€hrend des Betriebes eingeschaltet.

Der Einphasen-Asynchronmotor ist durch Anschlußbezeichnung und meist noch durch Kondensatorangabe leicht vom Drehstrom-Asynchronmotor zu unterscheiden.

1.6.2Wirkungsweise

1.6.2.1 Einschaltmoment

Beim Drehstrom-Asynchronmotor sind die Magnetspulen fĂŒr die 3 phasen um 120° versetzt. Dadurch ergaben die drei um 120° elektrisch versetzten Einphasen-Wechselströme ein symmetrisches (kreisförmiges) Dreiphasenfeld. Ein kreisförmiges Drehfeld besitzt stets eine eindeutige Drehrichtung.

Ist beim Einphasen-Induktionsmotor nur ein Hauptstrang vorhanden, kann nur ein Emphasenfeld entstehen, das am StĂ€nderumfang keine bevorzugte Drehrichtung aufweist. Man kann es sich als zwei gleiche halbgroße Drehfelder mit entgegengesetzten Drehrichtungen vorstellen. Der LĂ€ufer verharrt im Stillstand. Der Motor verhĂ€lt sich wie ein Transformator mit kurzgeschlossener SekundĂ€rseite.

1.6.2.2Anlauf

Zur Inbetriebnahme der Einphasen-Asynchronmotoren muß die ÜberfĂŒhrung aus dem transformatorischen in den motorischen Zustand erfolgen. Hierzu ist eine bevorzugte Drehfeldbildung erforderlich, welche durch LĂ€uferanwurf bzw. Anlaßglieder im Kreis des Hilfsstranges oder durch spezielle HilfsstrĂ€nge (Abschnitt 1.6.3) erreicht wird.

a) Der Anwurfmotor besitzt nur den Hauptstrang mit den AnschlĂŒssen Ul —U2. Wird der Motor rechts- oder linksherum angeworfen, verlagern sich die LĂ€uferströme. Die dadurch entstehenden phasenverschobenen Magnetfelder von StĂ€nder und LĂ€ufer bilden eine unsymmetrische (elliptische) Drehfeldeinheit. Eine elliptische Drehfeldeinheit besitzt ungleichförmige Geschwindigkeit und ungleiche GrĂ¶ĂŸe. b) Die Anlaßdrossel liegt mit dem Hilfsstrang in Serie. Die InduktivitĂ€t der Drossel bringt eine starke Stromnacheilung mit sich. Die Verschiebung der Ströme des Hauptstranges zum Hilfsstrang ruft dann das elliptische Drehfeld hervor. Die Drossel verschlechtert durch ihre hohe Blindleistungsaufnahme den Leistungsfaktor cos j wesentlich. Sie wird deshalb mit dem Hilfsstrang nach Hochlauf des Motors abgeschaltet.

c) Der ohmsche Anlaßwiderstand hat die gleiche Schaltung wie die Anlaßdrossel. Der Widerstandswert des Anlaßgliedes betrĂ€gt etwa das 4- bis StĂ€che der Wicklung. Er bringt eine wesentliche Verbesserung der Phasenlage des Stromes zur Spannung im Hilfsstrang, hat aber auch eine wesentlich höhere Stromaufnahme zur Folge. Anlaßwiderstand und Hilfsstrang werden nach dem Hochlauf ebenfalls abgeschaltet.

d)Der Anlaßkondensator verschafft dem Motor die gĂŒnstigsten Anlaufeigenschaften. Durch die ideale Verschiebung der Ströme IHa und IHi von etwa 90° bei Nennbelastung kommt die eliptisxhe Drehfeldbildung der kreisförmigen am nĂ€chsten. Wegen zu hoher Stromaufnahme im Hifsstrang muß auch der Anlaßkondensator CA nach dem Hochlauf abgeschaltet werden.

e)Der Betriebskondensator, dessen KapazitĂ€t gewöhnlich ein Drittel der des Anlaufkondensators ist, kann mit dem Anlaufkondensator in Paralellschaltung zur Inbetriebnahme benutzt werden. Bei nicht zu hohem Anlaufmoment genĂŒgt der Betriebskondensator CB auch allein zum Anlauf. Nach dem Hochlauf bleibt der Betriebskondensator CB mit dem Hifsstrang Z1-Z2 eingeschaltet.


Der Einphasen-Induktionsmotor mit Betriebskondensator hat höhere Leistung und besseren Leistungsfaktor als die anderen Einphasen-Induktionsmotorenschaltungen. Die Bemessung der Kondensatoren beruht weitgehend auf empirischer (erfahrungsgemĂ€ĂŸer) basis. Die KondensatorgrĂ¶ĂŸe richtet sich nach der Höhe des Anlaufmomentes MA. ÜberschlĂ€gig kann man festlegen, daß fĂŒr 736W Nutzleistung etwa 1kvar Blindleistung benötigt wird, um dem Motor ein Anzugsmoment von 50 bis 70% des Nennmomentes zu erteilen.( bei 230V 50Hz-Netz: Je PS bzw.HP-Motorleistung bei 2- und 4-poligen Motoren - 50 uF oder je kW-Motorleistung ca. 40 uF) Mit dem Wachsen der KapazitĂ€t fallen etwa quadratisch die Spannungen an den KapazitĂ€ten. Es gilt die Beziehung

C1/C2 ~ (U2/U1)ÂČ

Unter diesen Voraussetzungen mĂŒĂŸten bei niedrigen Spannungen relativ große Kondensatoren verwandt werden. Um bei höheren Anlaufmomenten mit kleinerer KapazitĂ€t auszukommen, wird zur Spannungserhöhung am Kondensator ein Sparumspanner (Spartransformator) eingeschaltet.

Siehe auch 1.6.5 DS-Motoren am Einphasenetz und 1.6.5.1 Steinmetzschaltung sowie Abschnitt Ott-Steinmetzschalter

1.6.2.3Betrieb, Betriebsverhalten bei Einphasen-Asynchronmotoren

Da ein Einphasenfeld aus zwei gegenlaufenden (inverslaufenden) gleich großen Drehfeldern besteht, entstehen im Stillstand zwei gleich große gegeneinander wirkende Drehmomente. Dreht sich der LĂ€ufer, ĂŒberwiegend das in Drehrichtung wirkende Drehmoment. Das gegenlĂ€ufige Drehfeld bleibt aber noch zu einem gewissen Teil bestehen. Dadurch ergeben sich folgende Nachteile:


Ein Gegendrehmoment (Bremsmoment f ~ 100 Hz) Erhöhter Magnetisierungsstrom I” und damit schlechter Leistungsfaktor cos j. Höhere ErwĂ€rmung und damit grĂ¶ĂŸere Verluste im LĂ€ufer, schlechterer Wirkungsgrad und somit geringere Belastbarkeit. ZusĂ€tzliche Schwingungen und GerĂ€usche,
10 Feb 2005
18:59:17
Huchter
Folge 3 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Folge 3

1.6.2.3Betrieb, Betriebsverhalten bei Einphasen-Asynchronmotoren

Da ein Einphasenfeld aus zwei gegenlaufenden (inverslaufenden) gleich großen Drehfeldern besteht, entstehen im Stillstand zwei gleich große gegeneinander wirkende Drehmomente. Dreht sich der LĂ€ufer, ĂŒberwiegend das in Drehrichtung wirkende Drehmoment. Das gegenlĂ€ufige Drehfeld bleibt aber noch zu einem gewissen Teil bestehen. Dadurch ergeben sich folgende Nachteile:


Ein Gegendrehmoment (Bremsmoment f ~ 100 Hz) Erhöhter Magnetisierungsstrom I” und damit schlechter Leistungsfaktor cos j. Höhere ErwĂ€rmung und damit grĂ¶ĂŸere Verluste im LĂ€ufer, schlechterer Wirkungsgrad und somit geringere Belastbarkeit. ZusĂ€tzliche Schwingungen und GerĂ€usche, verursacht durch das Bremsmoment (Pendelmoment). Um die Nachteile weitestgehend zu beheben, bleibt der Hilfsstrang mit passendem Betriebskondensator wĂ€hrend des Betriebs eingeschaltet. Dadurch sinkt die Blindleistungsaufnahme, und derLeistungsfaktor cos j steigt. Der Betriebskondensator bildet mit dem Hilfsstrang einen Reihenschwingkreis. Der Kondensatorspannungswert liegt ĂŒber dem Netzspannungswert. Nach praktischen Erfahrungen soll er mindestens 1,25 x Netzspannungswert sein, also bei 230V-Motoren etwa zwischen 300 bis 400 V und auch höher liegen, da sich durch die Wicklung tranformatorisch diese höhere Spannung ergibt. Um die Isolation infolge SpannungsĂŒberhöhungen am Hilfsstrang nicht zu gefĂ€rden, wird er oftmals geteilt angeordnet. ErfahrungsgemĂ€ĂŸ lassen die E-Werke am 230-V-Netz Einphasen-Asynchronmotoren mit Leistungen bis etwa 2 kW zu.( fĂŒr 16A-TrĂ€ge Sicherungen) 1.6.3Spezieller Hifsstrang

Beim Vorhandensein eines speziellen Hilfsstranges erĂŒbrigt sich ein weiteres Anlaßglied. Er kann in folgender AusfĂŒhrung vorkommen:

verzinntem Eisendraht bzw, Chrom-Nickel-Draht, bifilare Hilfswicklung (Hilfsstrang), kurzgeschlossene Hilfswicklung (Hilfsstrang). zu 1. Bei der Herstellung aus verzinntem Eisendraht bzw. Chrom-Nickel-Draht ist zu beachten, daß dessen Wicklungen nicht gegen Kupferwicklungen ausgetauscht werden dĂŒrfen. Der Motor könnte u.U. nicht anlaufen. zu 2. Bei bifilaren Hilfsstang werden die Spulen zu 67% in VorwĂ€rtsrichtung, zu 33% in RĂŒckwĂ€rtsrichtung gewickelt. Ein Teil des Blindstromes und somit ein Teil des Magnetisierungsstromes werden aufgehoben. Der ohmsche Widerstandsanteil bleibt in voller Höhe erhalten. Es gelten etwa die Anlaufbedingungen wie beim ohmschen Anlaßwiderstand. Nach dem Hochlauf muß der Hilfsstrang unbedingt abgeschaltet werden, was allgemein durch ein Stromrelais geschieht. Sollte infolge Überlastung das Stromrelais nicht abschalten bzw. wĂ€hrend des Betriebes wieder einschalten, hat ein Bimetallrelais den Hilfsstrang vor zu lang andauernder Überlast zu schĂŒtzen. Die Betriebseigenschaften des Motors beim bifilarem Hilfsstrang liegen ungĂŒnstiger als beim Kondensatormotor. Er wird fĂŒr Leistungen bis etwa 1 kW gebaut.

zu 3. Der kurzgeschlossene Hilfsstrang lĂ€ĂŸt sich als verteilte Wicklung oder als einfacher Kurzschlußring im StĂ€nderpaket unterbringen. Der letztere Fall liegt bei dem in der Praxis sehr verbreiteten Spaltpolmotor vor.

1.6.4Spaltpolmotor

1.4.4.1Aufbau

Die KĂ€figwicklung des LĂ€ufers besteht gewöhnlich aus verschrĂ€nkt angeordneten RundstĂ€ben. Die StĂ€nderform weicht von der konventionellen Bauweise (genutetes StĂ€nderblechpaket) ab. Er besitzt lamellierte, ausgeprĂ€gte Pole, die durch die Spaltnut in Haupt- und Spaltpole geteilt sind. Zur Erreichung einer gĂŒnstigen Feldverteilung lĂ€ĂŸt man die Polschuhspitzen zusammenlaufen bzw. ĂŒberlappen oder verbindet sie durch Streubleche. Die Netzwicklung (Hauptstrang) U1-U2 liegt um die PolschĂ€fte bzw um das StĂ€nderjoch, die Spaltpolwicklung (kurzgeschlossene Hilfswicklung) um den Spaltpol.

1.6.4.2Wirkungsweise, BetriebsverhÀltnisse des Spaltpolmotors

Der durch den Hauptstrang U1-U2 fließende Strom I1 baut das Magnetisierungfeld F1 auf. Das Feld F1 durchsetzt haupt- und Spaltpole und erzeugt nach dem Lenzchen Gesetz in der Spaltpolwicklung eine Spannung, die den nacheilenden Strom I2 zum Fließen bringt. Dieser Strom I2 entwickelt das nacheilende Magnetfeld F2. Im Hauptpol entsteht eine <<Feldlinienverdichtung>>, im Spaltpol eine <<FeldlinienverdĂŒnnung>>. Auf diese Weise entsteht ein elliptisches Drehfeld, welches vom Hauptpol zum Spaltpol desselben Poles wandert. Der LĂ€ufer dreht sich stets in Richtung Hauptpol-Spaltpol desselben Poles.

Vorteile: Sehr einfach im Aufbau; billig, robust; keine Wartung; selbstĂ€ndiger Anlauf mit gutem Anlaufmoment (etwa 50% vom Nennmoment); Betrieb als Synchronmotor bei teilweiser LĂ€uferausfĂŒhrung mit hartmagnetischem Werkstoff. Der Motor lĂ€uft normal asynchron an und wird wie der Reluktanzmotor in den Synchronismus hineingezogen.

Nachteile: Nur fĂŒr kleine Leistungen (etwa 1 bis 300 Watt) verwendbar, da Leistungsfaktor und Wirkungsgrad schlecht sind; In NormalausfĂŒhrung nicht ohne weiteres drehrichtungsumkehrbar. Es muß eine zweite Spaltpolwicklung vorhanden sein, bzw. der LĂ€ufer muß duch Abnahme der Lagerschilder umgekehrt werden.

1.6.5Drehstrom-Asynchronmotor am Einphasennetz

FĂ€llt wĂ€hrend des Drehstrom-Motorbetriebes eine Sicherung aus, liegt der Drehstrom-Asynchronmotor am Einphasennetz. Er kann mit 50% seiner ursprĂŒnglicher Leistung weiterarbeiten. Achtung ! Zweiphasenlauf zerstört normalerweise den Motor! Ablilfe: (Siehe auch 1.5.3.2.3A Kompenation), Einsatz von Spezialsicherungen oder auch PhasenĂŒberwachungsrelais.

Wird der Drehstrom-Asynchronmotor an das Einphasennetz gelegt, verhĂ€lt er sich wie ein Einphasenmotor ohne Hilfsstrang: Er lĂ€uft nicht an. Erst ein Anwurf wie beim Einphasen-Anwurfmotor setz ihn (jedoch nicht immer) in Betrieb. Soll der Drehstrom-Asynchronmotor selbstĂ€tig anlaufen, mĂŒssen Anlaßglieder (Kondensator, Drossel, ohmscher Widerstand) wie beim Einphasenmotor verwandt werden. Ein Universalrezept fĂŒr den Anlauf gibt es nicht. Es sind viele Anlaßmöglichkeiten entwickelt worden, von denen die Steinmetzschaltung in der Praxis am bekanntesten ist.

1.6.5.1Steinmetzschaltung fĂŒr normale Drehstrommotoren am Einphasennetz

Die Steinmetzschaltung kommt fĂŒr Stern- wie auch Dreieck-Schaltung in Verbindung mit Kondensatoren zur Anwendung. Bei der Spannungsangabe 230/400 V wird der Drehstrommotor am 230-V-Einphasennetz in Dreieck, bei 125/230 V in Stern geschaltet. In DIN 48501 sind nach praktischer Erfahrung die GrĂ¶ĂŸen der Betriebskondensatoren festgelegt. Passend sind bei Motoren 2- und 4-polig, also synchrone Drehzahl 3000 und 1500 U/min., 50 uF/PS (50uF/HP) bzw. 37,5 uF/kW. Bei 6- und mehr-poligen Motoren ist wegen der grĂ¶ĂŸeren Stromaufnahme eine grĂ¶ĂŸere KapazitĂ€t erforderlich. Die Kondensatoren mĂŒssen mit den Motoren zusammen ausgemessen werden. Mit dem Betriebskondensator wird nur ein Anzugsmoment von etwa 30% des Nennmoments erreicht. Die Leistung betrĂ€gt nur etwa 70% der normalen Drehstrommotorenleistung. Soll das Anzugsmoment höher liegen (etwa 100%), legt man einen Anlaßkondensator mit etwa doppelter KapazitĂ€t parallel zum Betriebskondensator. Nach erfolgtem Hochlauf muß der Anlaufkondensator abgeschaltet werden.

1.6.5.1aOtt-Steinmetz-Schalter fĂŒr normale Drehstrommotoren am Einphasennetz

Kemmerich Gummersbach hat per Offenlegungsschrift 2628355 ein Patent angemeldet, das die Bezeichnung "Kombination der Schaltungen Professor Ott, (Karlsruhe) und Steinmetz zum Schweranlauf von Drehstrommotoren am Einphasennetz" trĂ€gt. Mit dieser Kombination werden die Vorteile beider Schaltungsarten in einem Schalter vereint. Die "Ott-Schaltung" beinhaltet die Schaltung von 2 Wicklungen des Drehstrommotors gegen die 3. Wicklung als Transformator. Dadurch wird die Spannung am Betriebs- und wenn nötig zusĂ€tzlich am Anlaufkondensator, welche nach Anlauf abgeschaltet wird, erhöht. Das Anzugsmoment wird gegenĂŒber der normalen Steinmetzschaltung um mehrere 100% erhöht. Es ist so stark, daß ein Reversieren (Wenden der Drehrichtung wĂ€hrend des Laufens) beim Drehstrommotor am Einphasennetz im Normalfall einwandfrei gegeben ist. Da die Wicklung aus dem transformatorischen in den Normalzustand nach Anlauf wieder umgeschaltet werden muß, eignet sich diese Schaltung hauptsĂ€chlich fĂŒr Handschalter fĂŒr eine oder 2 Drehrichtungen. Anwendung: Schweranlaufende Pumpen, Mischmaschinen etc. FĂŒr automatisch anlaufende Kompressoren z.B.kann eine automatische SchĂŒtzschaltung gefertigt weden, die jedoch komplizierter ist, weil u.A.wie bei der automatischen Stern-Dreieck-Schaltung ein Zeitrelais fĂŒr die Umschaltung sorgen muß. Aus PreisgrĂŒnden werden dann meist wieder Einphasen-Asynchronmotoren mit Betriebs- u. Anlaufkondensator und Anlauf-Hilfsschalter (meist Fliehkraftschalter oder Relais) eingesetzt, der nach erfolgtem Anlauf den Anlaufkondensator automatisch wieder abschaltet.


1.7Synchronmaschinen Synchronmaschinen sind Drehfeldmaschinen ohne Stromwender. Sie arbeiten ohne Schlupf (s = 0%), d.h.. Drehfelddrehzahl und LĂ€uferdrehzahl stimmen ĂŒberein.

In Synchronmaschinen wird das Drehfeld durch ein Gleichfeld eines umlaufenden Permanent- bzw. Elektromagneten erzeugt (Generatoren) oder wenn in eine Drehstromwicklung Drehstrom hineingeschickt wird (Motoren).

WĂ€hrend Asynchronmaschinen vorwiegend zum Motorenbetrieb Verwendung finden, kommen Synchronmaschinen hauptsĂ€chlich fĂŒr Generatorenbetrieb in Frage.

1.7.1Aufbau GrundsĂ€tzlich werden Außen- und Innenpolmaschinen hergestellt.

1.7.1.1Außenpolmaschine

Der StĂ€nder der Außenpolmaschine gleicht dem der Gleichstromnebenschlußmaschine ohne Wendepole, der LĂ€ufer dem des SchleifringlĂ€ufers. Die Spannungserzeugung erfolgt im LĂ€ufer, die elektrische Energie wird ĂŒber Schleifringe zu- bzw. abgefĂŒhrt. Bei höheren Spannungen bereitet die Isolation der Schleifringe Schwierigkeiten. Hohe Leistungen erfordern große Ausmaße der Schleifringe und BĂŒrsten. Die FliehkrĂ€fte der rotierenden Maschinenteile können beachtliche GrĂ¶ĂŸen erreichen. Aus diesem Grunde werden Synchron-Außenpolmaschinen nur fĂŒr kleinere Leistungen gebaut. Einankerumformer — von der Wechselstromseite betrachtet — sind Synchron-Außenpolmaschinen (Abschnitt 1.9.3).

1.7.1.2Innenpolmaschine

Der StÀnder der Innenpolmaschine gleicht dem der normalen Asynchronmaschine. Das Magnetfeld wird im LÀufer (Polrad) erzeugt. Entsprechend der Art der Antriebsmaschine

Dampfturbine --> SchnellĂ€ufer Wasserturbine --> LangsamlĂ€ufer wird das Polrad als a) VollpollĂ€ufer, auch Walzen- oder ZylinderlĂ€ufer genannt, fĂŒr hohe Drehzahlen bzw. b) SchenkelpollĂ€ufer, auch LĂ€ufer mit ausgeprĂ€gten Polen genannt, fĂŒr langsamere Drehzahlen ausgefĂŒhrt. Innenpolmaschinen werden heute fĂŒr Leistungen bis ĂŒber 2,6 GVA (sprich: Giga-Volt-Ampere, 1000MVA = 1 GVA) gebaut. Supraleitergeneratoren bestimmen die Neukonstruktionen. Dabei werden die Wicklungen bis zum absoluten Nullpunkt tiefgekĂŒhlt, wodurch in den Leitern kein Widerstrand mehr vorhanden ist. Zu a) Der VollpollĂ€ufer besitzt ein z.T. mit Parallel- bzw. Radialnuten hergerichtetes LĂ€ufereisen, in dem die Erregerwicklung untergebracht ist. Die Nuten werden durch Bronzekeile verschlossen. VollpollĂ€ufer haben gewöhnlich Dampfturbinen als Antriebsmaschinen und werden deshalb vorwiegend zweipolig, seltener vierpolig und sehr selten sechspolig ausgefĂŒhrt.

Zu b) Der SchenkelpollÀufer besitzt ausgeprÀgte Pole, auf deren PolschÀften die von Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklungen untergebracht sind. SchenkelpollÀufer werden normalerweise von Wasserturbinen angetrieben.

Drehstromgeneratoren, Synchron- u. Asynchronmaschinen

Alle Synchrongenerataren werden von Firma Kemmerich Elektromotoren mit ein- bzw. aufgebautem elektronischem Spannungsregler geliefert. Sie gewÀhren auch bei differenzierter Belastung kontinuierliche Spannungs- und damit Leistungsabgabe. Beim Kauf von Generatoren sollten daher Synchrongeneratoren den Asynchrongeneratoren immer vorgezogen werden.


1.7.1.3DĂ€mpferwicklung

Die AusfĂŒhrung der DĂ€mpferwicklung gleicht der KĂ€figlĂ€uferwicklung. Die DĂ€mpferstĂ€be können in Rund-, Rechteck- oder Flachform ausgefĂŒhrt sein und sind an den Stirnseiten durch Kurzschlußringe verbunden. Die StĂ€be werden unisoliert in den Polschuhen untergebracht. DĂ€mpferwicklungen können drei grundlegende Aufgaben erfĂŒllen:

a) Bei Parallelschaltung von Synchrongeneratoren soll die NetzstabilitĂ€t gewahrt werden. b) Bei schnell entstehenden BelastungsĂ€nderungen sollen Pendelerscheinungen und somit Oberwellenbildungen (Abschnitt 1.5.3.2.2) verhindert werden, um zusĂ€tzlich Verluste im Generator und Netz zu verhĂŒten. WĂ€hrend der Pendelschwingungen treten in der DĂ€mpferwicklung Ströme auf, die ein zusĂ€tzliches Hilfsmoment hervorrufen, um damit das Polrad schnell wieder «in Tritt» zu bringen.

c) Bei Synchronmotoren können DÀmpferwicklungen zum Selbstanlauf dienen (Abschnitt 1.7.4.1).

1.7.1.4Erregermaschine Die Erregermaschine ist ein angepaßter Gleichstrom-Nebenschlußgenerator, welcher gewöhnlich auf der Welle der Synchronmaschine sitzt. Bei Spannungen von 60 V bis etwa 220 V wird dem Polrad die notwendige Erregerleistung zugefĂŒhrt. In großen Synchronmaschinen können Erregerströme in der GrĂ¶ĂŸenordnung von einigen hundert Ampere fließen. Vielfach wird in moderneren Anlagen die Selbsterregung angewandt. Die «aufgeschaukelte» Erregerenergie wird gleichgerichtet, geglĂ€ttet und dem Polrad zugefĂŒhrt. Die Konstanthaltung der Netzspannung erfolgt gewöhnlich durch elektronische Regelung.

1.7.5.1Synchron-Kleinstmotor

1.7.5.1.1Aufbau

Das StĂ€ndereisen lĂ€uft gewöhnlich in zwei Polhörnern aus, die an den Innenseiten mit je 8 bis 10 ZĂ€hnen versehen sind. Die Netzwicklung (StĂ€nderwicklung) U1-U2 ist eine einfache konzentrische Spule. Der StĂ€nder ist aus Dynamoblechen aufgebaut. Der LĂ€ufer kann aus weich- oder hartmagnetischem Werkstoff bestehen. Er besitzt - der gewĂŒnschten Drehzahl entsprechend - am gesamten Umfang als Pole ausgebildete ZĂ€hne bzw. ĂŒberhöhte magnetische Zonen.

1.7.5.1.2Wirkungsweise

Synchron-Kleinstmotoren können fĂŒr Anwurf wie auch fĂŒr Selbstanlauf gebaut sein. Die eingeschaltete Netzwicklung Ul—U2 baut ein Wechselfeld auf. Den PolaritĂ€ten der Polhörner stehen entgegengesetzte LĂ€uferpolaritĂ€ten gegenĂŒber. Besteht der LĂ€ufer aus Weicheisen, ist ein Selbstanlauf nicht möglich. Die durch den Anwurf entstehende Schwungenergie bewegt den auf «LĂŒcke stehenden» LĂ€ufer weiter. So wird bei jeder Halbperiode des Wechselstromes ein LĂ€uferzahn um eine Zahnteilung am Polhorn weiterrĂŒcken.

Die ZĂ€hnezahl des LĂ€ufers (nicht die ZĂ€hnezahl des Polhons) ist bestimmend fĂŒr die Drehzahl.

Beispiel

Der LĂ€ufer eines Uhrenmotors hat die ZĂ€hnezahl z = 30. Wie groß wird die Umdrehungszahl n0 bei f = 50 Hz?

Lösung

n0 = (120*f)/z = (2*60s*min-1*50s-1)/30 = 200min-1

1.7.5.2 Drehstrom-Reluktanzmotor

Der Reluktanzmotor besitzt einen KurzschlußlĂ€ufer mit teilweise ausgebildeter KĂ€figwicklung. Dadurch entstehen am LĂ€uferumfang — entsprechend der Polzahl des StĂ€nders — Zonen mit höherer und niedrigerer magnetischer LeitfĂ€higkeit. Zonen (Bereiche) mit höherer PermeabilitĂ€t (magnetische LeitfĂ€higkeit) können als Pole angesehen werden. Das gleiche Ziel kann auch durch Aussparungen bzw. Abflachungen — wiederum entsprechend der StĂ€nderpolzahl — am LĂ€ufer erreicht werden. Die Überhöhungen am LĂ€ufer können hier ebenfalls als Pole betrachtet werden.

Durch das Bestreben der Feldlinien, den Weg des kleinsten magnetischen Widerstandes zu gehen, wird der LĂ€ufer in den Synchronismus gezogen.

Der Reluktanzmotor lĂ€uft asynchron an und zieht sich in den Synchronismus hinein. Bei Überlastung fĂ€llt er in den Asynchronismus zurĂŒck und lĂ€uft bei nicht zu großer Überlastung weiter. Die bauliche VerĂ€nderung des LĂ€ufers verschlechtert die Betriebseigenschaften wesentlich gegenĂŒber einem gleichwertigen normalen KurzschlußlĂ€ufermotor. Darum kommt er nur fĂŒr kleine Leistungen in Frage. Verwandt wird er als Uhrenmotor sowie fĂŒr Spinnerei- und Aufspulmaschinen.

Vorteile

a) einfacher Aufbau, robust, wartungsfrei, preiswert, b) benötigt keine besondere Anlaßhilfe, c) benötigt keine besondere Gleichstromerregung.

Nachteile

a) keine Verwendungsmöglichkeit als Phasenschieber, b) schlechter Wirkungsgrad h und Leistungsfaktor cos j.

1.7.6 Schrittmotoren

Herkömmliche Drehfeldmotoren (Synchron- und Asynchronmotoren) haben nach dem Gesetz

n0=(60*f)/p fortlaufende Drehbewegungen. Das charakteristische Verhalten der Schrittmotoren ist die schrittweise Bewegung der Motorwelle. Der Motorenaulbau bestimmt die genau definierte Anzahl der Winkelschritte, die fĂŒr eine Umdrehung der Motorenwelle erforderlich sind (Abschnitt 1.7.6.3.3). Ihr Einsatz erfolgt deshalb hauptsĂ€chlich fĂŒr Positionieraufgaben im Bereich der Regelungs- und Steuerungstechnik (Abschnitt 1.7.6.4). 1.7.6.1 Funktionsbegriff

Schrittmotoren werden mit Gleichspannung betrieben. Um einen Schritt auszufĂŒhren, muß jeweils ein Spulensystem der StĂ€nderwicklung des Motors umgepolt werden. Die Umpolung erfolgt durch impulsartige Ansteuerung von Transistoren, welche hier die Aufgabe eines elektronischen Schalters haben und einen Stromwender ĂŒberflĂŒssig machen. Diese Funktionsweise entspricht dem Grundgedanken des Drehfeld-Synchronprinzips.

Die beiden Elektromagneten stellen den StĂ€nder, der Dauermagnet den LĂ€ufer des Schrittmotors dar. Werden nach vorgegebenen Zeittakten die Spulen N1 und N2 von Impulsen durchsetzt, wird sich der Permanentmagnet entsprechend der jeweiligen StĂ€nderpolaritĂ€t einstellen. Hat also z.B. der LĂ€ufer fĂŒr Rechtslauf die Position l, und es wird fĂŒr einen Elektromagneten der Impuls gelöscht, vollfĂŒhrt hier der Permanentmagnet einen Winkelschritt von 45° nach Position 2. Bei abermaliger Eingabe eines Impulses in umgekehrter Richtung stellt er sich nach Position 3 usw. ein. Auf diese Weise lassen sich auch leicht Schrittumkehrungen erreichen. Das Erreichen der Position 2 wird nur durch Ausschalten einer Spule ermöglicht. Diese Steuerart wird als «Halbschritt» bezeichnet (Abschnitt 1.7.6.3.3).

1.7.6.2 Aufbau

a)StĂ€nder - Die AusfĂŒhrung Klauenpol-Schrittmotor:

Eine Polkranzschale l (einseitiges StĂ€nderblech) mit entsprechender Anzahl PolzĂ€hne greift in die PollĂŒcken der gegenĂŒberliegenden Polkranzschale 2. Beide Polkranzschalen bilden mit der Erregerringspule ein Polkranzsystem (StĂ€ndersystem mit 20 Polen). Ein zweites gleich aufgebautes Polkranzsystem ist gegenĂŒber dem ersten in Umfangsrichtung um eine halbe Polteilung versetzt angeordnet. Damit ergibt sich ein zweiteiliges Polkranzsystem mit 40 Polen. Die Polzahl in Verbindung mit der Anzahl der LĂ€uferzĂ€hne bestimmt den Schrittwinkel (Abschnitt 1.7.6.3.3).

Das lamellierte Statorblech besitzt ausgeprÀgte Pole mit ZÀhnen. Um jeden Polhals sitzt eine Erregerspule. Die Spulen aller Pole können zur Mehrphasenwicklung verschaltet sein.

b) LĂ€ufer

Der LĂ€ufer kann aus aktivem (hartmagnetischem, permanentem) wie auch aus reaktivem (weichmagnetischem, remanentem) Material aufgebaut sein.

Der aktive LĂ€ufer herrscht in der Praxis vor. Er kann aus einem normalen zylindrischen Dauermagneten bestehen bzw. aus einem in LĂ€ngsrichtung magnetisierten Permanentmagneten mit an beiden Stirnseiten aufgeschobenen Polschuhen, welche jeweils bis zu 50 LĂ€uferzĂ€hne besitzen können. Die ZĂ€hne von Polschuh l sind gegenĂŒber den ZĂ€hnen von Polschuh 2 jeweils um die ZahnlĂŒcke versetzt. Die ZĂ€hne des einen Polschuhs bilden die Nordpole, die des anderen Polschuhs die SĂŒdpole.

Der reaktive LĂ€ufer ist mit magnetisch ĂŒberhöhten Zonen wie beim Synchron-Kleinstmotor bzw. Reluktanzmotor aufgebaut. Der LĂ€ufer bewegt sich mit reaktivem Moment und nimmt die gĂŒnstigste StĂ€nderzahn-LĂ€uferzahn-Stellung ein.

1.7.6.3 Betriebseigenschaften

Als Betriebseigenschaften sind von besonderem Interesse die Ansteuerungsarten, die Schrittfrequenz und der Schrittwinkel.

1.7.6.3.1 Ansteuerungsarten

FĂŒr die Wicklungserregung hat man in der Praxis gewöhnlich Spannungsquellen zwischen 12V bis 42V. Als grundsĂ€tzliche Ansteuerungsarten kommen zur Anwendung:

a) Bipolare Ansteuerung

Bei der bipolaren Steuerschaltung besteht jede Motorphase (Erregerwicklung N1 und N2) aus einer Wicklung. Es werden je Phase vier Transistoren benötigt, da Anfang und Ende der Phase wechselseitig mit der Spannungsquelle verbunden werden mĂŒssen.

b) Unipolare Ansteuerung

Bei der unipolaren Steuerschaltung besteht jede Phase aus zwei getrennten Wicklungen. Es werden hier je Phase nur zwei Transistoren benötigt. Pro Schrittstellung ist je Phase immer nur eine Wicklung eingeschaltet.

Vorteil der bipolaren Steuerschaltung gegenĂŒber der unipolaren: Höheres Drehmoment bei höherer Schrittfrequenz.

Nachteil der bipolaren Steuerschaltung gegenĂŒber der unipolaren: Aufwand an doppelter Anzahl Transistoren.

Um eine kleinere Zeitkonstante zu erhalten, kann in beiden Steuerschaltungen zur SpuleninduktivitÀt ein ohmscher Widerstand R in Reihe geschaltet werden.

c) Unipolare-bipolare Ansteuerung

Diese Schaltung vereinigt in sich die Vorteile des bipolaren und unipolaren Steuersystems. Der Nachteil ist der Aufwand von zwei zusĂ€tzlichen DĂ€mpfungswiderstĂ€nden. Die Schaltung wird vorwiegend fĂŒr kleine Leistungen angewandt.

1.7.6.3.2 Schrittfrequenz

Die Schrittfrequenz bestimmt den in l s zurĂŒckgelegten Schrittweg. Sie kann etliche 100 Hz betragen. Achtung! Da mit steigender Schrittfrequenz das Drehmoment des Motors fĂ€llt, darf eine bestimmte Grenzfrequenz nicht ĂŒberschritten werden. Der Motor fĂ€llt sonst außer Tritt und bleibt stehen.

1.7.6.3.3 Schrittwinkel

In der Praxis unterscheidet man zwischen

a) Vollschrittwinkel, b) Halbschrittwinkel.

Unter Vollschrittwinkel wird die Schrittbewegung von einer Pol- bzw. Zahnteilung r verstanden, unter Halbschrittwinkel dementsprechend die Bewegung von halber Pol- bzw. Zahnteilung.

Beispiel

Ein Klauenpol-Schrittmotor besitzt insgesamt 40 StÀnderzÀhne. Die ZÀhnezahl des LÀufers betrÀgt 80.

a) Wie groß ist sein Vollschrittwinkel a ? b) Welchen Winkel b ? legt er sekundlich bei einer Schrittfrequenz f = 500s-1 zurĂŒck?

Lösung a) Unter jedem StÀnderpolzahn befinden sich zwei LÀuferzÀhne; also gilt a =360°/(ZStÀnder*2) = 360°/(40*2) = 4,5°

b) b = a*f = 4,5° · 500 s-1= 2250° s-1

entspricht 2250° s-1/360° = 6,25 s-1 (Umdrehungen je Sekunde)



Beispiel

Ein Gleichpol-Schrittmotor mit 10 StÀnderpolen besitzt 5 ZÀhne pro StÀnderpol. Sein LÀufer besitzt 50 Polpaare (Zahnpaare).

a) Wieviel betrÀgt sein Voll- und sein Halbschritt?

b) Wie viele Halbschritte gehören zu einer LÀuferumdrehung?

Lösung

a) 50 LÀuferzahnpaare ergeben 100 LÀuferzÀhne. Ferner befinden sich unter jedem StÀnderpol 100/10 = 10 LÀuferzÀhne. Demzufolge unter jedem StÀnderzahn 10/5 = 2 LÀuferzÀhne. Dementsprechend wird der Vollschrittwinkel

a1) a=360°/(2*PStÀnder*(ZRotor/2) = 360°/(10*(100/2)

a= 0,72°enspr. 43,2' (Winkelminuten) a2) a/2 = 0,72°/2= 0,36° entspr. 21,6' (Winkelminuten) b) Halbschritte/Umdrehung = 360°/0,36° = 1000

Eine Schrittwinkelgenauigkeit ±4°/o ist aus GrĂŒnden der Herstellung wie auch der Werkstofftoleranzen nicht zu unterschreiten.

1.7.6.4 Anwendungen

Der Einsatz der Schrittmotoren erfolgt vorwiegend in der Digitaltechnik fĂŒr Regelungs und Steuerungsfragen. Es soll vor allem eine prĂ€zise Positionssteuerung bei gutem Anlauf- und Laufmoment unter Kleinhaltung von Schwingungsproblemen sowie eine gute Selbsthemmung (Haltemoment) bewirkt werden, wie es z.B. erforderlich ist im Werkzeugmaschinenbau, BĂŒromaschinenbetrieb, Zeigerantrieb von Uhren, Ruderverstellungen im Schiffswesen, Datenspeicherbetrieb usw.

3 Drehzahlverstellung elektrischer Antriebe

In der Antriebstechnik hat der Thyristorstromrichter als SpeisegerĂ€t fĂŒr elektrische Maschinen die frĂŒher verwendeten Transduktoren (MagnetverstĂ€rker) und Quecksilberdampfgleichrichter abgelöst. Neben dem großen Gebiet der geregelten Gleichstromantriebe werden Thyristorstromrichter auch zur Speisung von Drehstrommotoren eingesetzt. Als Stromrichter bezeichnet man elektrische Einrichtungen, die elektrische Energie unter Verwendung von Dioden. Thyristoren und Transistoren umformen oder steuern.


3.1 Grundbegriffe der Stromrichtertechnik

Gleichrichten Die Energierichtung verlÀuft vom Wechselstromsystem in das Gleichstromsystem.

Wechselrichten Die Energierichtung verlÀuft vom Gleichstrom zum Wechselstromsystem.

Wechselstromumrichten Hierbei wird ein Wechselstromsystem mit vorgegebener Spannung, Frequenz und Phasenzahl in ein Wechselstromsystem mit anderer (variabler) Spannung, Frequenz und Phasenzahl umgewandelt. Der Energiefluß kann in beiden Richtungen erfolgen.

Gleichstromumrichten Hierbei wird aus einem Gleichstromsystem mit vorgegebener Spannung in ein Gleichstromsystem anderer Spannung und eventuell anderer PolaritĂ€t umgeformt. Der Energiefluß erfolgt in zwei Richtungen.


3.1.1 Steuern der Energieflußrichtung

Stromrichter können ungesteuert und gesteuert ausgefĂŒhrt werden. Bei ungesteuerten Stromrichtern (z.B. Gleichrichtern) ist das VerhĂ€ltnis von Eingangsspannung zur Ausgangsspannung fest vorgegeben, wĂ€hrend bei gesteuerten Stromrichtern die Ausgangsspannung einstellbar ist.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Energierichtung bei einem Stromrichter umgekehrt werden, d.h., es ist bei einem Stromrichter möglich, die Energie vom Wechselstromnetz in das Gleichstromnetz und umgekehrt zu liefern. Zur Verdeutlichung kann dieses auch in einem 4-Quadranten-System mit den entsprechenden Vorzeichen fĂŒr die Gleichspannung Ud und den Gleichstrom Id eingetragen werden.

Das Quadranten-System hat seinen Namen aus dem Koordinatenkreuz erhalten. es ist entgegen dem Urzeigersinn aufgebaut, beginnt und endet bei 3 Uhr. (I.Q. 3-12 Uhr, II.Q. 12-9 Uhr, III.Q.9-6Uhr, IV.Q. 6-3 Uhr) Die oberen Q. (I und II) sind dem Antreiben, die unteren (III und IV) dem Bremsen zugeornet. Im I. und III. Quadranten haben die Ausgangsspannung und der Strom gleiches Vorzeichen. d.h., die Energie wird ins Gleichstromsystem eingespeist. Im II. und IV. Quadranten besitzen Spannung und Strom ungleiche Vorzeichen, d.h., die Energie wird aus dem Gleichstromnetz entnommen.

Arbeitet ein Stromrichter nur in einem Quadranten, so ist auch nur eine Energierichtung möglich. 2-Quadranten-Stromrichter arbeiten in zwei benachbarten Quadranten (I und II oder I und IV). 4-Quadranten-Stromrichter erlauben sowohl eine Umkehr der Spannung als auch des Stromes. Diese Möglichkeit setzt jedoch bereits eine GerÀtekombination voraus.

3.1.2 Einteilung der Stromrichter nach der Art der Kommutierung

Die Kommutierung in einem Stromrichter ist der Übergang des Stromes von einem Zweig der Stromrichterschaltung auf den Folgezweig. Kurzzeitig fĂŒhren beide Zweige Strom. Die Kommutierung beginnt mit dem ZĂŒnden des Folgeventils und endet mit dem Nullwerden des Stromes im ablösenden Ventil. Die Dauer dieses Übergangs wird Überlappungszeit oder Überlappungswinkel genannt und mit u bezeichnet. Bei der natĂŒrlichen (netzgefĂŒhrten) Kommutierung wird der Beginn der Kommutierung von der Netzspannung bestimmt. Bei der selbstgefĂŒhrten (erzwungenen) Kommutierung wird mittels eines aufgeladenen Kondensators das Löschen eines Thyristors, zu einem beliebigen Zeitpunkt, erzwungen. Bei Leistungstransistoren ist diese aufwendige Art der Löschung nicht erforderlich, da ohne Basisstrom kein Kollektorstrom fließt. Zu den Stromrichtern mit natĂŒrlicher Kommutierung zĂ€hlen: Netz- und lastgefĂŒhrte Gleichrichter Wechselrichter Direktumrichter

Zu den Stromrichtern mit erzwungener Kommutierung zÀhlen: Gleichstromschalter und Steller Wechselrichter Umrichter mit Zwischenkreis

Zu den Stromrichtern ohne Kommutierung zÀhlen: Wechsel- und Drehstromschalter und Steller

Bei ihnen findet keine Kommutierung statt. Ein neues Ventil wird erst nach dem Löschen des vorherigen Ventils gezĂŒndet.

3.1.3 Schutz von Stromrichtern

Auf die Funktion sowie die Kenn- und Grenzdaten von Thyristoren, Triacs und Leistungstransistoren soll in diesem Rahmen nicht mehr eingegangen werden, es sei jedoch auf den erforderlichen Schutz dieser Bauelemente besonders hingewiesen.

Die Halbleiterbauelemente mĂŒssen vor folgenden Überbeanspruchungen geschĂŒtzt werden: zu hohen Spannungen, zu schnellen SpannungsĂ€nderungen zu großen Strömen, zu schnellen StromĂ€nderungen Schutz gegen Überspannungen

Die Überspannungen können, im Stromrichter selbst, durch den TrĂ€gerstaueffekt (TSE) entstehen (RĂŒckstromabriß in Verbindung mit der LastinduktivitĂ€t), oder aber sie können von außen, d.h. vom Netz her, in den Stromrichter gelangen. Zum Schutz gegen die durch den TSE-Effekt verursachten Spannungen werden die einzelnen Halbleiterventile mit einer RC-Beschaltung (TSE-Beschaltung) versehen. Zum Schutz gegen Überspannungen des Netzes, sowohl der Außenleiter gegeneinander wie gegen Null, wird meist eine HilfsbrĂŒcke mit Kondensatoren eingesetzt. Diese ist preiswerter als alle Außenleiter untereinander und gegen Null mit einer RC-Beschaltung zu schĂŒtzen. Die Last selbst kann ebenfalls noch mit einer Schutzbeschaltung versehen werden. Die Bauelemente selbst sollten jedoch spannungsmĂ€ĂŸig mit einem Sicherheitsfaktor von K ~ 2 gegenĂŒber der auftretenden Sperrspannung ausgelegt werden.

URRM ~ K · Ö 2 · UNetz

Schutz gegen zu große Ströme Zu große Ströme können durch KurzschlĂŒsse im Stromrichter oder an der Last bzw. durch Versagen der Strombegrenzung oder durch Ausfall des Stromreglers entstehen. Hier sind superflinke Sicherungen erforderlich, da die WĂ€rmekapazitĂ€t eines Thyristors innerhalb von 10 ms erreicht werden kann. Die WĂ€rmemenge, die zum Schmelzen und Auslösen der Sicherung fĂŒhrt, muß daher kleiner sein als die WĂ€rmemenge, die der Thyristor vertragen kann, ohne Schaden zu nehmen. Diese WĂ€rmemenge des Thyristors wird in den DatenblĂ€ttern als das Grenzlaslintegral ĂČiÂČ dt bezeichnet. Die Hersteller der Bauelemente geben jedoch vielfach in ihren Listen geeignete Sicherungen fĂŒr die einzelnen Bauelemente an.

3.1.4 Ungesteuerte Stromrichter (Gleichrichter)

DIODEN

Die gleichrichtende Wirkung der Diode findet Anwendung in der Gleichrichtung von technischem Wechselstrom aus dem Versorgungsnetz in Stromversorgungsanlagen mit Gleichstromverbrauchern. FĂŒr Leistunsgleichrichter werden hohe Durchlaßströme bei hoher Sperrspannung gefordert. Hier besitzt die Siliziumdiode entscheidende Vorteile. Der Anwendungsfall, d.h. die Art der Belastung und die Forderung an Spannung, Strom und Stromwelligkeit, entscheidet ĂŒber die Art der Gleichrichterschaltung. Da die erzeugte Gleichspannung und der Strom nicht gleichförmig, sondern pulsierend sind, muß bei den Bauelementen zwischen dem arithmetischen Mittelwert und dem Effektivwert unterschieden werden (siehe Grundlagenband). FĂŒr die AusgangsgrĂ¶ĂŸen werden nur der arithmetische Mittelwert fĂŒr Spannung (Ud) und Strom (Id) angegeben, da nur die Wirkleistung am Motor von Interesse ist. Durch induktive Last wird der Strom geglĂ€ttet, so daß der Ventilstrom von der Wellenform in die Rechteckform ĂŒbergeht.

3.1.4.1 Einpulsschaltung (Einwegschaltung) M l

Anwendung: Die Einwegschaltung wird zur Gleichrichtung kleinster Leistungen bei sehr geringen Anforderungen an die Welligkeit von Strom und Spannung eingesetzt (Leistungshalbierung). Vorteil: Die Schaltung ist sehr einfach aufgebaut, es wird nur eine Diode benötigt. Die Schaltung kann ohne Transformator direkt an das Netz angeschlossen werden. Nachteil: Da nur eine Halbwelle der Sinusspannung ausgenutzt wird, ist die Welligkeit von Strom und Spannung sehr groß. Hieraus resultiert auch die große Bauleistung des Transformators. Die Sperrspannungsbeanspruchung der Diode ist ebenfalls sehr hoch.

3.1.4.2 Zweipuls-Mittelpunktschaltung M 2

Anwendung: Die Mittelpunktschaltung wird hauptsĂ€chlich bei kleinen Spannungen und kleinen Leistungen eingesetzt. Durch die preiswerten Halbleiter und einen relativ teuren Transformator mit vollbelastbarem Mittelabgriff hat die Schaltung keine große Bedeutung mehr. Vorteil: Die zwei erforderlichen Dioden können ohne Isolierung auf einen gemeinsamen KĂŒhlkörper gesetzt werden. Nachteil: Die Sperrspannungsbeanspruchung ist sehr groß. Der Transformator muß eine Mittelanzapfung besitzen.

3.1.4.3 Zweipuls-BrĂŒckenschaltung B 2

Anwendung: HauptsĂ€chlich bei kleinen Leistungen bis ca. 10 kW, bei Einphasennetzen, z.B. Bundesbahn bzw. Straßenbahn, bis zu einigen hundert kW. Vorteile: Die Sperrspannungsbeanspruchung der Dioden ist geringer als bei der Mittelpunktschaltung. Die Transformatorausnutzung ist die gĂŒnstigste unter den Einphasenschaltungen. Die Bauleistung des Transformators ist nur gering grĂ¶ĂŸer als die Gleichstromleistung. Die Schaltung kann ohne Transformator direkt ans Netz angeschlossen werden. Nachteile: Die Ausgangsspannung ist um den Spannungsabfall an zwei Dioden geringer. Die Schaltung belastet ein Drehstromnetz unsymmetrisch.

3.1.4.4 Dreipuls-Mittelpunktschaltung M 3

Anwendung: Bei kleinen Drehstromleistungen, bei der die Welligkeit von w = 18,3% nicht stört. Vorteile: Nur drei Dioden notwendig, die auf dem gleichen KĂŒhlkörper montiert werden können. Nachteile: Die Sperrspannungsbeanspruchung der Dioden ist groß. Es muß ein Drehstromnetz bzw. ein Transformator mit voll belastbarem Null- bzw. Sternpunkt zur VerfĂŒgung stehen.

3.1.4.5 Sechspuls-BrĂŒckenschaltung (Drehstrom-BrĂŒckenschaltung) B 6

Anwendung: FĂŒr alle Drehstromleistungen geeignet. Geringe Welligkeit w = 4,2% Vorteile: Gute Diodenausnutzung, gering erhöhte Transformatorleistung. Kleine Sperrspannungsbeanspruchung der Dioden. Die Schaltung kann ohne Trafo direkt am Netz betrieben werden. Nachteile: Ausgangsspannung um den Spannungsabfall von zwei Dioden geringer, 6 Dioden erforderlich.

3.1.5 Dimensionierungshinweise fĂŒr Gleichrichterschaltungen

In Tabelle 3/1 sind die wichtigsten Berechnungsformeln der einzelnen Gleichrichterschaltungen fĂŒr ohmsche und induktive Last aufgefĂŒhrt. Aus den Vor- und Nachteilen der einzelnen Gleichrichterschaltungen ist ersichtlich, daß die Einphasen-BrĂŒckenschaltung B 2 und die Drehstrom-BrĂŒckenschaltung B 6 die in der Praxis am hĂ€ufigsten eingesetzten Schaltungen sind.

3.1.5.1 Spannungsbeanspruchung der Dioden

Da die periodischen Spitzensperrspannungen URRM von Dioden Grenzwerte sind, dĂŒrfen diese Werte im Btrieb nicht ĂŒberschritten werden. Daher muß zwischen dem Scheitelwert der Netznennspannung und der periodischen Spitzensperrspannung ein Sicherheitsabstand eingehalten werden. Je nach der GrĂ¶ĂŸe der im Netz auftretenden Überspannungen liegt dieser Sicherheitsabstand bei einem Faktor von 1,5 bis 2,5, d.h.. Tabelle 3/l Gleichrichtertabelle Schaltungskennzeichen nach D1N 41761 M l M 2 B2 M3 B6 Lastart L/R=0 L/R=0 L/R=0 L/R=„ L/R=„ L/R= „ Stromrichter Welligkeit in % 121 48,2 48,2 18,3 4,2 Pulszahl l 2 2 3 6 U/Ud 2,22 1,11 1,11 1,48 0,74 I/Id 1,57 0,785 1,11 1 0,577 0,816 Ventil URRM/Ud 3,14 1,57 1.57 2,09 1,05 IFAV/Id 1.0 0,5 0,5 0,333 0,333 IFRMS/Id 1,57 0,785 0,785 0,707 0,577 0.577 Stromflußwinkel 180° 180° 180° 120° 120° STrafo/Pd 3,09 1,48 1,23 1.11 1,345 1.05


U = Effektivwert der Eingangsspannung Ud = Arithmetischer Mittelwert der Ausgangsspannung URRM= Periodische Spitzensperrspannung in der Schaltung ohne Sicherheitsfaktor IFAV = Arithmetischer Mittelwert des Diodenstromes IFRMS= Effektivwert des Diodendurchlaßstromes Id = Arithmetischer Mittelwert des Ausgangsgleichstromes PTrafo= Typenleistung des Transformators Pd = Arithm. Mittelwert der Gleichrichterausgangsleistung (Ud·Id) die zulĂ€ssige periodische Spitzenspannung einer Diode sollte folgenden Wert keinesfalls unterschreiten: __ URRM ~ 1,5 bis 2,5 · Ö 2 ·UNetz

Überspannungen, die diesen Faktor ĂŒbersteigen, sollten nicht durch Überdimensionierung der Diodensperrspannung, sondern durch eine geeignete Schutzbeschaltung bedĂ€mpft werden (Diodenschutzbeschaltung, Netzschutzbeschaltung siehe Abschnitt 3.1.3).

3.1.5.2 Strombeanspruchung der Dioden

Je nach Schaltung wird die Diode vom gesamten oder nur von einem Teilstrom durchflossen. Die Grenzdaten des Herstellers der Diode, der Mittelwert des Diodendauergrenzstromes IFAVM und der Grenzeffektivwert IFRMS mĂŒssen in jedem Fall eingehalten werden, d.h., die in der Schaltung auftretenden Werte mĂŒssen in jedem Fall kleiner sein. Da bei höherpulsigen Schaltungen der Effektivwert des Diodenstromes im VerhĂ€ltnis zum arithmetischen Mittelwert groß wird, reicht die Auslegung nur nach arithmetischem Mittelwert nicht aus. Es mĂŒssen daher immer beide Werte, IFAV und IFRMS, kleiner sein als die angegebenen Grenzwerte des Bauelements.

3.1.5.3 Sicherungsauslegung

Um die Dioden sicher gegen einen Kurzschluß zu schĂŒtzen, muß die Sicherung der Diode angepaßt sein. Die meisten Hersteller geben zu den Dioden auch noch eine Auswahltabelle der zugehörigen Sicherungen an. Der Nennstrom der Sicherung muß aber grĂ¶ĂŸer sein als der errechnete Strom IFRMS .Das Grenzlastintegral der Sicherung muß jedoch kleiner sein als das der Diode. Wird die Sicherung bei einer BrĂŒckenschaltung im Strang angeordnet, so muß der Nennwert der Sicherung um den Faktor _ Ö2 gegenĂŒber dem errechneten Diodenstrom IFRMS vergrĂ¶ĂŸert werden.

3.2 Gesteuerte Stromrichter fĂŒr Gleichstrommotoren

Thyristoren

Werden die Dioden ganz oder teilweise gegen Thyristoren ausgetauscht, so besteht die Möglichkeit, durch Verzögern des ZĂŒndzeitpunktes gegenĂŒber dem «natĂŒrlichen ZĂŒndzeitpunkl» (Zeilpunkt, bei dem Dioden den Strom ĂŒbernehmen) die Ausgangsspannung einzustellen. Der ZĂŒndwinkel wird im natĂŒrlichen ZĂŒndzeitpunkt mit a = 0° bezeichnet. Von hier aus wird er in elektrischen Graden gezĂ€hlt. Die Ausgangsgleichspannung Ud besitzt bei a = 0° den gleichen Betrag wie ein ungesteuerter Stromrichter. Die Werte der Tabelle 3/1 in Abschnitt 3. l.5 können daher direkt verwendet werden. Die Spannung wird mit Ud0 bei a = 0° und mit Ud90 bei a = 90° bezeichnet. Durch die motorische Last (ohmsch-induktiv) und durch die ZĂŒndwinkelverstellung wird dem Netz Blindleistung entnommen (phi ist zĂŒndwinkelabhĂ€ngig). Durch zusĂ€tzliche GlĂ€ttungsdrosseln im Lastkreis wird eine entsprechende GlĂ€ttung des Stromes erreicht und ein LĂŒcken des Stromes vermieden. Unter «LĂŒcken» versteht man das Nullwerden des Stromes. Je nach ZĂŒndzeitpunkt und Art der vollgesteuerten Schaltung können daher an der Last negative SpannungszeitflĂ€chen entstehen.

3.2.1 Impulssteuersatz

Die zur ZĂŒndung erforderlichen ZĂŒndimpulse werden dem Impulssatz bzw. Steuersatz entnommen. Die Impulse werden synchron zur anliegenden Frequenz der Netzspannung erzeugt und lassen sich abhĂ€ngig von einer Steuerspannung in ihrer Phasenlage zur Netzspannung verschieben. Die Eingangsspannung des Impulssatzes wird in den meisten Stromrichtern vom Ausgang des Stromreglers (z.B. 0 bis 10 V) geliefert. Somit bestimmt der Stromregler die Lage der ZĂŒndimpulse und damit den Strom des Stromrichters. Je nach Art der anzusteuernden Schaltung mĂŒssen 2-Puls-, 3-Puls- oder 6-Puls-SteuersĂ€tze verwendet werden. Die Elektronikindustrie liefert hierfĂŒr komplett serienmĂ€ĂŸig hergestellte SteuersĂ€tze oder auch integrierte Schaltkreise.

3.2.2 Halb- und vollgesteuerte Stromrichterschaltungen

Die 2-Puls-BrĂŒckenschaltung B 2 und 6-Puls-BrĂŒckenschaltung B 6 werden in der Praxis am hĂ€ufigsten eingesetzt, da sie auch ohne Transformator direkt am Netz betrieben werden können. Bei beiden Schaltungen besteht die Möglichkeit, nur die eine HĂ€lfte der Dioden durch Thyristoren auszuwechseln. Solche Schaltungen werden als halbgesteuerte Stromrichter bezeichnet. Negative SpannungszeitflĂ€chen können bei halbgesteuerten Schaltungen nicht auftreten, da der leitende Thyristor in Verbindung mit einer Diode oder zwei Dioden zusammen einen Freilaufkreis gegenĂŒber der Last bildet.

3.2.3 Gleichrichterbetrieb

Gleichrichterbetrieb eines Stromrichters liegt dann vor, wenn Energie aus dem Wechselstromnetz ĂŒber den Stromrichter dem Gleichstromnetz zugefĂŒhrt wird (Abschnitt 3.1.1). Bei vollgesteuerten Stromrichtern ist dieses der Fall, wenn der ZĂŒndwinkel a von a = 0° bis a = 90° variiert wird. Bei halbgesteuerten Stromrichtern liegt dieser Betrieb bei ZĂŒndwinkeln zwischen a = 0° und a < 160° (theoretisch 180°, siehe Wechselrichtertrittgrenze, Abschnitt 3.2.5). Bei vollgesteuerter Schallung und a = 90° sind die positive und negative SpannungszeitflĂ€che gleich groß, so daß hier der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung Null ist. Ein am Stromrichter angeschlossener Motor wird sich hier nicht drehen, und dem Netz wird fast ausschließlich Blindleistung entnommen.

3.2.4 Wechselrichterbetrieb

Diese Betriebsart eines Stromrichters ist dann erforderlich, wenn ein Motor mit Hilfe eines Stromrichters abgebremst werden soll, oder wenn ein Magnetfeld schnell entregt werden muß. Diese Betriebsart setzt eine vollgesteuerie Siromrichterschaltung voraus. Wechselrichterbetrieb eines Stromrichters liegt dann vor, wenn Energie aus der Gleichstromseite ĂŒber den Stromrichter in das Wechselstromnetz zurĂŒckgeliefert wird. Nachfolgend nochmals die erforderlichen Voraussetzungen fĂŒr diese Betriebsart.

1. Auf der Gleichstromseite muß ein Energielieferant vorhanden sein, z.B. ein von der Last angetriebener Motor. 2. Die Spannung auf der Gleichstromseite muß eine PolaritĂ€t besitzen, welche eine fĂŒr den Stromrichter richtige Stromrichtung liefert. 3. Um den RĂŒckspeisestrom einstellen zu können, muß der Stromrichter eine negative Gegenspannung liefern; dieses ist jedoch nur bei vollgesteuerten Stromrichterschaltungen möglich.

Kurzzeitig kann ein dynamischer Wechselrichterbetrieb von einer großen InduktivitĂ€t aufrechterhalten werden. Der Strom wird hierbei jedoch schnell zu Null (Entregung von Magnetfeldern). Bei einer halbgesteuerten Schaltung klingt der Strom nach einer e-Funktion ab. Ein statischer Wechselrichterbetrieb kann gefahren werden, wenn ein Gleichstrommotor zum Generator wird und beim Abbremsen die mechanische Energie in Form von elektrischer Energie ins Netz zurĂŒckgespeist wird.

3.2.5 Wechselrichtertrittgrenze

Mit Wechselrichtertrittgrenze bezeichnet man den grĂ¶ĂŸten Steuerwinkel im Wechselrichterbetrieb, der mit RĂŒcksicht auf eine einwandfreie Kommutierung nicht ĂŒberschritten werden darf. Wird dieser Winkel aw ~ 160° ĂŒberschritten, kann das gezĂŒndete Ventil den Strom nicht mehr von dem noch leitenden Ventil ĂŒbernehmen. Der Strom bleibt auf dem abgebenden Ventil «hĂ€ngen», das bedeutet, da die Spannung wieder in positiver Richtung lĂ€uft, einen schlagartigen PolaritĂ€tswechsel der Stromrichterausgangsspannung (Wechselrichterkippen). Der hieraus entstehende kurzschlußartige Laststrom lĂ€ĂŸt die Sicherungen ansprechen.

Dieser Vorgang wirdvermieden, wenn der ZĂŒndwinkel a nicht bis auf 180° eingestellt wird, sondern ein Respektabstand b zu 180° gehalten wird. b ergibt sich aus der Kommutierungsdauer und der Freiwerdezeit der Thyristoren. Die Wechselrichtertrittgrenze aw ergibt sich aus der Formel

aw = 180° - b, wobei b ~ 20° bis 30° betrÀgt aw ~ 150° bis 160°.

3.2.6 Zweipulsige vollgesteuerte BrĂŒckenschaltung B 2

Die vier steuerbaren Ventile ermöglichen im Gegensatz zu den halbgesteuerten Schaltungen den Wechselrichterbetrieb. Die Ventile mĂŒssen paarweise (diagonal) gezĂŒndet werden. Ohne Netztransformator mĂŒssen in den Netzzuleitungen Kommutierungsdrosseln vorgesehen werden. Die nachfolgenden Strom- und SpannungsverlĂ€ufe sind unter idealen Voraussetzungen gezeichnet:

a) völlig geglÀtteter Laststrom durch GlÀttungsdrossel mit L = „ , b) Kommutierungszeit Null, c) ideale Ventile.

Bei schlagartiger ZĂŒndwinkelverstellung ergibt sich mit der induktiven Last der dynamische Wechselrichterbelrieb. FĂŒr den statischen Wechselrichterbetrieb ist eine Energiequelle mit richtiger Polung erforderlich, siehe Abschnitt Wechselrichterbetrieb.

3.2.7 Sechspulsige BrĂŒckenschaltung B 6

FĂŒr grĂ¶ĂŸere Leistungen und symmetrische Netzbelastung wird die DrehstrombrĂŒckenschaltung B 6 verwendet. Durch die hohe Pulsfrequenz (6 Pulse je Periode) betragt die Frequenz der Ausgangsgleichspannung 300 Hz. Zur GlĂ€ttung des Ankerstromes reicht daher in den meisten FĂ€llen die AnkerinduktivitĂ€t aus.

Unter der Voraussetzung eines nicht lĂŒckenden Stromes errechnet sich die Ausgangsspannung zu Uda = Ud · cos a

Um einen einwandfreien Betrieb der Schaltung auch bei LĂŒckbetrieb zu gewĂ€hrleisten, mĂŒssen stĂ€ndig zwei Thyristoren gezĂŒndet werden. Wenn die ZĂŒndimpulse sich ĂŒberlappen sollen, muß der Einzelimpuls daher eine Breite von 60° besitzen. Eine bessere Möglichkeit bieten aber Doppelimpulse im Abstand 60° oder Kettenimpulse, da hierdurch die BaugrĂ¶ĂŸen der Impulstransformatoren erheblich reduziert werden.

3.2.8 Halbgesteuerte BrĂŒckenschaltung B 2 HZ

Bei der halbgesteuerten WechselstrombrĂŒckenschaltung sind zwei unterschiedliche Schaltungen möglich. Hier soll jedoch nur die B 2 HZ (H = halbgesteuert, Z = zweipaar gesteuerte BrĂŒcke) besprochen werden, da sie hĂ€ufiger eingesetzt wird, weil die beiden in Reihe liegenden Dioden einen direkten Freilaufkreis bilden. Der Vorteil der halbgesteuerten Schaltungen liegt in der geringeren Anzahl der steuerbaren Ventile und der gesenkten Netzblindleistung. Der Phasenwinkel j zwischen Netz- und Grundwelle wird halb so groß wie bei der vollgesteuerten Schaltung.

Nachteil: Wie schon erwĂ€hnt, kein Wechselrichterbetrieb möglich, d.h. keine schnelle Entmagnetisierung und keine EnergierĂŒckspeisung beim Bremsen von Motoren.

Bei l-Quadranten-Antrieben (nur eine Drehrichtung ohne Bremsen) jedoch durchaus eine hĂ€ufig eingesetzte Stromrichterschaltung. Bei Triebfahrzeugen der DB werden zur weiteren Leistungsfaktorverbesserung sogar 2 halbgesteuerte Schaltungen in Reihe geschaltet. Auf die halbgesteuerte DrehstrombrĂŒcke soll nicht mehr eingegangen werden, da sie keine neuen Erkenntnisse bringt.

3.2.9 Aufbau eines geregelten Stromrichters

DrehzahlverĂ€nderbare Antriebe werden fast ausschließlich geregelt betrieben. Die ganze Einheit des Regelkreises setzt sich aus den Einzelsystemen zusammen:

1. Motor mit Antriebsmaschine, 2. Stromrichterleistungsteil, 3. Istwerterfassung von Strom und Drehzahl, 4. Regler und Sollwertgeber.

Bei einem drehzahlverĂ€nderbaren Antrieb muß sowohl der Stromrichter als auch die Maschine vor strommĂ€ĂŸiger Überlastung geschĂŒtzt werden. Hierzu dient eine Strombegrenzung, die durch eine Begrenzung der StellgrĂ¶ĂŸe (Ausgangsspannung) des Drehzahlreglers vorgenommen wird. Da der Stromregler dem Drehzahlregler nachgeschaltet ist, spricht man von einem Drehzahlregler mit unterlagerter Stromregelung. Der Stromregler fĂŒhrt den Ankerstrom entsprechend dem vorgegebenen Sollwert und regelt StromĂ€nderungen durch StörgrĂ¶ĂŸen, wie Netzspannungsschwankung6n oder BelastungsĂ€nderungen, sehr schnell aus.

Die Aufgabe der Regeleinrichtung besteht darin, die Motordrehzahl konstant zu halten, d.h., das Motormoment muß zu jedem Zeitpunkt gleich dem Lastmoment sein. Ein ansteigendes Lastmoment muß durch ein grĂ¶ĂŸeres Motormoment kompensiert werden. Bei konstanter Erregung muß sich daher die Ausgangsspannung des Stromrichters so einstellen, daß jeweils der vom Anker geforderte Strom fließen kann.

m ~ Ia

Der Drehzahlregler erfaßt die Abweichung der Drehzahl vom vorgegebenen Sollwert und beeinflußt mit seinem Ausgangssignal den ihm nachgeschalteten (unterlagerten) Stromregler.

Der Stromregler vergleicht den Sollwert mit dem Strom-Istwert und steuert ĂŒber seine Ausgangsspannung den Impulssteuersatz. Hierdurch werden die Impulse verschoben, damit sich die Ausgangsspannung des Stromrichters so erhöht, daß der benötigte Strom fĂŒr das geforderte Moment fließen kann. Die Regler werden heute meist aus OP-VerstĂ€rkern aufgebaut. Der am hĂ€ufigsten eingesetzte Regler ist der PI-Regler.

3.2.10 Zusammenwirken von Stromrichter und Motor

3.2.10.1 Gleichstrom-Nebenschlußmotor (DC)

Das Drehmoment eines fremderregten Gleichstrommotors ist proportional dem Erregerfluß FE und dem Ankerstrom IA.

M ~ FE* IA

M = Motordrehmoment FE = Erregerfluß IA = Ankerstrom

Die Klemmenspannung des Motors ist abhÀngig vom Spannungsabfall im Anker IA · Ri (belastungsabhÀngig) und der von der Drehzahl induzierten Ankergegenspannung U0

UKL=U0+IA*Ri

U0~ FE * n

n ~ (UKl-Ri*IA)/F

UKl = Klemmenspannung U0 = Ankergegenspannung Ri = Ankerwiderstand n = Drehzahl

Wie aus den vorstehenden Formeln ersichtlich, kann die Drehzahl des Motors ĂŒber die Ankerspannung (Klemmenspannung) und das Erregerfeld beeinflußt werden. Der gesamte Drehzahlstellbereich wird in Ankerstellbereich und Feldstellbereich unterteilt. Bis zur Nenndrehzahl geschieht die Verstellung ĂŒber die Ankerspannung bei konstanter Erregung. Oberhalb der Nenndrehzahl erfolgt die Drehzahlverstellung durch FeldschwĂ€chung bei konstanter Ankerspannung.

3.2.10.2 Motor und Stromrichter (DC)

Wird die Einheit «Motor und Stromrichter» in Betrieb genommen, so folgt auf eine schlagartige SollwertĂ€nderung ein schnelles Ansteigen des Ankerstromes auf den maximalen Stromwert (eingestellte Stromgrenze). WĂ€hrend des ganzen Hochlaufvorgangs steht der Ankerstrom an der eingestellten Stromgrenze. Der Motor gibt also ein diesem Strom proportionales Moment ab. Der Antrieb beschleunigt, die Ankerspannung steigt und ebenso die Leistung. In vielen FĂ€llen ist es notwendig, die Drehzahl ĂŒber den Nennwert zu erhöhen. Das ist praktisch nur möglich, wenn das Feld des Motors geschwĂ€cht wird, angewendet wird dieses z.B. bei Hauptspindelantrieben von Werkzeugmaschinen. Diese Drehzahlerhöhung hat aber nur Sinn, wenn nicht gleichzeitig von der Last das maximale Moment gefordert wird, da bei FeldschwĂ€chung das Moment zurĂŒckgeht. Als Istwert bei FeldschwĂ€chung dient dann fĂŒr den Feldstromrichter die Ankerspannung .

3.2.10.3 Drehrichtungs- und Momentenumkehr mit Stromrichtern

Die möglichen Betriebsarten eines Einfach-Stromrichters (1-Quadranten-Stromrichter) in Verbindung mit einer Gleichstromnebenschlussmaschine sind folgende: Halbgesteuerte Stromrichter: Treiben in einer Richtung ohne Bremsen. Soll der Motor in beiden Richtungen betrieben werden, so muß eine mechanische Umpolung mittels SchĂŒtzen im Anker- oder Feldkreis bei Stillstand vorgenommen werden.

Vollgesteuerte Stromrichter: Treiben in einer Richtung (z.B. Rechtslauf) und Bremsen in anderer Richtung (z.B. Linkslauf). Bei Hubantrieben erfolgt dieses automatisch zwischen Heben und Senken. Soll bei gleicher Drehrichlung gebremst werden, so kann diese entgegengesetzte Momentrichtung durch Anker- oder Feldwendung erfolgen. Vollgesteuerte StromrichterbrĂŒcken können durch die elektromechanische Umschaltung im 2-Quadranten-Betrieb und 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Zweifachstromrichter, d.h. zwei antiparallel geschaltete Stromrichter, ermöglichen, da die Stromrichtung hiermit umgekehrt werden kann, ebenfalls den 4-Quadranten-Betrieb. Diese Schaltung wird jedoch nur bei erhöhten Anforderungen an den Antrieb, schnelle Drehrichtungsumkehr mit Nutzbremsung bis zum Stillstand bei sehr kleiner momentenfreier Pause, eingesetzt. Die Umschaltung ist hier kontaktlos, da jede Stromrichtung ihren eigenen Stromrichter besitzt. Je nach Schaltung unterscheidet man die kreisstromfreie oder die kreisstromfĂŒhrende Gegenparallelschaltung. Momentenfreie Pausen bei 4-Ouadranten-Antrieben: Ankerkreisumschaltung (elektromechanisch) 0,1 bis 0,2 s Feldkreisumschaltung (elektromechanisch) 0,5 bis 2,5 s Gegenparallelschaltung ohne Kreisstrom 10 bis 15 ms Gegenparallelschaltung mit Kreisstrom keine


Besonders deutlich sind die Betriebsarten eines Antriebs durch die vier Quadranten des Drehzahl-Drehmomenten-Diagramms gekennzeichnet.

1-Quadrant-Antrieb Betrieb im I. oder III. Quadranten Gleichstrommaschine und Einfachstromrichter Keine betriebsmĂ€ĂŸige Umschaltung im Anker- oder Feldkreis. Dieser Betrieb kann mit einem halbgesteuerten Stromrichter, z.B. B 2 HZ, realisiert werden (siehe Abschnitt 3.2.8). Bei großen Leistungen wird oft die B-6-Schaltung eingesetzt, ohne jedoch den statischen Wechselrichterbetrieb auszunutzen.

2-Quadranten-Antriebe a) Betrieb im I. und II. Quadranten oder III. und IV. Quadranten. Siehe 4-Quadranten-Antriebe. b) Betrieb im I. und IV. Quadranten oder II. und III. Quadranten

Gleichstrommaschine und Einfachstromrichter Keine betriebsmĂ€ĂŸige Umschaltung im Anker- oder Feldkreis. FĂŒr diese Betriebsart muß eine vollgesteuerte Stromrichterschaltung eingesetzt werden. 4-Quadranten-Antriebe a) Mit Umschaltung im Ankerkreis Gleichstrommaschine und Einfachstromrichter BetriebsmĂ€ĂŸige Umschaltung im Ankerkreis. ZusĂ€tzlich zum vollgesteuerten Stromrichter sind AnkerumschaltschĂŒtze sowie eine Umschaltlogik erforderlich. Umsteuervorgang im Stromrichter bei Übergang vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb:

1. ZĂŒndimpulse schlagartig von Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb stellen 30° -150°. 2. Der Ankerstrom wird sehr schnell zu Null (dynamischer Wechselrichterbetrieb). 3. Bei Ia = 0 werden die ZĂŒndimpulse ganz gesperrt. 4. Umpolung des Ankerkreises mit SchaltschĂŒtzen. 5. Freigabe der ZĂŒndimpulse im Wechselrichterbetrieb a ~ 150°. 6. Die negative Netzspannung wirkt der Klemmenspannung des Motors (Generators) entgegen, d.h. Ankerstrom sehr gering oder Null. 7. Durch ZĂŒndwinkeleinstellung von a = 150° in Richtung a = 90° sinkt die Gegenspannung des Stromrichters so, daß die Motorspannung einen Strom treiben kann. 8. Der Motor wird gebremst, die Klemmenspannung sinkt, der ZĂŒndwinkel muß nachgestellt werden, damit der Bremsstrom weiter fließen kann. (Erfolgt automatisch von der Stromregelung.) 9. Der Bremsstrom fließt, solange sich der Motor dreht und die Motorspannung grĂ¶ĂŸer als die Gegenspannung ist. 10. Bei a = 90° steht der Motor. 11. Ausschalten des Antriebs oder Hochlaufen in die andere Drehrichtung.

b) Mit Umschaltung im Feldkreis Gleichstrommaschine und Einfachstromrichter BetriebsmĂ€ĂŸige Umschaltung im Feldkreis. ZusĂ€tzlich zu einem vollgesteuerten Stromrichter sind hier UmschaltschĂŒtze fĂŒr das Feld nebst der entsprechenden Umschaltung vorzusehen.

c) Mit Zweifachstromrichter in Gegenparallelschaltung Gleichstrommaschine und Zweifachstromrichter. Kreisstromfreie Gegenparallelschaltung der beiden Stromrichter. Die Gegenparallelschaltung ist die gleichstromseitige Parallelschaltung zweier vollgesteuerter Stromrichter mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung der Ventile. Sie stellt einen Zweifachstromrichter dar, der in allen vier Quadranten betrieben werden kann. Im allgemeinen wird eine Gegenparallelschaltung kreisstromfrei betrieben, d.h., von den beiden Stromrichtern ist immer nur einer in Betrieb, wĂ€hrend die ZĂŒndimpulse des anderen Stromrichters gesperrt sind. Beim Übergang von Quadrant I zu II oder von II zu IV muß durch eine Strom-Istwert-Erfassung ebenfalls das Nullwerden des Stromes erfaßt werden. Eine Umschaltlogik sperrt die ZĂŒndimpulse des einen Stromrichters und gibt die des anderen an der Wechselrichtertrittgrenze frei. WĂ€hrend dieses Umsteuervorgangs tritt eine kurze stromlose Pause und damit eine momentenfreie Pause von ca. 10 bis 20 ms ein.

d) Mit Zweifachstromrichter in Kreuzschaltung Gleichstrommaschine und Zweifachstromrichter KreisstromfĂŒhrende Kreuzschaltung der beiden Stromrichter. Bei dieser Gegenparallelschaltung zweier Stromrichter mit Kreisstrom werden zu jedem Augenblick beide Stromrichter mit Impulsen angesteuert. Der eine Stromrichter arbeitet jedoch im Gleichrichterbetrieb, und der andere Stromrichter arbeitet im Wechselrichterbetrieb. Zum Motorstrom kommt daher noch ein Kreisstrom, der ĂŒber beide Stromrichter fließt, hinzu. Die ZĂŒndwinkel fĂŒr beide GerĂ€te mĂŒssen folgenden Bedingungen entsprechen

aStr.11 = 180° - aStr.1

Da nur die Gleichspannungsmittelwerte, nicht aber die Augenblickswerte gleich sind, treibt diese Spannungsdifferenz den Kreisstrom. Dieser Kreisstrom muß durch InduktivitĂ€ten (Kreisstromdrosseln) begrenzt werden.

3.2.11 Einsatzbereich von Gleichstrom-Nebenschlußmotoren (DC)

Tabelle 3/2 zeigt den typischen Einsatzbereich von Gleichstrom-Nebenschlußmotoren in Verbindung mit verschiedenen Stromrichtern.(Tabelle auf Wunsch erhĂ€ltlich)

3.2.12 Gleichstromumrichter (Gleichstromsteller)

Gleichstromsteller sind Gleichstromumrichter ohne Wechselstromzwischenkreis. Die beiden Gleichstromseiten sind galvanisch miteinander verbunden. Zum Einstellen der Gleichspannung auf der Ausgangsseite wird ein Halbleiterschalter periodisch geschaltet. Der Halbleiterschalter kann ein Transistor oder ein Thyristor mit Löschzweig sein. Gleichstromumrichter sind selbstgefĂŒhrt, sie benötigen keine Taktung durch die Netzfrequenz und keine netzgefĂŒhrte Kommutierung. Die Kommutierung erfolgt entweder durch Widerstandserhöhung (Leistungsschalttransistor) oder durch eine kapazitive Zusatzspannungsquelle (Kommutierungskondensator). Die Kommutierung kann daher netzunabhĂ€ngig durchgefĂŒhrt werden. Das Abschalten von Gleichstrom im ohmsch-induktiven Kreis ist nur mit Freilaufdiode möglich, da sonst die Induktionsspannung die Bauelemente zerstören wĂŒrde. Die Freilaufdiode sollte eine Diode mit kleiner Sperrverzugszeit trr große RĂŒckströme, die bei einem erneuten Einschalten der Last und noch fließendem Freilaufstrom auftreten, zu vermeiden.

3.2.12.1 Funktion eines Gleichstromstellers (DC)

Transistorgleichstromsteller Der Leistungstransistor, oder mehrere parallel, werden ĂŒber Treiberschaltungen mit einem entsprechenden Impuls-Pausen-VerhĂ€ltnis angesteuert (getaktet).

Thyristorgleichstromsteller Innerhalb einer Pulsperiode des Stellers laufen unter der Voraussetzung: «Der Hauptthyristor sei gesperrt und der Löschkondensator auf Betriebsspannung aufgeladen» (positiver Belag zur Spannungsquelle) folgende VorgÀnge ab:

1. Der Hauptthyristor wird gezĂŒndet. Der Motorstrom kommutiert in den Hauptthyristor. Die Kondensatorladung schwingt ĂŒber den Umschwingkreis auf entgegengesetzte PolaritĂ€t, die zum Löschen des Hauptthyristors erforderlich ist, um. 2. Der Umschwingvorgang ist beendet, der Kondensator hat die richtige LöschpolaritĂ€t. Das RĂŒckschwingen wird durch die Umschwingdiode verhindert. Der Motorstrom steigt an. Der Hauptthyristor leitet. 3. Der Löschthyristor wird gezĂŒndet. Er schaltet die Spannung des Löschkondensators an den Hauptthyristor. Der Hauptthyristor sperrt. Der Motorstrom kommutiert in den Löschkreis und lĂ€dt den Löschkondensator um. Die Zeit, in der negative Spannung am Hauptthyristor liegt, ist die Schonzeit. In dieser Zeit muß der Thyristor seine SperrfĂ€higkeit fĂŒr die positive Spannung wieder aufbauen. 4. Der Löschkondensator ist umgeladen, wenn die Spannung am Kondensator der Betriebsspannung entspricht. Jetzt wird die Freilaufdiode leitend, der Motorstrom beginnt zu sinken, alle Thyristoren sind gesperrt. Der Vorgang kann wie unter l. wiederholt werden. Die Umladezeiten des Kondensators bestimmen die Mindesteinschalt- und Mindestsperrzeit des Hauptthyristors. Sie liegen durch die Freiwerdezeiten der heutigen Thyristoren bei ~ 250 micro-sec. bis 300 micro-sec. Das VerhĂ€ltnis zwischen maximaler und minimaler Aussteuerung wird hierdurch begrenzt. Ein gĂŒnstiger Kompromiß zwischen der Forderung, den Motorstrom nicht zu wellig und die Verluste im Kreis nicht zu groß werden zu lassen, bietet die Frequenz von 250 Hz. Bei dieser Frequenz ist ein Aussteuergrad (TastverhĂ€ltnis t1/T) von minimal 0,09 bis maximal 0,97 zu erreichen (gem. AEG-Telefunken).

3.2.12.2 Steuerung der Ausgangsspannung (DC)

Die Steuerung der Ausgangsspannung erfolgt entweder durch Ändern der Einschaltdauer ti bei konstanter Periodendauer (Pulsbreitensteuerung) oder durch Ändern der Periodendauer T bei konstanter Einschaltdauer ti (Pulsfolgesteuerung). Letztere Möglichkeit wird jedoch seltener eingesetzt, da die Frequenz sich stĂ€ndig Ă€ndert und hierdurch negative RĂŒckwirkungen auf das Netz entstehen können.


3.2.12.3 Einsatz von Gleichstromstellern (DC)

Gleichstromsteller werden im wesentlichen fĂŒr die Drehzahlsteuerung von Gleichstrom-Fahrzeugantrieben (Reihenschlußmotoren), die aus Batterien oder Gleichstromnetzen bzw. Fahrleitungen versorgt werden, eingesetzt (Straßen- und U-Bahnen). Transistorisierte Gleichstromsteller bis ca. 10 kW werden jedoch auch industriell fĂŒr Nebenschlußmotoren gefertigt. Der Gleichstromreihenschlußmotor hat ein quadratisch vom Strom abhĂ€ngiges Moment, daher bietet er bei geringem Strom schon ein großes Moment, das gerade bei Fahrantrieben von großer Bedeutung ist. Mit einem Gleichstromsteller kann in verĂ€nderter Schaltung der Motor abgebremst und dabei Energie impulsförmig an die Spannungsquelle zurĂŒckgeliefert werden.

Bei batteriegetriebenen Fahrzeugen steigt der Wirkungsgrad hierdurch um ca. 30%.

Durch Kombination einer Fahrschaltung mit einer Bremsschaltung ergibt sich bereits ein Mehrquadrantenbetrieb. Der Einfachheit halber werden Gleichstromsteller auch wie ein Thyristor mit zwei SteueranschlĂŒssen dargestellt.


3.2.12.4 4-Quadranten-Betrieb mit mechanischer Umschaltung (DC)

Im Bremsbetrieb muß der Gleichstromsteller in Verbindung mit der InduktivitĂ€t des Reihenschlußmotors durch periodisches Takten eine so hohe Maschinenspannung erzeugen, daß ein Strom in das Netz oder die Batterie zurĂŒckfließen kann. Der Steller wird deshalb parallel zur Maschine geschaltet. Diesem Zweck dient das SchĂŒtz K 3 bei Rechtslauf und die Bremsdiode V 2.

Damit ĂŒberhaupt gebremst werden kann, muß der Anker umgepolt werden, denn sonst wĂŒrde die in den Anker induzierte Spannung einen Strom liefern, der dem Betriebsstrom entgegenwirkt und damit das Erregerfeld zum Verschwinden bringt (Selbstmordschaltung). Um die Fahrtrichtung zu Ă€ndern, mĂŒssen sowieso Umschaltkontakte vorhanden sein (K 2, K 3). Um auch bremsen zu können, wenn das Netz keine Energie aufnehmen kann, ist parallel zum Steller ein Bremsthyristor mit Widerstand vorhanden. Schaltphasen im Bremsbetrieb bei Drehrichtung «Rechts»

1. Steller und K 3 ist eingeschaltet, d.h., der Maschinenkreis ist in Verbindung mit der Bremsdiode V 2 kurzgeschlossen, der Maschinenstrom steigt an. 2. Der Steller ist gesperrt. Die Drossel treibt den Strom gegen die Netzspannung ĂŒber die Freilaufdiode V l in den Netzkondensator C. Falls das Netz nicht die ganze Bremsenergie aufnehmen kann, steigt nun die Kondensatorspannung an. 3. Wird die maximale Kondensatorspannung erreicht, so wird der Bremsthyristor gezĂŒndet und der Bremswiderstand R eingeschaltet. Nach diesem Prinzip werden viele Straßenbahnen und U-Bahnen gesteuert.

3.3Drehzahlsteuerung des Drehfeldmotors, Frequenzumrichter fĂŒr Drehstrommotoren (AC)

Obwohl sich die Drehzahl bei Gleichstrommotoren mit wenig Aufwand ĂŒber einen weiten Bereich steuern lĂ€ĂŸt, haben die nachfolgenden Vorteile des Drehstrommotors und die Fortschritte der Elektronik dazu gefĂŒhrt, daß immer mehr Drehstrommotoren in der Drehzahl gesteuert und geregelt werden. Einige dieser Vorteile gegenĂŒber der Gleichstrommaschine sind:

— weitgehende Wartungsfreiheit, — kleines Leistungsgewicht, — hohe Schutzklassen, — einfache und robuste Konstruktion, — hohe Betriebsdrehzahlen im Mittelfrequenzgebiet, — preiswerter als Gleichstrommotoren.

Drehstrommaschinen werden in synchroner und asynchroner Bauart hergestellt. Die StĂ€nderwicklung ist so ausgelegt, daß bei Betrieb an einem Drehstromnetz im Motor ein Drehfeld entsteht, das den LĂ€ufer mitnimmt. Die Drehzahl wird von folgenden GrĂ¶ĂŸen bestimmt:

1. Netzfrequenz 2. Polpaarzahl

ns=(f1*60)/p ns = synchrone Drehzahl p = Polpaarzahl f1 = StÀnderfrequenz

Bei gegebener Polpaarzahl eines Motors und konstanter Netzfrequenz liegt somit die Drehzahl fest. Bei polumschaltbaren Motoren kann die Drehzahl entsprechend der Wicklungen in festen Stufen umgeschaltet werden. Eine stufenlose, mit geringen Verlusten behaftete Drehzahlverstellung ist nur durch FrequenzĂ€nderung bei gleichzeitiger SpannungsĂ€nderung möglich. Werden grĂ¶ĂŸere LĂ€uferverluste akzeptiert, kann eine bedingte Drehzahlverstellung auch ĂŒber die StĂ€nderspannung bei konstanter Frequenz erfolgen. Aus folgenden GrĂŒnden muß bei einer Änderung der Frequenz die Spannung mit verĂ€ndert werden. FrequenzĂ€nderung --> XL Ă€ndert sich XL-Änderung --> Z Ă€ndert sich Z -Änderung --> StromĂ€nderung Da der Strom das Moment beeinflußt und ein maximaler Wicklungsstrom nicht ĂŒberschritten werden darf, muß mit der Freq
10 Feb 2005
19:01:14
Huchter
Folge 4 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Folge 4

3.3Drehzahlsteuerung des Drehfeldmotors, Frequenzumrichter fĂŒr Drehstrommotoren (AC)

Obwohl sich die Drehzahl bei Gleichstrommotoren mit wenig Aufwand ĂŒber einen weiten Bereich steuern lĂ€ĂŸt, haben die nachfolgenden Vorteile des Drehstrommotors und die Fortschritte der Elektronik dazu gefĂŒhrt, daß immer mehr Drehstrommotoren in der Drehzahl gesteuert und geregelt werden. Einige dieser Vorteile gegenĂŒber der Gleichstrommaschine sind:

— weitgehende Wartungsfreiheit, — kleines Leistungsgewicht, — hohe Schutzklassen, — einfache und robuste Konstruktion, — hohe Betriebsdrehzahlen im Mittelfrequenzgebiet, — preiswerter als Gleichstrommotoren.

Drehstrommaschinen werden in synchroner und asynchroner Bauart hergestellt. Die StĂ€nderwicklung ist so ausgelegt, daß bei Betrieb an einem Drehstromnetz im Motor ein Drehfeld entsteht, das den LĂ€ufer mitnimmt. Die Drehzahl wird von folgenden GrĂ¶ĂŸen bestimmt:

1. Netzfrequenz 2. Polpaarzahl

ns=(f1*60)/p ns = synchrone Drehzahl p = Polpaarzahl f1 = StÀnderfrequenz

Bei gegebener Polpaarzahl eines Motors und konstanter Netzfrequenz liegt somit die Drehzahl fest. Bei polumschaltbaren Motoren kann die Drehzahl entsprechend der Wicklungen in festen Stufen umgeschaltet werden. Eine stufenlose, mit geringen Verlusten behaftete Drehzahlverstellung ist nur durch FrequenzĂ€nderung bei gleichzeitiger SpannungsĂ€nderung möglich. Werden grĂ¶ĂŸere LĂ€uferverluste akzeptiert, kann eine bedingte Drehzahlverstellung auch ĂŒber die StĂ€nderspannung bei konstanter Frequenz erfolgen. Aus folgenden GrĂŒnden muß bei einer Änderung der Frequenz die Spannung mit verĂ€ndert werden. FrequenzĂ€nderung --> XL Ă€ndert sich XL-Änderung --> Z Ă€ndert sich Z -Änderung --> StromĂ€nderung Da der Strom das Moment beeinflußt und ein maximaler Wicklungsstrom nicht ĂŒberschritten werden darf, muß mit der Frequenz auch die Spannung verstellt werden. Asynchronmotoren haben an fester Versorgungsspannung und Frequenz folgendes Drehmoment-Drehzahlverhalten. FĂŒr das Drehmoment gilt: M ~F1* /2 mit F1 ~ U1/f1 F1 = magnetischer Fluß im Motor (StĂ€nderfluß) /2 = LĂ€uferstrom U1 = StĂ€nderspannung

f1 = StĂ€nderfrequenz Um bei einer Drehzahlverstellung ein konstantes Motormoment zu behalten, muß F1konstant bleiben. Die Spannung muß daher proportional zur Frequenz mit verstellt werden. Eine Frequenz- und Drehzahlverstellung mittels eines Umrichters bewirkt unter diesen Bedingungen in etwa eine Parallelverschiebung der Kennlinie auf der Drehzahlachse. Wird bei Erreichen der StĂ€ndernennspannung die StĂ€nderfrequenz weiter erhöht, so ergibt dieses eine FeldschwĂ€chung und damit ein fallendes Drehmoment bei steigender Drehzahl. Asynchronmotoren haben, bedingt durch den Schlupf, einen wenn auch geringen lastabhĂ€ngigen Drehzahlabfall. Die Betriebsdrehzahl betrĂ€gt: n = ns (1 - s) n=(f1*60/p)* (1- s) ns = Synchrondrehzahl n = Betriebsdrehzahl s = Schlupf f1 = Netzfrequenz p = Polpaarzahl

Aus der Gleichung ist ersichtlich, daß neben der FrequenzĂ€nderung auch die SchlupfĂ€nderung eine Verstellung der Drehzahl bewirkt. Eine Änderung der Drehzahl ĂŒber den Schlupf ist nur bei ganz speziellen AnwendungsfĂ€llen möglich, da mit wachsendem Schlupf die Maschinenverluste stark zunehmen. GrĂ¶ĂŸere Verluste lassen sich nur fĂŒr einen zeitlich begrenzten Anlaufvorgang hinehmen. Siehe auch: 1.5.7 Drehzahlsteuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren und 1.5.7.1 Drehzahlsteuerung durch Beeinflussung des Schlupfes (Phasenanschnittsteuerung)


3.3.1 Wechsel- und Drehstromsteller fĂŒr Induktionsmotoren

Wechselstrom- und Drehstromsteller sind zum Verstellen der Spannung bei konstanter Netzfrequenz geeignet. Die Steuerung der Spannung erfolgt durch Phasenanschnitt, wobei die Frequenz nicht verÀndert wird (Prinzip eines Stelltransformators).

Der Stromrichtersatz besteht aus einem Triac bzw. zwei antiparallelen Thyristoren je Phase. Die Bauelemente werden periodisch in jeder Halbschwingung mit dem Steuerwinkel ? gezĂŒndet. Bei ohmscher Last kann die Ausgangsspannung vom vollen Wert bei a = 0° bis zum Wert Null bei a = 180° stetig verstellt werden. Bei rein induktiver Last eilt der Strom der Spannung jedoch um 90° nach, so daß die gesamte Spannungseinstellung hier bereits durch eine Verstellung des Steuerwinkels a von 90° bis 180° erreicht wird.

Eine Schwingungspaktsteuerung ist in der Antriebstechnik nicht einsetzbar, weil die Pausen zwischen den Sinushalbwellen zu StromlĂŒcken fĂŒhren und damit MomentensprĂŒnge entstehen.

3.3.1.1Steller fĂŒr Wechselstrommotoren

Bei asynchronen Wechselstrommotoren mit KurzschlußlĂ€ufern oder Universalmotoren (Reihenschlußkommutatormotoren) wird die Drehzahleinstellung mit Hilfe eines Stellers durch Phasenanschnitt vorgenommen.

Der Steller besteht aus einem Triac mit entsprechender Ansteuerschaltung. Bei Wechselstrom-Asynchronmotoren mit Betriebskondensator ist eine Drehzahleinstellung mit Hilfe eines gesteuerten Stellers nur bedingt möglich (z.B. LĂŒfter und Pumpen), denn wenn das Lastmoment oder Losbrechmoment grĂ¶ĂŸer als das Molormoment

wird. bleibt der Motor stehen. Eine Regelung mit automatischer ZĂŒndwinkelverstellung ist daher bei entsprechenden Lastmomenten einzusetzen. Symbole der Regler siehe Band «Elektrische Meß- und Regeltechnik».

Der Universalmotor wird wegen des großen Anlaufmomentes und kleinen Leistungsgewichtes in sehr vielen HaushaltgerĂ€ten und auch in Handbohrmaschinen eingesetzt.

3.3.1.2Steller fĂŒr Drehstrom-KurzschlußlĂ€ufermotoren

Die Drehzahlverstellung von Drehstrom-Asynchronmotoren erfolgt ebenfalls mittels eines Stellers durch Phasenanschnitt. Die Spannungseinstellung wird durch den Phasenanschnitt vorgenommen, die Frequenz bleibt konstant. Die DrehzahlĂ€nderung ist eine Folge des durch die Spannung zurĂŒckgehenden Momentes. Da das Motormoment quadratisch mit der Spannung abnimmt,

M ~ U2 ist der Einsatz stark eingeschrĂ€nkt. Die Motoren erhalten daher LĂ€ufer mit erhöhten WiderstĂ€nden, sogenannte WiderstandslĂ€ufer, bei denen das Kippmoment in der NĂ€he der Drehzahl Null liegt. Im LĂ€uferkreis treten bei Drehzahlen n < nNenn erhebliche Verluste auf. weil die LĂ€uferverluste proportional mit dem Schlupf steigen. Anwendungsgebiete des Drehstromstellers sind Antriebe mit quadratischer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, wie bei LĂŒfterantrieben, Kreiselpumpen und Wicklern bis ca. 6 kW Leistung.

Siehe auch: 1.5.7 Drehzahlsteuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren und 1.5.7.1 Drehzahlsteuerung durch Beeinflussung des Schlupfes (Phasenanschnittsteuerung)

3.3.2 Drehzahlsteuerung beim Drehstrom-SchleifringlÀufermotor

Die LĂ€uferwicklungsenden sind zum Sternpunkt zusammengeschaltet und die AnfĂ€nge an Schleifringe herausgefĂŒhrt (siehe Abschnitt 1.5.2). Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den Widerstand des LĂ€ufers zu verĂ€ndern. Wie beim WiderstandslĂ€ufer wird auch hier das Kippmoment zu niedrigen Drehzahlen hin verschoben. Diese LĂ€ufersteuerung ist im gesamten Drehzahlbereich des Motors möglich. Da die Schlupfleistung in WĂ€rme umgesetzt wird, setzt man dieses Prinzip heute nur noch zum Anlaufen ein. Bei Hebezeugen wird hĂ€ufig ein Drehstrom-SchleifringlĂ€ufermotor mit gepulstem LĂ€uferwiderstand eingesetzt.

Die an den Schleifringen des Asynchronmotors auftretende Wechselspannung wird mit einer DiodenbrĂŒcke gleichgerichtet. Die Gleichspannung wird an die Reihenschaltung einer Drossel und eines Widerstandes gelegt. Parallel zum Widerstand befindet sich ein Gleichstromsteller (GS), der es ermöglicht, den Widerstand periodisch kurzzuschließen und somit den resultierenden Widerstandswert von 0 bis zum maximalen Wert zu verĂ€ndern.

Dabei bedeuten:

R1 kurzgeschlossene Schleifringe (nur LÀuferwiderstand) R2 bis R4 verÀnderlicher LÀuferwiderstand von Rminbis Rmax

3.3.2.1 Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK)

Die USK ist ein drehzahlverĂ€nderbarer Drehstromantrieb mit SchleifringlĂ€ufermotor. bei dem die Schlupfleistung gleichgerichtet und ĂŒber einen im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Stromrichter in das Drehstromnetz zurĂŒckgespeist wird. Das von der Maschine abgegebene Drehmoment ist dem LĂ€uferstrom — also dem Gleichstrom der Kaskade — proportional, wĂ€hrend die LĂ€uferspannung dem Schlupf der Maschine proportional ist. USK werden vorwiegend fĂŒr Antriebe mit quadratisch mit der Drehzahl steigenden Drehmomenten (Pumpen und LĂŒfter) eingesetzt, bei denen nur ein Stellbereich von ca. 50% bis 100% der Nenndrehzahl erforderlich ist. USK finden vorwiegend bei mittleren bis großen Leistungen (20 MW) Anwendung.

3.3.3Umrichter mit Zwischenkreis

Umrichter mit Zwischenkreis bestehen aus je einem netzseitigen und einem lastseitigen Stromrichter, die ĂŒber einen Zwischenkreis untereinander verbunden sind. Der Zwischenkreis besteht aus einem kapazitiven oder induktiven Energiespeicher und bewirkt eine Entkopplung zwischen Last und Netz. Je nachdem, ob der Zwischenkreis eine eingeprĂ€gte Spannung oder einen eingeprĂ€gten Strom fĂŒhrt, unterscheidet man Spannungszwischenkreis- und Stromzwischenkreisumrichter.

Bei Zwischenkreisumrichtern erfolgt eine zweimalige Energieumformung.

1. Aus dem Drehstromnetz erfolgt eine Umformung in eine Gleichspannung bzw. in einen Gleichstrom. 2. Aus der Gleichspannung bzw. dem Gleichstrom wird mit Hilfe eines Wechselrichters ein frequenzvariabler Drehstrom erzeugt. Der Wechselrichter bestimmt die Ausganssfrequenz des Motors und damit die Drehzahl. Beim Wechselrichten wird Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umgeformt. Durch Änderung der Schaltreihenfolge kann sehr einfach die Drehrichtung geĂ€ndert werden. 3.3.3.1Umrichter mit Stromzwischenkreis

Der Umrichter mit Stromzwischenkreis ist gekennzeichnet durch den eingeprĂ€gten lastabhĂ€ngigen Gleichstrom des Zwischenkreises. Der netzseitig gesteuerte Stromrichter stellt in Verbindung mit der Last den Strom im Zwischenkreis ein. wĂ€hrend der Wechselrichter die Frequenz einstellt. Diese Umrichter sind nur fĂŒr Einzelantriebe geeignet, da die Kommutierung vom Laststrom (Motorstrom) gefĂŒhrt wird, d.h.. die Maschinendaten und die Kommutierungskondensatoren sind aufeinander abgestimmt. Die Schaltung ist gegenĂŒber den Umrichtern mit Spannungszwischenkreis einfacher aufgebaut. Da in der Löscheinrichtung auf Freilaufdioden verzichtet werden kann. lĂ€ĂŸt sich ohne Mehraufwand generatorischer Betrieb, d.h. 2-Quadranten-Betrieb realisieren.

Haupteinsatzgebiete liegen bei LĂŒftern, Pumpen, Zentrifugen, Extrudern, Drehöfen, Werkzeugmaschinen, PrĂŒfstĂ€nden und Kernenergieanlagen.

Allgemein: Gegen ca. 1980 wurden serienmĂ€ĂŸig Umrichter nur fĂŒr Leistungen von ca. 10 bis 750 kVA hergestellt. inzwischen sind Umrichter serienmĂ€ĂŸig bis ĂŒber 3.000 kVA fĂŒr Motoren bis ĂŒber 2.000kW lieferbar. (Kemmerich Baureihe E178 etc.) Der normale Drehzahlstellbereich liegt bei ca. l : 20. Durch verbesserten Sinus-Ausgang (teurerer Aufwand) sind auch wesentlich grĂ¶ĂŸere Verstellbereiche möglich, die ein einwandfreies Regeln auch im unteren Drehzahlbereich ohne RĂŒtteln ermöglichen. (Z.B.Kemmerich Baureihe SCH066, Regelbereich bis 1:1000)

Bei einfachen GerÀten betrÀgt die Ausgangsfrequenz meist 5 Hz bis 100 Hz, max. z.B. 320 Hz. Hochfrequenzumrichter werden normalerweise bis 3.000 Hz Ausgang geliefert.

Preiswerte und Ă€ltere Typen, meist AnaloggerĂ€te, weden zum Teil noch mit Trimmpotentiometer fĂŒr die Parameterverstellung geliefert, moderne GerĂ€te, DigitalgerĂ€te, sind normal mit Tastatureingabe zum Teil direkt ĂŒber das Anzeigefeld vesehen. Hierbei werden die Eingabeebenen, zum Teil per Fingerdruck direkt auf das Sichtfeld, aufgerufen, wonach die eigentliche Einstellung der Arbeitswerte, Stromgrenzen etc. erfolgt. Gute, meist grĂ¶ĂŸere GerĂ€te besitzen viele Einstellmöglichkeiten, z.B. auch fĂŒr Frequenzausgrenzungen fĂŒr beim Hochlauf von Motoren entstehende Resonanzen. (Kemmerich GerĂ€te IP55/65 der Baureihe B172)

Motorauslegung

Die Normmotoren mĂŒssen wegen des Oberschwingungsgehaltes des Stromes ca. 10 bis 15% ĂŒberdimensioniert werden.

Die Ausgangsspannung des Umrichters betrĂ€gt normalerweise 400 V. (Bei GroßgerĂ€ten werden wegen des hohen Stromes auch Hochspannungsein- und Ausgang gefertigt). Wird ein vierpoliger Motor fĂŒr 400 V/50 Hz eingesetzt, so kann dieser zwischen 5 Hz und 50 Hz Umrichterfrequenz eine Drehzahl zwischen 150min-1 und 1500 min-1 haben. Eine VergrĂ¶ĂŸerung des Stellbereichs ergibt sich, wenn ein Motor fĂŒr eine Spannung von 230 V in Dreieck bzw. 400 V in Sternschaltung verwendet wird. Diese Maschine wird an dem Umrichter in Dreieckschaltung betrieben. Die Nenndrehzahl der Maschine ist bei 50 Hz und 230 V erreicht. Durch Erhöhung der Ausgangsfrequenz auf 87 Hz und der Ausgangsspannung auf 400 V kann die Drehzahl der Maschine um den Faktor Wurzel(3) gesteigert werden. Mit diesem 4poligen Motor erreicht man dann eine Drehzahl von 2500 min-1. Eine Steigerung ĂŒber 87 Hz hinaus auf 100 Hz und damit eine Drehzahlerhöhung auf 3000 min-1 ist möglich, allerdings dann bei reduziertem Fluß und reduziertem Moment. Die sonst beim Anfahren von Asynchronmotoren auftretenden hohen Anlaufströme werden durch eine Stromgrenze in Verbindung mit der Spannungs- und Frequenzeinstellung sicher vermieden. Da die KĂŒhlung des Motors meistens mit einem auf der Motorwelle befestigten LĂŒfterrad erfolgt, ist die KĂŒhlung drehzahlabhĂ€ngig. Bei Verkleinerung der Drehzahl sinkt die KĂŒhlleistung ĂŒberproportional. Zum Ausgleich werden Motoren mit Leistungen < 10 kW ĂŒberdimensioniert. Bei Leistungen > 10 kW sollte stets ein FremdlĂŒfter eingesetzt werden.

Umrichter mit Stromzwischenkreis fĂŒr Synchronmotoren

Eine Besonderheit stellt der Synchronmotor in Kombination mit einem Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter dar. Er wird als «Stromrichtermotor» bezeichnet. Die Steuerung des Wechselrichters wird hier in AbhĂ€ngigkeit der LĂ€uferstellung (Polrad) vorgenommen. Der Synchronmotor zeigt hierbei das Verhalten einer Gleichstromnebenschlußmaschine. Wird die Erregung mittels Induktion ĂŒbertragen, (also ohne die verschleißbehafteten KohlebĂŒrsten) so bezeichnet man diese AusfĂŒhrung auch als kollektorlose Gleichstrommaschine oder Elektronikmotor. Einsatz: Pumpen, LĂŒfter und Verarbeitungsmaschinen bis ca. 10 MW.

3.3.3.2 Umrichter mit Spannungszwischenkreis

Es wird zwischen zwei GrundausfĂŒhrungen unterschieden: 1. variable Zwischenkreisspannung 2. konstante Zwischenkreisspannung Ein Erkennungsmerkmal des Umrichters mit Zwischenkreis ist der zusĂ€tzlich zur Drossel vorhandene Kondensator.

Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung

Der gesteuerte sechspulsige Stromrichter richtet die Netzspannung gleich und stellt die Spannung im Zwischenkreis ein. Der Zwischenkreis besteht aus einer GlĂ€ttungsdrossel (L) und einem Kondensator (C). Der aus dem Gleichspannungszwischenkreis gespeiste selbstgefĂŒhrte Wechselrichter II stellt durch zyklisches ZĂŒnden und Löschen der Thyristoren die Ausgangsfrequenz ein. Da auch bei kleinen Zwischenkreisspannungen noch einwandfrei gelöscht werden muß, ist der Wechselrichterteil mit der Löscheinrichtung sehr aufwendig. Stromrichter mit Spannungszwischenkreis sind vorzugsweise fĂŒr Gruppenantriebe, wie RollgĂ€nge, Textilmaschinen usw., geeignet. Es können sowohl Asynchronmotoren wie auch Synchronmotoren und Reluktanzmotoren mit hohem Stellbereich angeschlossen werden. Die SeriengerĂ€te der Industrie umfassen einen Leistungsbereich von 10 bis ca. 500 kVA. Der Frequenzbereich reicht von l Hz bis ca. 750 Hz. Wegen der Oberwellen mĂŒssen die Motoren ebenfalls um ca. 10 bis 15% ĂŒberdimensioniert werden. Durch die hohen Frequenzen sind Drehzahlen ĂŒber 3000 min-1 möglich. Die Motoren entsprechen dann nicht mehr den Standard-Normmotoren, es ist auf gute Auswuchtung zu achten, z.B. GĂŒtestufe Q 2,5 nach VDI 2060.

Siehe auch: 1.5.7.2. - Abschnitt Hochgeschwindigkeitsmotoren (AC und DC) -

Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung Schaltungsbeschreibung

Der ungesteuerte Stromrichter liefert eine konstante Zwischenkreisspannung in dem Zwischenkreis I. Dem Netz wird daher keine Blindleistung entnommen. Der Zwischenkreis I mit seiner konstanten Spannung kann durch eine Gleichspannungsquelle gepuffert werden. Damit die Ausgangsspannung variabel wird. wandelt der Gleichstromsleller die konstante Spannung in eine gepulste Gleichspannung um. Im Zwischenkreis II erfolgt eine GlÀttung. Der nachgeschaltete Wechselrichter formt die Gleichspannung wieder in eine Dreiphasenspannung um. deren Frequenz und Spannungshöhe variabel ist.

Die bereits im vorherigen Abschnitt genannten VerhĂ€ltnisse fĂŒr Ausgangsfrequenz und die Motoren gelten auch fĂŒr diese Schaltung.

Diese Schaltung hat den Vorteil von: cos j = 1 und Batteriepufferung. sie ist jedoch sehr aufwendig, daher wird meist der in Abschnitt 3.3.3.3 folgende Pulsumrichter eingesetzt.

3.3.3.3Pulsumrichter (Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung)

Der netzseitige Stromrichter ist ein Gleichrichter und liefert eine konstante Ausgangsspannung. Die erforderliche SpannungsĂ€nderung in Verbindung mit der FrequenzĂ€nderung wird vom lastseitigen Pulswechselrichter ausgefĂŒhrt. Die SpannungsĂ€nderung wird durch Pulsbreitenmodulation erreicht. Die Pulsbreitenmodulation setzt sehr schnelle Gleichstromsteller im Pulswechselrichter voraus, denn die Spannung wird durch mehrmaliges Ein- und Ausschalten wĂ€hrend einer Halbperiode eingestellt. Die Schaltung ist daher sehr aufwendig und wird im Leistungsbereich bis ca. 10 kVA sehr hĂ€ufig mit Leistungstransistoren ausgerĂŒstet. Der Pulswechselrichter kann auch ohne den netzseitigen Stromrichter direkt aus einem Gleichstromnetz gespeist werden und ermöglicht damit den Einsatz von mehreren Drehstrommotoren im Bahnbetrieb. Bei Speisung aus dem Drehstromnetz stellt sich ein sehr guter Leistungsfaktor ein. Durch eine Gleichspannungsquelle ist eine einfache Leistungspufferung möglich. Der Pulswechselrichter kann Energie in beiden Richtungen fĂŒhren. Ein Bremsbetrieb ist möglich, wenn die Bremsenergie durch andere Verbraucher an der Gleichspannungsseite abgenommen wird. Ins Drehstromnetz kann jedoch nur durch einen zusĂ€tzlich gesteuerten Stromrichter, der dem Gleichrichter gegenparallel geschaltet wird, zurĂŒckgespeist werden. Geliefert werden auch RĂŒckspeiseeinheiten, komplett fĂŒr alle Frequenzumrichter. (Kemmerich Liste Nr. 23, Baureihe E145)

Kennzeichnend fĂŒr Drehstromantriebe mit Pulsumrichtern sind der große Drehzahlstellbereich bis herab zum Stillstand und die hervorragenden dynamischen Eigenschaften. Sie eignen sich gleichermaßen fĂŒr Einzel- und Gruppenantriebe sowie fĂŒr Stoßbelastung und Schweranlauf. Die SeriengerĂ€te der Industrie umfassen einen Leistungsbereich von etwa 10 bis 750 kVA. Im Leistungsbereich > 10 kVA werden Thyristoren eingesetzt, so daß die maximale Ausgangsfrequenz ~150 Hz betrĂ€gt. Im Bereich <10 kVA werden Leistungstransistoren eingesetzt; hierdurch sind Ausgangsfrequenzen von ~ 500 Hz erreichbar. Pulsumrichter werden fĂŒr folgende Antriebe eingesetzt:

chemische Industrie (wartungsarm, Ex-Schutz) Schleifmaschinen FrÀsmaschinen (hohe Drehzahl) Bahnantriebe (wartungsarm, geringes Gewicht und Volumen)

Allgemein: Gegen ca. 1980 wurden serienmĂ€ĂŸig Umrichter nur fĂŒr Leistungen von ca. 10 bis 750 kVA hergestellt. inzwischen sind Umrichter serienmĂ€ĂŸig bis ĂŒber 3000 kVA fĂŒr Motoren bis ĂŒber 2.000kW lieferbar. (Kemmerich Baureihe E178 etc.) Der normale Drehzahlstellbereich liegt bei ca. l : 20. Durch verbesserten Sinus-Ausgang (teurerer Aufwand) sind auch wesentlich grĂ¶ĂŸere Verstellbereiche möglich, die ein einwandfreies Regeln auch im unteren Drehzahlbereich ohne RĂŒtteln ermöglichen. (Z.B.Kemmerich Baureihe SCH066, Regelbereich bis 1:1000)

Bei einfachen GerÀten betrÀgt die Ausgangsfrequenz meist 5 Hz bis 100 Hz, max. z.B. 320 Hz. Hochfrequenzumrichter werden normalerweise bis 3.000 Hz Ausgang geliefert.

Preiswerte und Ă€ltere Typen, meist AnaloggerĂ€te, weden zum Teil noch mit Trimmpotentiometer fĂŒr die Parameterverstellung geliefert, moderne GerĂ€te, DigitalgerĂ€te, sind normal mit Tastatureingabe zum Teil direkt ĂŒber das Anzeigefeld vesehen. Hierbei werden die Eingabeebenen, zum Teil per Druckknöpfe, zum Teil auch per Fingerdruck direkt auf das Sichtfeld, aufgerufen, wonach die eigentliche Einstellung der Arbeitswerte, Stromgrenzen etc. erfolgt. Gute, meist grĂ¶ĂŸere GerĂ€te besitzen viele Einstellmöglichkeiten, z.B. auch fĂŒr Frequenzausgrenzungen fĂŒr beim Hochlauf von Motoren entstehende Resonanzen. (Kemmerich GerĂ€te IP55/65 der Baureihe B172)

Auszug aus:

http://elektromotoren.de
10 Feb 2005
19:06:08
Huchter
Folge 3 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Ich bin an Tabelle 3/2 interessiert. ulfmarinitsch@gmx.de - Vielen Dank!
22 Aug 2006
05:31:16
Ulf Marinitsch
Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl Drehstrom- Nebenschlussmotor Tabellen
Guten Tag,
suchen Sie Lösungen, im Anhang Text und Links mit Tabellen.
Viel Erfolg
MfG Bruderer
LĂ€ufergespeister Drehstrom-Nebenschlußmotor Typ DNR(F)
Der lÀufergespeiste Drehstrom-Nebenschlussmotor ermöglicht auf einfache und wirtschaftliche Weise die stufen- und verlustlose Drehzahlregulierung. Er vereinigt in sich einen Elektromotor mit einem elektrischen Regelsystem und entspricht einer hochqualifizierten Maschine.
Ein robustes Motorensystem ohne Regelelektronik, welches selbst bei schwierigsten Betriebsbedingungen und starker Überlastung grĂ¶ĂŸte Betriebssicherheit gewĂ€hrleistet.
Der FAURNDAU-Motor ist ein hervorragendes Antriebsmittel fĂŒr Maschinen mit verĂ€nderlicher Drehzahl.
Alle FAURNDAU-Drehstrom-Nebenschlußmotoren sind in 4- oder 6-poliger Baureihe lieferbar.
Die besonderen Vorteile dieses Antriebssystems:
‱ Die stufenlose Drehzahlsteuerung erfolgt im Motor selbst ohne mechanische Zwischenglieder.
‱ Das Drehmoment bleibt im gesamten Verstellbereich annĂ€hernd konstant.
‱ Anzugsmoment bis zum 2,5fachen des Motorenbemessungsmomentes.
‱ Optimale Ausnutzung der elektrischen Energie durch einen hohen Wirkungsgrad.
‱ Ansteuerung ĂŒber SchĂŒtze - direkt aus dem Drehstromnetz.
‱ BĂŒrstenstandzeiten bis zu 15000 Betriebsstunden.
BaugrĂ¶ĂŸen: DNR 0 - DNR 75-6
Leistungsbereiche: 2,0 - 125 kW
Drehzahlbereich: 0 - 2500 Upm
Schutzart: IP 21 S, IPR 44
WĂ€rmeklasse: B oder B/F

SonderausfĂŒhrungen mit Zusatzaggregaten (Drehzahlgeber, Filter, Überlastrelais) möglich.

http://www.faurndau.com/produkte_dreh_typ_lauf.html



3.8 Der Gleichstromnebenschlußmotor
Auszug ohne Bilder und Tabellen aus:

http://freeweb.dnet.it/motor/Kap3.htm
Als Beispeil fĂŒr einen Gleichstrommotor soll hier der Gleichstromnebenschlußmotor angefĂŒhrt und beschrieben werden. In Bild 3.9 sehen wir einen werksmĂ€ĂŸig gefertigten Gleichstromnebenschluß-motor mit Trommelanker. Wir können dabei einige bereits genannte und besprochene Bauteile erkennen: Rechts unten im Bild befindet sich die BĂŒrstenhalterung, die die Kohle- oder GraphitbĂŒrsten trĂ€gt, ĂŒber die der Strom in den Anker fließt. Gleich dahinter ist der Stromwender mit seinen zahl-reichen Segmenten angeordnet. In der Mitte ist der LĂ€ufer abgebildet; es handelt sich hierbei um einen sog. Trommelanker, wie er in Kapitel 3.5.2.1 beschrieben wurde. Etwas links sehen wir den Klemmkasten mit dem Klemmbrett. Hier befinden sich die gesamten AnschlĂŒsse fĂŒr den StĂ€nderstromkreis, Ankerstromkreis usw. Ganz links draußen erkennen wir den LĂŒfter. Er ist ist an der Welle befestigt und dreht sich zusammen mit den restlichen Ankerteilen um die Wellenachse. Er dient zur KĂŒhlung des Motors, der bei seiner Arbeitsleistung auch WĂ€rme abgibt. Am Ring an der Oberseite des StĂ€nders kann der Motor aufgehoben und transportiert werden.
Die Nebenschluß-Erregerwicklung ist parallel zum Ankerstromkreis geschaltet und an eine feste, gleichbleibende Spannung angeschlossen. Der Erregerstrom hĂ€ngt somit nicht von der Belastung ab und betrĂ€gt nur wenige Prozent des Ankerstroms. Nebenschlußwicklungen weisen eine hohe Windungszahl N auf; der Draht der Wicklungen sollte dabei stets einen kleinen Durchmesser haben.
Im Bereich der Industrieantriebe werden vor allem fremderregte Gleichstrom-nebenschlußmotoren angewandt, da die Drehzahl dieser Maschinen leicht zu regeln ist. Im Gegensatz zum selbsterregten Gleichstromnebenschlußmotor besitzt er einen vom Ankerstrom getrennten Stromkreis, der nur die Erregerwicklungen durchfließt (Fremderregung). Falls die Spannung dieses Stromkreises konstant ist, entspricht das Schaltbild des Gleichstromnebenschlußmotors dem des fremderregten Gleichstromnebenschlußmotors.


Bild 3.9 Ersatzschaltbild eines fremderregten Gleichstrommotors
Der Kreis mit dem Motorzeichen M stellt die eigentliche Leiterschleife dar, die im Magnetfluß F der Erregerspulen rotiert. Infolge dieser Drehbewegung, die mit der Winkelgeschwindigkeit &#61527; = 2p n erfolgt (n ist die Drehzahl des Ankers), wird in den Erregerspulen eine Urspannunginduziert, die dem Ankerstrom IA entgegenwirkt (Lenzsche Regel). Die Urspannung E hat dieselbe Richtung wie die Ankerspannung U: Sie geht von der Plusklemme A1 ĂŒber den Kollektor in die Leiterschleifen des Ankers, welche den Widerstand RA aufweisen und von dort wiederum zurĂŒck ĂŒber den Kollektor zur Minusklemme A2.




3.8.1 Herleitung des Drehmoments
Damit die Erregerwicklung zum Elektromagneten wird und den magnetischen
Fluß &#61510; erzeugt, muß eine Spannung UE angelegt werden. Sie bringt den notwendigen Strom IE zum Fließen, der durch die Wicklungen der Spule fließt, die ihm den ohmschen Widerstand RE entgegensetzt. FĂŒr den Erregerkreis gilt: UE = IE RE. Das 2. Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) ergibt fĂŒr den Ankerkreis U = E + IA RA.
Nach dem Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung dem Fluß &#61510; und der Winkel-geschwindigkeit &#61527; proportional: E=c &#61510;&#61527; ; wobei c die Maschinenkonstante ist. Sie wird von der MaschinenausfĂŒhrung bestimmt.
Die Welle des Motors fĂŒhrt eine Rotationsbewegung aus. Man kann deshalb an ihr eine mechanische Leistung PMECH = &#61527; M abnehmen. M ist dabei das vom Motor ent-wickelte Drehmoment.
Elektromotoren sind elektrisch-mechanische Energiewandler, folglich gibt es einen Zusammenhang zwischen ihren elektrischen GrĂ¶ĂŸen (IA) und ihren mechanischen GrĂ¶ĂŸen (M). Multipliziert man die GrĂ¶ĂŸe fĂŒr die Spannung im Ankerkreis mit IA, erhĂ€lt man eine Leistungsbilanz: U IA = E IA + IÂČA RA
U IA ist eine Summe, die sich aus zwei Teilen zusammensetzt: Der Leistungsanteil IÂČA RA wird allerdings nur in Joulsche WĂ€rme umgesetzt; fĂŒr die Erbringung einer mechanischen Leistung ist E IA verantwortlich. Diese mechanische Leistung setzt sich ihrerseits wieder aus zwei Komponenten zusammen: Zum einen aus der Leistung, die benötigt wird die Lager- und LĂŒfterreibung des Motors zu ĂŒberwinden, zum anderen aus der eigentlichen Arbeitsleistung fĂŒr den Betrieb der an den Motor gekoppelten Arbeitsmaschine. Es ergibt sich fĂŒr die Leistungsbilanz:
E IA=PANTRIEB +PREIBUNG= &#61527; M+&#61527; MR.
In der Praxis ist die Antriebsleistung natĂŒrlich viel grĂ¶ĂŸer als die Leistung, die an die Reibung verlorengeht, sodaß PANTRIEB >>PREIBUNG und E IA = &#61527; M ist. FĂŒr E kann man c &#61510; &#61527; einsetzen. Man erhĂ€lt M = c &#61510; IA.
Die vorherigen Gleichungen beschreiben das stationĂ€re Verhalten des Gleichstromnebenschlußmotors, welches sich in seiner stationĂ€ren Kennlinie Ă€ußert. Wichtig, weil von praktischer Bedeutung, sind hier die Drehzahl-Drehmomenten- kennlinien und die Ankerstrom-Drehmomenten-Kennlinien (M = c &#61510; IA ).


3.8.2 Herleitung der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie:
U = E + IA RA soll auf E aufgelöst und in (3.0) E = c &#61510;&#61527; eingesetzt werden:
(3.1) &#61527; = U / (c &#61510; ) – (IA RA) / (c &#61510; )
M= c &#61510; IA soll auf IA aufgelöst werden:
(3.2) &#61527; = U / (c &#61510; ) – (RA / (c &#61510; )ÂČ) M
Die Drehzahl ist mit n = &#61527; / 2&#61552; festgelegt:
(3.3) n = U / (2&#61552; c &#61510; ) – (RA / (2&#61552; (c &#61510; )ÂČ) M) = n0 - &#61508; n.


Bild 3.10 a) Verlauf von n nach Gl.(3.3) b) Verlauf von I A nach Gl.(3.0)
Die Kurve verlĂ€uft sehr flach, der Fachmann wĂŒrde sagen, sie ist "hart". Das heißt, daß der Drehzahlabfall bei Belastung mit dem Moment M an der Welle relativ klein ist. Dieses Verhalten nennt man "Nebenschlußverhalten". Es ist charakteristisch fĂŒr die Gleichstromnebenschlußmotoren.
Falls M = 0, heißt die daraus folgende GrĂ¶ĂŸe n0Leerlaufdrehzahl. &#61508; n ist der Drehzahlabfall bei Belastung des Motors mit dem Moment M. Bild 3.10 zeigt den Verlauf von n (nach Gl. 3.3) und IA (nach Gl. 3.0).



3.9 Die Drehzahlstellung beim Gleichstromnebenschlußmotor
Mit Gleichstromnebenschlußmotoren werden Arbeitsmaschinen angetrieben, die einen hochprĂ€zisen Antrieb haben mĂŒssen und deshalb eine exakte Drehzahlstellung benötigen. Diese Arbeitsmaschinen machen also einen Motor erforderlich, bei dem man problemlos jede beliebige Drehzahl einstellen kann. In folgender Gleichung kann man drei GrĂ¶ĂŸen erkennen, ĂŒber die das möglich ist:
n = U / (2&#61552; c &#61510; ) – (RA / (2&#61552; (c &#61510; )ÂČ) M) = n0 - &#61508; n
a. Ankerspannung U (Spannungssteuerung)
b. Hauptfeldfluß &#61510; (Feldsteuerung)
c. Ankerwiderstand RA (Widerstandssteuerung)
3.9.1 Spannungssteuerung
Falls der Erregerstrom IE und der magnetische Fluß &#61510; konstant gehalten werden sollen, muß der Motor fremderregt werden. Da U eine regelbare GrĂ¶ĂŸe (Parameter) ist, Ă€ndert sich beim Verstellen der Spannung auch die Nenn- und Bemessungs- spannung UN. In Bild 3.11 entstehen parallel gegeneinander verschobene Geraden. Zu beachten ist, daß sich bei der Umkehrung des Vorzeichens der Spannung auch die Drehbewegung der Welle Ă€ndert.


Bild 3.11 Kennlinienparameter U
Durch Auflösen der Gleichung (3.0) auf IA erkennt man, daß der Strom allein von der Wellenbelastung (Lastmoment M) abhĂ€ngt:
(3.4) IA = M / (c &#61510; ).
Der Strom ist also unabhĂ€ngig von der angelegten Spannung. Normalerweise wĂŒrde man bei einem Anstieg der Spannung an den Polen eines ElektrogerĂ€tes auch einen Anstieg des Stromes erwarten. Da bei einem Drehzahl anstieg (also einer VergrĂ¶ĂŸerung der Klemmenspannung U) die in den Ankerwicklungen induzierte (Gegen-) Urspannung UE ansteigt, bleibt die Differenz zwischen U und UE konstant (siehe Gleichung
IA = (U–E) / RA ).
Bei diesem Elektromotor kann man also eine erstaunliche Eigenschaft feststellen: Falls die Belastung des Motors zunimmt, entnimmt er den zur BewĂ€ltigung der Last notwendigen Strom eigenstĂ€ndig dem Netz oder dem SpeisgerĂ€t. Bei einem Verbren-nungsmotor hingegen muß man bei steigender Belastung (z.B. Kraftfahrzeug an Straßensteigung) das Gaspedal entsprechend durchtreten.
Die Drehzahlstellung eines Gleichstrommotors erfolgt heute fast ausschließlich ĂŒber thyristorgesteuerte Gleichrichter (siehe Kapitel 1.4), die eine einfache Änderung der Gleichspannung zulassen.


3.9.2 Feldsteuerung



Bild 3.12 Kennlinienparameter &#61510;
Wenn man den Fluß &#61510; verĂ€ndert, so beeinflußt man dadurch sowohl die Leerlaufdrehzahl als auch den Drehzahlabfall (siehe Gleichung (3.3)). Verringert man bei gleichem Moment M den Wert von &#61510; , so steigt der Strom an (siehe Gleichung (3.4)). Man kann sich das auch anschaulich erklĂ€ren, wenn man sich die Entsteh-ung des Drehmomentes M vor Augen hĂ€lt: dazu ist nĂ€mlich eine Kraftwirkung zwischen dem Hauptfeld (Flußdichte B) und dem vom Strom IA durchflossenen Ankerwicklungen (Fluß &#61510; ) nötig. Wird eine der beiden GrĂ¶ĂŸen kleiner, muß folglich die andere ansteigen und umgekehrt, um das gleiche Moment M aufzubringen. In der Praxis wird dabei die Erregerspannug UE durch Thyristorgleichrichter (siehe Kapitel 1.4) verstellt, um die beschriebene Wirkung zu erlangen.


3.9.3 Widerstandssteuerung:
Spannung und Fluß sind hierbei konstant. VerĂ€ndert wird der wirkende Ankerwi-derstand RA Da dieser Widerstand nicht unterschritten werden kann, wird er durch Einschalten zusĂ€tzlicher WiderstĂ€nde Rv (siehe Bild 3.13 a) ). in den Ankerkreis vergrĂ¶ĂŸert (aus Gleichung (3.3) erhĂ€lt man die Kennlinien fĂŒr den Ankerwiderstand, die in Bild b) dargestellt ist).


Bild 3.13 a) Ankerkreis b) Kennlinien fĂŒr den Ankerwiderstand
Die Drehzahl fÀllt mit steigendem Widerstand RV ab. Der Strom IA wird nicht verÀndert; die Leerlaufdrehzahl bleibt gleich.
Diese Methode der Drehzahlstellung wird heutzutage kaum mehr verwendet, da sie sehr verlustreich ist. Man findet sie noch ab und zu bei kleineren Antrieben.





3.10 Anlassen und Bremsen
Anlassen und Bremsen eines Motors sind dynamische VorgÀnge. Sobald der Motor eine konstante Drehzahl erreicht hat, nennt man dein Verhalten stationÀr.
3.10.1 Anlassen
Gehen wir von einem stillstehenden Motor aus, an dessen Anker man die Spannung U anlegt (z.B. Nennspannung der Maschine): weil &#61527; = 0, wird nach Gleichung E = c &#61510; &#61527; auch keine Gegenspannung E in den Erregerspulen induziert, d.h. E = 0. Der Einschaltstrom betrĂ€gt also nach der Gleichung IAein = U / RA. Da nun im Moment des Einschaltvorgangs die Urspannung E = 0 ist, kann der Strom das Achtfache seines "Normalwertes" ( = stationĂ€ren Wertes) annehmen. Bei kleinen Gleichstrommaschinen kann ein solcher Stromanstieg hingenommen werden. Bei Motoren mit mehreren kW Leistung muß man hingegen Hilfsmittel zur Begrenzung des Stroms im Ankerkreis einfĂŒgen. Dies kann auf zweierlei Art geschehen:
Wenn man die Spannung nicht mit ihrem vollen Nennwert an den LĂ€uferkreis anlegt, beginnt sich der Anker langsam zu drehen. Auch bei dieser langsamen Rotationsbewegung wird bereits eine Gegenspannung in den Erregerwicklungen induziert, sodaß man nun die Spannung U weiter steigern kann. Diese Spannungssteigerung nennt man "Hochfahren" eines Elektromotors. Sie erfolgt ĂŒber einen Thyristorgleichrichter und wird solange fortgesetzt, bis die Betriebsdrehzahl des Motors erreicht ist.
FrĂŒher wurde hĂ€ufig ein sogenannter Widerstandsanlasser zum Hochfahren eines Elektromotors benutzt. Dabei hat man im Einschaltmoment WiderstĂ€nde in den Ankerkreis zugeschaltet. Mit Erhöhung der Drehzahl hat man diese WiderstĂ€nde wieder stufenweise abgeschaltet.


3.10.2 Bremsen
Beim Bremsen des Gleichstrommotors haben wir Ă€hnliche VerhĂ€ltnisse wie beim Anlassen. Schaltet man nĂ€mlich die Ankerspannung U abrupt ab, so steigt der Strom in den Ankerwicklungen stark an: IAaus = - E / RA. Dies ist durch die sich drehende Leiterschleife im Erregerfeld zu erklĂ€ren, in welche eine Spannung -E induziert wird. Da die kompensierende Wirkung der Ankerspannung U fehlt, steigt der Strom also an, das heißt, die Spannung U muß vor dem Abschalten schrittweise herabgesetzt werden. Dies kann durch gesteuerte Gleichrichter oder mit AnkerwiderstĂ€nden erfolgen. Die Spannungssteuerung wird hier allerdings bei weitem bevorzugt, da sie es ermöglicht, die Bewegungsenergie ins Netz, aus welchem der Motor versorgt wird, zurĂŒckzu-speisen (Nutzbremse).


Drehstromnebenschlussmotor
Der Drehstromnebenschlussmotor ist ein Drehstrom-Kollektormotor. Der Name Nebenschlussmotor ist auf sein Betriebsverhalten zurĂŒck zu fĂŒhren und hat nichts mit seiner Schaltung zu tun. Wie bei der Gleichstrommaschine in Nebenschlussschaltung bleibt seine Drehzahl bei unterschiedlichen Belastungen annĂ€hernd konstant.
Der Stator entspricht dem einer normalen Drehstrom-Asynchronmaschine. Im LĂ€ufer sind zwei Wicklungen vorhanden:
‱ eine Wicklung, die wie eine SchleifringlĂ€uferwicklung an Schleifringe angeschlossen ist. Diese wird an Netzspannung angeschlossen.
‱ eine weitere Wicklung, die wie eine Gleichstrom-Ankerwicklung an einen Kollektor angeschlossen ist. Diese Wicklung erhĂ€lt durch Transformatorwirkung eine Spannung mit Netzfrequenz.
Die BĂŒrstensĂ€tze auf dem Kollektor lassen sich gegeneinander verstellen und bewirken eine DrehzahlverĂ€nderung durch eine Schlupfspannung.
Der Motor wurde in Zeiten, als drehzahlverÀnderliche Antriebe mit Elektronik noch sehr teuer waren, als drehzahlverÀnderlicher Antrieb hÀufig in der Textil- und Papierindustrie eingesetzt.
Die Motoren haben einen sehr hohen Leistungsfaktor, sind aber wegen des enormen Bauaufwands teuer und haben einen schlechten Wirkungsgrad

http://de.wikipedia.org/wiki/Leistungsfaktor

http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad
http://elektromotoren.de/Lexikon.html

http://www.aosmithmotors.com/pdf/brochures/bulletin3100/ACDC.PDF

http://www.reliance.com/prodserv/motgen/b9652new/b9652.htm

http://www.ssddrives.de/Dokumentation-AC-DC/Handbuecher_pdf/DC/590D/HA389247_ge.pdf

http://www.ssddrives.de/Dokumentation-AC-DC/Handbuecher_pdf/DC/590D/HA389247_ge.pdf
22 Aug 2006
11:14:14
Bruderer
Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Hallo
28 Nov 2008
13:23:51
unbekannt

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