Grundpraktikum Maschinenbau Versuch 9: Elektrische Energietechnik

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1 Institut für Elektrische Energietechnik HS / IEE Grundpraktikum Maschinenbau Versuch 9: Elektrische Energietechnik Untersuchung des stationären Betriebsverhaltens einer Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Einführung Aufbau Wirkungsweise Entstehung von Drehfeld und Drehmoment Elektrisches Ersatzschaltbild der ASM Anlaßverfahren Anlaßtransformator Stern-Dreieck-Umschaltung Stromverdrängungsläufer (Motor mit Käfigläufer) Läuferwiderstände (Motor mit Schleifringläufer) Leistungsbilanz und Wirkungsgrad Betriebsarten der ASM mit Kurzschlussläufer M=f(n) der ASM mit Kurzschlussläufer Motorbetrieb Generatorbetrieb Gegenstrombetrieb Drehzahlsteuerung Frequenzänderung Polpaarzahländerung Versuchsbeschreibung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Versuchsauswertung

2 1 Grundlagen 1.1 Einführung Die Asynchronmaschine (ASM) ist die am häufigsten eingesetzte elektrische Maschine (80% aller Maschinen über 1 kw), weil sie kostengünstig gefertigt werden kann und einen wartungsarmen Betrieb bei gutem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer ermöglicht. Mit der heutigen Verbreitung von Umrichtern ist sie sehr gut ansteuerbar. Da sie zur Gattung der Drehfeldmaschinen gehört, werden zur Erläuterung ihrer Funktion zunächst ihr Aufbau und das zur Erzeugung des Drehmoments benötigte Drehfeld betrachtet. 1.2 Aufbau Die Hauptteile der ASM sind der Ständer und der Läufer, die durch einen sehr geringen Luftspalt voneinander getrennt sind. Im Prinzip sind beide gleich aufgebaut. Der Ständer besteht zur Herabsetzung der Wirbelstromverluste aus 0,35mm oder 0,5mm starken, aufeinander geschichteten und voneinander isolierten Dynamoblechen. In den Nuten des Blechpaketes befindet sich eine Drehstromwicklung mit den Anfängen U,V,W und den Enden X,Y,Z (Bild 1). Die Spulen sind am Ständerumfang gleichmäßig versetzt angeordnet und zwar bei einer 1-polpaarigen Maschine um räumlich 120, bei einer 2-polpaarigen Maschine um räumlich 120 /2 und bei einer p-polpaarigen Maschine um 120 /p. Die Polpaarzahl p entspricht der Spulenzahl in jeder Phase. Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer ASM 2

3 Der Läufer bzw. der rotierende Teil besteht ebenfalls aus einem Eisenblechpaket mit ausgestanzten Nuten und einer darin liegenden dreiphasigen Wicklung. Die drei Anfänge der Spulen sind bei einem so genannten Schleifringläufer von außen über drei Schleifringe zugänglich, die drei Spulenenden in der Maschine dagegen sind in Stern oder Dreieck geschaltet. Damit in der Läuferwicklung Strom fließen kann, müssen die Schleifringe über Widerstände verbunden oder kurzgeschlossen werden. Stellt man den Kurzschluß gleich auf dem Läufer her, dann entfallen die Schleifringe und man kann auf eine Wicklung verzichten. Stattdessen liegen massive Leiter aus Kupfer, Bronze oder Aluminium in den Nuten und sind an den Läuferstirnseiten über Kurzschlussringe verbunden. Daher rührt der Name Kurzschlussläufer; er läßt sich mit Aluminiumkäfig im Spritzgussverfahren sehr preisgünstig herstellen. 1.3 Wirkungsweise Entstehung von Drehfeld und Drehmoment Wird die Ständerwicklung an ein Drehstromnetz angeschlossen, so liegt an jeder Phase eine Wechselspannung, die einen Wechselstrom und damit ein Wechselfeld zur Folge hat. Durch das Zusammenwirken dieser drei jeweils um 120 elektrisch phasenverschobenen Wechselfelder ergibt sich ein Drehfeld wie Bild 2 zeigt. Im Zeitaugenblick t 0 (Bild 2a, 2b) fließt in Phase 2 (Spule V-Y) negativer und Phase 3 (Spulen W-Z) positiver Strom, während durch die Phase 1 (Spule U-X) kein Strom fließt. Durch das Zusammenwirken der durch diese Ströme hervorgerufenen drei Wechselfelder ergibt sich ein gemeinsames Drehfeld, dessen Achse in Bild 2b eingezeichnet ist. Im Zeitaugenblick t 1 (Bild 2a, 2c) führen Phase 1 bzw. die Spule U-X maximalen positiven Strom, die Phasen 2,3 bzw. die Spulen V-Y, W-Z halben negativen Strom. Aus diesen drei Wechselfeldern ergibt sich jetzt wieder ein Feld, dessen Achse sich gegenüber dem Zeitpunkt t 0 um 90 gedreht hat. Diese Betrachtungen lassen sich nun für jeden Zeitaugenblick anstellen und man sieht, dass trotz der ruhenden Wicklungen ein umlaufendes Feld, also ein Drehfeld, erzeugt wird. Dieses Drehfeld lässt sich durch eine entlang des Kreisumfangs räumlich sinusförmig verteilte Induktion B, die mit konstanter Drehfelddrehzahl n d umläuft, beschreiben. Dieses Feld durchsetzt Luftspalt und Läuferwicklung. Die konstante Drehfelddrehzahl n d des Drehfeldes, die sogenannte synchrone Drehzahl n d, ist proportional der Frequenz f s der anliegenden Spannung am Ständer und umgekehrt proportional der Polpaarzahl p des Ständers, also 3

4 n d fs 60 = min p Bei f s = 50Hz Netzfrequenz ergibt sich für p = 1 eine Drehfelddrehzahl n d = 3000min Bild 2: Zeitlicher Verlauf der Ströme in den drei Wicklungen und Entstehung des Drehfeldes Die Drehrichtung des Drehfeldes ist durch die zeitliche Folge der Ströme bestimmt. Wenn wir diese umkehren, wenn wir also z.b. den Strom i 2 (Bild 1) in Spule W und Strom i 3 in Spule V leiten, d.h. zwei von den drei Zuleitungen vertauschen, so kehrt sich die Drehfeldrichtung um. Die zeitliche Flußänderung induziert im zunächst stillstehenden Läufer eine Spannung. Die Läuferwicklung ist über Schleifringe an Belastungswiderstände angeschlossen oder kurzgeschlossen. Im Läufer fließt daher ein Strom, der mit dem Ständerfeld ein Drehmoment bildet. Der Läufer wird von diesem Drehmoment in Richtung des Ständerdrehfeldes bewegt, die Relativgeschwindigkeit und damit die Induktionswirkung zwischen Drehfeld und Läufer wird damit geringer (Bild 3a). 4

5 n = n d U' L U' L0 mit nd Die Läuferfrequenz f L sinkt (Bild 3b). U' = Läuferspannung U' L L0 = Läuferstillstandsspannung n= DrehzahldesLäufers nd n fl = fs n d Würde der Läufer die gleiche Drehzahl wie die Drehfelddrehzahl n d des Ständers (n = n d ) erreichen, d.h. synchron mit dem Drehfeld umlaufen, so bliebe der mit der Läuferwicklung verkettete Fluß zeitlich konstant. Induzierte Spannung, Läuferstrom und Drehmoment wären damit null. Die synchrone Drehzahl stellt sich näherungsweise im Leerlauf ein. Je größer die Belastung, umso mehr sinkt die Drehzahl ab, wodurch die Induktionswirkung vergrößert wird und der Strom steigt. Der etwa vier- bis achtfache Nennstrom fließt im Einschaltaugenblick (n = 0), da dann die Relativdrehzahl (Differenzdrehzahl zwischen Drehfeld und Läufer) groß ist. Das Verhältnis der Relativdrehzahl n d - n zur Drehfelddrehzahl n d bezeichnet man als Schlupf s: nd n s = n Wie leicht zu ersehen ist, ergibt sich im Stillstand s = 1 und beim Synchronlauf s = 0. d Bild 3: Abhängigkeit der Läuferspannung U L und der Läuferfrequenz f L von der Drehzahl n Elektrisches Ersatzschaltbild der ASM Zur Ableitung des Ersatzschaltbildes werden die beiden Dreiphasenwicklungssysteme (Läufer, Ständer) durch 2 x 3 einphasige Systeme ersetzt. Dies ist dann zulässig, wenn sie symmetrisch durchflutet werden, was im störungsfreien Betrieb i.a. erfüllt ist. Unter diesen Bedingungen hat das Ersatzschaltbild der ASM mit kurzgeschlossenem Läuferkreis die in Bild 4 gezeigte Form. Die Läuferwicklung wird auf die Windungszahl des Ständers umgerechnet, was der Strichindex an den Formelzeichen zum Ausdruck bringt. 5

6 Bild 4: Ersatzschaltbild der ASM Bei Drehzahl n = 0 erzeugt das Drehfeld die Läuferstillstandsspannung U L0, deren Frequenz f L gleich der Ständerspannungsfrequenz f s ist (p = 1). Der induktive Blindwiderstand des Läufers sei bei Netzfrequenz gleich X L. Läuft die Maschine hoch, so werden proportional zur Drehzahlerhöhung die Läuferspannung, deren Frequenz und damit der induktive Blindwiderstand geringer, um bei Synchrondrehzahl n d zu null zu werden. Um also Spannung und Blindwiderstand des Läufers bei jeder beliebigen Drehzahl zu erhalten, brauchen deren Stillstandsgrößen nur mit dem Schlupf s multipliziert zu werden. Im Ersatzschaltbild würden also die Größen s U' L σ und s X' L σ erscheinen. Dividiert man nun alle Größen des Läufers durch s und rechnet sie auf die Primärseite um (ü = 1), so erhält man das ESB (Bild 4) für eine ASM mit Kurzschlussläufer, wobei ü das Übersetzungsverhältnis zwischen Ständer und Läufer ist. Wegen der verteilten Form der Wicklung entspricht das Übersetzungsverhältnis ü nicht dem Verhältnis der Windungszahlen. Der Effektivwert des Läuferstromes errechnet sich zu: I L = U L0 2 RL + Den im Ersatzschaltbild eingetragenen Strom I L gewinnt man durch 1 I' L = IL ü 1.4 Anlaßverfahren s In den weitaus meisten Anwendungsfällen ist es üblich, Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer direkt an das Netz zu schalten. Im Einschaltaugenblick zieht die Maschine wegen der hohen Läuferstillstandsspannung einen sehr hohen Strom. Es gibt Fälle, in denen entweder der Anlaufstrom mit Rücksicht auf die Netzverhältnisse klein gehalten werden muss oder in denen ein bestimmtes Beschleunigungsmoment mit Rücksicht auf die Arbeitsmaschine nicht überschritten werden darf. Im Folgenden werden die Anlaßverfahren der ASM beschrieben. X 2 Lσ 6

7 1.4.1 Anlaßtransformator Mit einem Anlaßtransformator kann die Motorspannung in beliebiger Höhe (und beliebig vielen Stufen) verstellt werden. Wird mit einem Anlaßtransformator die Motorspannung heruntergesetzt, so verringert sich der Stillstandsstrom des Motors in gleichem Maße, während das Stillstandsdrehmoment und der primäre Netzstrom quadratisch sinken (durch die Kloss sche Formel begründet).es gilt: I U und M U I 2 2 A S A S A Die primäre Scheinleistung des Transformators ist näherungsweise gleich der sekundären, welche wiederum proportional dem Anzugsmoment des Motors ist. Da die Netzspannung unveränderlich ist, sinkt der dem Netz vom Transformator entnommene Strom im gleichen Verhältnis wie das Drehmoment. Wegen der relativ hohen Kosten wird der Anlauftransformator meist nur von Motorleistungen ab P N > 500 kw angewandt und dann als Spartransformator ausgeführt Stern-Dreieck-Umschaltung Bild 5: Stern-Dreieck-Anlauf 7

8 Bei Niederspannungsmaschinen wird der Teilspannungsanlauf durch eine Stern-Dreieck- Umschaltung der Maschine erreicht. Im normalen Betrieb ist die ASM dabei im Dreieck geschaltet, der Anlauf dagegen erfolgt in Sternschaltung. Die Spannung an einem Wicklungsstrang der Maschine ist in Sternschaltung um den Faktor 1 3 kleiner als bei Dreieckschaltung, der Strangstrom geht damit ebenfalls etwa um den Faktor 1 3. Allerdings ist damit auch ein Absinken des Momentes auf 1/3 des Wertes der Dreieckschaltung verbunden. Bei dem in Bild 5 dargestellten Fall ist das Belastungsmoment M W niedrig, der Hochlauf erfolgt bis in die Nähe der Nenndrehzahl, danach erfolgt Umschaltung auf Dreieckschaltung. Der Umschaltstrom beträgt etwa 1,9-fachen Nennstrom und das Moment etwa 1,6-faches Nennmoment Stromverdrängungsläufer (Motor mit Käfigläufer) Bild 6: Nutenquerschnitte von Wirbelstromläufern Bei Motoren mit Kurzschlussläufer kann man den Läufernuten einen ganz bestimmten Querschnitt geben (Bild 6) und so den Stromverdrängungseffekt ausnutzen. Beim Einschalten der Maschine ergibt sich bei n = 0 eine relativ hohe Läuferfrequenz und damit eine hohe Stromverdrängung, d.h. dem Läuferstrom steht nur noch ein geringerer wirksamer Leiterquerschnitt zur Verfügung als tatsächlich vorhanden ist. Dadurch erscheint der Läuferwiderstand R L vergrößert. Dies führt zu einer Verringerung des Läuferstromes I L. Eine 8

9 Verringerung des Läuferstromes zieht eine Verminderung des Ständerstromes nach sich. Durch geeignete Wahl der Form des Nuten- und damit des Stabquerschnittes lassen sich die in den Läuferstäben auftretenden Stromverdrängungserscheinungen in gezielter Weise ausnutzen, um die M = f(n)-charakteristik zu verändern (Bild 7). Bild 7: Kennlinien für verschiedene Käfigläufernutformen Da die Stromverdrängung proportional der Frequenz ist, wird sie mit zunehmender Drehzahl geringer, um im Nennbetrieb der Maschine praktisch ganz zu verschwinden Läuferwiderstände (Motor mit Schleifringläufer) Bild 8: Drehmomentverlauf einer ASM mit Schleifringläufer Da beim Schleifringläufer die Läuferwicklung über die Schleifringe zugänglich ist, kann der Läuferwiderstand R 2 durch Einschalten von Läufervorwiderständen der Läuferwicklung vergrößert werden. Dadurch lassen sich Strom und Drehmoment des Motors beim Anlauf und Hochlauf variieren, wobei das größtmögliche Motormoment M K (Kippmoment) in seiner Höhe unverändert bleibt. Beim Schleifringläufer müssen Ständer und Läufer gleiche Polpaarzahl haben. 9

10 1.5 Leistungsbilanz und Wirkungsgrad Bei den folgenden Betrachtungen sei Motorbetrieb vorausgesetzt. Der Ständer nimmt dann aus dem Netz die Leistung P el auf. Im Ständer entstehen die so genannten Ständerverluste P VS, die sich zusammensetzen aus den Stromwärmeverlusten P VCu in den Kupferleitern und den Eisenverlusten P VFe im Ständerblechpaket. PVS = PVFe + PVCu Pi = Pel PVS Die restliche über den Luftspalt auf den Läufer übertragene Wirkleistung, die sogenannte Ständerdrehfeldleistung P i, geht in den Läufer über und teilt sich dort in eine mechanische Leistung P m und eine elektrische Verlustleistung P VL (Läuferkupferverluste) auf. Pm = Pi PVL Die mechanische Leistung P m wird um die Reibungsverluste (Lager- und Luftreibung) P VR vermindert und als Nutzleistung P mech (nutzbare mechanische Leistung) an der Welle abgegeben. Pmech = Pm PVR Für Generatorbetrieb müßte die Richtung des Nutzleistungsflusses P el - P mech sinngemäß umgekehrt werden. Für die am Wellenende abgegebene mechanische Leistung der ASM gilt also die folgende Leistungsbilanz für den Motorbetrieb. Pmech = Pel PVS PVL PVR Bild 9: Leistungsaufteilung im Motorbetrieb Für den Generatorbetrieb gilt sinngemäß: Pel = Pmech PVS PVL PVR Die Aufteilung der Ständerdrehfeldleistung in mechanische Leistung geschieht über den Schlupf: Pm = ( 1 s) Pi PVL = s Pi Das innere Drehmoment M i ergibt sich aus der mechanischen Leistung. 10

11 P Pi ( 1 s m ) Pi M i = = = 2 π n 2 π n d ( 1 s ) 2 π n d Das an der Welle abgegebene Drehmoment M ab errechnet sich aus dem inneren Drehmoment M i vermindert um das drehzahlabhängige Reibungsmoment M r aufgrund der Reibungsverluste P VR. Mab = Mi Mr Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung an: Pab η= Pzu Im Generatorfall ist Pab die elektrische Leistung und Pzu die mechanische Leistung, im Motorfall sind die beiden Leistungen genau umgekehrt anzusetzen. 1.6 Betriebsarten der ASM mit Kurzschlussläufer M=f(n) der ASM mit Kurzschlussläufer Die Kennlinie nach Bild 10 gilt unter etwas idealisierten Voraussetzungen. Beim Kurzschlussläufer ergeben sich durch Nebeneffekte, insbesondere bei größerem Schlupf, z.b. durch das Auftreten von Sattelmomenten, Abweichungen vom dargestellten Verlauf. Bild 10: M=f(n)-Kennlinie der ASM 11

12 1.6.2 Motorbetrieb Der Motorbereich gilt für 0 < n < n d. Folgende Momente sind charakteristisch (Bild 10): M A : Anfahrmoment bei n = 0 M K : Kippmoment bei ca % von n d M N : Nennmoment bei ca % von n d Der Motor arbeitet normalerweise auf dem linearen Abschnitt der Kennlinie zwischen M = 0 und M = M N. Damit bei einer plötzlichen Überlastung die Maschine nicht stehen bleibt, soll das Kippmoment etwa das 1,8-fache bis 2,0-fache des Nennmomentes betragen (nach VDE M K = 1,6 M ). Der Motor wird thermisch so ausgelegt, dass er ohne Schaden über längere Zeit N mit Nennmoment bei Nenndrehzahl belastet werden kann Generatorbetrieb Wird der Läufer mit Hilfe einer Antriebsmaschine in Drehrichtung des Drehfeldes mit übersynchroner Drehzahl angetrieben (n > n d ), so wird die Maschine zum Generator und gibt elektrische Leistung, die sie als mechanische Leistung von der Welle bezieht, vorzugsweise über den Ständer an das Netz ab Gegenstrombetrieb Der Läufer wird gegen die Ständerdrehfeldrichtung angetrieben, der Schlupf ist größer als 1. Der Maschine wird von zwei Seiten Leistung zugeführt: einmal elektrische Leistung aus dem Netz über den Ständer und zum anderen mechanische Leistung von der Antriebsmaschine über die Welle. Beide Leistungen werden im Läuferkreis in Wärme umgewandelt, die Maschine wirkt als Bremse. 1.7 Drehzahlsteuerung Für die Drehzahlsteuerung der ASM mit Kurzschlussläufer gibt es zwei Möglichkeiten, die Frequenzänderung und die Polpaarzahländerung: Frequenzänderung Betreibt man einen Asynchronmotor mit einer Drehspannung einstellbarer Frequenz f s und Amplitude, so wird die Synchron- und damit auch die Betriebsdrehzahl proportional geändert. Man erhält das Kennlinienfeld in Bild 11. Die Verstellung ist verlustarm, da heute Umrichterschaltungen mit Leistungshalbleitern benutzt werden (η > 0,9). 12

13 Bild 11: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie einer ASM bei Betrieb mit variabler Frequenz Im Bereich f < f N wird die Klemmenspannung proportional mitverändert, womit das Nennkippmoment M K der Maschine erhalten bleibt. Für f > f N wird die Spannung mit U = U N konstant gehalten, was einer Feldschwächung mit vermindertem Kippmoment entspricht. Der Einsatz von Umrichtern lohnt sich nur, wenn der Prozess eine kontinuierliche Drehzahländerung erfordert und/oder nennenswert elektrische Energie eingespart werden kann. Umrichtergespeiste Drehstrommotoren haben in den letzten Jahren bei den drehzahlgeregelten Antrieben die Gleichstrommaschine praktisch verdrängt Polpaarzahländerung Die Drehzahl kann auch über die Polpaarzahl verändert werden. Für die Polumschaltung muss die Wicklung entsprechend angefertigt sein. Für viele Zwecke, häufig im Zusammenhang mit Getrieben an Werkzeugmaschinen, werden Käfigläufermotoren mit Polumschaltung verwendet. Es sind dann entweder zwei getrennte Ständerwicklungen verschiedener Polpaarzahlen vorhanden oder es können die Stranghälften der Ständerwicklung auf verschiedene Weise zusammengeschaltet weden. So lässt in beiden Fällen eine Änderung der Polpaarzahl und damit eine Drehzahlsteuerung in Stufen erreichen. Dem Vorteil der verlustfreien Steuerung steht der Nachteil der stufenweisen Drehzahländerung gegenüber. Außerdem lohnt sich das Verfahren nur, wenn Kurzschlussläufer verwendet werden können, da nur diese mit unterschiedlichen Ständerpolpaarzahlen zusammenarbeiten können. 13

14 2 Versuchsbeschreibung 2.1 Versuchsaufbau Zwischen dem Drehstromnetz und den Eingangsklemmen der Asynchronmaschine (ASM) liegt ein Stelltransformator. Damit kann eine variable Spannung im Bereich von V eingestellt werden. Die Wirkleistungsaufnahme der ASM wird mit der Aronschaltung gemessen. Zur Anpassung der Messgeräte an die Maschinenströme werden Stromwandler eingesetzt. Bild 12: Aufbau des Versuchstandes Die ASM wird durch eine fremderregte Gleichstrommaschine belastet, wobei durch Änderung der Belastung die Drehzahl eingestellt wird. Beim vorliegenden Versuchsaufbau speist ein Gleichstromnetz von 230V = die Erregerwicklung. Der Anker (Klemmen A1, A2) und die 14

15 Wendepolwicklung (Klemmen B1, B2) der Gleichstrommaschine liegen an einem steuerbaren Gleichstromnetz von V =. Die Drehmomentbestimmung erfolgt über eine an das Ständergehäuse der Gleichstrommaschine montierte Pendelwaage. Die Wirkungsweise der Pendelwaage beruht auf der Wechselwirkung der Kräfte zwischen Läufer und Ständer der Maschine. 2.2 Versuchsdurchführung Es sollen die Betriebskennlinien der ASM mit Kurzschlussläufer aufgenommen werden. Hierzu wird die ASM mit einer GSM belastet. Gemessen werden die aufgenommene Leistung P el, der Strom I 1, die Drehzahl n und das Moment M bei konstanter Spannung U N. Da die Ströme bei Belastung über das Nennmoment hinaus stark anwachsen, werden die Messungen bei verminderter Spannung von etwa 160V durchgeführt. Unter den aufgenommenen Messwerten sollen sich auch die Werte für den Leerlauf- sowie für den Kurzschlusspunkt befinden. Zum Versuchsbeginn ist die Eichung der Drehzahlmesseinrichtung zu überprüfen. Dies geschieht mit Hilfe eines Handtachometers bei der Leerlaufdrehzahl. Der zu messender Drehzahlbereich ist 1700min -1 im Generatorbetrieb bis -300min -1 im Gegenstrombetrieb. 2.3 Versuchsauswertung Die Versuche werden bei einer niedrigeren Spannung als der Nennspannung der Asynchronmaschine durchgeführt, da sich diese sonst im Versuch zu stark erwärmen würde. Das gesamte Protokoll soll von den Messdaten auf die Nenndaten der Maschine umgerechnet werden. Bringen Sie dazu einen Umrechnungsfaktor a ein: Ugemessen U a= = U 380V Nenn gemessen Die gemessenen Stromstärken sind proportional zur Spannung und müssen daher ebenfalls mit dem Faktor a multipliziert werden. Die Leistung und das Drehmoment sind proportional zur Spannung zum Quadrat und müssen daher mit a 2 multipliziert werden. a) Geben Sie eine einleitende Übersicht über die Asynchronmaschine und die im Versuch behandelten Untersuchungen. b) Protokollieren Sie die Typenschildangaben der ASM. Bestimmen Sie die synchrone Drehzahl n d des Motors. Berechnen Sie sein Nennmoment M N sowie den Schlupf s n und den Wirkungsgrad bei Nennbetrieb. 15

16 c) Geben Sie die komplette Messwerttabelle mit allen wie oben beschrieben auf Nennspannung umgerechneten Werten an. Berechnen Sie auch die Werte Leistungsfaktor cos ϕ, die mechanische Leistung P mech und den Wirkungsgrad η. Geben Sie die Berechnungsformeln an. Zeichnen Sie die folgenden Kennlinien: M = f(n), I 1 = f(n), P el = f(n), cos ϕ= f(n) Erläutern Sie die Verläufe aller Kennlinien und vergleichen Sie sie mit den theoretisch erwarteten Verläufen. d) Beim Durchfahren des Leerlaufpunktes der ASM ( n nd ) sollen die Leerlaufverlustleistung P 0, Kupferverluste P VCu, Reibungsverluste P VR, Eisenverluste P VFe sowie der Leistungsfaktor cos ϕ 0 berechnet werden. Hinweis: Zur Leistungsberechnung gilt die Beziehung: P0 = PVCu + PVFe + PVR Der bei der Berechnung erforderliche Wert wird bei Versuchsbeginn bekanntgegeben. Zeichnen Sie das vereinfachte Ersatzschaltbild der ASM für n = n d. e) Für den Betriebszustand des Kurzschlusspunktes der ASM (n = 0) sollen folgende Daten der Maschine ermittelt werden: - R L - (X S + X L ) - cos ϕ K Zeichnen Sie das vereinfachte Ersatzschaltbild der ASM für diesen Betriebszustand. Den Ständerwiderstand der ASM können Sie zu 0,9Ω annehmen. f) Wie kann aus den Kennlinien für eine beliebige Drehzahl n der Gesamtverlust P Vges der Maschine ermittelt werden? g) Listen Sie die möglichen Fehlerquellen auf, die bei diesem Versuch auf die Messwerte einwirken. Beschreiben Sie auch die Stärke ihres Einflusses auf die Ergebnisse und beginnen Sie die Auflistung mit den Fehlerquellen mit dem stärksten Einfluss auf die Messergebnisse. 16

17 Allgemeine Hinweise zum Versuch Asynchronmaschine Legen Sie dem Protokoll die original-messtabelle aus dem Versuch bei, damit Ihre Messwerte und die Umrechnungen nachvollzogen werden können. Geben Sie bei Formelberechnungen Zwischenschritte an und machen Sie die eingesetzten Messpunkte kenntlich. Die Gesamtnote des Versuches ergibt sich aus der Mittelung des Ergebnisses des Protokolls und des Kurztests. Die Note 5,0 (nicht bestanden) in einem der beiden Teile führt zu einem Nichtbestehen des gesamten Versuchs. Ebenso führt ein Täuschungsversuch in einem der beiden Teile zum Nichtbestehen. Das Vortestat zum Versuch geht nicht in die Note zum Versuch ein. Es ist aber Zulassungsvoraussetzung zum Versuch und kann bei Nichtbestehen zum Ausschluss aus dem Versuch oder zu weiteren erforderlichen Ausführungen im Protokoll führen, die in der Aufgabenstellung sonst nicht enthalten sind. Bei einem nicht bestandenen Protokoll sind grundsätzlich Nachbesserungen möglich. Diese Nachbesserungsmöglichkeit besteht nach einem Täuschungsversuch nicht. Die Durchsicht älterer Protokolle zum Versuch als Anregung ist erlaubt. Das Abschreiben aus anderen Protokollen wird als Täuschungsversuch gewertet. 17