1. Elektrotechnische Grundlagen

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1 1. Elektrotechnische Grundlagen Teil 7 Elektrische Maschinen, Motoren Prinzip, Arten, Kennlinien, Anwendungen Georg Strauss ET / Wiederholung: Grundlagen Drehfeld: Werden drei um 120 versetzte Spulen von Dreiphasen- Wechselstrom durchflossen, entsteht ein Drehfeld. Bei Motoren werden die Spulen als Wicklung gleichmäßig in den Nuten des Ständers verteilt. f p Polpaarzahl n S = f Netzfrequenz p n S synchrone Umdrehungszahl Jede Spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das sich zu einem resultierenden Drehfeld überlagert, dessen Lagen von den Momentanwerten der um 120 verschobenen Ströme abhängt. Bei drei Spulen entsteht ein zweipoliges Drehfeld, während einer Periode macht das Drehfeld eine Umdrehung. ET /

2 Wiederholung: Grundlagen Drehsinn: Drehrichtung, die sich für einen Betrachter ergibt, wenn er auf ihr Wellenende blickt. Drehrichtung im Uhrzeigersinn gelten als Rechtslauf. Drehstrommotoren haben Rechtslauf, wenn die Außenleiter L1, L2, L3 auf die Klemmen U1, V1, W1 geführt werden. Drehrichtungsumkehr ergibt sich bei Tausch zweier Außenleiter. ET / Wiederholung: Grundlagen Entstehung eines Drehfeldes: ET /

3 Wiederholung: Grundlagen Leistung: Motoren wandeln aufgenommene elektrische Energie in mechanische Arbeit um, Generatoren die mechanische Antriebsarbeit in elektrische Energie. In der Maschine entstehen Wirkverluste in Form von Wärme und Eisenverluste durch Wirbelströme und die Ummagnetisierung im magnetischen Material. In den Wicklungen entstehen durch den durchfließenden Strom Wicklungsverluste. Ferner treten Lüftungsverluste, sowie Reibungsverluste auf. P2 η = P 1 P1 = 3 U I cosϕ ET / Wiederholung: Grundlagen Drehmoment: Bei Motoren wird das Drehmoment M durch das Zusammenwirken von Ständermagnetfeld und Läuferstrom gebildet. Die Messung der Kraft F am Umfang der Antriebsscheibe des Motors wird das abgegebene Drehmoment bestimmt. Bei der Bemessungsleistung gibt der Motor sein Bemessungsmoment bei Bemessungsdrehzahl ab. M = F r P = M ω 2 ω = 2π n M Drehmoment n Drehzahl F Kraft J Trägheitsmoment r Radius α Winkelbeschleunigung P 2 Leistungsabgabe ω Winkelgeschwindigkeit ET /

4 Wiederholung: Übersicht Stromart Asynchronmaschine Stromwendemaschine Haupteinsatzgebiete Synchron- Maschine Leistungsbereich Gleichstrom Fremderregter Motor Dauermagnetmotor Reihenschluss- Motor Feinwerktechnik, Kfz- Elektronik, Servoantriebe, Hauptantrieb für Werkzeugmaschinen, Anlasser Kfz, Fahrmotor < 1W... 10kW 10kW... 10MW 300W kW Wechselstrom Universalmotor Kondensatormotor Reihenschluss- Motor Spaltmotor Hysterese- Motor Reluktanzmotor E-Werkzeuge, Haushaltsgeräte, Fahrmotor in 16 2/3Hz und 50Hz, 50W... 2kW 100kW... 1MW Lüfter, Pumpen, 5W W Uhrwerke,Feinwerk- Technik,Hilfsantriebe Gruppenmotor in Textilindustrie <1W... 20W 100W... 10kW ET / Wiederholung: Übersicht Stromwendemaschine Stromart Asynchron - maschine Haupteinsatzgebiete Synchron- Maschine Leistungsbereich Drehstrom Nebenschluss- Motor Käfigläufer- Motor Dauermagnetmotor Druck-&Papier- Maschinen, 1kW kW Schleifringmotor Linearmotor Schenkelpolmaschine Vollpolmaschine Industriestandard Antrieb (Pumpen), Fördertechnik, Hebezeuge, Pumpen, 100W.. 50MW 10kW... 10MW Servo, Gruppenantrieb 100W.. 10kW Notstromgenerator Langsam laufender Industriebetrieb 10kW.. 1GW Elektronikmotor Impulsstrom Feinwerktechnik, Textilindustrie <1W..200W Schrittmotor 10μW..500W ET /

5 Wiederholung: ASM Drehmoment-Kennlinie eines ASM ET / Wiederholung: ASM ASM: Stromverlauf des Einschaltvorganges bei Stern-Dreieck- Anlauf Die Stern-Dreieck-Schaltung wird eingesetzt um den Anlaufstrom eines Asynchronmotors in Dreieckschaltung zu begrenzen. Dabei wird der Motor in der Sternschaltung auf Drehzahl gebracht. Beim Umschalten wird dann theoretisch nur noch der Dreieckstrom benötigt, der der aktuellen Drehzahl entspricht. Somit wird der Einschaltstrom auf 1/3 gegenüber dem Strom bei Dreieck-Direkteinschaltung reduziert. Jedoch kann beim Umschalten von Stern auf Dreieck die Netzphasen und Motorfeld in Opposition zueinander stehen. Dies führt zu Ausgleichsvorgängen was zu einer sehr hohen Umschaltstromspitze führen kann ET /

6 Wiederholung: ASM ASM: Belastungs- und Drehmomentkennlinie Asynchronmotoren sind Induktionsmotoren der Läuferstrom kommt durch Induktion zustande somit benötigen ASM einen Schlupf zur Induktion des Läuferstromes. Δn = n S n ns n s = 100% n S ET / ASM: Stromverdrängungsläufer Wiederholung: ASM Rundstabläufer besitzen trotz hoher Anzugsströme nur ein geringes Anzugsmoment. Stromverdrängungsläufer haben ein großes Anzugsmoment bei einem kleinen Anzugsstrom. ET /

7 Wiederholung: ASM ASM: Verschiedene Läufer-Stabformen ET / ASM: Aufbau Wiederholung: ASM ET /

8 Wiederholung: ASM ASM: Arbeitspunkte Der Schnittpunkt der n-m Kennlinie mit der Lastkennlinie ergibt den Arbeitspunkt. Zur Beurteilung der Stabilität betrachtet man geringfügige Drehzahlvariationen und untersucht, ob die ASM in der Lage ist, selbständig in den AP zurück zu gelangen. ET / ASM: Anwendungen Wiederholung: ASM Kurzschlussläufer sind preisgünstig, wartungsarm und funkstörfrei. Standardmotoren haben Leistungen bis 200kW und dienen zum Antrieb von Sägen, Werkzeugmaschinen, Hebezeugen, Gebläsen, usw. Der Betrieb mit Bemessungslast ist am wirtschaftlichsten. Der Motor arbeitet mit einem hohen Wirkungsgrad und großem Wirkleistungsfaktor. Energiesparmotoren benötigen durch Verwendung hochwertiger Eisenkerne und Wicklungen bei gleicher Leistung weniger Energie. Trotz höherer Anschaffungskosten sind Energiesparmotoren oft die wirtschaftlichere Lösung, da 90% der Lebenszykluskosten eines Motors Energiekosten sind. ET /

9 Wiederholung: ASM Reluktanzmotoren Hat das Blechpaket eines Käfigläufers an seinem Umfang so viele Aussparungen wie der Motor Pole hat, dann verlaufen die Feldlinien des Ständerdrehfeldes durch das Läuferblech. Der Läufer bekommt dadurch ausgeprägte Pole und sträubt sich, hinter dem Drehfeld zurück zu bleiben (Relunktanz). Relunktanzmotoren laufen als Kurzschlussläufer an und arbeiten als Synchronmotor weiter. Eine Überlastung führt zu asynchronem Lauf ET / Anlassen von Kurzschlussläufern Ständeranlassverfahren verringern den Anlaufstrom durch Herabsetzen der Ständerspannung. Ständeranlassverfahren können nur im Leerlauf oder mit herabgesetzter Last angewandt werden. Bei Ständeranlassverfahren ist das Drehmoment dem Quadrat der Ständerspannung proportional. max. zulässiger Anlaufstrom ET /

10 Anlassen von Kurzschlussläufern Durch das Einschalten von Wirkwiderständen in Motorzuleitung wird der Anlaufstrom verringert. KUSA: Kurzschlussläufer Sanftanlauf Verwendung bei kleineren Motoren. Anlass-Transformatoren: für Hochspannungsmotoren und Motore höherer Leistung ET / Anlassen von Kurzschlussläufern Bei Anlauf in Sternschaltung verringert sich Anlaufstrom und Anlaufmoment auf ein Drittel der Werte des Dreieckbetriebes. ET /

11 Anlassen von Kurzschlussläufern Drehstromsteller mit z.b. antiparallel geschalteten Thyristoren in den Motorzuleitungen ermöglichen ebenfalls den Motoranlauf mit herabgesetzter Spannung. Durch Phasenanschnittsteuerung erfolgt der Motorstart mit verringerter Startspannung, die dann in einer wählbaren Rampenzeit stufenlos ansteigt. ET / Schleifringläufer Der Ständer des Schleifringläufers hat den gleichen Aufbau wie der des Kurzschlussläufers. In den Nuten des Läuferblechpaketes ist die Läuferwicklung untergebracht. Sie fast immer drei Stränge und ist meistes in Stern geschaltet. Über Bürsten können Wirkwiderstände zum Anlassen in den Läuferkreis geschaltet werden (Läuferanlasser). Zur Dimensionierung der Anlasswiderstände werden Läuferstillstandsspannung und Läuferstrom am Leistungsschild angegeben. ET /

12 Schleifringläufer Die Anschlussbezeichnung der dreisträngigen Läuferwicklung lautet: K, L, M Schleifringläufermotoren sind Induktionsmotoren, sie wirken wie Kurzschlussläufermotoren. Untersynchrone Stromrichterkaskaden ermöglichen eine verlustarme Drehzahlsteuerung durch Energierückspeisung. ET / Schleifringläufer Schleifringläufer entwickeln ein hohes Anzugsmoment bei kleinem Anzugsstrom. Sie können unter Last anlaufen. Schleifringläufer haben Bemessungsleistungen von 5kW bis in den MW Bereich. Sie werden als Antrieb für den Volllast- bzw. Schweranlauf verwendet Wasserwerkspumpen, Steinbrechmaschinen, Hebewerkzeuge, Verdichter, Pressen, Förderbänder. ET /

13 Polumschaltbare Motoren Motor mit getrennter Ständerwicklung: Wird bei Kurzschlussläufern die Polzahl geändert, so ändert sich die Drehfelddrehzahl und mit ihr die Läuferdrehzahl. Zwei getrennte Ständerwicklungen mit verschiedenen Polzahlen ermöglichen zwei Drehzahlen, z.b. 3:4. Das Drehmoment ist bei beiden Drehzahlen etwa gleich, die Leistungen des Motors verhalten sich etwa wie die Drehzahlen. ET / Polumschaltbare Motoren Motor mit getrennter Ständerwicklung: Bei der Dahlanderschaltung ist jeder Strang der Ständerwicklung in zwei Wicklungsteile unterteilt. Durch Umschalten dieser Spulengruppen aus der Reihenschaltung in die Parallelschaltung wird die entstehende Polzahl halbiert, und dadurch die Drehfelddrehzahl verdoppelt. ET /

14 Polumschaltbare Motoren Dahlanderschaltung: eine Drehrichtung, zwei Drehzahlen Stern-Dreieck-Anlauf auf niedriger Drehzahl Q17: Netzschütz, niedrige Drehzahl Q23: Sternschütz Q19: Dreieckschütz Q21: Netzschütz, hohe Drehzahl ET / Bremsbetrieb für ASM ET /

15 Drehstrom-Linearmotoren Linearmotoren sind Antriebsmaschinen, die eine gerade (lineare) Bewegung hervorrufen. Beim Linearmotor wirkt statt dem Drehfeld ein magnetisches Wanderfeld. Induktor: entspricht dem Ständer eines Drehstrommotors Anker: entspricht dem Kurzschlussläufer ET / Drehstrom-Linearmotoren Linearmotoren wirken wie ASM, die Geschwindigkeit des Wanderfeldes hängt von der Frequenz und der Poleinteilung des Induktors ab. Linearmotoren arbeiten mit großem Schlupf und haben beim Anlauf ihre höchste Kraft. Linearmotoren werden als Antrieb für Werkstofftransport, für Förderbänder, als Torantrieb, bzw. als Antrieb für große Scheiben und bei Schnellbahnen eingesetzt. ET /

16 Antriebsdimensionierung Die Antriebsdimensionierung lässt sich in 3 Gruppen unterteilen Statische Auslegung Dynamische Auslegung Thermische Auslegung In Maschinen findet man oft überdimensionierte Antriebe. Ein zu großer Antrieb hat aber nichts mit guter Qualität zu tun, denn er verursacht höhere Kosten für das Antriebssystem selber und für die massivere Infrastruktur in der Mechanik( Getriebe, Fundamente..) und in der Elektrik( Verkabelung, Schaltschrank..). Ein zu großer Motor ist aber auch weniger dynamisch und er hat eine höhere Verlustleistung. Statische Auslegung: Das Drehmoment des Antriebes muss über den ganzen Betriebsbereich größer als das Lastmoment sein Bei Maschinen mit langsamen Drehzahländerungen genügt meistens eine statische Antreibsauslegung. Es gilt die Bedingung, dass über den ganzen Drehzahlbereich das Lastmoment nicht größer als das Antriebsmoment sein darf. Wenn das Losbrechmoment nicht größer als das Anzugsmoment ist, sind auch keine Anlaufschwierigkeiten zu erwarten. ET / Antriebsdimensionierung Bei hohen Losbrechmomenten im Bereich des Motoranlaufmomentes nützt auch ein Sanftanlauf nicht viel, denn der Motor beschleunigt erst, wenn er genug Spannung hat, um das Losbrechmoment zu überwinden. ET /

17 Antriebsdimensionierung Wenn das Lastmoment unterhalb der Nenndrehzahl größer als das Nenndrehmoment des Motors ist, so muss dieser Bereich durch ein geeignetes Antriebssystem überbrückt werden. Dies kann durch ein geeignetes Getriebe, einer Kupplung oder ähnlichem geschehen. ET / Antriebsdimensionierung Der Antrieb muss soviel Drehmomentreserve haben, um die Last in der geforderten Zeit auf die gewünschte Geschwindigkeit oder Position zu bringen. Als Ergänzung zu den Anforderungen bei der statischen Dimensionierung muss bei der dynamischen Antriebsauslegung eine bestimmte Drehzahl oder Position in einer vorgegebenen Zeit erreicht werden. Für die dazu notwendige Beschleunigung (oder Verzögerung) muss das Antriebssystem ein zusätzliches Drehmoment aufbringen. Je größer die Beschleunigung ist, desto mehr Kraft ist erforderlich. In vielen dynamischen Maschinen braucht der Motor die meiste Kraft, um seinen eigenen Rotor zu beschleunigen. Das Beschleunigungsmoment ergibt sich aus der Differenz des Drehmoments des Motors und des Lastmomentes der Arbeitsmaschine. Man unterscheidet bei der dynamischen Auslegung in zwei Kategorien: Translatorische und rotative Systeme. Das Translatorische System bezieht sich auf geradlinige( lineare) Bewegungen, wie Schlitten, Aufzüge und Kolben. Die Berechnung solcher Systeme gestaltet sich relativ einfach. Denn die Kraft die benötigt wird ist gleich der Beschleunigung minus Reibungsbeschleunigung mal der Masse. ET /

18 Antriebsdimensionierung Das Rotative System bezieht sich auf Drehbewegungen, wie sie in rotierenden elektrischen Maschinen, Getriebe, Walzen, Spindeln und Teilen von Maschinen und Anlagen vorkommen. Bei der dynamischen Auslegung von Gelenken und Kurbeltrieben ist bei der Berechnung der Beschleunigungsmomente etwas ausführlicher zu rechnen. Durch den veränderlichen Radius für die Bewegungsübertragung vom linearen ins rotative System verändert sich die transformierte Schwungmasse mit dem Winkel und der Zeit. Bewegungsablauf: Für die Überwindung einer gegebenen Strecke s[m] in einer möglichst kurzen Positionierzeit t p gibt es zwei Möglichkeiten der Bewegungsoptimierung. Zum einen kann eine minimale Beschleunigung, zum anderen auf eine minimale Leistung optimiert werden. Thermische Auslegung: Der Antrieb darf sich nicht über seine maximal zulässige Temperatur erwärmen. Grundlage für die thermische Auslegung ist die Annahme, dass sich der Motor hauptsächlich durch das Drehmoment erwärmt. Die Verluste im Motor sind proportional zum Quadrat des Drehmomentes. D.h. ein Betreib mit 0,5*Drehmoment verursacht nur ein 0,25 der Motorverluste. ET /