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Folge 3 Elektrische Maschinen Pulsweiten Modulation Gleichstromm Drehzahl
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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 |
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