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Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
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Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Hallo,
wir suchen Information zum Thema Elektrische Maschinen Pulsweitenmodulation von Gleichstromm (Drehzahl)
Mit bestem Dank.
Gruss Ganter
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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 Scheibenläufermotor
1.5 Asynchronmaschinen für Dreiphasenwechselstrom 1.5.1 Drehfeld 1.5.2 Schleifringläufermotor Aufbau, Wirkungsweise, Betrieb/Betriebsverhalten, Drehmomente, Leistungsschild 1.5.3 Kurzschlußläufermotor Aufbau, Wirkungsweise, Anlauf, Hochlauf 1.5.4 Asynchronlinearmotor Aufbau, Wirkungsweise, Magnetschwebebahn 1.5.5 Anlaßverfahren der Drehstrom-Asynchronmotoren von Kurzschlußläufermotoren, von Schleifringläufermotoren, allgemeine Bestimmungen über 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 Gegenüberstellungen von Kurzschlußläufermotoren und Schleifringläufermotoren Vorteile des Kurzschlußläufermotors gegenüber dem Schleifringläufermotor, Vorteile des Schleifringläufermotors gegenüber dem Kurzschlußläufermotor 1.5.10 Elektrische Welle Aufbau und Schaltungsweise, Wirkungsweise der einfachen Wellenschaltung
1.6 Asynchronmaschinen für 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, Dämpferwicklung, Erregermaschine 1.7.2 Wirkungsweise des Synchrongenerators Leerlauf, Belastung 1.7.3 Parallelschaltung Synchronisiervorgang, Prüfung 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-Brückenschaltung B 2 3.1.4.4 Dreipuls-Mittelpunktschaltung M 3 3.1.4.5 Sechspuls-Brückenschaltung (Drehstrom-Brückenschaltung) B 6 3.1.5 Dimensionierungshinweis für Gleichrichterschaltungen 3.1.5.1 Spannungsbeanspruchung der Dioden 3.1.5.2 Strombeanspruchung der Dioden 3.1.5.3 Sicherungsauslegung
3.2 Gesteuerte Stromrichter für 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 Brückenschaltung B 2 3.2.7 Sechspulsige Brückenschaltung B 6 3.2.8 Halbgesteuerte Brückenschaltung 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 für Induktionsmotoren 3.3.1.1 Steller für Wechselstrommotoren 3.3.1.2 Steller für Drehstromkurzschlussläufermotoren 3.3.2 Drehzahlsteuerung beim Drehstrom-Schleifringläufermotor 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 ähnlich der bekannten Drehstrommaschine aufgebaut und besteht aus Stator und Rotor. Bei der Gleichstrommaschine nennt man dies Ständer und Anker. Der Anker ist stets derjenige Teil, in dessen Wicklungen Spannungen induziert werden. Hierbei kann der Anker als drehender oder ruhender Teil ausgeführt werden. So gehört z.B. die Gleichstrommaschine zu den Aussenpolmaschinen, hierbei ist der rotierende Teil der Anker. Bei der Synchronmaschine (Innenpolmaschine) ist der Ständer der Anker, der drehende Teil das Polrad.
Mechanischer Aufbau Ständer: Polkörper, Erregerwicklung, Wendepolwicklung, Bürstenhalter, Kohlebürsten, Lagerschilde, Gleitlager, Anschlussbrett
Anker: Ankerkörper, Ankerwicklung, Welle, Stromwender, Lüfter
a) Ständer (Magnetgestell) Er stellt den ruhenden Teil der Maschine dar. Er wird aus massivem Werkstoff (Stahl-, Grauguss oder auch Aluminium) in einem Stück oder in geschweisster Bauweise bzw. Aluminiumstrangguß hergestellt. Durch das Joch erfolgt der magnetische Rückfluss. Im Inneren der Maschine befinden sich die ausgeprägten 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 ausgeführte Wendepolwicklung angeordnet, die in Gegenreihe zum Anker geschaltet ist. Zur Vermeidung der Wirbelstromverluste müssen die Polschuhe der Hauptpole aus geschichteten Dynamoblechen zusammengesetzt werden, die gegenseitig durch Lack oder Zunderung (früher auch Papier) isoliert werden.
Aus fertigungstechnischen Gründen werden oftmals die gesamten Hauptpole aus geschichteten Dynamoblechen hergestellt.
Die Wicklungsanschlüsse (Erreger- und Ankerwicklung) werden zum Anschlussbrett herausgeführt 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 ausgeführt. Wegen der grossen Fliehkräfte muss die Wicklung in den einzelnen Nuten durch Stäbe aus Isoliermaterialien , Kunststoffen oder Holz, gesichert werden. Meistens wird um die komplette Ankerwicklung noch eine zusätzliche Bandage aus Draht, Fieberglas o.ä. gezogen. Die Ankerwicklung ist in sich geschlossen und besteht aus einzelnen Teilspulen. Durch die räumlich angeordneten einzelnen Ankerspulen werden im konstanten Magnetfeld Wechselspannungen induziert, die gegeneinander zeitlich verschoben sind. Der Anfang einer Spule und das Ende der nächsten werden in die Lötfahne einer Stromwenderlamelle (Kollektor) geführt 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 zusätzlich 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 Kohlebürsten aus Graphit oder Kupferbronce hergestellt. Diese befinden sich im Bürstenhalter, die es gestatten, je nach Bedarf den geforderten Druck der Bürste (etwa 2 N • cm-2) auf den Stromwender einzustellen.
Durch die dauernde Berührung sind die Kohlebürsten, die Kollektoren und durch den Abrieb auch die Anker störanfällig und bedürfen einer regelmässigen 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 verändert. Bei größeren Geräten sind normalerweise bereits Feldschwächgeräte integriert, mit denen die Feldspannung und damit die Magnetisierung in der Feldwicklung reduziert werden kann. Hierdurch erhöht sich die Drehzahl über die Nenndrehzahl hinaus.
Achtung Unfallgefahr ! Die Drehzahl darf nur auf die maximal angegebenen Werte des Typenschildes erhöht werden. Eventuell ist Rückfrage beim Hersteller erforderlich. Es droht die Zerstörung der Maschine.
Vorsicht Unfallgefahr ! Die Anschlußleitungen zur Feldwicklung bei Nebenschlußmotoren müssen sorfältig und bruchsicher verlegt werden, da beim Lösen der Leitungen Feldschwächung eintritt und der Motor durchgeht, d.h. sich die Drehzahl über die zulässige Grenze hinaus erhöht. Es droht die Zerstörung der Maschine.
Reihenschlußmotoren: Hier ist die Drehzahl belastungsabhängig. Die Motoren dürfen nicht ohne Belastung betrieben werden.
Vorsicht Unfallgefahr ! Es ist darauf zu achten, daß alle Kraftverbindungen überdimensioniert und ständig gewartet werden, da der Motor ebenfalls durchgeht, wenn er nicht belastet wird. Es droht die Zerstörung der Maschine.
Absicherung gegen Zerstörung: Einbau von Drehzahlüberwachungsgeräten
1.1.2 Anschlussbezeichnungen von Gleichstrommaschinen, Feldstellern und Anlassern Die Anschlussbezeichnungen für Gleichstrommaschinen sind in den VDE-Vorschriften 0570 festgelegt worden. z.B.:
A1-A2 (früher A-B) = Anker B1-B2 (früher G-H) = Wendepolwicklung C1-C2 = Kompensationswicklung D1-D2 (früher E-F) = Reihenschlußwicklung E1-E2 (früher C-D) = Nebenschlußwicklung für Selbsterregung F1-F2 (früher 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, veränderlicher Widerstand. Er wird auch für Drehzahländerungen 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 Gefährdung 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 für S2-Betrieb ausgelegt, dürfen also nur zum Anlassen verwendet werden. Die Anschlüsse des Anlassers sind:
L = Anschluß vom positiven Netzpol L+ R = Anschluß zum Anker (Rotor) M = Anschluß zur Nebenschlußwicklung (Magnetfeld) c) Stellanlasser (Steueranlasser)
Häufig werden Anlasser und Feldsteller zu einer Baueinheit zusammengefügt. Die ersten Kontakte sind Anlasserstufen, die letzten Kontakte werden dem Feldsteller zugeordnet. Mit den Anlaßstufen begrenzt man den Anlaßspitzenstrom und steuert zusätzlich die Motordrehzahl bis zur Nenndrehzahl. Mit dem Feldsteller führt man eine Feldschwächung durch und erreicht damit eine Drehzahländerung über Nenndrehzahl.
Der Stellanlasser wird in der Praxis für Nebenschluß- und Doppelschlußmotoren eingesetzt. Die Drahtquerschnitte müssen für Dauerbelastung ausgelegt sein.
1.1.3 Bestimmung der Drehrichtungen von Gleichstrommaschinen
Die Drehrichtung für Generator und Motor wird von der Antriebsseite bzw. Abtriebsseite (Wellenseite) bestimmt. Normalerweise werden die Maschinen in der Praxis für Rechtslauf (Uhrzeigersinn) ausgelegt. In Sonderfällen 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 Kurzschlußläufer 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 Drehrichtungsänderung können bei selbsterregten Generatoren nur die Ankeranschlüsse vertauscht werden. Ein Vertauschen der Feldanschlüsse ist nicht möglich, sie würde eine Zerstörung der Remanenz mit sich bringen. Nur bei fremderregten Generatoren können die Feldanschlüsse geändert werden. Trotz Drehrichtungsänderung muß die Polarität des Netzes unbedingt erhalten bleiben.
Bei Generatoren wird die Ankerwicklung als Energieerzeuger betrachtet, die Richtung des Stromes läuft 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, erhält der Motor den Drehsinn «Rechtslauf». Wird die Stromrichtung in der Anker- oder Erregerwicklung vertauscht, so ändert man die Drehrichtung. Werden beide Stromrichtungen verändert, 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:
Hält man die rechte Hand so, daß die Feldlinien vom Nordpol her auf die Innenfläche 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 Verfügung 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 für Gleichstrommaschinen lautet die Spannungsformel für 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 Berücksichtigung der Erregerverluste, ergibt sich die Leistungsformel für 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 über 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 für 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 äusserer 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 Überführung 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 grundsätzlich drei verschiedene Erregerarten:
a) Fremderregung
Wird der Erregerstrom einer fremden Spannungsquelle (z.B. Batterie. Gleichstromgenerator) entnommen, so wird die Maschine fremderregt.
b) Selbsterregung
Die gebräuchlichste 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. über Treibriemen, Ketten- oder Zahnradtrieb miteinander verbunden und werden nur eigens für diesen Zweck verwendet.
1.1.6 Betriebsarten Die Betriebsarten von elektrischen Motoren werden lt. VDE 0530 «Regeln für elektrische Maschinen» in verschiedene Belastungsgruppen eingeteilt. Die Motoren müssen so bemessen werden, dass die zulässigen Wicklungstemperaturen bei den jeweiligen Arbeitsverfahren nicht überschritten werden. Um den Motor auch bei Schaltbetrieb voll ausnutzen zu können, wird für die Nennleistung die mittlere quadratische Leistung eingesetzt. Die mittlere quadratische Leistung wird aus folgender Formel bestimmt: ________________________ Pm = Ö ((P²1 * t1 + P²2*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 Verhältnis von Belastungsdauer zur Spieldauer an.
ED = Belastungsdauer/(Belastungsdauer + Pause) * 100%
ED = t / (t +tr ) * 100%
ED = Belastungsdauer / Spieldauer * 100%
Die Normwerte für 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:
P²1 * ED1 = P²2 * ED2
Beispiel
Ein Drehstrommotor P1 = 8 kW, für Dauerbetrieb (ED1 = 100%) ausgelegt, soll für 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 über 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 Verfügung)
1.1.8 Schutzarten (Ein Datenblatt, Liste- Nr. 001y steht auf Wunsch zur Verfügung)
1.3 Gleichstrommotoren DC
13.1Wirkungsweise 1.3.1.1 Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld
Befindet sich eine drehbare, Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld, erfährt diese eine Ablenkung, deren Richtung nach der Motorregel (linke Hand) bestimmt ist. Die Motorregel lautet:
Hält man die linke Hand so, dass die Feldlinien vom Nordpol in die Innenfläche 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 ausübt. Das entwickelte Drehmoment ist gleich dem angenäherten 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 abhängig. 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 Südpol 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 Anschlüsse 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 Beschädigung 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 Ausführung:
a) Anlasser für Kurzzeitbetrieb (normales Anlassen) b) Anlasser für Dauerbetrieb (normales Anlassen und Drehzahlsteuerung bis Nenndrehzahl).
Im Leerlauf (unbelasteter Zustand) ist die Gegenspannung fast gleich der Klemmenspannung. Der innere Spannungsfall DU = UKl — U0 lässt 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 überwinden kann. Die Gegenspannung gilt als eigentlicher Regulator des Motors. Sie passt sich den Belastungsverhältnissen 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 abhängig.
Ein Nebenschlussmotor erreicht deshalb im Anlauf mit konstantem Magnetfluss (ohne Einfluss der Ankerrückwirkung) sein höchstes Drehmoment M ~ IA.
Im Gegensatz zum Reihenschlussmotor, dessen Drehmoment quadratisch mit dem Strom ansteigt, werden diese Motoren nur für Antriebe verwendet, die im Anlauf ein kleines bis mittleres Gegenmoment überwinden müssen.
Im Anlaufmoment ist der Anlasswiderstand voll eingeschaltet, und das Magnetfeld ist in voller Höhe erregt. Am Anlasswiderstand fällt dabei der größte Teil der Netzspannung ab, der Rest am Anker.
Nach der Formel n ~ U0 / Fverhält 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 erhält 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 geschwächt 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 Schwächung 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 zurückgeht, dass das Motormoment ausreicht, um das Lastmoment zu überwinden. Eine Feldschwächung hat immer einen Rückgang des Motormoments zur Folge; die Leistungsminderung wird durch die Drehzahlerhöhung wieder ausgeglichen. Wird bei einem leerlaufenden Nebenschlussmotor das Feld sehr stark geschwächt, steigt die Drehzahl entsprechend an; der Motor geht durch. In Sonderfällen wird der Motor mit einer Hilfsreihenschlusswicklung ausgelegt, um ein unstabiles Drehzahlverhalten durch die Ankerrückwirkung zu vermeiden.
Vorsicht Unfallgefahr ! Die Anschlußleitungen zur Feldwicklung bei Nebenschlußmotoren müssen sorfältig und bruchsicher verlegt werden, da beim Lösen der Leitungen Feldschwächung eintritt und der Motor durchgeht, d.h. sich die Drehzahl über die Nenndrehzahl erhöht.
Zusammenfassung
a) Der Nebenschlussmotor ist im mechanischen Aufbau wie der Nebenschlussgenerator ausgeführt. b) Die Drehzahl ändert sich kaum mit Belastung: Der Motor ist in seinem Drehzahlverhalten sehr stabil. Der Nebenschlussmotor wird dort eingesetzt, wo eine gleichmässige Drehzahl erforderlich ist, z.B. bei Werkzeugmaschinen und Personenaufzügen.
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 über 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 überwinden. 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 Spannungsfälle nur wenig kleiner als die Klemmenspannung ist, muss die Drehzahl entsprechend hohe Werte annehmen. Die angenäherte Formel lautet (wie beim Nebenschlussmotor):
u0 ~ F • n n ~ U0 / F
Vorsicht Unfallgefahr ! Die Drehzahl verhält 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 (Fliehkräfte) gefährdet 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 kräftiger 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 ungesättigten Bereich des Eisens) das Motormoment quadratisch mit dem Ankerstrom ansteigen M ~ I2, da das Magnetfeld sich proportional mit dem Strom ändert (M ~ F • I, F ~ I, M ~ I • I => M ~ I2) .
Das treibende Motormoment ist im Anlauf daher sehr gross; so benötigt der Motor für ein vierfaches Nenndrehmoment nur eine zweifache Nennstromaufnahme aus dem Netz.
Reihenschlussmotoren haben deshalb von allen Gleichstrommotoren das höchste Drehmoment. Sie werden vorwiegend für schwere Lasten verwendet. (Auch als Fahrmotoren, Bahnen etc.)
Zum Anlassen des Motors kann wie bei jedem Gleichstrommotor ein veränderbarer 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 ausgeführt. Die Drehzahl ändert sich sehr stark bei Belastung. Im Leerlauf neigt der Motor zum Durchgehen und darf deshalb nur starr verbunden werden. Im Anlauf entwickelt er ein kräftiges Moment. Die Veränderung 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 führen, wird der Universalmotor in erster Linie hierfür dimensioniert.
Er unterscheidet sich in der Bauform vom normalen Gleichstrommotor durch das gedrungene Ständerpaket, das mit den Polschuhen ein Stück bildet. Zur Vermeidung der Wirbelströme beim Betrieb von Wechselspannung ist das Ständerpaket 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 Gründen 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 über 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% zurück.
Soll in Sonderfällen für beide Spannungsarten bis etwa 6.000 min-1 die Leistung konstant gehalten werden, wird die Erregerwicklung mit Anzapfungen (Zusatzwicklungen) ausgeführt. Beim Gleichstrombetrieb erhält der Motor einige Windungen mehr als bei Wechselstrombetrieb.
In seiner Wirkungsweise verhält sich der Universalmotor wie ein normaler Gleichstrom-Reihenschlussmotor. Bei starker Belastung fliesst in der Anker- und der Erregerwicklung ein hoher Belastungsstrom. Beide Wicklungen erzeugen kräftige 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 schwächer. Der Motor entwickelt dadurch eine höhere Drehzahl und kann durchgehen. Aus Sicherheitsgründen wird in einigen Fällen 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 müssen aufeinander abgestimmt werden. Für 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. Zusätzlich wird der Motor mit einem Breitbandentstörer entstört. Da die räumlichen Abmessungen sehr gering sind, können keine Wendepole untergebracht werden. Zur Behebung des Läuferquerfeldes werden die Bürsten 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. für 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 unterstützen (normalkompoundiert). Im unbelasteten Zustand (Leerlauf) verhält er sich wie ein Nebenschlussmotor mit konstantem Magnetfluss F . Ein Durchgehen ist deshalb bei Entlastung nicht möglich.
Bei Belastung wird die Reihenschlusswicklung vom belastungsabhängigen Ankerstrom durchflossen, das Nebenschlussfeld wird zusätzlich durch das Reihenschlussfeld unterstützt. Der Motor erhält ein gutes Anzugsmoment bei belastungsabhängiger Drehzahl. Doppelschlussmotoren besitzen deshalb keine so steife Drehzahlkennlinie wie der normale Nebenschlussmotor und kein so hohes Drehmoment wie der Reihenschlussmotor. Je nach Ausführung und Anwendung der Erregerwicklungen kann die eine oder andere Charakteristik des Motors annähernd erreicht werden.
In Sonderfällen wird die Reihenschlusswicklung so geschaltet, dass sie der Nebenschlusswicklung entgegenwirkt (gegenkompoundiert). Dieses Verfahren ist nur dort anzuwenden, wo der Motor eine stabile Drehzahl bei veränderlicher Belastung (bis zur Nennlast) erreichen soll. Die Gegenkompoundierung soll möglichst vermieden werden, denn mit stärkerer Belastung wird auch das Hauptfeld schwächer, und das Drehmoment des Motors nimmt ab.
Bei grossen Belastungsstössen kann notfalls das Gegenmoment nicht mehr überwunden 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 erhält gegenüber anderen Gleichstrommotoren 6 Klemmenanschlüsse. Die Nebenschlusswicklung kann auch durch eine fremderregte Wicklung ersetzt werden. Bei der Wicklung F l — F 2 hat man am Anschlussbrett nur noch eine Brücke. 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 verändert werden. 1.3.1.7 Fremderregter Motor Der fremderregte Motor benötigt getrennte Spannungsquellen für den Anker- und Erregerkreis. Er ist im mechanischen Aufbau wie der Nebenschlussmotor ausgeführt. Statt der Anschlussbezeichnung E l — E 2 erhält er die Bezeichnung F l — F 2. Zusätzlich müssen auf dem Leistungsschild die Erregerspannung und der Erregerstrom angegeben werden. Fremderregte Motoren werden z.B. als Spielzeugmotoren für kleine Leistungen mit Dauermagneten versehen. Da Anker- und Erregerkreis galvanisch getrennt sind, bleibt bei einem Spannungsrückgang 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 Drehzahländerung 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) über Gleichrichtersätze gespeist. (siehe 3.1-3.2)
Vorsicht Unfallgefahr! Auch hier gilt: Die Fremderregungsspannung darf nicht unterbrochen werden. Durch die eintretende Feldschwächung würde der Motor durchgehen.
Wird statt eines Anlassers ein Stelltransformator für den Ankerkreis verwendet, so kann auf einfache Weise die Drehzahlsteuerung bei konstanter Erregung im unteren Drehzahlbereich fast verlustlos erfolgen.
Die Belastungsabhängigkeit der Drehzahl ist in jedem Bereich nur gering. Die Drehzahlverstellung im unteren wie auch im oberen Drehzahlbereich verhält sich wie beim Nebenschlussmotor.
Zusammenfassung
Der fremderregte Motor ist im mechanischen Aufbau wie ein Nebenschlussmotor ausgeführt. Er erhält durch seine getrennten Gleichspannungsquellen eine gute Drehzahlstabilität bei Nennlast. Fremderregte Motoren werden überwiegend 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 Für die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren ergeben sich zwei Steuerungsarten:
Drehzahlsteuerung durch Änderung der Ankerspannung und Drehzahlsteuerung durch Änderung der Feldspannung. Bei der Drehzahlsteuerung durch Spannungsänderung am Anker liegt mit dem Ankerwiderstand ein Vorwiderstand RV (Stellwiderstand) in Reihe. Diese Steuerung läßt sich nur im Bereich von Null bis zur Nenndrehzahl (Betriebsdrehzahl) durchführen. Die Drehzahl ändert sich hierdurch etwa proportional mit der anliegenden Spannung am Anker. Am Vorwiderstand fällt damit die restliche Spannung ab. Das bedeutet hohen Leistungsverlust und damit schlechten elektrischen Wirkungsgrad, außerdem wird die Drehzahl. sehr stark lastabhängig. Diese Steuerungsmöglichkeit wird nur selten oder nur bei Motoren mit geringer Leistung angewendet. Durch die verminderte Belüftung müssen diese Motoren im unteren Drehzahlbereich mit herabgesetztem Drehmoment arbeiten oder bei vollem Drehmoment mit Fremdbelüftung 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 verändern, wird durch Spannungsänderung an der Erregerwicklung (Feldschwächung) hervorgerufen. Es kann also nur eine Steuerung im Drehzahlbereich über Nenndrehzahl erfolgen. Bei gleichmäßiger Belastung und konstanter Ankerklemmenspannung muß durch Feldschwächung der Ankerstrom infolge geringerer Gegenspannung ansteigen, bis Antriebsdrehmoment und Gegenmoment durch Drehzahlerhöhung ausgeglichen werden.
Das neue Motordrehmoment muß bei erhöhter Drehzahl zurückgehen, wenn die Motorleistung konstant bleiben soll. Damit eine Unstabilität der Drehzahl vermieden wird, soll der Drehzahlbereich nicht größer als l:4 sein. Bei Entlastung (Reihenschlußmotor) oder stark eingestellter Feldschwächung (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 Rückfrage beim Hersteller erforderlich. Es droht die Zerstörung der Maschine. Abhilfe: Einbau einer Drehzahlüberwachung, Drehzahlwächter mit Schaltkontakten.
1.3.1.9 Leonardschaltung
Bei der Leonardschaltung findet man eine feinstufige, belastungsunabhängige 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 Veränderung des Feldstellers R1 vom fremderregten Steuergenerator G1 beeinflußt. Wird die Stromrichtung in der Erregerwicklung des Steuergenerators durch den Wendeschalter umgepolt, ändert sich auch die Polarität der Ankerspannung.
Bleibende Polarität der Erregung des zu steuernden Motors M2 und Polaritätsänderung am Anker dieses Motors verursachen Drehrichtungsänderung. Eine Drehzahlverstellung des Steuermotors M2 erfolgt überwiegend im unteren Drehzahlbereich. Eine Drehzahlverstellung des Motors M2 im oberen Drehzahlbereich kann auch durch eine Feldschwächung erreicht werden. Für stoßartig belastete Leonardsätze wird zum Schutz des Netzes vor starken Stromstößen 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 veränderlichen Läuferwiderständen (Schleifringläufermotoren) verwendet.
Vorteile
feinstufige und fast verlustlose Drehzahlsteuerungen, für große Motorleistungen bis l:15 bei 6000 kW, fast unabhängig von der Belastung (Nebenschlußcharakter), gute betriebsmäßige 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 Hälfte der Leistung für 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 Größe der Wirbelströme mit ihren Feldern verändert. 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 Flügelmuttern eingestellt. Das abgegebene Motormoment muß gleich dem Gegenmoment aus Gewicht und Hebelarm sein. Stimmen Strom und Drehzahl des Motors mit den Nenndaten überein, so gibt der Motor seine mechanische Nennleistung an die Trommel ab. Sowohl die Wirbelstrombremse als auch die Backenbremse werden für kleine bis mittlere Leistungen verwendet. Messungen an Drehstrommotoren können bei diesem Prüfverfahren nur im stabilen Bereich vorgenommen werden. c) Der Bremsgenerator (Pendelmaschine) ist wegen seiner hohen Meßgenauigkeit für 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 Widerständen in Wärme umgesetzt (Verlustbremsung) oder in das Netz zurückgeschickt werden (Nutzbremsung). Die Pendelmaschine wird als Nebenschluß- oder fremderregte Maschine ausgeführt. Um die Messungen so genau wie möglich zu halten, werden Ständer und Anker durch Kugellager voneinander getrennt gelagert. Das direkt gemessene Motormoment wird vom beweglichen Ständer über einen Hebelarm auf die Drehmomentwaage übertragen. Die Firma Kemmerich in Gummersbach liefert auch komplette Gleichstrom-Pendelmaschinen aus der Liste 011r Hochgeschwindigkeitsmotoren der Baureihe N30/F093 in Baugröße 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. Für große Maschinen bevorzugt man wegen der Genauigkeit die indirekte Ermittlung des Wirkungsgrades nach dem Einzelverlustverfahren. Die Verluste werden aufgeteilt in:
a) Leerverluste
Luft-, Lager-, Bürstenreibungsverluste 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 erwärmen die Maschine ständig und sind fast unabhängig von der Belastung.
c) Last- oder Stromwärmeverluste
Sie treten auf in den Ankerwicklungen, Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen und Reihenschlußwicklungen.
Ferner treten sie zu einem kleinen Prozentsatz als Übergangsverluste unter den Bürsten auf. Die Stromwärmeverluste sind veränderliche Verluste, die sich nach der Belastung richten.
d) Zusatzverluste
Nicht erfaßbare Verluste werden als Zusatzverluste (0,5% bis Wo der Bezugsleistung) hinzugefügt. 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 abhängig. 1.3.2 Funkentstörung
Bei der Funkentstörung unterscheidet man die verschiedenen Störungsarten nach ihrer Entstehung, z.B.:
a) natürliche Störungen (atmosphärische Störungen), b) mechanische Störungen (hervorgerufen durch gelockerte Masse- oder Steckverbindungen), c) elektrische Störungen. Den Praktiker interessiert hauptsächlich 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 unerwünschte Nebenwirkungen (Prasseln oder Knattern) hervorrufen. Diese Störungen sind mit Hilfe geeigneter Maßnahmen (Funkentstörung) zu vermeiden. Es sind hierbei die Bestimmungen laut VDE 0875 von Geräten, elektrischen Maschinen und Anlagen für Nennfrequenzen von 0 bis 10 kHz gültig. Nach entsprechender Prüfung erhalten die Geräte das Funkschutzzeichen. Man unterscheidet zwei Arten von Störspannungen:
a) symmetrische Störspannung, b) unsymmetrische Störspannung.
Zu a) Symmetrische Störspannungen treten zwischen zwei stromführenden Leitern auf.
Zu b) Unsymmetrische Störspannungen treten zwischen Netzleiter und Gehäuse bzw. zwischen Netzleiter und Erde auf. Ist das Gehäuse mit einem Schutzleiter verbunden, sind diese Störspannungen besonders groß.
Die Reichweite der Störspannungen wird aber mit zunehmender Entfernung sehr stark gedämpft. Zur Reduzierung von symmetrischen Störspannungen werden zur Störquelle Kondensatoren parallel oder Drosseln in Reihe geschaltet. Eine gute Entstörung wird erreicht, wenn das Widerstandsverhältnis vom Innenwiderstand Z, der Störquelle zum Innenwiderstand Zc des Kondensators groß ist. Somit entsteht nur noch eine geringe Reststörspannung, die sich auf die Außenwiderstände Ra ausbreiten kann. Entstörkombinationen enthalten kapazitive Querglieder und induktive Längsglieder. 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 Gründen mit Kondensatorkombinationen durchgeführt, die induktivitätsarm sind und somit die Störspannungen gut kurzschließen.
Für einfache Entstörungen wird meistens ein Berührungsschutzkondensator mit begrenzter Kapazität (für erhöhte Sicherheit) zwischen Gehäuse 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 (früher: Berührungsschutzkondensatoren).
Zu a): X-Kondensatoren verbinden zwei Außenleiter oder einen Außenleiter mit Mittelleiter. Es können Kondensatoren unbegrenzter Kapazität 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 berührbarem bzw. nicht berührbarem (schutzisoliertem) leitenden Teil der Maschinen. Es sind Kondensatoren mit erhöhter Sicherheit (hoher Isolierfestigkeit) und begrenzter Kapazität. Durch die Kapazitätsbegrenzung soll der durch den Kondensator fließende Wechselstrom und bei Gleichstrom der Energieinhalt des Kondensators auf ein ungefährliches Maß herabgesetzt werden.
Betreffs der Entstörung sind bei allen Geräten 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 Belastungswiderständen in Wärme um.
Für 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, während 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 Bremswiderständen vernichtet. Reihenschlußmaschinen können bei dieser Ausführung ihre Schaltung beibehalten. Bei den Nebenschlußmaschinen muß diesmal die Erregerwicklung umgepolt werden, damit sie sich selbst erregt.
Bei der Senkbremsung läßt sich noch ein Nutzeffekt erreichen, indem die Energie ins Netz zurückgeschickt wird. Die erzeugte Spannung muß dann größer sein als die Netzspannung. Das kann in der Praxis durch Drehzahlerhöhung oder Feldverstärkung, z.B. mit Fahrzeugen bei Abwärtsfahrten (Talfahrten) oder durch Kranbetrieb, erreicht werden. Es kommen überwiegend Reihenschlußmaschinen zur Anwendung.
Zu b): Bei der Gegenstrombremsung wird die Stromrichtung durch Umschaltung der Ankerwicklung geändert. Die zugeführte elektrische Leistung kann ein Mehrfaches der durch die Bremsung verursachten mechanischen Leistung betragen. Die Maschine wird daher thermisch sehr stark beansprucht.
1.3.4 Scheibenläufermotor
Der Scheibenläufermotor 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 zugeführt und über eine Welle wieder abgeführt. Der Ankerstromkreis ist somit in sich geschlossen.
Die Drehbewegung der Scheibe kommt dadurch zustande, daß die elektrischen Ladungsträger (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 Scheibenläufermotor 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 dünnen, trägheitsarmen Isolierscheibe.
Die Ankerwicklungen werden beidseitig auf der Isolierscheibe durch ein fotochemisches Ätzverfahren (gedruckte Schaltung) oder durch Ausstanzen der Leiterzüge aus Kupferfolien hergestellt. Die Wicklungen sind durch untere und obere Verbindungen in sich geschlossen. Durch die blanken Ankerleiter sind die Kühlungsverhältnisse sehr gut. Außerdem kann der Motor unter hohem Strom festgebremst werden, ohne thermischen Schaden zu nehmen.
Die Stromzuführung der Ankerwicklungen kann durch Trommelstromwender, durch Flächenstromwender oder durch direkte Berührung der Kohlebürsten mit den Ankerleitern erfolgen. Das magnetische, axial verlaufende Erregerfeld wird von kurzen, kreisförmigen Ferrit-Dauermagneten erzeugt, die ein- oder beidseitig des Motorgehäuses angebracht sind und deren Feldlinien sich über dem Gehäuse schließen. Durch das homogene Erregerfeld bleibt das Drehmoment über dem gesamten Bereich einer Umdrehung konstant. Außerdem kann bei Nennlast im Dauerbetrieb eine geringere Drehzahl erreicht werden.
Deshalb wird in vielen Fällen auf eine mechanische Übersetzung verzichtet.
Die Scheibenläufermotoren 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 überlegen.
Um die Leistungsfähigkeit eines kompletten Antriebssystems zu steigern, bieten verschiedene Firmen mikroprozessorgesteuerte, freiprogrammierte Positionssteuerungen an.
Die Klemmenspannung des Scheibenläufermotors 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 Scheibenläufermotor für Pumpen-, Wickel-, Ventil-, Schubantriebe usw. In Sonderfällen werden diese Maschinen auch in einem Gehäuse 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 Scheibenläufermotors gegenüber einem normalen Gleichstrommotor liegt in
der Materialersparnis von Ständer und Anker. Das Verhältnis von Leistung und Bauvolumen ist damit sehr gering. dem geringen Eigengewicht der Ankerscheibe. Das bedeutet, daß das Trägheitsmoment und damit auch die mechanische Zeitkonstante sehr niedrig ist. dem gleichmäßigen Lauf bei niedriger Drehzahl und dem gleichmäßigen Drehmoment. der großen Fläche für die Abführung der Verlustwärme. 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 für Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) AC
Es sind für die Praxis die wichtigsten und am häufigsten vorkommenden Maschinen.
1.5.1 Drehfeld (umlaufendes Magnetfeld)
Grundlegende Voraussetzung für die Funktion der Asynchronmaschinen (Kurzschlußläufer, Käfigläufer, Squirrel-Cage-Type) für 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 gezählt (Abschnitt 1.7).
Bei dreiphasig verkettetem Wechselstrom hat das entstehende Drehfeld während des Umlaufes unveränderte Größe 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 Iµ und damit der Leerlaufdurchflutung Qµ verursacht. In den Abschnitten 1.5.2 bis 1.5.10 werden die Asynchronmotoren behandelt. Hierfür gilt: In einem Asynchronmotor für Drehstrom wird ein symmetrisches Drehfeld erzeugt, wenn seine Dreiphasenwicklung vom Drehstrom durchflossen wird.
Bei einem Asynchronmotor weist der rotierende Teil (Läufer, Rotor) gegenüber dem Drehfeld einen Schlupf auf (asynchron — nicht im Tritt befindlich). Das Drehfeld schneidet die Läuferleiter und induziert in ihnen Spannungen. Der Asynchronmotor heißt deshalb auch Induktionsmotor.
Asynchronmotoren für Drehstrom können mit Schleifring- oder Kurzschlußläufern ausgerüstet 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 Ständer oder Stator ist zur Vermeidung von Wirbelströmen aus genuteten Ständerblechen aufgebaut, in welchem, möglichst gleichmäßig verteilt, die dreiphasige Wicklung untergebracht ist. Das Ständerblech besitzt aber keine ausgeprägten Pole wie z.B. die Gleichstrommaschine. Die gewünschte Polzahl wird durch entsprechenden Wickelschritt erreicht. Anfang und Ende jedes Stranges werden gewöhnlich zum Anschlußbrett geführt, weshalb diese Wicklung als offen bezeichnet wird.
Die gewünschte Verkettung in Stern- oder Dreieckschaltung (Y- oder A-Schaltung, Star or Delta) erfolgt am Anschlußbrett.
Der Läufer oder Rotor besitzt ebenfalls eine in Nuten gebettete Wicklung, die mit ihrer Polzahl auf die Polzahl des Ständers abgestimmt ist. Die Wicklung ist gewöhnlich dreiphasig, meist in Y-Schaltung, seltener in A-Schaltung ausgeführt. Die Schaltung erfolgt hier direkt im Läufer, so daß über die Schleifringe nur die Wicklungsanfänge K, L, M herausgeführt sind. Die Läuferwicklung kann auch zweiphasig sein (Abschnitt 1.5.2.3).
Soll der Schleifringläufermotor nach dem Anlauf als Kurzschlußläufermotor weiterarbeiten, werden durch Bürstenabhebevorrichtung die Schleifringe kurzgeschlossen und die Kohlebürsten abgehoben.
1.5.2.2 Wirkungsweise
1.5.2.2.1 Anlauf
In der am Drehstromnetz liegenden Ständerwicklung wird das Drehfeld erzeugt. Dieses schneidet die Ständerleiter und induziert die primäre Urspannung U01 Deshalb auch die Bezeichnung Primäranker für den Ständer. Ferner durchsetzen die magnetischen Feldlinien den Luftspalt und induzieren im Rotor die sekundäre Urspannung U02. Der Rotor trägt deshalb auch die Beze
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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 Ständerwicklung wird das Drehfeld erzeugt. Dieses schneidet die Ständerleiter und induziert die primäre Urspannung U01 Deshalb auch die Bezeichnung Primäranker für den Ständer. Ferner durchsetzen die magnetischen Feldlinien den Luftspalt und induzieren im Rotor die sekundäre Urspannung U02. Der Rotor trägt deshalb auch die Bezeichnung Sekundäranker. Da im Einschaltaugenblick der Läufer steht, hat das umlaufende Magnetfeld seine größte Schnittgeschwindigkeit. Der Motor verhält sich in dem Moment wie ein kurzgeschlossener Transformator mit hoher Kurzschlußspannung UK. Die induzierte Urspannung U02 treibt den Läuferstrom I2. Hätte der Läufer nur ohmschen Widerstand, lägen Urspannung U02 und Strom I2 in Phase. Im Einschaltmoment entspricht die Größe der Läuferfrequenz der Netzfrequenz (f1= f2). Der induktive Läuferwiderstand XL2 = 2 • p • f2 • L2 hat somit seinen höchsten Wert. Wäre der ohmsche Widerstandsanteil im Läufer Null, würde der Strom I2 der Urspannung U02 um 90° nacheilen: Der Motor würde nicht anlaufen.
Zur Erzielung eines günstigen Anzugsmomentes muß der ohmsche Anteil des Läuferwiderstandes möglichst hoch sein.
Um das zu erreichen, wird ein Läuferanlasser mit der Läuferwicklung 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 Läuferspannung, der Läuferfrequenz und des induktiven Läuferwiderstandes ein.
Die Läuferspannung und die Läuferfrequenz ändern sich linear mit dem Schlupf.
Im Betrieb ist — wegen des geringen induktiven Widerstandes — ohmscher Widerstand im Läuferkreis vorherrschend. Läuferspannung und Läuferstrom liegen fast in Phase.
Ein stromdurchflossener Leiter erhält im Magnetfeld einen Bewegungsantrieb. Somit wird auf die Seiten einer drehbar gelagerten Spule ein Kräftepaar ausgeübt, welches ein Drehmoment M bewirkt. Dafür sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen:
a) Die FlüsseF1 und F2 müssen Komponenten haben, die in Phase liegen. Denn nur gleichzeitig auftretende Felder können eine Kraftwirkung ausüben. b) Die magnetischen Achsen vonF1 und F2 müssen möglichst um 90° räumlich verschoben sein; denn nur eine Kraft, die senkrecht zum Hebelarm steht (Analogie: Kraft-Hebelarm-Gesetz), bewirkt ein Drehmoment. Nach dem Lenzschen Gesetz müßte der Läufer so lange beschleunigt werden, bis die Urspannung U02 = 0 V wird. Dieser Fall würde bei synchronem Lauf eintreten. Die Läuferverlustleistung wäre dann ebenfalls Null, und die Rotorverluste könnten nicht gedeckt werden; also muß der Rotor schlüpfen. Der Schlupf wird positiv gezählt, wenn der Läufer 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 Drehmomentverhältnisse sind nach VDE 0530 genormt.
a) Das Anzugsmoment MA ist das im Stillstand hervorgerufene Drehmoment. Beim Schleifringläufermotor 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 Schleifringläufermotor nicht in Erscheinung. c) Das Kippmoment MK ist das höchste Moment, das der Motor zwischen Sattel- und Nennmoment ausüben kann. Es liegt etwa 1,6 bis 2,5fach über 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) wäre das Drehmoment M gleich Null. Der Asynchronmotor muß also stets schlüpfen. (Beispiel: Synchrone Drehzahl bei 2-poligem Motor =3.000U/min., asynchrone Schlupfdrehzahl z.B. 2950U/min.)
1.5.2.3 Leistungsschild
Neben den üblichen Ständerangaben der Asynchronmaschinen über Spannungen, Ströme, Leistungen, Frequenz, Leistungsfaktor cos j sowie Angaben über Drehzahlen, Isolationsklasse und Schutzart findet man beim Schleifringläufermotor weitere Hinweise über Läuferschaltung, Läuferspannung und Läuferstrom.
a) Die Läuferschaltung ist gewöhnlich in Stern ausgeführt. Bei Dreieck -Schaltung — unter gleichen Wicklungsbedingungen wie bei Stern-Schaltung — wird die Läuferspannung geringer, der Läuferstrom 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 Läuferspannung ist laut VDE 0530 die im Stillstand des Läufers zwischen zwei Schleifringen bei geöffnetem Läuferkreis gemessene Spannung für Stern- und Dreieck-Schaltung. Für die L-Schaltung bezieht sich die Spannungsangabe auf den Strang. Die Spannungswerte im Läufer liegen meist unter denen des Ständers. Gewöhnlich betragen die Läuferspannungen 1/4 bis 1/2 der Ständerspannungen. Sie liegen selbst bei Hochspannungsmotoren sehr selten über 1000 V. c) Der Läuferstrom von Asynchronmaschinen mit dreiphasigem Sekundärkreis ist der an den Schleifringen im Nennbetrieb gemessene Strom. Beim Zweiphasenläufer beziehen sich die Stromangaben auf den Strang. 1.5.3 Kurzschlußläufermotor 1.5.3.1 Aufbau
Der Ständeraufbau ist mit dem des Schleifringläufermotors identisch. Die Läufernuten erhalten jeweils nur einen Leiter (Stab), wobei alle Leiter an den Stirnseiten des Läuferkörpers über Ringe kurzgeschlossen werden. Die Läuferwicklung wird deshalb als Kurzschlußwicklung, aber auch als Käfigwicklung bezeichnet. Die Herstellungsweise der Käfigwicklung ist einfach. Die Stäbe 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 überlegen. Bei den heute üblichen Bauformen wird die Käfigwicklung oft aus Aluminium im Druckgußverfahren mitsamt Stirnringen und Lüftungsflügeln hergestellt. Zur Erreichung günstigerer Anlaufbedingungen verschränkt bzw. staffelt man die Läuferstäbe. Die Ausbildung des Sattelmomentes (Abschnitt 1.5.3.2.2) wie auch magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte, Geräusche und Bremsungen werden damit sehr vermindert. Für gute Anlaufbedingungen sind neben Anordnung der Käfigwicklung im Läufereisen auch Anzahl und Form der Läuferstäbe von Wichtigkeit.
a) Beim Rundstabläufer liegt die Käfigwicklung wenig tief im Läufereisen. Mit dieser Anordnung werden günstige Betriebsbedingangen, aber kein guter Anlauf erreicht. b) Beim S treunutläufer liegt die Käfigwicklung tiefer im Läufereisen. Der Anlaufstrom verringert sich mit wachsendem Verhältnis h:d. c) Der Doppelkäfigläufer (Doppelstabläufer, Doppelnutläufer) besitzt einen Anlaufkäfig (Hilfskäfig) und einen Hauptkäfig (Laufkäfig, Betriebskäfig). Der Stabquerschnitt des im Läufereisen liegenden Hauptkäfigs entspricht etwa 3- bis lO mal dem des Anlaufkäfigs. Der Anlaufkäfig ist vielfach aus Bronze bzw. Widerstandsmaterial, auch Silumin hergestellt. d) Der Hochstabläufer (Tiefnutläufer) besitzt hohe und schmale, tief ins Läufereisen gehende Käfigstäbe. e) Der Keilstabläufer (Trapezläufer) ist dem Hochstabläufer ähnlich, besitzt aber am Nutengrund erweiterten Wicklungsquerschnitt. Seine Wirkungsweise kann als Kompromiß zwischen der des Tiefnutläufers (Hochstabläufers) und Doppelkäfigläufers angesehen werden . Streunutläufer, Doppelkäfigläufer, Hochstabläufer, Keilstabläufer faßt man unter dem gemeinsamen Begriff Stromverdrängungsläufer zusammen. Bei den Stromverdrängungsläufern liegt die Käfigwicklung bzw. ein Teil der Käfigwicklung tief im Läufereisen. 1.5.3.2 Wirkungsweise
1.5.3.2.1 Anlauf
Der Schleifringläufermotor zeigte gute Anlaufeigenschaften. Die Ursache war der hohe ohmsche Widerstand des Läuferkreises (Abschnitt 1.5.2.2.1). Bei einem normalen Rundstabläufer liegen die Verhältnisse wesentlich ungünstiger: Der ohmsche Widerstand des Läuferkreises ist sehr gering und der induktive relativ hoch. Dadurch sind Läuferstrom (Sekundärstrom) I2 und Läuferfeld (Sekundärfeld) F2 dem Ständerstrom (Primärstrom) I1 und dem Ständerfeld (Primärfeld, Drehfeld) F1 fast 180° entgegengerichtet. Analog dem kurzgeschlossenen Schleifringläufermotor verhält sich auch der Rundstabläufer beim Einschalten wie ein Transformator mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung. Durch die sehr ungünstige 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 ungünstiger.
Rundstabläufer nehmen im Anlauf den etwa 8- bis 10fachen Nennstrom auf. Wird die Rundstabläuferwicklung tief ins Eisen gelegt, kann sich ein kräftiges 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 Läuferstrom bleibt in normalen Grenzen. Die Anlaufeigenschaften werden, trotz geringerer Stromaufnahme I1 aus dem Netz, verbessert. Gute Anlaufeigenschaften werden mit allen Stromverdrängungsläufern erreicht. Die Widerstandserhöhung wächst linear mit der Nuttiefe. Eine günstige Streufeldausbildung im Läufer ruft erhöhten ohmschen Widerstandsanteil und damit bessere Anlaufeigenschaften hervor. 1.5.3.2.2 Hochlauf
Im Gegensatz zu den Drehmomenten eines Schleifringläufermotors (Abschnitt l .5.2.2.3) ist beim Rundstabläufermotor wegen des geringen ohmschen Widerstandes der Käfigwicklung das Anzugsmoment wesentlich ungünstiger. Bei etwa 1/7 der synchronen Drehzahl zeigt sich häufig eine Einbuchtung der Kennlinie (Sattel), verursacht durch Oberwellen.
Obwohl bei Wechselstrommaschinen für die Feldverteilung die reine Sinuskurve am günstigsten 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, Zähne. 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 mitläufiges Drehfeld 3.9.15. Harmonische kein Drehfeld 5.11.17. Harmonische ein gegenläufiges Drehfeld.
Liegt z.B. bei einem 4poligen 50-Hz-Kurzschlußläufermotor 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 älteren Maschinen kommt es nach Umwicklungen vor, daß durch unvorhergesehene Oberwellenbildung der Läufer im Sattel «hängen» bleibt und mit der Satteldrehzahl («Schleichdrehzahl») weiterläuft.
Abhilfemaßnahmen zur Überwindung des Sattelmomentes sind unterschiedliche Nutenzahlen im Ständer und Läufer sowie Schränkung bzw. Staffelung der Nuten. Die Drehmomentenkurve des Stromverdrängungsläufers hat nur sehr geringe Einsattelung.
1.5.3.2.3 Betrieb, Betriebsverhalten
Es gelten hier im allgemeinen die gleichen Bedingungen wie beim Schleifringläufermotor (Abschnitt 1.5.2.2.2). Das Flußschaubild gibt über die Leistungsverteilung Aufschluß.
a) Die benötigte Blindleistung Q beträgt im Mittel 30 bis 60°/o (hängt von der Motorgröße 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 über den Luftspalt gehen, sich also nicht wie das Nutzfeld zum Drehmoment M verketten. b) Die Ständerverluste 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. Beträgt also der Rotorschlupf 4%, sind 4% der übertragenen Ständerleistung P(abStänder) 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 Blindleistungsänderung ist dagegen geringfügig, d.h., schon im Leerlauf entnehmen Asynchronmotoren dem Netz erhebliche Blindleistung. Die Folge ist ein schlechter Leistungsfaktor cos j. Beispiel Ein Kurzschlußläufermotor 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 zurück, und die Blindleistung fällt 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 ändert 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 gewünschte Leistungsfaktor cos j hergestellt werden (Abschnitt 1.7.4.3). b) Die Parallelschaltung von Kondensatoren mit der Ständerwicklung ergibt einen Schwingkreis und damit eine Blindleistungsquelle. Einzelkompensationen, bei denen die Kondensatoren unmittelbar mit den Maschinenanschlüssen verbunden werden, sind dann wirtschaftlich, wenn nur eine Maschine bzw. wenige Maschinen gleichzeitig in Betrieb sind. Gruppen- bzw. Zentralkompensationen sind für den Betrieb mehrerer Maschinen günstiger. Es empfiehlt sich, mit Hilfe automatischer Steuergeräte, 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 Kapazität) können Schäden, vor allem an Glühlampen, durch Überspannungen auftreten. Man kompensiert gewöhnlich nicht über den Leistungsfaktor cos j = 0,95 induktiv, da sich bei höherer Kompensation eine Überkompensation im Leerlauf oder bei Teillast ergeben würde. Bei Unterkompensierungen ergeben sich durch mangelhafte Blindleistungsentlastungen erhöhte Leitungsquerschnitte sowie tarifliche Nachteile. (Die örtlichen EVU's installieren bei größeren Betrieben Blindleistungszähler. Die Blindleistung muß bezahlt werden) Nachstehend zur Blindlastdeckung einiger Motoren die zugehörigen Kondensatorleistungen. kW-Motornennleistung kvar-Kondensatorleistung entspricht uF- C = (Q*1s)/314*U² 4,0 bis 4,9 2 (2000 var*1 s)/(314*(400 V)²) = 39,8 µF 5,0 bis 5,9 2,5 (2500 var*1 s)/(314*(400 V)²) = 49,8 µF
Um frühzeitige Ausfälle zu vermeiden, die dann die Sicherungen ansprechen lassen und den Motor auf 2-Phasen durchbrennen lassen können, ist bei Verwendung von preisgünstigen Becherkondensatoren darauf zu achten, daß die Dauerbetriebsspannung mindestens etwa 30% höher angegeben ist als die Nennspannung der Motoren.Bei 400V Netzspannung müssen 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 für 3-phasige Verbraucher wie Motoren, Sicherungsautomaten als 3-er-Einheit, mit einem mechanischen Bügel über den Automaten. Das Auslösen einer Sicherung hat dann das Abschalten alle 3 Sicherungen zur Folge, wodurch 2-Phasenlauf vermieden wird (Kemmerich-Produktreihe S 9). Natürlich können auch elektronische Überwachungsrelais eingesetzt werden, die die Symmetrie der Spannung auf allen 3 Phasen überwachen.
1.5.4 Asynchronlinearmotor
Der Linearmotor ist ein neues Antriebselement sowohl für die Mechanisierung und Automatisierung im innerbetrieblichen Transport wie auch für neue Antriebssysteme im Personen- und Güterbeförderungswesen, im Kranbetrieb und in anderen Industriezweigen. Vergleichbar zu den bekannten rotierenden elektrischen Maschinen, läßt sich der Linearmotor als Synchronlinearmotor und Asynchronlinearmotor herstellen. Von den beiden genannten Arten kommt dem Asynchronlinearmotor die größere Bedeutung zu.
1.5.4.1 Aufbau
Denkt man sich das Ständereisenpaket eines konventionellen Asynchronmotors unter einer Presse zusammengedrückt, erhält man ein flaches doppelseitiges Eisenpaket. Die Einzelbleche der Ständerpakethälften sind wie ein Kamm geschlitzt (Doppel-Induktorkamm). In den Nuten wird die Ständerwicklung (Primärwicklung) untergebracht. Zwischen den Ständerhälften liegt die ebenfalls gestreckte Läuferschiene. Diese sogenannte Reaktionsschiene ist aus Kupfer- oder Aluminiummaterial hergestellt. Die Ständerpaketausführung kann aber auch einseitig sein (Einfach-Induktorkamm). Allerdings werden dann — gegenüber dem Doppel-Induktorkamm — die elektrischen und mechanischen Bedingungen ungünstiger. Um einen magnetischen Zug zwischen Einfach-Induktorkamm und Reaktionsschiene zu verhindern, steht dem einseitigen Ständerblechpaket ein lamelliertes Eisenpaket gegenüber. Dazwischen wird die Reaktionsschiene geführt. Der asynchrone Linearmotor stellt also gegenüber dem konventionellen Asynchronmotor ein offenes Antriebssystem dar. Bei Einschienenbahnen übernimmt gewöhnlich der Tragkörper gleichzeitig die Rolle der Reaktionsschiene.
1.5.4.2 Wirkungsweise
Durch die gestreckte Ständerausführung erhält 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 Läufer feststehend und den Ständer drehend, jedoch die elektrische Energie dem rotierenden Ständer zugeführt, ist die Drehfeldrichtung im Ständer der mechanischen Bewegungsrichtung entgegengesetzt. Der gleiche praktische Fall liegt beim asynchronen Linearmotor vor: Das Wanderfeld ist der mechanischen Vorwärtsbewegung entgegengerichtet.
1.5.4.3 Vor- und Nachteile des Asynchronlinearmotors gegenüber konventionellen rotierenden Asynchronmotoren
Vorteile
Es sind keine Zwischenschaltungen von Getrieben oder sonstigen Mechanismen notwendig, womit sich ein Verlust- und Verschleißfortfall für mechanische Übertragungsglieder ergibt. Die konstruktive Gestaltung des Primär- und Sekundärteiles ist relativ einfach. Trotz größerer momentaner lokaler Erwärmung im Sekundärteil tritt rasch wieder Abkühlung ein. Bremsvorgänge sind durch Übersynchronismus, Gegenstrombremsung sowie Gleichstrombremsung (Abschnitt 1.5.6) gut möglich. Bahntriebwagen sind — infolge des mechanisch mit ihnen nicht verbundenen Sekundärteiles (Reaktionsschiene) — massemäßig wesentlich entlastet. Bei Vorhandensein von Luft- bzw. Magnetkissen (Abschnitt 1.5.4.4) ist die Zugkraft unabhängig 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 größeren Luftspaltes und wegen des gestreckten Primärteiles — gegenüber konventionellen Motoren schlechter. Anfahrt bzw. sonstige Geschwindigkeitsveränderungen erfordern veränderbare Frequenz (Abschnitt 1.5.7.2), veränderbare Spannungsgröße und eventuell auch Polumschaltung (Abschnitt 1.5.7.3). Die Spurführung von Fahrzeugen muß als Einflußfaktor auf den Luftspalt des Linearmotors zwischen dem Primär- und Sekundärteil durch Führungsrollen ausgeglichen werden. Der gestreckte Sekundärteil 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 Güterbeförderung werden heute elektrisch erbracht, der Rest durch Dieselfahrzeuge. Die letzte Dampflok der Bundesbahn fuhr 1977.
Heute wird für den Bahnbetrieb in zwei Richtungen gearbeitet, und zwar an der klassischen Rad-Schiene-Technik und der berührungsfreien Fahrtechnik.
Der klassischen Rad-Schiene-Technik sind mit zunehmender Geschwindigkeit, infolge zwangsläufig höheren Verschleißes und Unterhaltungsaufwandes, Grenzen gesetzt. Also kann zur Bewältigung höherer Geschwindigkeiten als Bindeglied zwischen konventionellem Fahren und Fliegen nur das Schweben (« magnetisches Rad ») in Frage kommen.
Zur Lösung der technischen Ausführung 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 Reaktionskräfte an den Schwebestellen bewirken. Auf diese Weise werden die Fahrzeuge getragen und spurgeführt. Die supraleitenden Spulensysteme werden durch flüssiges Helium fast bis zum absoluten Nullpunkt (ca. 4 Kelvin) abgekühlt. Bei diesen Temperaturen hat das bevorzugte Niob-Titan-Material keinen meßbaren ohmschen Widerstand mehr. Eingeleitete elektrische Ströme fließen in dieser stark unterkühlten 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 für den Notfall.
1.5.4.4.2 Elektromagnetisches Schweben (EMS)
Beim EDS-System waren abstoßende Reaktionskräfte zwischen Schiene und Elektromagnet wirksam, beim EMS-Prinzip hat man es mit anziehenden Reaktionskräften zum Tragen der Fahrzeuge zu tun. Steuer- und Regelsysteme sorgen für die richtige magnetische Feldstärke 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 Kurzschlußläufermotor die Spannung an den Ständersträngen vermindert und beim Schleifringläufermotor der ohmsche Widerstand im Läuferkreis erhöht. Beim Kurzschlußläufermotor erfolgt also der Anlaßvorgang über den Ständerkreis, beim Schleifringläufermotor vorwiegend über den Läuferkreis.
1.5.5.1 Anlaßverfahren von Kurzschlußläufermotoren : Es steht eine Vielfalt von Möglichkeiten zur Verfügung.
a) Das direkte Anlassen kommt wegen des sehr hohen Einschaltstromes nur für kleine Leistungen in öffentlichen Netzen zur Anwendung. Die EVU's (Energieversorgungsunternehmen) begrenzen im Allgemeinen auf 3 kW. b) Das Stern-Dreieck-Anlaßverfahren ist die häufigste Anlaßmethode. Durch die Stern-Schaltung beträgt die _ Strangspannung das 0,58fache (l/Ö3fache) gegenüber der Dreieck-Schaltung. Theoretisch fällt damit der Strom gegenüber 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, führt man den Stern-Dreieck-Schalter in Sprungschaltbauweise aus. Für kleinere Leistungen kommt der Walzenschalter, für größere Leistungen der Nockenschalter zur Anwendung.
c) Das Anlassen mit Ständeranlasser entspricht der allgemeinen Inbetriebsetzung der Gleichstrommotoren (Abschnitt 1.3.1.2). Die Herabsetzung der Ständerspannung bringt ein quadratisches Abfallen des Drehmomentes mit sich. Die Anlaßwiderstände -können vor der Ständerwicklung bzw. bei Sternschaltung im geöffneten Sternpunkt liegen. Ständeranlasser finden dort Anwendung, wo möglichst stoßfreier Anlauf verlangt wird. Es können Fest- oder Flüssigkeitsanlasser verwendet werden.
d) Das Anlassen mit Kusaschaltung (Kurzschluß-Sanftanlauf) kommt ebenfalls für besonders stoßfreies, weiches Anlaufen in Frage. Durch den Dämpferwiderstand (Kusawiderstand) lassen sich die Anlaufbedingungen weitgehend beeinflussen. An den Anschlüssen herrscht Spannungsunsymmetrie, die mit abnehmender Stromstärke 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 Anlaßwiderständen. Es fallen hier die Erwärmungsverluste weg. Je nach Wahl läßt sich das Anlassen stufig bzw. stufenlos (stetig) durchführen. Die entstehenden Spannungs-, Strom- und Drehmomentbedingungen sind die gleichen wie beim Anlassen mit Stern-Dreieck-Schalter bzw. Ständeranlasser. Anlaßtransformatoren sind meist als Spartransformatoren (Abschnitt 1.4.7) ausgeführt, sie werden aber auch in V-Schaltungsbauweise hergestellt. Wegen der hohen Anschaffungskosten kommt dieses Anlaßverfahren gewöhnlich nur in seltenen Fällen zur Anwendung.
f) Das Anlassen mit Magnetpulverkupplung wird bei schwierigen Anlaufverhältnissen 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 höchstzulässige Drehmoment überschritten, setzt ein Schlüpfen der Kupplung ein. Die Wirkungsweise der Doppelsteuer-Magnetpulverkupplung ist folgende: Die beiden gegenläufigen Zahnräder sind starr mit ihrem jeweiligen Kupplungs-Außenteil verbunden, die Ritzel starr mit ihrem entsprechenden Kupplungsbecher. Wird (angenommen) die Erregerspule k1 mit Gleichstrom über 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 läuft leer mit. Soll die Abtriebswelle umgekehrt laufen, muß Erregerspule K2 mit Gleichstrom versorgt werden. Die Drehrichtung des Antriebsmotors ändert sich nicht.
g) Das Anlassen mit Anwurfmotor findet bei sehr großen Leistungen Anwendung. Ein kleiner Schleifringläufermotor oder Gleichstrommotor fährt einen großen Kurzschlußläufermotor leer hoch und wird bei der synchronen Drehzahl des angeworfenen Motors abgeschaltet. Der große Kurzschlußläufermotor wird in diesem Augenblick an das Netz gelegt und fällt in den Asynchronismus zurück. Auf diese Weise tritt kein hoher Einschaltstrom auf.
h) Üblich ist heute das Hochfahren über Sanftanlaufgerätebzw.Frequenzumrichter.
h.1) Man unterscheidet bei den Sanftanlaufgeräten (Softstarter) preisgünstige Geräte, bei denen nur 1 Phase per Phasenanschnittsteuerung spannungsmäßig langsam, elektronisch automatisch zeitlich einstellbar, hochgefahren wird, 2-phasigen Geräten, bei denen 2 Phasen angeschnitten werden und 3-phasige Geräte, bei denen alle 3 Phasen hochgefahren werden. Die einpasigen Geräte werden meist nur für 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 überdimensioniert werden müßten. (Siehe auch 3.3)
Sanftanlaufgeräte 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 preisgünstige Version bei Großgeräten ist die W3-Beschaltung, bei der 6 Kabel zum Motor geführt werden müssen, 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 für Hochspannung geliefert.Übrigens sind fast alle Geräte offen für Schaltschrankeinbau oder bis IP65 wasserdicht lieferbar. Elektronische Netz-Rückspeiseeinheiten für fast alle Frequenzumrichter runden das Programm ab.
Spannungsverminderung im Ständerkreis setzt hohe Anlaufströme herab; gewünschte Drehzahlsteuerungen bei festgelegtem Drehmoment sind auf diese Weise nicht für jeden Fall zu erreichen. 1.5.5.2Anlaßverfahren von Schleifringläufermotoren
Die Anlaufbedingungen der Asynchronmotoren werden wesentlich verbessert, sobald Veränderungen im Läuferkreis mit Hilfe von Läuferanlassern erfolgen. Nach dem Hochlauf werden bei großen Motorenleistungen mittels Bürstenabhebevorrichtung die Schleifringe kurzgeschlossen und die Bürsten abgehoben. Der Schleifringläufermotor läuft dann als Kurzschlußläufermotor weiter.
a) Der stufenlose Anlaßvorgang wird mit einem normalen Läuferanlasser (Anlasser mit Querschnittsauslegung für kurzzeitigen Betrieb) vorgenommen. Selbsttätiger stufenloser Anlaßvorgang wird mit dem Flüssigkeitsdampfanlasser erreicht. Bei diesem Anlasser bildet die Flüssigkeit (Elektrolyt) den Widerstand. Da der Elektrolyt ein Heißleiter ist, vermindert sich dessen Widerstandswert stufenlos bei Erwärmung. Durch einen weiteren Heißleiter oder ein Relais im Steuerkreis kann ein Schaltschütz in Tätigkeit gesetzt werden, wodurch der Läuferkreis automatisch kurzgeschlossen wird. b) Der stufige Anlaßvorgang erfolgt über Schützsteuerkreise. In bestimmten Verzögerungsintervallen wird der Läuferanlasser gruppenweise abgeschaltet. Erhöhung des ohmschen Widerstandes im Läuferkreis hat geringe Stromauf-nahme aus dem Netz und Anlauf mit hohem Drehmoment zur Folge. 1.5.5.3Allgemeine Bestimmungen über Anlassen von Asynchronmotoren In öffentlichen Netzen dürfen keine beliebigen Stromerhöhungen bei Anlaßvorgängen auftreten, da die Spannungsfälle ihre zulässigen Grenzen überschreiten würden. Maßgebend für die anzuschließenden Leistungen sind die örtlichen EVU-Bestimmungen, die sich weitgehend nach den aufgestellten Musterbedingungen richten.
Nach den technischen Anschlußbedingungen für den Anschluß von Motoren an das Niederspannungsnetz hat seit dem l. Mai 1982 die Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke e.V. (VDEW) folgende allgemeine Bedingungen festgelegt:
Anschluß von Motoren
a) Durch den Anlauf von Motoren dürfen keine störenden Spannungsabsenkungen im Netz verursacht werden. Diese Bedingung ist im allgemeinen erfüllt, wenn bei Wechselstrommotoren die Nennleistung 1,4 kW oder bei Drehstrommotoren der Anzugstrom 60 A nicht überschritten wird; ist der Anzug nicht bekannt, so ist dafür das Achtfache des Nennstromes anzusetzen. Die angegebenen Werte gelten für den Betrieb von Einzelmotoren. Werden diese Werte bei gleichzeitigem Anlauf von mehreren Motoren überschritten, so sind die zu treffenden Maßnahmen mit dem EVU zu vereinbaren. b) Vor der Planung des Anschlusses größerer Motoren und solcher Motoren, die Netzstörungen durch besonders schweren Anlauf, häufiges Einschalten oder schwankende Stromaufnahme (z.B. Sägegatter, Aufzugmotoren) verursachen können, sind die zutreffenden Maßnahmen mit dem örtlichen EVU zu vereinbaren. Größere Werkstätten 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 Trägheitsmoment in kgm2 w Winkelgeschwindigkeit in s-1
in elektrische Energie umgewandelt. Der Motor geht in den Generatorzustand über. Die elektrische Energie wird entweder vom Netz oder von Widerständen aufgenommen. Bei Gleichstrommotoren kann diese Art der Bremsung ohne nennenswerte zusätzliche Aufwendung erfolgen (Abschnitt 1.3.3).
Beim Drehstrom-Asynchronmotor ist die Netzabbremsung anwendbar, wenn der Motor übersynchron läuft. Durch die Läufervoreilung zum Drehfeld entsteht ein negativer Schlupf: Der Motor wird zum Asynchrongenerator (Abschnitt 1.5.12.2). Ein Stillstand wird natürlich auf diese Weise nicht erreicht und muß in geforderten Fällen durch Trennung vom Netz und mechanisches Bremsen erfolgen. Eine Abbremsung auf ohm-sche Widerstände entfällt hier prinzipiell. Die in der Praxis eingebürgerten Bremsmethoden für Drehstrom-Asynchronmotoren sind Gegenstrom- und Gleichstrombremsung.
1.5.6.1Gegenstrombremsung
Wenn bei auslaufenden Drehstrommotoren zwei Ständeranschlüsse 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 Bremswächter (Abschnitt 2.7.8) überwacht werden, da sonst der Motor in entgegengesetzter Richtung hochläuft. Bei inverser Drehfeldrichtung tritt eine Erhöhung der Läuferspannung, des Läuferstromes und der Läuferfrequenz ein. Die Wärmeverluste in der Läuferwicklung und im Läufereisen nehmen zu. Bei Schleifringläufermotoren wird außerdem die Läuferwicklungsisolation erhöht beansprucht.
1.5.6.2Gleichstrombremsung
Die Ständerwicklung wird vom Drehstromnetz abgeschaltet und an eine Gleichstromhilfsquelle gelegt. Die Größe der Gleichspannung für die Auslaufbremsung richtet sich nach der Nennspannung und der Motornennleistung. Bei 400 V Nennspannung beträgt z.B. für einen 50-kW-Motor die Gleichspannung ~ 10 V, für einen 5-kW-Motor ~ 40 V und für einen 0,5-kW-Motor schon ~ l10 V. Der Bremsstrom kommt etwa auf das 2,5fache des Nennstromes. Die Gleichspannung wird gewöhnlich über Trockengleichrichter (früher Seleen, heute meist Silizium, Germanium) gewonnen. Es kommen als Schaltmöglichkeiten die offene Stern-, die geschlossene Stern- und die Dreieckschaltung zur Anwendung.
Sobald der Ständer an der Gleichspannungsquelle liegt, baut sich ein magnetisches Gleichfeld auf. Rotiert der Läufer 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 Bremsschalthäufigkeit müssen wegen überhöhter Erwärmung zusätzlich belüftet werden.
Bei sehr hohen Schalthäufigkeiten der Bremsen (die Erwärmung hängt 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 über Frequenzumrichter einstellbar) durchläuft 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 Schalthäufigkeit betrieben werden, so kommt meist ein mechanisches Wendegetriebezum Einsatz. Auch hierbei kann der Motor in einer Drehrichtung durchlaufen. Das Wendegetriebe hat 2 gegensätzlich laufende Zahnräder, wobei jeweils die gewünschte Drehrichtung über Magnetkupplungen abgerufen werden.
1.5.7Drehzahlsteuerungen von Drehstrom-Asynchronmotoren (AC)
Drehzahlsteuerungen von Drehstrom-Asynchronmotoren sind durch Veränderungen im Läuferkreis bzw. im Ständerkreis möglich. Veränderungen im Läuferkreis kommen fast ausschließlich beim Schleifringläufermotor durch Schlupfbeeinflussung vor.
Im Ständerkreis 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 Steuerschleifringläufer vor sich. Wird während des Betriebes ein Widerstand des Stellanlassers (Anlasser mit Querschnittsauslegung für Dauerbetrieb) zugeschaltet, muß sich bei konstantem Drehmoment die Urspannung U02 im Läufer erhöhen. Das kann aber nur durch erhöhte Schnittgeschwindigkeit des Drehfeldes erreicht werden: der Motor muß langsamer laufen.
Die Widerstände im Rotorkreis stehen bei konstantem Drehmoment im gleichen Verhältnis zu den Schlupfdrehzahlen.
Beispiel
Ein vierpoliger Schleifringläufermotor, Frequenz f = 50 Hz, Drehzahl n1Betrieb= 1450 min-1 hat einen Rotorwiderstand RRotor = 0,5 Ohm. Es werden 2,5 Ohm Läuferanlasserwiderstand (RAnl) zugeschaltet. Wie groß wird die neue Betriebsdrehzahl n2Betrieb?
Lösung
Im normalen Betrieb beträgt 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 Drehzahlrückgang bei konstantem Drehmoment M bedeutet Leistungsverminderung und somit Verschlechterung des Wirkungsgrades h. Entsprechend der Größe des zugeschalteten Stellanlasserwiderstandes wird ein Teil der Leistung in Wärme umgesetzt. Beispiel
Ein vierpoliger Schleifringläufermotor, 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 Wärme 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 Drehzahländerung 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 Läuferanlasser (Stellanlasser) ist wegen der hohen Verluste bei größeren Leistungen unwirtschaftlich.
Günstiger liegen die Verhältnisse dann, wenn die angetriebene Maschine eine angenähert quadratische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie hat (z.B. Lüfter). Die auftretenden Verluste werden hier gering, so daß sich eine Aufstellung teurer Steuermaschinensätze nicht lohnt.
Bei Lüfter- und Pumpenmotoren, also Motoren mit (entsprechend der Drehzahl) quadratischem zunehmendem Drehmoment kann statt eines Frequenzumrichters eine preisgünstigere Phasenanschnittsteuerung, also nur eine Spannungsveränderung zur Drehzahlveränderung eingesetzt werden.
Die Drehzahl von Asynchron- Kurzschlußläufermotoren ist frequenzabhängig, nicht spannungsabhängig!
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 übermäßig erwärmen. Anwendung: Ventilatoren, Unterwasserpumpen, Antriebe mit guter Kühlung.
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 für Asynchronmotoren über n = 3000 min-1 nicht möglich. Eine Drehzahlerhöhung über 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 wächst 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 Stromstärke I praktisch konstant, denn es gilt die Beziehung
U Spannung in V I Stromstärke in A R ohmscher Widerstand in W XLinduktiver Widerstand in ^W
Der ohmsche Widerstand R ist hierbei vernachlässigbar klein. Theoretisch müßte sich sogar die Leistung verdoppeln. Frequenzsteigerungen bringen aber ein lineares Wachsen der Hysteresisverluste (Ummagnetisierungsverluste) und ein quadratisches Wachsen der Wirbelstromverluste im Ständereisen mit sich. Dadurch entstehen beachtliche Erwärmungen. Aus diesem Grunde sind Frequenzsteigerungen für normale 50-Hz-Motoren begrenzt.
Würde 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 Ursprungsgröße zurück. Beließe man die Ursprungsspannung U = 380 V, würde der Strom theoretisch auf das Dreifache wachsen. Die Ständerwicklung würde in diesem Fall verbrennen. Soll der Strom in normalen Grenzen bleiben, muß die Spannung ebenfalls auf ein Drittel reduziert werden. Spannungsrückgang bei ursprünglicher Stromstärke bedeutet auch Leistungsrückgang (hier auf ein Drittel).
In der praktischen Anwendung verändert man — um eine zu hohe Eisenerwärmung zu umgehen — die Spannung nicht linear mit der Frequenz. Liegt z.B. die Netzspannung von U = 400 V vor und soll der gleiche Motor für 50 Hz und 100 Hz betrieben werden, wickelt man den Motor für 230/400 V und schaltet ihn für 50 Hz in Stern und für 100 Hz in Dreieck.
Wird die Frequenz höher, eignen sich 50-Hz-Motoren nicht mehr. Es müssen für höhere Frequenzen (150 bis 400 Hz) eigens hergestellte Motoren zur Anwendung kommen. Elektrische Werkzeugmaschinen können vorteilhaft mit solchen Sondermotoren bestückt werden, da sie gegenüber gleichwertigen Universalmotoren leichter und wartungsfreier sind.
Kemmerich Gummersbach hat Hochgeschwindigkeitsmotoren(High Speed Motoren) für fast alle Drehzahlen und Leistungen im Programm. Die höheren Frequenzen werden im Normalfall über Frequenzumrichter bereitgestellt. Wie oben beschrieben, muß bei 500Hz (also für 30.000 U/min. statt 3.000 U/min.) auch die Spannung auf das10-fache steigen. Da kleine Motoren aber normalerweise nicht für 4.000 Volt gewickelt werden, wird nicht die Anschlußspannung also Netzspannung erhöht, sondern die Wicklungsspannung auf den 10.Teil also für 40 Volt reduziert. Diese Wicklung wäre also für 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. Serienmäßig 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-Läufer-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 Fliehkräfte Sonderbleche und Sonderschnitte im Rotor und wegen der auftretenden anderen Kräfte auch Titan im Rotor. Darüberhinaus werden immer Fremdlüfter angebaut, Sonder-Hybridlager (Keramiklager) oder bei höchsten Drehzahlen Magnetlager eingebaut. Temperaturfühler (Kaltleiter) und normal Inkrementalgeber sind Standard. Lagerüberwachung, Stillstandsheizung etc. wird nach Kundenwunsch berücksichtigt. Einsatz: Prüfstände für Turbinen, Getriebe, Motoren; Zentrifugen; Werkzeugmaschinen zum Schleifen, Fräsen; 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 für 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 Drehzahländerungsmöglichkeit 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 Polzahländerungen können erfolgen durch a) Umschaltungen zwischen getrennten Ständerwicklungen, b) Umschaltungen der Spulengruppen einer Ständerwicklung.
Da bei Polumschaltungen der Schleifringläufermotoren die Läuferpolzahlen den Ständerpolzahlen möglichst angepaßt sein müssen, kommen vorwiegend Motoren mit Käfigläufer zur Anwendung.
Käfigläufer eignen sich für 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 Ständerwicklung verschiedene Ausführungsmöglichkeiten 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 Ständerwicklungen
Diese Polumschaltungsmöglichkeit erfolgte bisher vorwiegend bei gebrochenen Drehzahlverhältnissen (3:4; 2:16 usw.). Für die Ständerwicklungen wird Sternschaltung bevorzugt. Wie bei der Stern-Dreieck-Schaltung verwendet man auch hier für kleinere Leistungen als Umschalter den Walzenschalter, für größere Leistungen den Nockenschalter. Eine genauere Betrachtung zum Nockenschalter siehe Abschnitt 2.2.3.2.
1.5.7.3.2Polumschaltungen mit Spulengruppen einer Ständerwicklung
a) Von den konventionellen Polumschaltungen mit einer Ständerwicklung und dem Drehzahlverhältnis l: 2 wurden bisher in der Praxis verwandt --Schaltung (Dahlanderschaltung) Sie ist noch heute die am häufigsten angewandte Polumschaltung. Für die kleine Drehzahl (große Polzahl) hat bei dieser Polumschaltung die Ständerwicklung -Schaltung, für die große Drehzahl (kleine Polzahl) . Die Leistungsverhältnisse betragen l: 1,36, die Drehmomentenverhältnisse l: 0,68.
Der Polumschalter hat mit dem- -Schalter große Ähnlichkeit und wird ebenfalls in Walzen- bzw. Nockenbauform ausgeführt. Beim Wicklungsanschluß am Anschlußbrett ist die Buchstabenfolge zu beachten. Die richtige Reihenfolge der Anschlüsse 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 läuft 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(Lüfterausführung) Motoren dieser Polumschaltung werden bevorzugt zum Antrieb von Arbeitsmaschinen mit Schleuderwirkung, z.B. Lüfter, Gebläse, Kreiselpumpen, Rührwerke usw., eingesetzt, da diese Arbeitsmaschinen mit der Änderung der Drehzahl ein kubisches (3. Potenz) Leistungsverhältnis und ein quadratisches (2. Potenz) Drehmomentenverhältnis aufweisen. Drehstrommotoren mit--Polumschaltung haben ein Leistungsverhältnis l: 4 und ein Drehmomentenverhältnis l: 2. Weniger zur Anwendung kommen die --Schaltung mit Umkehrung. Hier werden die Leistungsverhältnisse l: l sowie die Drehmomentenverhältnisse 1:0,5 --Schaltung mit Umkehrung. Hier werden die Leistungsverhältnisse l: 3 und die Drehmomentenverhältnisse 1:1,5. Bei den genannten Polumschaltungen werden durch Reihen — bzw. Gegenreihen — sowie Parallelschaltungen einzelner Spulengruppen die Polzahlen der Ständerwicklungen stets im geraden Verhältnis (l: 2) verändert, was noch relativ leicht ausführbar ist. Gebrochene Drehzahlverhältnisse (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 über Polamplitudenmodulations-Motoren (PAM-Motoren). Durch neuartige Umgruppierungsschaltungen können zwei gebrochene Drehzahlgrößen im Verhältnis wie z.B. 4: l oder 4:3 oder 4: 5 oder 4:6 usw. — wie bei der bekannten Dahlanderschaltung — mit 6 Anschlußklemmen ausgeführt werden. Die Dahlanderschaltung mit dem geradlinigen Verhältnis 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 gegenüber polumschaltbaren Motoren mit getrennten Wicklungen
a) Kleinere Bauweise, weniger Wickelmaterial, preisgünstiger. 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) Häufigere stündliche Drehzahlumschaltungen möglich. e) Günstigere Stromdichten. f) Gute Beschleunigungseigenschaften großer Schwungmassen. g) Wesentliche Verbesserung der Verhältnisse Leistung/Gewicht/Größe. Lt. Angabe Jahrbuch 80 für Elektromaschinenbau und Elektronik hat ein 6/4poliger Motor von gleicher Größe und Gewicht PAM-Motor == 5,7 kW Motor mit getrennten Wicklungen = 4,3 kW
Als Nachteil wäre der schlechtere Wicklungsfaktor z zu nennen. Mit polumschaltbaren Motoren können nur stufige Drehzahlverhältnisse erreicht werden. Sie werden vor allem zum Antrieb von Hebezeugen und Werkzeugmaschinen benutzt. Polzahländerungen lassen keine stetigen Drehzahlveränderungen, 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 Schleifringläufermotoren. Bau- bzw. Montagefirmen, Wanderunternehmen, wie Zirkusse und Karussellbetriebe, auch Wanderdreschmaschinen für ländliche Bezirke, die beim Wechseln ihres Standortes auf örtlich verschiedene Anschlußspannungen treffen, sind meist mit spannungsumschaltbaren Motoren ausgerüstet.
a) Motoren mit zwei Ständerspannungen überwiegen 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 Ständerspannungen werden verschieden ausgeführt. Wie bei der Dahlanderschaltung können die Stränge in Halbstränge unterteilt und für 500 V in , 400 V in und 230 V in an das Netz gelegt werden. Für die Doppelsternschaltung kann bis 440-V-Dreiphasenspannung und für die -Schaltung bis 250-V-Dreiphasen-Spannung angelegt werden. Durch entsprechende Bemessung erfolgt die Ständerwicklungsauslegung so, daß sich — trotz nicht genau passender Spannung — immer noch günstige Betriebseigenschaften ergeben.
Die Ständerwicklung kann auch neben der normalen Ausführung eine Zusatzwicklung besitzen. Bei 500 V Spannung liegt die Ständer- 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 Gegenüberstellungen von Kurzschlußläufermotoren und Schleifringläufermotoren 1.5.9.1Vorteile des Kurzschlußläufermotors gegenüber dem Schleifringläufermotor
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 Kurzschlußläuferwicklung liegen eng am Blechpaket des Läufers, wodurch die Wicklungsstreuung gering wird. Deshalb hat der Kurzschlußläufermotor weniger Blindleistungsaufnahme und auch weniger Wärmeverluste als der Schleifringläufermotor.
c) Praktische Verwendung für alle polumschaltbaren Motoren (Abschnitt 1.5.7.3). d) Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen. (Für explosionsgefährdete Verwendung müssen Motoren der EEx-Schutzklassen eingesetzt werden. Man unterscheidet gemäß den verschiedenen Gasen und Zündgruppen Motoren mit Kennzeichnung EEx-e T1-T4 und druckfest gekapselter Ausführung 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 europäischen Behörde. PTB-Braunschweig, Cenelec etc.)
1.5.9.2Vorteile des Schleifringläufermotors gegenüber dem Kurzschlußläufermotor
a) Wesentlich günstigere Anlaufbedingungen (Abschnitt 1.5.5.2) und Verwendung zur Drehzahlsteuerung mittels Schlupfveränderung (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-, Verladebrücken, Hebebühnen, Supportantriebe für lange Wellendrehmaschinen müssen gewöhnlich von mehreren Motoren angetrieben bzw. betätigt werden. Dazu ist unbedingt ein Gleichlauf der Motoren erforderlich. Um das zu erreichen, kann man ihre Läufer durch eine starre Welle (mechanische Welle) bzw. durch Getriebe verbinden.
Ist die Ausführung einer mechanischen Welle schwierig bzw. unmöglich, kann die Verbindung von Läufer zu Läufer elektrisch hergestellt werden (elektrische Welle).
Als elektrische Welle kommen vorwiegend Schleifringläufermotoren zur Anwendung.
1.5.10.1Aufbau bzw. Schaltungsweise
Ständer- wie auch Läuferwicklungen der Schleifringläufermotoren müssen untereinander parallel verbunden sein. Im Läuferkreis sitzt der gemeinsame Anlasser. Man kann sich das System aus zwei getrennten Schleifringläufermotoren aufgebaut denken, deren Anlasser zur Deckung gebracht worden sind.
Haben die Schleifringläufermotoren verschiedene Drehzahlkennlinien, treten Pendelungen und Schwebungen auf: ein geordneter Betrieb ist nicht möglich. Sollen weiterhin größere Drehzahlbereiche bestrichen werden, genügt die einfache elektrische Welle nicht mehr. Zwecks Erzielung einer größeren Stabilität für größere Steuerbereiche wird jede Wellenmaschine mit einem weiteren Antriebsmotor starr gekuppelt.
1.5.10.2Wirkungsweise der einfachen Wellenschaltung
Das Drehfeld beider Ständerwicklungen erzeugt in den Läufern Schlupfspannungen, die sich durch Gegenwirkung das Gleichgewicht halten. Erfährt einer der Läufer eine kleine Winkeländerung gegenüber dem anderen Läufer, entstehen Differenzspannungen, wodurch das elektrische Gleichgewicht gestört wird. Es fließt im Läufersystem ein Ausgleichsstrom, welcher bestrebt ist, die Läufer in die symmetrische Stellung zurückzuführen.
Das Gleichlaufprinzip ist nur dann sicher wirksam, wenn in den Läufern hinreichend große Spannungen erzeugt werden, d.h. der Dauerschlupf größere 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, müssen von diesem Motor läufer- und städerseitig zwei gleiche Stränge vertauscht werden.
1.6Asynchronmaschinen für Einphasenwechselstrom
Asynchronmaschinen sind robust, billig und einfach in der Wartung. Sie werden deshalb auch für Einphasenwechselstrombetrieb bevorzugt und fast ausschließlich als Motoren verwandt.
Übersynchron angetrieben oder mit Kondensatoren erregt können Asynchronmaschinen für Einphasenwechselstrom (Einphasen-Asynchronmaschinen, Einphasen-Induktionsmaschinen) ebenso wie Asynchronmaschinen für Drehstrom als Generatoren arbeiten.
1.6.1Aufbau
Einphasen-Asynchronmotoren sind gewöhnlich Kurzschlußläufermotoren, sehr selten Schleifringläufermotoren. Das Ständereisen von Drehstrom-Asynchronmotoren kann verwandt werden. Es gibt aber auch spezielle Ständereisenausführungen mit verschieden großen Nutquerschnitten, dem Haupt- und Hilfsstrang angepaßt. Zum Betrieb reicht der Hauptstrang (Betriebsstrang) Ul—U2 aus. Der Hauptstrang belegt zwei Drittel der Ständernuten. Würde der Hauptstrang alle Nuten belegen, wäre die elektrische Ausnützung zu ungünstig. Bei 33°/o Materialmehraufwand ergäbe sich nur ein Spannungsgewinn von etwa 13 bis 14°/o. Das restliche Drittel der Ständernuten wird vom Hilfsstrang (Anlaufstrang) Z l —Z 2 belegt. Unter gewissen Bedingungen bleibt der Anlaufstrang während 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 für 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 Ständerumfang keine bevorzugte Drehrichtung aufweist. Man kann es sich als zwei gleiche halbgroße Drehfelder mit entgegengesetzten Drehrichtungen vorstellen. Der Läufer verharrt im Stillstand. Der Motor verhält sich wie ein Transformator mit kurzgeschlossener Sekundärseite.
1.6.2.2Anlauf
Zur Inbetriebnahme der Einphasen-Asynchronmotoren muß die Überführung aus dem transformatorischen in den motorischen Zustand erfolgen. Hierzu ist eine bevorzugte Drehfeldbildung erforderlich, welche durch Läuferanwurf bzw. Anlaßglieder im Kreis des Hilfsstranges oder durch spezielle Hilfsstränge (Abschnitt 1.6.3) erreicht wird.
a) Der Anwurfmotor besitzt nur den Hauptstrang mit den Anschlüssen Ul —U2. Wird der Motor rechts- oder linksherum angeworfen, verlagern sich die Läuferströme. Die dadurch entstehenden phasenverschobenen Magnetfelder von Ständer und Läufer bilden eine unsymmetrische (elliptische) Drehfeldeinheit. Eine elliptische Drehfeldeinheit besitzt ungleichförmige Geschwindigkeit und ungleiche Größe. b) Die Anlaßdrossel liegt mit dem Hilfsstrang in Serie. Die Induktivität 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 beträgt etwa das 4- bis Stäche 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 günstigsten Anlaufeigenschaften. Durch die ideale Verschiebung der Ströme IHa und IHi von etwa 90° bei Nennbelastung kommt die eliptisxhe Drehfeldbildung der kreisförmigen am nächsten. Wegen zu hoher Stromaufnahme im Hifsstrang muß auch der Anlaßkondensator CA nach dem Hochlauf abgeschaltet werden.
e)Der Betriebskondensator, dessen Kapazität gewöhnlich ein Drittel der des Anlaufkondensators ist, kann mit dem Anlaufkondensator in Paralellschaltung zur Inbetriebnahme benutzt werden. Bei nicht zu hohem Anlaufmoment genügt 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 (erfahrungsgemäßer) basis. Die Kondensatorgröße richtet sich nach der Höhe des Anlaufmomentes MA. Überschlägig kann man festlegen, daß für 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 Kapazität fallen etwa quadratisch die Spannungen an den Kapazitäten. Es gilt die Beziehung
C1/C2 ~ (U2/U1)²
Unter diesen Voraussetzungen müßten bei niedrigen Spannungen relativ große Kondensatoren verwandt werden. Um bei höheren Anlaufmomenten mit kleinerer Kapazität 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 Läufer, überwiegend das in Drehrichtung wirkende Drehmoment. Das gegenläufige Drehfeld bleibt aber noch zu einem gewissen Teil bestehen. Dadurch ergeben sich folgende Nachteile:
Ein Gegendrehmoment (Bremsmoment f ~ 100 Hz) Erhöhter Magnetisierungsstrom Iµ und damit schlechter Leistungsfaktor cos j. Höhere Erwärmung und damit größere Verluste im Läufer, schlechterer Wirkungsgrad und somit geringere Belastbarkeit. Zusätzliche Schwingungen und Geräusche,
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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 Läufer, überwiegend das in Drehrichtung wirkende Drehmoment. Das gegenläufige Drehfeld bleibt aber noch zu einem gewissen Teil bestehen. Dadurch ergeben sich folgende Nachteile:
Ein Gegendrehmoment (Bremsmoment f ~ 100 Hz) Erhöhter Magnetisierungsstrom Iµ und damit schlechter Leistungsfaktor cos j. Höhere Erwärmung und damit größere Verluste im Läufer, schlechterer Wirkungsgrad und somit geringere Belastbarkeit. Zusätzliche Schwingungen und Geräusche, verursacht durch das Bremsmoment (Pendelmoment). Um die Nachteile weitestgehend zu beheben, bleibt der Hilfsstrang mit passendem Betriebskondensator während des Betriebs eingeschaltet. Dadurch sinkt die Blindleistungsaufnahme, und derLeistungsfaktor cos j steigt. Der Betriebskondensator bildet mit dem Hilfsstrang einen Reihenschwingkreis. Der Kondensatorspannungswert liegt über 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 Spannungsüberhöhungen am Hilfsstrang nicht zu gefärden, wird er oftmals geteilt angeordnet. Erfahrungsgemäß lassen die E-Werke am 230-V-Netz Einphasen-Asynchronmotoren mit Leistungen bis etwa 2 kW zu.( für 16A-Träge Sicherungen) 1.6.3Spezieller Hifsstrang
Beim Vorhandensein eines speziellen Hilfsstranges erübrigt sich ein weiteres Anlaßglied. Er kann in folgender Ausführung 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 dürfen. Der Motor könnte u.U. nicht anlaufen. zu 2. Bei bifilaren Hilfsstang werden die Spulen zu 67% in Vorwärtsrichtung, zu 33% in Rückwärtsrichtung 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. während des Betriebes wieder einschalten, hat ein Bimetallrelais den Hilfsstrang vor zu lang andauernder Überlast zu schützen. Die Betriebseigenschaften des Motors beim bifilarem Hilfsstrang liegen ungünstiger als beim Kondensatormotor. Er wird für Leistungen bis etwa 1 kW gebaut.
zu 3. Der kurzgeschlossene Hilfsstrang läßt sich als verteilte Wicklung oder als einfacher Kurzschlußring im Ständerpaket unterbringen. Der letztere Fall liegt bei dem in der Praxis sehr verbreiteten Spaltpolmotor vor.
1.6.4Spaltpolmotor
1.4.4.1Aufbau
Die Käfigwicklung des Läufers besteht gewöhnlich aus verschränkt angeordneten Rundstäben. Die Ständerform weicht von der konventionellen Bauweise (genutetes Ständerblechpaket) ab. Er besitzt lamellierte, ausgeprägte Pole, die durch die Spaltnut in Haupt- und Spaltpole geteilt sind. Zur Erreichung einer günstigen Feldverteilung läßt man die Polschuhspitzen zusammenlaufen bzw. überlappen oder verbindet sie durch Streubleche. Die Netzwicklung (Hauptstrang) U1-U2 liegt um die Polschäfte bzw um das Ständerjoch, die Spaltpolwicklung (kurzgeschlossene Hilfswicklung) um den Spaltpol.
1.6.4.2Wirkungsweise, Betriebsverhältnisse 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 <<Feldlinienverdünnung>>. Auf diese Weise entsteht ein elliptisches Drehfeld, welches vom Hauptpol zum Spaltpol desselben Poles wandert. Der Läufer dreht sich stets in Richtung Hauptpol-Spaltpol desselben Poles.
Vorteile: Sehr einfach im Aufbau; billig, robust; keine Wartung; selbständiger Anlauf mit gutem Anlaufmoment (etwa 50% vom Nennmoment); Betrieb als Synchronmotor bei teilweiser Läuferausführung mit hartmagnetischem Werkstoff. Der Motor läuft normal asynchron an und wird wie der Reluktanzmotor in den Synchronismus hineingezogen.
Nachteile: Nur für kleine Leistungen (etwa 1 bis 300 Watt) verwendbar, da Leistungsfaktor und Wirkungsgrad schlecht sind; In Normalausführung nicht ohne weiteres drehrichtungsumkehrbar. Es muß eine zweite Spaltpolwicklung vorhanden sein, bzw. der Läufer muß duch Abnahme der Lagerschilder umgekehrt werden.
1.6.5Drehstrom-Asynchronmotor am Einphasennetz
Fällt während des Drehstrom-Motorbetriebes eine Sicherung aus, liegt der Drehstrom-Asynchronmotor am Einphasennetz. Er kann mit 50% seiner ursprünglicher Leistung weiterarbeiten. Achtung ! Zweiphasenlauf zerstört normalerweise den Motor! Ablilfe: (Siehe auch 1.5.3.2.3A Kompenation), Einsatz von Spezialsicherungen oder auch Phasenüberwachungsrelais.
Wird der Drehstrom-Asynchronmotor an das Einphasennetz gelegt, verhält er sich wie ein Einphasenmotor ohne Hilfsstrang: Er läuft nicht an. Erst ein Anwurf wie beim Einphasen-Anwurfmotor setz ihn (jedoch nicht immer) in Betrieb. Soll der Drehstrom-Asynchronmotor selbstätig anlaufen, müssen Anlaßglieder (Kondensator, Drossel, ohmscher Widerstand) wie beim Einphasenmotor verwandt werden. Ein Universalrezept für 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 für normale Drehstrommotoren am Einphasennetz
Die Steinmetzschaltung kommt für 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 Größen 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 größeren Stromaufnahme eine größere Kapazität erforderlich. Die Kondensatoren müssen mit den Motoren zusammen ausgemessen werden. Mit dem Betriebskondensator wird nur ein Anzugsmoment von etwa 30% des Nennmoments erreicht. Die Leistung beträgt nur etwa 70% der normalen Drehstrommotorenleistung. Soll das Anzugsmoment höher liegen (etwa 100%), legt man einen Anlaßkondensator mit etwa doppelter Kapazität parallel zum Betriebskondensator. Nach erfolgtem Hochlauf muß der Anlaufkondensator abgeschaltet werden.
1.6.5.1aOtt-Steinmetz-Schalter für 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" trägt. 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 zusätzlich am Anlaufkondensator, welche nach Anlauf abgeschaltet wird, erhöht. Das Anzugsmoment wird gegenüber der normalen Steinmetzschaltung um mehrere 100% erhöht. Es ist so stark, daß ein Reversieren (Wenden der Drehrichtung während 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 hauptsächlich für Handschalter für eine oder 2 Drehrichtungen. Anwendung: Schweranlaufende Pumpen, Mischmaschinen etc. Für automatisch anlaufende Kompressoren z.B.kann eine automatische Schützschaltung gefertigt weden, die jedoch komplizierter ist, weil u.A.wie bei der automatischen Stern-Dreieck-Schaltung ein Zeitrelais für die Umschaltung sorgen muß. Aus Preisgründen 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 Läuferdrehzahl stimmen überein.
In Synchronmaschinen wird das Drehfeld durch ein Gleichfeld eines umlaufenden Permanent- bzw. Elektromagneten erzeugt (Generatoren) oder wenn in eine Drehstromwicklung Drehstrom hineingeschickt wird (Motoren).
Während Asynchronmaschinen vorwiegend zum Motorenbetrieb Verwendung finden, kommen Synchronmaschinen hauptsächlich für Generatorenbetrieb in Frage.
1.7.1Aufbau Grundsätzlich werden Außen- und Innenpolmaschinen hergestellt.
1.7.1.1Außenpolmaschine
Der Ständer der Außenpolmaschine gleicht dem der Gleichstromnebenschlußmaschine ohne Wendepole, der Läufer dem des Schleifringläufers. Die Spannungserzeugung erfolgt im Läufer, die elektrische Energie wird über Schleifringe zu- bzw. abgeführt. Bei höheren Spannungen bereitet die Isolation der Schleifringe Schwierigkeiten. Hohe Leistungen erfordern große Ausmaße der Schleifringe und Bürsten. Die Fliehkräfte der rotierenden Maschinenteile können beachtliche Größen erreichen. Aus diesem Grunde werden Synchron-Außenpolmaschinen nur für kleinere Leistungen gebaut. Einankerumformer — von der Wechselstromseite betrachtet — sind Synchron-Außenpolmaschinen (Abschnitt 1.9.3).
1.7.1.2Innenpolmaschine
Der Ständer der Innenpolmaschine gleicht dem der normalen Asynchronmaschine. Das Magnetfeld wird im Läufer (Polrad) erzeugt. Entsprechend der Art der Antriebsmaschine
Dampfturbine --> Schnelläufer Wasserturbine --> Langsamläufer wird das Polrad als a) Vollpolläufer, auch Walzen- oder Zylinderläufer genannt, für hohe Drehzahlen bzw. b) Schenkelpolläufer, auch Läufer mit ausgeprägten Polen genannt, für langsamere Drehzahlen ausgeführt. Innenpolmaschinen werden heute für Leistungen bis über 2,6 GVA (sprich: Giga-Volt-Ampere, 1000MVA = 1 GVA) gebaut. Supraleitergeneratoren bestimmen die Neukonstruktionen. Dabei werden die Wicklungen bis zum absoluten Nullpunkt tiefgekühlt, wodurch in den Leitern kein Widerstrand mehr vorhanden ist. Zu a) Der Vollpolläufer besitzt ein z.T. mit Parallel- bzw. Radialnuten hergerichtetes Läufereisen, in dem die Erregerwicklung untergebracht ist. Die Nuten werden durch Bronzekeile verschlossen. Vollpolläufer haben gewöhnlich Dampfturbinen als Antriebsmaschinen und werden deshalb vorwiegend zweipolig, seltener vierpolig und sehr selten sechspolig ausgeführt.
Zu b) Der Schenkelpolläufer besitzt ausgeprägte Pole, auf deren Polschäften die von Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklungen untergebracht sind. Schenkelpolläufer werden normalerweise von Wasserturbinen angetrieben.
Drehstromgeneratoren, Synchron- u. Asynchronmaschinen
Alle Synchrongenerataren werden von Firma Kemmerich Elektromotoren mit ein- bzw. aufgebautem elektronischem Spannungsregler geliefert. Sie gewähren auch bei differenzierter Belastung kontinuierliche Spannungs- und damit Leistungsabgabe. Beim Kauf von Generatoren sollten daher Synchrongeneratoren den Asynchrongeneratoren immer vorgezogen werden.
1.7.1.3Dämpferwicklung
Die Ausführung der Dämpferwicklung gleicht der Käfigläuferwicklung. Die Dämpferstäbe können in Rund-, Rechteck- oder Flachform ausgeführt sein und sind an den Stirnseiten durch Kurzschlußringe verbunden. Die Stäbe werden unisoliert in den Polschuhen untergebracht. Dämpferwicklungen können drei grundlegende Aufgaben erfüllen:
a) Bei Parallelschaltung von Synchrongeneratoren soll die Netzstabilität gewahrt werden. b) Bei schnell entstehenden Belastungsänderungen sollen Pendelerscheinungen und somit Oberwellenbildungen (Abschnitt 1.5.3.2.2) verhindert werden, um zusätzlich Verluste im Generator und Netz zu verhüten. Während der Pendelschwingungen treten in der Dämpferwicklung Ströme auf, die ein zusätzliches Hilfsmoment hervorrufen, um damit das Polrad schnell wieder «in Tritt» zu bringen.
c) Bei Synchronmotoren können Dämpferwicklungen 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 zugeführt. In großen Synchronmaschinen können Erregerströme in der Größenordnung von einigen hundert Ampere fließen. Vielfach wird in moderneren Anlagen die Selbsterregung angewandt. Die «aufgeschaukelte» Erregerenergie wird gleichgerichtet, geglättet und dem Polrad zugeführt. Die Konstanthaltung der Netzspannung erfolgt gewöhnlich durch elektronische Regelung.
1.7.5.1Synchron-Kleinstmotor
1.7.5.1.1Aufbau
Das Ständereisen läuft gewöhnlich in zwei Polhörnern aus, die an den Innenseiten mit je 8 bis 10 Zähnen versehen sind. Die Netzwicklung (Ständerwicklung) U1-U2 ist eine einfache konzentrische Spule. Der Ständer ist aus Dynamoblechen aufgebaut. Der Läufer kann aus weich- oder hartmagnetischem Werkstoff bestehen. Er besitzt - der gewünschten Drehzahl entsprechend - am gesamten Umfang als Pole ausgebildete Zähne bzw. überhöhte magnetische Zonen.
1.7.5.1.2Wirkungsweise
Synchron-Kleinstmotoren können für Anwurf wie auch für Selbstanlauf gebaut sein. Die eingeschaltete Netzwicklung Ul—U2 baut ein Wechselfeld auf. Den Polaritäten der Polhörner stehen entgegengesetzte Läuferpolaritäten gegenüber. Besteht der Läufer aus Weicheisen, ist ein Selbstanlauf nicht möglich. Die durch den Anwurf entstehende Schwungenergie bewegt den auf «Lücke stehenden» Läufer weiter. So wird bei jeder Halbperiode des Wechselstromes ein Läuferzahn um eine Zahnteilung am Polhorn weiterrücken.
Die Zähnezahl des Läufers (nicht die Zähnezahl des Polhons) ist bestimmend für die Drehzahl.
Beispiel
Der Läufer eines Uhrenmotors hat die Zähnezahl 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 Kurzschlußläufer mit teilweise ausgebildeter Käfigwicklung. Dadurch entstehen am Läuferumfang — entsprechend der Polzahl des Ständers — Zonen mit höherer und niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit. Zonen (Bereiche) mit höherer Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit) können als Pole angesehen werden. Das gleiche Ziel kann auch durch Aussparungen bzw. Abflachungen — wiederum entsprechend der Ständerpolzahl — am Läufer erreicht werden. Die Überhöhungen am Läufer können hier ebenfalls als Pole betrachtet werden.
Durch das Bestreben der Feldlinien, den Weg des kleinsten magnetischen Widerstandes zu gehen, wird der Läufer in den Synchronismus gezogen.
Der Reluktanzmotor läuft asynchron an und zieht sich in den Synchronismus hinein. Bei Überlastung fällt er in den Asynchronismus zurück und läuft bei nicht zu großer Überlastung weiter. Die bauliche Veränderung des Läufers verschlechtert die Betriebseigenschaften wesentlich gegenüber einem gleichwertigen normalen Kurzschlußläufermotor. Darum kommt er nur für kleine Leistungen in Frage. Verwandt wird er als Uhrenmotor sowie für 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 für eine Umdrehung der Motorenwelle erforderlich sind (Abschnitt 1.7.6.3.3). Ihr Einsatz erfolgt deshalb hauptsächlich für 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 auszuführen, muß jeweils ein Spulensystem der Ständerwicklung des Motors umgepolt werden. Die Umpolung erfolgt durch impulsartige Ansteuerung von Transistoren, welche hier die Aufgabe eines elektronischen Schalters haben und einen Stromwender überflüssig machen. Diese Funktionsweise entspricht dem Grundgedanken des Drehfeld-Synchronprinzips.
Die beiden Elektromagneten stellen den Ständer, der Dauermagnet den Läufer des Schrittmotors dar. Werden nach vorgegebenen Zeittakten die Spulen N1 und N2 von Impulsen durchsetzt, wird sich der Permanentmagnet entsprechend der jeweiligen Ständerpolarität einstellen. Hat also z.B. der Läufer für Rechtslauf die Position l, und es wird für einen Elektromagneten der Impuls gelöscht, vollführt 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)Ständer - Die Ausführung Klauenpol-Schrittmotor:
Eine Polkranzschale l (einseitiges Ständerblech) mit entsprechender Anzahl Polzähne greift in die Pollücken der gegenüberliegenden Polkranzschale 2. Beide Polkranzschalen bilden mit der Erregerringspule ein Polkranzsystem (Ständersystem mit 20 Polen). Ein zweites gleich aufgebautes Polkranzsystem ist gegenüber 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 Läuferzähne bestimmt den Schrittwinkel (Abschnitt 1.7.6.3.3).
Das lamellierte Statorblech besitzt ausgeprägte Pole mit Zähnen. Um jeden Polhals sitzt eine Erregerspule. Die Spulen aller Pole können zur Mehrphasenwicklung verschaltet sein.
b) Läufer
Der Läufer kann aus aktivem (hartmagnetischem, permanentem) wie auch aus reaktivem (weichmagnetischem, remanentem) Material aufgebaut sein.
Der aktive Läufer herrscht in der Praxis vor. Er kann aus einem normalen zylindrischen Dauermagneten bestehen bzw. aus einem in Längsrichtung magnetisierten Permanentmagneten mit an beiden Stirnseiten aufgeschobenen Polschuhen, welche jeweils bis zu 50 Läuferzähne besitzen können. Die Zähne von Polschuh l sind gegenüber den Zähnen von Polschuh 2 jeweils um die Zahnlücke versetzt. Die Zähne des einen Polschuhs bilden die Nordpole, die des anderen Polschuhs die Südpole.
Der reaktive Läufer ist mit magnetisch überhöhten Zonen wie beim Synchron-Kleinstmotor bzw. Reluktanzmotor aufgebaut. Der Läufer bewegt sich mit reaktivem Moment und nimmt die günstigste Ständerzahn-Läuferzahn-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
Für die Wicklungserregung hat man in der Praxis gewöhnlich Spannungsquellen zwischen 12V bis 42V. Als grundsätzliche 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 müssen.
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 gegenüber der unipolaren: Höheres Drehmoment bei höherer Schrittfrequenz.
Nachteil der bipolaren Steuerschaltung gegenüber der unipolaren: Aufwand an doppelter Anzahl Transistoren.
Um eine kleinere Zeitkonstante zu erhalten, kann in beiden Steuerschaltungen zur Spuleninduktivität 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 zusätzlichen Dämpfungswiderständen. Die Schaltung wird vorwiegend für kleine Leistungen angewandt.
1.7.6.3.2 Schrittfrequenz
Die Schrittfrequenz bestimmt den in l s zurückgelegten Schrittweg. Sie kann etliche 100 Hz betragen. Achtung! Da mit steigender Schrittfrequenz das Drehmoment des Motors fällt, darf eine bestimmte Grenzfrequenz nicht überschritten werden. Der Motor fällt 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 Ständerzähne. Die Zähnezahl des Läufers beträgt 80.
a) Wie groß ist sein Vollschrittwinkel a ? b) Welchen Winkel b ? legt er sekundlich bei einer Schrittfrequenz f = 500s-1 zurück?
Lösung a) Unter jedem Ständerpolzahn befinden sich zwei Läuferzähne; also gilt a =360°/(ZStänder*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 Ständerpolen besitzt 5 Zähne pro Ständerpol. Sein Läufer besitzt 50 Polpaare (Zahnpaare).
a) Wieviel beträgt sein Voll- und sein Halbschritt?
b) Wie viele Halbschritte gehören zu einer Läuferumdrehung?
Lösung
a) 50 Läuferzahnpaare ergeben 100 Läuferzähne. Ferner befinden sich unter jedem Ständerpol 100/10 = 10 Läuferzähne. Demzufolge unter jedem Ständerzahn 10/5 = 2 Läuferzähne. Dementsprechend wird der Vollschrittwinkel
a1) a=360°/(2*PStänder*(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 Gründen der Herstellung wie auch der Werkstofftoleranzen nicht zu unterschreiten.
1.7.6.4 Anwendungen
Der Einsatz der Schrittmotoren erfolgt vorwiegend in der Digitaltechnik für Regelungs und Steuerungsfragen. Es soll vor allem eine präzise 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, Büromaschinenbetrieb, Zeigerantrieb von Uhren, Ruderverstellungen im Schiffswesen, Datenspeicherbetrieb usw.
3 Drehzahlverstellung elektrischer Antriebe
In der Antriebstechnik hat der Thyristorstromrichter als Speisegerät für elektrische Maschinen die früher verwendeten Transduktoren (Magnetverstärker) 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 verläuft vom Wechselstromsystem in das Gleichstromsystem.
Wechselrichten Die Energierichtung verläuft 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 Polarität umgeformt. Der Energiefluß erfolgt in zwei Richtungen.
3.1.1 Steuern der Energieflußrichtung
Stromrichter können ungesteuert und gesteuert ausgeführt werden. Bei ungesteuerten Stromrichtern (z.B. Gleichrichtern) ist das Verhältnis von Eingangsspannung zur Ausgangsspannung fest vorgegeben, während 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 für 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 Gerätekombination 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 führen beide Zweige Strom. Die Kommutierung beginnt mit dem Zünden 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 natürlichen (netzgeführten) Kommutierung wird der Beginn der Kommutierung von der Netzspannung bestimmt. Bei der selbstgeführten (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 natürlicher Kommutierung zählen: Netz- und lastgeführte Gleichrichter Wechselrichter Direktumrichter
Zu den Stromrichtern mit erzwungener Kommutierung zählen: Gleichstromschalter und Steller Wechselrichter Umrichter mit Zwischenkreis
Zu den Stromrichtern ohne Kommutierung zählen: Wechsel- und Drehstromschalter und Steller
Bei ihnen findet keine Kommutierung statt. Ein neues Ventil wird erst nach dem Löschen des vorherigen Ventils gezündet.
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 müssen vor folgenden Überbeanspruchungen geschützt werden: zu hohen Spannungen, zu schnellen Spannungsänderungen zu großen Strömen, zu schnellen Stromänderungen Schutz gegen Überspannungen
Die Überspannungen können, im Stromrichter selbst, durch den Trägerstaueffekt (TSE) entstehen (Rückstromabriß in Verbindung mit der Lastinduktivität), 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 Hilfsbrücke mit Kondensatoren eingesetzt. Diese ist preiswerter als alle Außenleiter untereinander und gegen Null mit einer RC-Beschaltung zu schützen. Die Last selbst kann ebenfalls noch mit einer Schutzbeschaltung versehen werden. Die Bauelemente selbst sollten jedoch spannungsmäßig mit einem Sicherheitsfaktor von K ~ 2 gegenüber der auftretenden Sperrspannung ausgelegt werden.
URRM ~ K · Ö 2 · UNetz
Schutz gegen zu große Ströme Zu große Ströme können durch Kurzschlüsse im Stromrichter oder an der Last bzw. durch Versagen der Strombegrenzung oder durch Ausfall des Stromreglers entstehen. Hier sind superflinke Sicherungen erforderlich, da die Wärmekapazität eines Thyristors innerhalb von 10 ms erreicht werden kann. Die Wärmemenge, die zum Schmelzen und Auslösen der Sicherung führt, muß daher kleiner sein als die Wärmemenge, die der Thyristor vertragen kann, ohne Schaden zu nehmen. Diese Wärmemenge des Thyristors wird in den Datenblättern als das Grenzlaslintegral òi² dt bezeichnet. Die Hersteller der Bauelemente geben jedoch vielfach in ihren Listen geeignete Sicherungen für 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. Für 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 über 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). Für die Ausgangsgrößen werden nur der arithmetische Mittelwert für Spannung (Ud) und Strom (Id) angegeben, da nur die Wirkleistung am Motor von Interesse ist. Durch induktive Last wird der Strom geglättet, so daß der Ventilstrom von der Wellenform in die Rechteckform übergeht.
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 hauptsächlich 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 Kühlkörper gesetzt werden. Nachteil: Die Sperrspannungsbeanspruchung ist sehr groß. Der Transformator muß eine Mittelanzapfung besitzen.
3.1.4.3 Zweipuls-Brückenschaltung B 2
Anwendung: Hauptsächlich 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 günstigste unter den Einphasenschaltungen. Die Bauleistung des Transformators ist nur gering größer 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 Kühlkörper montiert werden können. Nachteile: Die Sperrspannungsbeanspruchung der Dioden ist groß. Es muß ein Drehstromnetz bzw. ein Transformator mit voll belastbarem Null- bzw. Sternpunkt zur Verfügung stehen.
3.1.4.5 Sechspuls-Brückenschaltung (Drehstrom-Brückenschaltung) B 6
Anwendung: Für 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 für Gleichrichterschaltungen
In Tabelle 3/1 sind die wichtigsten Berechnungsformeln der einzelnen Gleichrichterschaltungen für ohmsche und induktive Last aufgeführt. Aus den Vor- und Nachteilen der einzelnen Gleichrichterschaltungen ist ersichtlich, daß die Einphasen-Brückenschaltung B 2 und die Drehstrom-Brückenschaltung B 6 die in der Praxis am häufigsten eingesetzten Schaltungen sind.
3.1.5.1 Spannungsbeanspruchung der Dioden
Da die periodischen Spitzensperrspannungen URRM von Dioden Grenzwerte sind, dürfen diese Werte im Btrieb nicht überschritten werden. Daher muß zwischen dem Scheitelwert der Netznennspannung und der periodischen Spitzensperrspannung ein Sicherheitsabstand eingehalten werden. Je nach der Größe 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 zulässige periodische Spitzenspannung einer Diode sollte folgenden Wert keinesfalls unterschreiten: __ URRM ~ 1,5 bis 2,5 · Ö 2 ·UNetz
Überspannungen, die diesen Faktor übersteigen, sollten nicht durch Überdimensionierung der Diodensperrspannung, sondern durch eine geeignete Schutzbeschaltung bedämpft 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 müssen in jedem Fall eingehalten werden, d.h., die in der Schaltung auftretenden Werte müssen in jedem Fall kleiner sein. Da bei höherpulsigen Schaltungen der Effektivwert des Diodenstromes im Verhältnis zum arithmetischen Mittelwert groß wird, reicht die Auslegung nur nach arithmetischem Mittelwert nicht aus. Es müssen 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 schützen, 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 größer sein als der errechnete Strom IFRMS .Das Grenzlastintegral der Sicherung muß jedoch kleiner sein als das der Diode. Wird die Sicherung bei einer Brückenschaltung im Strang angeordnet, so muß der Nennwert der Sicherung um den Faktor _ Ö2 gegenüber dem errechneten Diodenstrom IFRMS vergrößert werden.
3.2 Gesteuerte Stromrichter für Gleichstrommotoren
Thyristoren
Werden die Dioden ganz oder teilweise gegen Thyristoren ausgetauscht, so besteht die Möglichkeit, durch Verzögern des Zündzeitpunktes gegenüber dem «natürlichen Zündzeitpunkl» (Zeilpunkt, bei dem Dioden den Strom übernehmen) die Ausgangsspannung einzustellen. Der Zündwinkel wird im natürlichen Zündzeitpunkt mit a = 0° bezeichnet. Von hier aus wird er in elektrischen Graden gezählt. 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 Zündwinkelverstellung wird dem Netz Blindleistung entnommen (phi ist zündwinkelabhängig). Durch zusätzliche Glättungsdrosseln im Lastkreis wird eine entsprechende Glättung des Stromes erreicht und ein Lücken des Stromes vermieden. Unter «Lücken» versteht man das Nullwerden des Stromes. Je nach Zündzeitpunkt und Art der vollgesteuerten Schaltung können daher an der Last negative Spannungszeitflächen entstehen.
3.2.1 Impulssteuersatz
Die zur Zündung erforderlichen Zündimpulse werden dem Impulssatz bzw. Steuersatz entnommen. Die Impulse werden synchron zur anliegenden Frequenz der Netzspannung erzeugt und lassen sich abhängig 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 Zündimpulse und damit den Strom des Stromrichters. Je nach Art der anzusteuernden Schaltung müssen 2-Puls-, 3-Puls- oder 6-Puls-Steuersätze verwendet werden. Die Elektronikindustrie liefert hierfür komplett serienmäßig hergestellte Steuersätze oder auch integrierte Schaltkreise.
3.2.2 Halb- und vollgesteuerte Stromrichterschaltungen
Die 2-Puls-Brückenschaltung B 2 und 6-Puls-Brückenschaltung B 6 werden in der Praxis am häufigsten eingesetzt, da sie auch ohne Transformator direkt am Netz betrieben werden können. Bei beiden Schaltungen besteht die Möglichkeit, nur die eine Hälfte der Dioden durch Thyristoren auszuwechseln. Solche Schaltungen werden als halbgesteuerte Stromrichter bezeichnet. Negative Spannungszeitflächen können bei halbgesteuerten Schaltungen nicht auftreten, da der leitende Thyristor in Verbindung mit einer Diode oder zwei Dioden zusammen einen Freilaufkreis gegenüber der Last bildet.
3.2.3 Gleichrichterbetrieb
Gleichrichterbetrieb eines Stromrichters liegt dann vor, wenn Energie aus dem Wechselstromnetz über den Stromrichter dem Gleichstromnetz zugeführt wird (Abschnitt 3.1.1). Bei vollgesteuerten Stromrichtern ist dieses der Fall, wenn der Zündwinkel a von a = 0° bis a = 90° variiert wird. Bei halbgesteuerten Stromrichtern liegt dieser Betrieb bei Zündwinkeln 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 Spannungszeitfläche 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 über den Stromrichter in das Wechselstromnetz zurückgeliefert wird. Nachfolgend nochmals die erforderlichen Voraussetzungen für 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 Polarität besitzen, welche eine für den Stromrichter richtige Stromrichtung liefert. 3. Um den Rückspeisestrom 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 Induktivität 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 zurückgespeist wird.
3.2.5 Wechselrichtertrittgrenze
Mit Wechselrichtertrittgrenze bezeichnet man den größten Steuerwinkel im Wechselrichterbetrieb, der mit Rücksicht auf eine einwandfreie Kommutierung nicht überschritten werden darf. Wird dieser Winkel aw ~ 160° überschritten, kann das gezündete Ventil den Strom nicht mehr von dem noch leitenden Ventil übernehmen. Der Strom bleibt auf dem abgebenden Ventil «hängen», das bedeutet, da die Spannung wieder in positiver Richtung läuft, einen schlagartigen Polaritätswechsel der Stromrichterausgangsspannung (Wechselrichterkippen). Der hieraus entstehende kurzschlußartige Laststrom läßt die Sicherungen ansprechen.
Dieser Vorgang wirdvermieden, wenn der Zündwinkel 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° beträgt aw ~ 150° bis 160°.
3.2.6 Zweipulsige vollgesteuerte Brückenschaltung B 2
Die vier steuerbaren Ventile ermöglichen im Gegensatz zu den halbgesteuerten Schaltungen den Wechselrichterbetrieb. Die Ventile müssen paarweise (diagonal) gezündet werden. Ohne Netztransformator müssen in den Netzzuleitungen Kommutierungsdrosseln vorgesehen werden. Die nachfolgenden Strom- und Spannungsverläufe sind unter idealen Voraussetzungen gezeichnet:
a) völlig geglätteter Laststrom durch Glättungsdrossel mit L = ¥ , b) Kommutierungszeit Null, c) ideale Ventile.
Bei schlagartiger Zündwinkelverstellung ergibt sich mit der induktiven Last der dynamische Wechselrichterbelrieb. Für den statischen Wechselrichterbetrieb ist eine Energiequelle mit richtiger Polung erforderlich, siehe Abschnitt Wechselrichterbetrieb.
3.2.7 Sechspulsige Brückenschaltung B 6
Für größere Leistungen und symmetrische Netzbelastung wird die Drehstrombrückenschaltung B 6 verwendet. Durch die hohe Pulsfrequenz (6 Pulse je Periode) betragt die Frequenz der Ausgangsgleichspannung 300 Hz. Zur Glättung des Ankerstromes reicht daher in den meisten Fällen die Ankerinduktivität aus.
Unter der Voraussetzung eines nicht lückenden Stromes errechnet sich die Ausgangsspannung zu Uda = Ud · cos a
Um einen einwandfreien Betrieb der Schaltung auch bei Lückbetrieb zu gewährleisten, müssen ständig zwei Thyristoren gezündet werden. Wenn die Zündimpulse sich überlappen sollen, muß der Einzelimpuls daher eine Breite von 60° besitzen. Eine bessere Möglichkeit bieten aber Doppelimpulse im Abstand 60° oder Kettenimpulse, da hierdurch die Baugrößen der Impulstransformatoren erheblich reduziert werden.
3.2.8 Halbgesteuerte Brückenschaltung B 2 HZ
Bei der halbgesteuerten Wechselstrombrückenschaltung sind zwei unterschiedliche Schaltungen möglich. Hier soll jedoch nur die B 2 HZ (H = halbgesteuert, Z = zweipaar gesteuerte Brücke) besprochen werden, da sie häufiger 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 erwähnt, kein Wechselrichterbetrieb möglich, d.h. keine schnelle Entmagnetisierung und keine Energierückspeisung beim Bremsen von Motoren.
Bei l-Quadranten-Antrieben (nur eine Drehrichtung ohne Bremsen) jedoch durchaus eine häufig eingesetzte Stromrichterschaltung. Bei Triebfahrzeugen der DB werden zur weiteren Leistungsfaktorverbesserung sogar 2 halbgesteuerte Schaltungen in Reihe geschaltet. Auf die halbgesteuerte Drehstrombrücke soll nicht mehr eingegangen werden, da sie keine neuen Erkenntnisse bringt.
3.2.9 Aufbau eines geregelten Stromrichters
Drehzahlveränderbare 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 drehzahlveränderbaren Antrieb muß sowohl der Stromrichter als auch die Maschine vor strommäßiger Überlastung geschützt werden. Hierzu dient eine Strombegrenzung, die durch eine Begrenzung der Stellgröße (Ausgangsspannung) des Drehzahlreglers vorgenommen wird. Da der Stromregler dem Drehzahlregler nachgeschaltet ist, spricht man von einem Drehzahlregler mit unterlagerter Stromregelung. Der Stromregler führt den Ankerstrom entsprechend dem vorgegebenen Sollwert und regelt Stromänderungen durch Störgrößen, wie Netzspannungsschwankung6n oder Belastungsänderungen, 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 größeres 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 über seine Ausgangsspannung den Impulssteuersatz. Hierdurch werden die Impulse verschoben, damit sich die Ausgangsspannung des Stromrichters so erhöht, daß der benötigte Strom für das geforderte Moment fließen kann. Die Regler werden heute meist aus OP-Verstärkern aufgebaut. Der am häufigsten 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 abhängig vom Spannungsabfall im Anker IA · Ri (belastungsabhängig) 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 über die Ankerspannung (Klemmenspannung) und das Erregerfeld beeinflußt werden. Der gesamte Drehzahlstellbereich wird in Ankerstellbereich und Feldstellbereich unterteilt. Bis zur Nenndrehzahl geschieht die Verstellung über die Ankerspannung bei konstanter Erregung. Oberhalb der Nenndrehzahl erfolgt die Drehzahlverstellung durch Feldschwächung 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 Sollwertänderung ein schnelles Ansteigen des Ankerstromes auf den maximalen Stromwert (eingestellte Stromgrenze). Während 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 Fällen ist es notwendig, die Drehzahl über den Nennwert zu erhöhen. Das ist praktisch nur möglich, wenn das Feld des Motors geschwächt 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 Feldschwächung das Moment zurückgeht. Als Istwert bei Feldschwächung dient dann für 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 Schützen 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 Stromrichterbrücken 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 kreisstromführende 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 betriebsmäßige 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 betriebsmäßige Umschaltung im Anker- oder Feldkreis. Für diese Betriebsart muß eine vollgesteuerte Stromrichterschaltung eingesetzt werden. 4-Quadranten-Antriebe a) Mit Umschaltung im Ankerkreis Gleichstrommaschine und Einfachstromrichter Betriebsmäßige Umschaltung im Ankerkreis. Zusätzlich zum vollgesteuerten Stromrichter sind Ankerumschaltschütze sowie eine Umschaltlogik erforderlich. Umsteuervorgang im Stromrichter bei Übergang vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb:
1. Zündimpulse 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 Zündimpulse ganz gesperrt. 4. Umpolung des Ankerkreises mit Schaltschützen. 5. Freigabe der Zündimpulse im Wechselrichterbetrieb a ~ 150°. 6. Die negative Netzspannung wirkt der Klemmenspannung des Motors (Generators) entgegen, d.h. Ankerstrom sehr gering oder Null. 7. Durch Zündwinkeleinstellung 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 Zündwinkel 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 größer 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 Betriebsmäßige Umschaltung im Feldkreis. Zusätzlich zu einem vollgesteuerten Stromrichter sind hier Umschaltschütze für 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, während die Zündimpulse 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 Zündimpulse des einen Stromrichters und gibt die des anderen an der Wechselrichtertrittgrenze frei. Während 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 Kreisstromführende 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 über beide Stromrichter fließt, hinzu. Die Zündwinkel für beide Geräte müssen 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 Induktivitäten (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 erhältlich)
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 selbstgeführt, sie benötigen keine Taktung durch die Netzfrequenz und keine netzgeführte Kommutierung. Die Kommutierung erfolgt entweder durch Widerstandserhöhung (Leistungsschalttransistor) oder durch eine kapazitive Zusatzspannungsquelle (Kommutierungskondensator). Die Kommutierung kann daher netzunabhängig durchgeführt werden. Das Abschalten von Gleichstrom im ohmsch-induktiven Kreis ist nur mit Freilaufdiode möglich, da sonst die Induktionsspannung die Bauelemente zerstören würde. Die Freilaufdiode sollte eine Diode mit kleiner Sperrverzugszeit trr große Rückströme, 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 über Treiberschaltungen mit einem entsprechenden Impuls-Pausen-Verhältnis 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 Vorgänge ab:
1. Der Hauptthyristor wird gezündet. Der Motorstrom kommutiert in den Hauptthyristor. Die Kondensatorladung schwingt über den Umschwingkreis auf entgegengesetzte Polarität, die zum Löschen des Hauptthyristors erforderlich ist, um. 2. Der Umschwingvorgang ist beendet, der Kondensator hat die richtige Löschpolarität. Das Rückschwingen wird durch die Umschwingdiode verhindert. Der Motorstrom steigt an. Der Hauptthyristor leitet. 3. Der Löschthyristor wird gezündet. Er schaltet die Spannung des Löschkondensators an den Hauptthyristor. Der Hauptthyristor sperrt. Der Motorstrom kommutiert in den Löschkreis und lädt den Löschkondensator um. Die Zeit, in der negative Spannung am Hauptthyristor liegt, ist die Schonzeit. In dieser Zeit muß der Thyristor seine Sperrfähigkeit für 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 Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Aussteuerung wird hierdurch begrenzt. Ein günstiger 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 (Tastverhältnis 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 ständig ändert und hierdurch negative Rückwirkungen auf das Netz entstehen können.
3.2.12.3 Einsatz von Gleichstromstellern (DC)
Gleichstromsteller werden im wesentlichen für 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 für Nebenschlußmotoren gefertigt. Der Gleichstromreihenschlußmotor hat ein quadratisch vom Strom abhängiges Moment, daher bietet er bei geringem Strom schon ein großes Moment, das gerade bei Fahrantrieben von großer Bedeutung ist. Mit einem Gleichstromsteller kann in veränderter Schaltung der Motor abgebremst und dabei Energie impulsförmig an die Spannungsquelle zurückgeliefert 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 Steueranschlüssen dargestellt.
3.2.12.4 4-Quadranten-Betrieb mit mechanischer Umschaltung (DC)
Im Bremsbetrieb muß der Gleichstromsteller in Verbindung mit der Induktivität des Reihenschlußmotors durch periodisches Takten eine so hohe Maschinenspannung erzeugen, daß ein Strom in das Netz oder die Batterie zurückfließen kann. Der Steller wird deshalb parallel zur Maschine geschaltet. Diesem Zweck dient das Schütz K 3 bei Rechtslauf und die Bremsdiode V 2.
Damit überhaupt gebremst werden kann, muß der Anker umgepolt werden, denn sonst würde 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 ändern, müssen 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 über 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 gezündet und der Bremswiderstand R eingeschaltet. Nach diesem Prinzip werden viele Straßenbahnen und U-Bahnen gesteuert.
3.3Drehzahlsteuerung des Drehfeldmotors, Frequenzumrichter für Drehstrommotoren (AC)
Obwohl sich die Drehzahl bei Gleichstrommotoren mit wenig Aufwand über einen weiten Bereich steuern läßt, haben die nachfolgenden Vorteile des Drehstrommotors und die Fortschritte der Elektronik dazu geführt, daß immer mehr Drehstrommotoren in der Drehzahl gesteuert und geregelt werden. Einige dieser Vorteile gegenüber 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 Ständerwicklung ist so ausgelegt, daß bei Betrieb an einem Drehstromnetz im Motor ein Drehfeld entsteht, das den Läufer mitnimmt. Die Drehzahl wird von folgenden Größen bestimmt:
1. Netzfrequenz 2. Polpaarzahl
ns=(f1*60)/p ns = synchrone Drehzahl p = Polpaarzahl f1 = Ständerfrequenz
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 Frequenzänderung bei gleichzeitiger Spannungsänderung möglich. Werden größere Läuferverluste akzeptiert, kann eine bedingte Drehzahlverstellung auch über die Ständerspannung bei konstanter Frequenz erfolgen. Aus folgenden Gründen muß bei einer Änderung der Frequenz die Spannung mit verändert werden. Frequenzänderung --> XL ändert sich XL-Änderung --> Z ändert sich Z -Änderung --> Stromänderung Da der Strom das Moment beeinflußt und ein maximaler Wicklungsstrom nicht überschritten werden darf, muß mit der Freq
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10 Feb 2005
19:01:14 |
Huchter |
Folge 4 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Folge 4
3.3Drehzahlsteuerung des Drehfeldmotors, Frequenzumrichter für Drehstrommotoren (AC)
Obwohl sich die Drehzahl bei Gleichstrommotoren mit wenig Aufwand über einen weiten Bereich steuern läßt, haben die nachfolgenden Vorteile des Drehstrommotors und die Fortschritte der Elektronik dazu geführt, daß immer mehr Drehstrommotoren in der Drehzahl gesteuert und geregelt werden. Einige dieser Vorteile gegenüber 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 Ständerwicklung ist so ausgelegt, daß bei Betrieb an einem Drehstromnetz im Motor ein Drehfeld entsteht, das den Läufer mitnimmt. Die Drehzahl wird von folgenden Größen bestimmt:
1. Netzfrequenz 2. Polpaarzahl
ns=(f1*60)/p ns = synchrone Drehzahl p = Polpaarzahl f1 = Ständerfrequenz
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 Frequenzänderung bei gleichzeitiger Spannungsänderung möglich. Werden größere Läuferverluste akzeptiert, kann eine bedingte Drehzahlverstellung auch über die Ständerspannung bei konstanter Frequenz erfolgen. Aus folgenden Gründen muß bei einer Änderung der Frequenz die Spannung mit verändert werden. Frequenzänderung --> XL ändert sich XL-Änderung --> Z ändert sich Z -Änderung --> Stromänderung Da der Strom das Moment beeinflußt und ein maximaler Wicklungsstrom nicht überschritten werden darf, muß mit der Frequenz auch die Spannung verstellt werden. Asynchronmotoren haben an fester Versorgungsspannung und Frequenz folgendes Drehmoment-Drehzahlverhalten. Für das Drehmoment gilt: M ~F1* /2 mit F1 ~ U1/f1 F1 = magnetischer Fluß im Motor (Ständerfluß) /2 = Läuferstrom U1 = Ständerspannung
f1 = Ständerfrequenz 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 Ständernennspannung die Ständerfrequenz weiter erhöht, so ergibt dieses eine Feldschwächung und damit ein fallendes Drehmoment bei steigender Drehzahl. Asynchronmotoren haben, bedingt durch den Schlupf, einen wenn auch geringen lastabhängigen Drehzahlabfall. Die Betriebsdrehzahl beträgt: 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 Frequenzänderung auch die Schlupfänderung eine Verstellung der Drehzahl bewirkt. Eine Änderung der Drehzahl über den Schlupf ist nur bei ganz speziellen Anwendungsfällen möglich, da mit wachsendem Schlupf die Maschinenverluste stark zunehmen. Größere Verluste lassen sich nur für 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 für Induktionsmotoren
Wechselstrom- und Drehstromsteller sind zum Verstellen der Spannung bei konstanter Netzfrequenz geeignet. Die Steuerung der Spannung erfolgt durch Phasenanschnitt, wobei die Frequenz nicht verändert 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 ? gezündet. 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 Stromlücken führen und damit Momentensprünge entstehen.
3.3.1.1Steller für Wechselstrommotoren
Bei asynchronen Wechselstrommotoren mit Kurzschlußläufern 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. Lüfter und Pumpen), denn wenn das Lastmoment oder Losbrechmoment größer als das Molormoment
wird. bleibt der Motor stehen. Eine Regelung mit automatischer Zündwinkelverstellung 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 Haushaltgeräten und auch in Handbohrmaschinen eingesetzt.
3.3.1.2Steller für Drehstrom-Kurzschlußläufermotoren
Die Drehzahlverstellung von Drehstrom-Asynchronmotoren erfolgt ebenfalls mittels eines Stellers durch Phasenanschnitt. Die Spannungseinstellung wird durch den Phasenanschnitt vorgenommen, die Frequenz bleibt konstant. Die Drehzahländerung ist eine Folge des durch die Spannung zurückgehenden Momentes. Da das Motormoment quadratisch mit der Spannung abnimmt,
M ~ U2 ist der Einsatz stark eingeschränkt. Die Motoren erhalten daher Läufer mit erhöhten Widerständen, sogenannte Widerstandsläufer, bei denen das Kippmoment in der Nähe der Drehzahl Null liegt. Im Läuferkreis treten bei Drehzahlen n < nNenn erhebliche Verluste auf. weil die Läuferverluste proportional mit dem Schlupf steigen. Anwendungsgebiete des Drehstromstellers sind Antriebe mit quadratischer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, wie bei Lüfterantrieben, 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-Schleifringläufermotor
Die Läuferwicklungsenden sind zum Sternpunkt zusammengeschaltet und die Anfänge an Schleifringe herausgeführt (siehe Abschnitt 1.5.2). Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den Widerstand des Läufers zu verändern. Wie beim Widerstandsläufer wird auch hier das Kippmoment zu niedrigen Drehzahlen hin verschoben. Diese Läufersteuerung ist im gesamten Drehzahlbereich des Motors möglich. Da die Schlupfleistung in Wärme umgesetzt wird, setzt man dieses Prinzip heute nur noch zum Anlaufen ein. Bei Hebezeugen wird häufig ein Drehstrom-Schleifringläufermotor mit gepulstem Läuferwiderstand eingesetzt.
Die an den Schleifringen des Asynchronmotors auftretende Wechselspannung wird mit einer Diodenbrücke 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 verändern.
Dabei bedeuten:
R1 kurzgeschlossene Schleifringe (nur Läuferwiderstand) R2 bis R4 veränderlicher Läuferwiderstand von Rminbis Rmax
3.3.2.1 Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK)
Die USK ist ein drehzahlveränderbarer Drehstromantrieb mit Schleifringläufermotor. bei dem die Schlupfleistung gleichgerichtet und über einen im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Stromrichter in das Drehstromnetz zurückgespeist wird. Das von der Maschine abgegebene Drehmoment ist dem Läuferstrom — also dem Gleichstrom der Kaskade — proportional, während die Läuferspannung dem Schlupf der Maschine proportional ist. USK werden vorwiegend für Antriebe mit quadratisch mit der Drehzahl steigenden Drehmomenten (Pumpen und Lüfter) 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 über 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 eingeprägte Spannung oder einen eingeprägten Strom führt, 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 geändert werden. 3.3.3.1Umrichter mit Stromzwischenkreis
Der Umrichter mit Stromzwischenkreis ist gekennzeichnet durch den eingeprägten lastabhängigen Gleichstrom des Zwischenkreises. Der netzseitig gesteuerte Stromrichter stellt in Verbindung mit der Last den Strom im Zwischenkreis ein. während der Wechselrichter die Frequenz einstellt. Diese Umrichter sind nur für Einzelantriebe geeignet, da die Kommutierung vom Laststrom (Motorstrom) geführt wird, d.h.. die Maschinendaten und die Kommutierungskondensatoren sind aufeinander abgestimmt. Die Schaltung ist gegenüber den Umrichtern mit Spannungszwischenkreis einfacher aufgebaut. Da in der Löscheinrichtung auf Freilaufdioden verzichtet werden kann. läßt sich ohne Mehraufwand generatorischer Betrieb, d.h. 2-Quadranten-Betrieb realisieren.
Haupteinsatzgebiete liegen bei Lüftern, Pumpen, Zentrifugen, Extrudern, Drehöfen, Werkzeugmaschinen, Prüfständen und Kernenergieanlagen.
Allgemein: Gegen ca. 1980 wurden serienmäßig Umrichter nur für Leistungen von ca. 10 bis 750 kVA hergestellt. inzwischen sind Umrichter serienmäßig bis über 3.000 kVA für Motoren bis über 2.000kW lieferbar. (Kemmerich Baureihe E178 etc.) Der normale Drehzahlstellbereich liegt bei ca. l : 20. Durch verbesserten Sinus-Ausgang (teurerer Aufwand) sind auch wesentlich größere Verstellbereiche möglich, die ein einwandfreies Regeln auch im unteren Drehzahlbereich ohne Rütteln ermöglichen. (Z.B.Kemmerich Baureihe SCH066, Regelbereich bis 1:1000)
Bei einfachen Geräten beträgt die Ausgangsfrequenz meist 5 Hz bis 100 Hz, max. z.B. 320 Hz. Hochfrequenzumrichter werden normalerweise bis 3.000 Hz Ausgang geliefert.
Preiswerte und ältere Typen, meist Analoggeräte, weden zum Teil noch mit Trimmpotentiometer für die Parameterverstellung geliefert, moderne Geräte, Digitalgeräte, sind normal mit Tastatureingabe zum Teil direkt über 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 größere Geräte besitzen viele Einstellmöglichkeiten, z.B. auch für Frequenzausgrenzungen für beim Hochlauf von Motoren entstehende Resonanzen. (Kemmerich Geräte IP55/65 der Baureihe B172)
Motorauslegung
Die Normmotoren müssen wegen des Oberschwingungsgehaltes des Stromes ca. 10 bis 15% überdimensioniert werden.
Die Ausgangsspannung des Umrichters beträgt normalerweise 400 V. (Bei Großgeräten werden wegen des hohen Stromes auch Hochspannungsein- und Ausgang gefertigt). Wird ein vierpoliger Motor für 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 Vergrößerung des Stellbereichs ergibt sich, wenn ein Motor für 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 über 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 Kühlung des Motors meistens mit einem auf der Motorwelle befestigten Lüfterrad erfolgt, ist die Kühlung drehzahlabhängig. Bei Verkleinerung der Drehzahl sinkt die Kühlleistung überproportional. Zum Ausgleich werden Motoren mit Leistungen < 10 kW überdimensioniert. Bei Leistungen > 10 kW sollte stets ein Fremdlüfter eingesetzt werden.
Umrichter mit Stromzwischenkreis für 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 Abhängigkeit der Läuferstellung (Polrad) vorgenommen. Der Synchronmotor zeigt hierbei das Verhalten einer Gleichstromnebenschlußmaschine. Wird die Erregung mittels Induktion übertragen, (also ohne die verschleißbehafteten Kohlebürsten) so bezeichnet man diese Ausführung auch als kollektorlose Gleichstrommaschine oder Elektronikmotor. Einsatz: Pumpen, Lüfter und Verarbeitungsmaschinen bis ca. 10 MW.
3.3.3.2 Umrichter mit Spannungszwischenkreis
Es wird zwischen zwei Grundausführungen unterschieden: 1. variable Zwischenkreisspannung 2. konstante Zwischenkreisspannung Ein Erkennungsmerkmal des Umrichters mit Zwischenkreis ist der zusätzlich 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 Glättungsdrossel (L) und einem Kondensator (C). Der aus dem Gleichspannungszwischenkreis gespeiste selbstgeführte Wechselrichter II stellt durch zyklisches Zünden 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 für Gruppenantriebe, wie Rollgänge, Textilmaschinen usw., geeignet. Es können sowohl Asynchronmotoren wie auch Synchronmotoren und Reluktanzmotoren mit hohem Stellbereich angeschlossen werden. Die Seriengeräte der Industrie umfassen einen Leistungsbereich von 10 bis ca. 500 kVA. Der Frequenzbereich reicht von l Hz bis ca. 750 Hz. Wegen der Oberwellen müssen die Motoren ebenfalls um ca. 10 bis 15% überdimensioniert werden. Durch die hohen Frequenzen sind Drehzahlen über 3000 min-1 möglich. Die Motoren entsprechen dann nicht mehr den Standard-Normmotoren, es ist auf gute Auswuchtung zu achten, z.B. Gütestufe 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 Glättung. Der nachgeschaltete Wechselrichter formt die Gleichspannung wieder in eine Dreiphasenspannung um. deren Frequenz und Spannungshöhe variabel ist.
Die bereits im vorherigen Abschnitt genannten Verhältnisse für Ausgangsfrequenz und die Motoren gelten auch für 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 Spannungsänderung in Verbindung mit der Frequenzänderung wird vom lastseitigen Pulswechselrichter ausgeführt. Die Spannungsänderung wird durch Pulsbreitenmodulation erreicht. Die Pulsbreitenmodulation setzt sehr schnelle Gleichstromsteller im Pulswechselrichter voraus, denn die Spannung wird durch mehrmaliges Ein- und Ausschalten während einer Halbperiode eingestellt. Die Schaltung ist daher sehr aufwendig und wird im Leistungsbereich bis ca. 10 kVA sehr häufig mit Leistungstransistoren ausgerüstet. 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 führen. Ein Bremsbetrieb ist möglich, wenn die Bremsenergie durch andere Verbraucher an der Gleichspannungsseite abgenommen wird. Ins Drehstromnetz kann jedoch nur durch einen zusätzlich gesteuerten Stromrichter, der dem Gleichrichter gegenparallel geschaltet wird, zurückgespeist werden. Geliefert werden auch Rückspeiseeinheiten, komplett für alle Frequenzumrichter. (Kemmerich Liste Nr. 23, Baureihe E145)
Kennzeichnend für Drehstromantriebe mit Pulsumrichtern sind der große Drehzahlstellbereich bis herab zum Stillstand und die hervorragenden dynamischen Eigenschaften. Sie eignen sich gleichermaßen für Einzel- und Gruppenantriebe sowie für Stoßbelastung und Schweranlauf. Die Seriengeräte 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 beträgt. Im Bereich <10 kVA werden Leistungstransistoren eingesetzt; hierdurch sind Ausgangsfrequenzen von ~ 500 Hz erreichbar. Pulsumrichter werden für folgende Antriebe eingesetzt:
chemische Industrie (wartungsarm, Ex-Schutz) Schleifmaschinen Fräsmaschinen (hohe Drehzahl) Bahnantriebe (wartungsarm, geringes Gewicht und Volumen)
Allgemein: Gegen ca. 1980 wurden serienmäßig Umrichter nur für Leistungen von ca. 10 bis 750 kVA hergestellt. inzwischen sind Umrichter serienmäßig bis über 3000 kVA für Motoren bis über 2.000kW lieferbar. (Kemmerich Baureihe E178 etc.) Der normale Drehzahlstellbereich liegt bei ca. l : 20. Durch verbesserten Sinus-Ausgang (teurerer Aufwand) sind auch wesentlich größere Verstellbereiche möglich, die ein einwandfreies Regeln auch im unteren Drehzahlbereich ohne Rütteln ermöglichen. (Z.B.Kemmerich Baureihe SCH066, Regelbereich bis 1:1000)
Bei einfachen Geräten beträgt die Ausgangsfrequenz meist 5 Hz bis 100 Hz, max. z.B. 320 Hz. Hochfrequenzumrichter werden normalerweise bis 3.000 Hz Ausgang geliefert.
Preiswerte und ältere Typen, meist Analoggeräte, weden zum Teil noch mit Trimmpotentiometer für die Parameterverstellung geliefert, moderne Geräte, Digitalgeräte, sind normal mit Tastatureingabe zum Teil direkt über 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 größere Geräte besitzen viele Einstellmöglichkeiten, z.B. auch für Frequenzausgrenzungen für beim Hochlauf von Motoren entstehende Resonanzen. (Kemmerich Geräte IP55/65 der Baureihe B172)
Auszug aus:
http://elektromotoren.de
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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!
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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
Läufergespeister Drehstrom-Nebenschlußmotor Typ DNR(F)
Der läufergespeiste 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 größte Betriebssicherheit gewährleistet.
Der FAURNDAU-Motor ist ein hervorragendes Antriebsmittel für Maschinen mit veränderlicher 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 annähernd konstant.
• Anzugsmoment bis zum 2,5fachen des Motorenbemessungsmomentes.
• Optimale Ausnutzung der elektrischen Energie durch einen hohen Wirkungsgrad.
• Ansteuerung über Schütze - direkt aus dem Drehstromnetz.
• Bürstenstandzeiten bis zu 15000 Betriebsstunden.
Baugrößen: DNR 0 - DNR 75-6
Leistungsbereiche: 2,0 - 125 kW
Drehzahlbereich: 0 - 2500 Upm
Schutzart: IP 21 S, IPR 44
Wärmeklasse: B oder B/F
Sonderausführungen 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 für einen Gleichstrommotor soll hier der Gleichstromnebenschlußmotor angeführt und beschrieben werden. In Bild 3.9 sehen wir einen werksmäßig gefertigten Gleichstromnebenschluß-motor mit Trommelanker. Wir können dabei einige bereits genannte und besprochene Bauteile erkennen: Rechts unten im Bild befindet sich die Bürstenhalterung, die die Kohle- oder Graphitbürsten trägt, über die der Strom in den Anker fließt. Gleich dahinter ist der Stromwender mit seinen zahl-reichen Segmenten angeordnet. In der Mitte ist der Läufer 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 Anschlüsse für den Ständerstromkreis, Ankerstromkreis usw. Ganz links draußen erkennen wir den Lüfter. Er ist ist an der Welle befestigt und dreht sich zusammen mit den restlichen Ankerteilen um die Wellenachse. Er dient zur Kühlung des Motors, der bei seiner Arbeitsleistung auch Wärme abgibt. Am Ring an der Oberseite des Ständers kann der Motor aufgehoben und transportiert werden.
Die Nebenschluß-Erregerwicklung ist parallel zum Ankerstromkreis geschaltet und an eine feste, gleichbleibende Spannung angeschlossen. Der Erregerstrom hängt somit nicht von der Belastung ab und beträgt 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  = 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 über den Kollektor in die Leiterschleifen des Ankers, welche den Widerstand RA aufweisen und von dort wiederum zurück über den Kollektor zur Minusklemme A2.
3.8.1 Herleitung des Drehmoments
Damit die Erregerwicklung zum Elektromagneten wird und den magnetischen
Fluß  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. Für den Erregerkreis gilt: UE = IE RE. Das 2. Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) ergibt für den Ankerkreis U = E + IA RA.
Nach dem Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung dem Fluß  und der Winkel-geschwindigkeit  proportional: E=c  ; wobei c die Maschinenkonstante ist. Sie wird von der Maschinenausführung bestimmt.
Die Welle des Motors führt eine Rotationsbewegung aus. Man kann deshalb an ihr eine mechanische Leistung PMECH =  M abnehmen. M ist dabei das vom Motor ent-wickelte Drehmoment.
Elektromotoren sind elektrisch-mechanische Energiewandler, folglich gibt es einen Zusammenhang zwischen ihren elektrischen Größen (IA) und ihren mechanischen Größen (M). Multipliziert man die Größe für die Spannung im Ankerkreis mit IA, erhält man eine Leistungsbilanz: U IA = E IA + I²A RA
U IA ist eine Summe, die sich aus zwei Teilen zusammensetzt: Der Leistungsanteil I²A RA wird allerdings nur in Joulsche Wärme umgesetzt; für 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 Lüfterreibung des Motors zu überwinden, zum anderen aus der eigentlichen Arbeitsleistung für den Betrieb der an den Motor gekoppelten Arbeitsmaschine. Es ergibt sich für die Leistungsbilanz:
E IA=PANTRIEB +PREIBUNG=  M+ MR.
In der Praxis ist die Antriebsleistung natürlich viel größer als die Leistung, die an die Reibung verlorengeht, sodaß PANTRIEB >>PREIBUNG und E IA =  M ist. Für E kann man c   einsetzen. Man erhält M = c  IA.
Die vorherigen Gleichungen beschreiben das stationäre Verhalten des Gleichstromnebenschlußmotors, welches sich in seiner stationären Kennlinie äußert. Wichtig, weil von praktischer Bedeutung, sind hier die Drehzahl-Drehmomenten- kennlinien und die Ankerstrom-Drehmomenten-Kennlinien (M = c  IA ).
3.8.2 Herleitung der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie:
U = E + IA RA soll auf E aufgelöst und in (3.0) E = c  eingesetzt werden:
(3.1)  = U / (c  ) – (IA RA) / (c  )
M= c  IA soll auf IA aufgelöst werden:
(3.2)  = U / (c  ) – (RA / (c  )²) M
Die Drehzahl ist mit n =  / 2 festgelegt:
(3.3) n = U / (2 c  ) – (RA / (2 (c  )²) M) = n0 -  n.
Bild 3.10 a) Verlauf von n nach Gl.(3.3) b) Verlauf von I A nach Gl.(3.0)
Die Kurve verläuft sehr flach, der Fachmann würde 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 für die Gleichstromnebenschlußmotoren.
Falls M = 0, heißt die daraus folgende Größe n0Leerlaufdrehzahl.  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 hochpräzisen Antrieb haben müssen 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 Größen erkennen, über die das möglich ist:
n = U / (2 c  ) – (RA / (2 (c  )²) M) = n0 -  n
a. Ankerspannung U (Spannungssteuerung)
b. Hauptfeldfluß  (Feldsteuerung)
c. Ankerwiderstand RA (Widerstandssteuerung)
3.9.1 Spannungssteuerung
Falls der Erregerstrom IE und der magnetische Fluß  konstant gehalten werden sollen, muß der Motor fremderregt werden. Da U eine regelbare Größe (Parameter) ist, ändert 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 ändert.
Bild 3.11 Kennlinienparameter U
Durch Auflösen der Gleichung (3.0) auf IA erkennt man, daß der Strom allein von der Wellenbelastung (Lastmoment M) abhängt:
(3.4) IA = M / (c  ).
Der Strom ist also unabhängig von der angelegten Spannung. Normalerweise würde man bei einem Anstieg der Spannung an den Polen eines Elektrogerätes auch einen Anstieg des Stromes erwarten. Da bei einem Drehzahl anstieg (also einer Vergrößerung 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 Bewältigung der Last notwendigen Strom eigenständig dem Netz oder dem Speisgerät. 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 über thyristorgesteuerte Gleichrichter (siehe Kapitel 1.4), die eine einfache Änderung der Gleichspannung zulassen.
3.9.2 Feldsteuerung
Bild 3.12 Kennlinienparameter 
Wenn man den Fluß  verändert, so beeinflußt man dadurch sowohl die Leerlaufdrehzahl als auch den Drehzahlabfall (siehe Gleichung (3.3)). Verringert man bei gleichem Moment M den Wert von  , so steigt der Strom an (siehe Gleichung (3.4)). Man kann sich das auch anschaulich erklären, wenn man sich die Entsteh-ung des Drehmomentes M vor Augen hält: dazu ist nämlich eine Kraftwirkung zwischen dem Hauptfeld (Flußdichte B) und dem vom Strom IA durchflossenen Ankerwicklungen (Fluß  ) nötig. Wird eine der beiden Größen 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. Verändert wird der wirkende Ankerwi-derstand RA Da dieser Widerstand nicht unterschritten werden kann, wird er durch Einschalten zusätzlicher Widerstände Rv (siehe Bild 3.13 a) ). in den Ankerkreis vergrößert (aus Gleichung (3.3) erhält man die Kennlinien für den Ankerwiderstand, die in Bild b) dargestellt ist).
Bild 3.13 a) Ankerkreis b) Kennlinien für den Ankerwiderstand
Die Drehzahl fällt mit steigendem Widerstand RV ab. Der Strom IA wird nicht verändert; 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 Vorgänge. Sobald der Motor eine konstante Drehzahl erreicht hat, nennt man dein Verhalten stationär.
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  = 0, wird nach Gleichung E = c   auch keine Gegenspannung E in den Erregerspulen induziert, d.h. E = 0. Der Einschaltstrom beträgt 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" ( = stationären 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 einfügen. Dies kann auf zweierlei Art geschehen:
Wenn man die Spannung nicht mit ihrem vollen Nennwert an den Läuferkreis 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 über einen Thyristorgleichrichter und wird solange fortgesetzt, bis die Betriebsdrehzahl des Motors erreicht ist.
Früher wurde häufig ein sogenannter Widerstandsanlasser zum Hochfahren eines Elektromotors benutzt. Dabei hat man im Einschaltmoment Widerstände in den Ankerkreis zugeschaltet. Mit Erhöhung der Drehzahl hat man diese Widerstände wieder stufenweise abgeschaltet.
3.10.2 Bremsen
Beim Bremsen des Gleichstrommotors haben wir ähnliche Verhältnisse wie beim Anlassen. Schaltet man nämlich 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 erklären, 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 Ankerwiderständen erfolgen. Die Spannungssteuerung wird hier allerdings bei weitem bevorzugt, da sie es ermöglicht, die Bewegungsenergie ins Netz, aus welchem der Motor versorgt wird, zurückzu-speisen (Nutzbremse).
Drehstromnebenschlussmotor
Der Drehstromnebenschlussmotor ist ein Drehstrom-Kollektormotor. Der Name Nebenschlussmotor ist auf sein Betriebsverhalten zurück zu führen und hat nichts mit seiner Schaltung zu tun. Wie bei der Gleichstrommaschine in Nebenschlussschaltung bleibt seine Drehzahl bei unterschiedlichen Belastungen annähernd konstant.
Der Stator entspricht dem einer normalen Drehstrom-Asynchronmaschine. Im Läufer sind zwei Wicklungen vorhanden:
• eine Wicklung, die wie eine Schleifringläuferwicklung an Schleifringe angeschlossen ist. Diese wird an Netzspannung angeschlossen.
• eine weitere Wicklung, die wie eine Gleichstrom-Ankerwicklung an einen Kollektor angeschlossen ist. Diese Wicklung erhält durch Transformatorwirkung eine Spannung mit Netzfrequenz.
Die Bürstensätze auf dem Kollektor lassen sich gegeneinander verstellen und bewirken eine Drehzahlveränderung durch eine Schlupfspannung.
Der Motor wurde in Zeiten, als drehzahlveränderliche Antriebe mit Elektronik noch sehr teuer waren, als drehzahlveränderlicher Antrieb häufig 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
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22 Aug 2006
11:14:14 |
Bruderer |
Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
Hallo
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28 Nov 2008
13:23:51 |
unbekannt |
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