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Folge 2 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
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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 |
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