3 Die Gleichstrommaschine

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1 Universität Stuttgart Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow 3 Die Gleichstrommaschine 3.1 Einführung Anwendung und Einsatz Erhältlich für alle Leistungsklassen vom Miniaturmotor bis hin zu höchsten Leistungen (z. B. Walzwerksantrieb bei Nippon Steel Oita, Japan: 16,5 MW). Aufgrund der guten Regelbarkeit und der relativ leicht beeinflussbaren Kennlinie in der klassischen Antriebstechnik für drehzahlveränderliche und geregelte Antriebe geeignet (Aufzüge, Werkzeugmaschinen); in älteren Anlagen noch vorhanden, heutzutage jedoch zunehmend von umrichtergespeisten Drehstrommaschinen verdrängt. In einer für Wechselstrom geeigneten Ausführung (sog. Universalmaschine) überragende Bedeutung bei Kleinantrieben (Haushaltsgeräte) sowie als Traktionsantriebe in Elektrolokomotiven älterer Bauart Prinzip Erregerwicklung Rotor Kommutator Stator I a I e Zahlreiche Anwendungen im Kfz. Bild 3-1 Feststehender Stator mit der felderzeugenden Erregerwicklung, durchflossen vom Erregerstrom Ie (alternativ: Permanentmagnet) Rotierender Rotor (Anker), durchflossen vom momentbildenden Ankerstrom Ia Kommutator (Stromwender) zur Gewährleistung der korrekten Stromrichtung in den einzelnen Ankerstäben Blatt 1 Blatt 2

2 mithilfe des Erregerstromes Ie durch die Erregerwicklung wird ein magnetisches Feld erzeugt (Fluss φ), das die Maschine vollständig durchsetzt die vom Ankerstrom Ia durchflossenen Leiter in den Ankernuten erfahren diesem Feld Kräfte, diese Kräfte führen zur Ausbildung des Drehmoments während der Rotation des Ankers sorgt der Kommutator dafür, dass die Ankerströme in den einzelnen Nuten stets die für die Momentbildung richtige Richtung aufweisen Ziel und Vorgehen der Vorlesung Die vollständige mathematische Beschreibung der idealisierten Gleichstrommaschine (Vernachlässigung von Sättigungserscheinungen) erfolgt in mehreren Schritten: 1. Im Magnetfeld des Ständers rotiert der leerlaufende, d. h. nicht angeschlossene, stromlose Anker der Maschine. In den Ankerwicklungen werden Spannungen induziert, die beispielsweise an den Bürsten messbar sind (3.2). 2. Der stromdurchflossene Anker rotiert ohne ständerseitiges Magnetfeld. Für diesen Betriebszustand können wichtige elektrische Eigenschaften des Ankerkreises angegeben werden (3.3). 3. Erst bei gleichzeitig stromdurchflossenem Anker und ständerseitigem Magnetfeld (Kombination von 1. und 2.) kommt es zur Momentbildung und damit zur Leistungsabgabe an der Welle. Überlagerung von 1. und 2. ermöglicht die Herleitung von und Ersatzschaltbild (3.2, 3.3 und 3.4). Betriebskennlinien Blatt 3 Blatt 4

3 zu 3.2: Die Bildung der Leerlaufgleichspannung Bild 3-3 Bild 3-2 Bild 3-4 Blatt 5 Blatt 6

4 Bisher: Flussführung durch Luft zur Erzeugung der magnetischen Induktion ist eine sehr hohe Durchflutung erforderlich (2.3). Jetzt: Flussführung durch Eisenkörper (mit hohem magn. Leitwert ch): Eigenschaften des Magnetfeldes im Bereich des Ankers: Feldlinien stehen senkrecht (Richtung der magn. Induktion) auf der Oberfläche von Anker und Polschuh. Der Betrag der magn. Induktion unter dem Polschuh ist ortsabhängig, und zwar vom Zentrum (Maximum) nach außen hin abnehmend. Verlauf ui(α) ändert sich gegenüber der Anordnung aus (Bild 3-4 bei homogenem B-Feld): Bild 3-6 Bild 3-5 Flussführung......außerhalb des Ankers:...innerhalb des Ankers: Polschuhe und Verbindungsschenkel, der die Erregerspule trägt (oder einen Permanentmagnet enthält) (= Stator). Eisenkörper i.d.r. als tragende Konstruktion für die Ankerwicklung bzw. Ankerstäbe. Der Eisenkörper rotiert; dies beeinflusst sein Vermögen zur Flussführung nicht, wenn die Ausbildung von Wirbelströmen verhindert wird (siehe später)....zwischen Stator und Anker: Luftspalt; aus mechanischen Gründen (Rotation) erforderlich. û i, U i sind einerseits proportional Ω, andererseits proportional einer die Stärke der magnetischen Induktion beschreibenden Größe, z.b. Bmax oder dem... Nutzfluss (siehe ): Φ = BdA Θ = N I (3-8) h e e APolschuh Blatt 7 Blatt 8

5 zu 3.3: Das Elektrische Verhalten des Ankerkreises zu 3.5: Kennlinien Bild 3-8 Fremderregung Nebenschlusserregung Permanenterregung Reihenschlusserregung Bild 3-7 Bild 3-9 Bei feiner Nutteilung (hohe Nutenzahl, kleine Werte von ε) ist das Ankerquerfeld unabhängig von der augenblicklichen Stellung des Ankers. Für I a = const. werden längs des Weges C x die in Stäben der linken Ankerhälfte induzierten Spannungen durch die in Stäben der rechten Ankerhälfte induzierten Spannungen kompensiert. Für C y gilt dasselbe. Blatt 9 Blatt 10

6 M i Konstante Erregung ( φ = φ N) Variation der Ankerspannung U M i Nebenschlusserregung Variation der Spannung U ( = Ue φ ) M stn M stn U N φ N U = 1,2 U N φ = 1, 2 φn U N U= 1,2 U N U= 0,8 U N U = 0,8 U N φ = 0,8 φn 0 Ω ln Ω 0 Ω ln Ω Bild 3-10 M i Bild 3-12 Variation der Erregung φ Konstante Ankerspannung ( U= UN ) M stn φ = 1, 2 φn φ = 0,8 φn φ N 0 Bild 3-11 Ω ln Ω Blatt 11 Blatt 12

7 3.6 Praktische Ausführungen von Gleichstrommaschinen Anzahl der Polpaare (p) Bisheriges Beispiel: Wicklungsprinzipien (für die Ankerwicklung) Abgewickelte Darstellung von Ankerwicklungen (Beispiele): a) Eingängige, ungekreuzte Schleifenwicklung p = 1 (1 Polpaar, 2-polige Maschine) Bild 3-15 b) Eingängige, ungekreuzte Wellenwicklung Bild 3-13 Weiteres Beispiel: Bild 3-16 p = 2 (2 Polpaare, 4-polige Maschine) c) Zweigängige Treppen-Wellenwicklung (Richter, Elektr. Maschinen, Bd. 1) Übliche Polpaarzahlen: p = 2, p = 3 Bild 3-17 Bild 3-14 Blatt 13 Blatt 14

8 3.6.3 Wicklungsausführungen (für die Ankerwicklung): Stabwicklung: Spulenwicklung: Kommutator, Stromwender Jeder Ankerleiter ist am Anfang a direkt mit dem Kommutator verbunden. In jeder Ankernut liegt nur ein Ober- und ein Unterstab ( Windungszahl 1 ) Zwischen zwei Anschlusspunkten am Kommutator liegt eine Spule von (dünnen) Ankerdrähten (Windungszahl > 1) Die sich mit der Ankerwicklung drehenden Kontaktsegmente heißen Kollektor, Stromwender oder Kommutator. Die Spannung zwischen je zwei benachbarten Kommutatorsegmenten darf 20V... 40V nicht überschreiten, sonst besteht die Gefahr der Lichtbogenbildung, im Extremfall entsteht ein Rundfeuer Ankerrückwirkung Das Hauptfeld wird durch das Ankerquerfeld unter einer Hälfte des Pols verstärkt, unter der anderen Hälfte geschwächt. Bei Auftreten von Eisensättigung wird die Schwächung des Hauptfeldes unter der einen Polhälfte nicht mehr vollständig durch die Verstärkung unter der anderen Polhälfte ausgeglichen, der Haupt-(Nutz-)fluss wird kleiner: Feldschwächung infolge Ankerrückwirkung und Eisensättigung Abhilfe in diesem Fall schafft die Kompensationswicklung Ankerdurchflutung und resultierendes Ankerquerfeld sind bei konstantem Ankerstrom zeitlich und örtlich praktisch konstant. Die Verzerrung des Hauptfeldes durch das Ankerquerfeld kann also durch ein gleichfalls stillstehendes Spiegelbild zur Ankerdurchflutung vermieden werden. Dieses Spiegelbild wird durch die Kompensationswicklung erzeugt. Bild 3-19 Bild 3-18 Die Kompensationswicklung hebt nur den an der Drehmomentbildung unbeteiligten Ankerquerfluss auf, nicht den für die Drehmomentbildung ursächlichen Hauptfluss! Blatt 15 Blatt 16

9 3.6.7 Stromwendung Während der Rotation des Ankers muss die Stromrichtung in den querliegenden (gerade kommutierenden) Spulen bzw. Windungen umgekehrt werden: b) Durch Verdrehung der Bürsten aus der neutralen Zone wird in der gerade kommutierenden Spule eine Spannung induziert: Bild 3-21 c) Zusätzliche Wendepole erzeugen einen Fluss, der in der gerade kommutierenden Spule eine Spannung induziert: Bild 3-20 Da die einzelnen in Eisen eingebetteten Ankerspulen eine nennenswerte Induktivität aufweisen, ist für die Änderung der Stromrichtung in der querliegenden (gerade kommutierenden) Ankerspule eine Wendespannung erforderlich. Möglichkeiten zur Bereitstellung der Wendespannung: a) Ohne besondere Maßnahmen: Es bildet sich an der ablaufenden Kante der Bürste ein Lichtbogen aus, an dem die Wendespannung abfällt. Bild 3-22 Blatt 17 Blatt 18

10 3.6.8 Universalmaschine Eine Gleichstrom-Reihenschlussmaschine kann prinzipiell auch mit Wechselstrom betrieben werden, da hier der feldbildende Erregerstrom mit dem drehmomentbildenden Ankerstrom identisch ist. Das sich ausbildende Drehmoment hat damit eine eindeutige Richtung, unabhängig vom momentanen Vorzeichen des Stromes. Die Drehrichtung der Maschine wird ausschließlich von ihrem Aufbau (Wickelsinn, Verschaltung) bestimmt. Das grundsätzliche Verhalten entspricht dem der Gleichstromreihenschlussmaschine (Kennlinie, Anlaufpunkt, Leerlaufdrehzahl). Besondere Eigenschaften: 1. Das Drehmoment der Maschine pulsiert mit der doppelten Frequenz des Maschinenstromes: i a (t) R a L a Ankerstrom: i(t) a = ia cos( ωt) Erregerfluss: (3 10) φ (t) = c i e(t) Ne = c ie cos( ωt) Ne u(t) Bild 3-23 R e u e (t) L e u I,II (t) φ (t) u i (t) Ω m i (t) Bemerkung: Nebenschlussmaschinen können wegen der stark unterschiedlichen Induktivität von Anker- und Erregerkreis im Allgemeinen nicht mit Wechselstrom betrieben werden (Phasenverschiebung zwischen Erreger- und Ankerstrom führt zu Gegenmomenten). Eine solche mit Wechselstrom betriebene Gleichstrom-Reihenschlussmaschine bezeichnet man als Universalmaschine Anwendungsbeispiele: Haushaltsgeräte, Elektrolokomotiven älterer Bauart Resultierendes Drehmoment ( i a = i e = i, Reihenschluss): (3 24) i e e 2 m(t) = K c N (i cos( ω t)) = K c N i (1+ cos(2ωt)) Arithmetischer Mittelwert des Drehmoments: 1 2 Mi = K c N 2 e i 2. In der gerade kommutierenden, quer liegenden Spule der Ankerwicklung wird eine von der Änderung des Erregerfeldes herrührende und drehzahlunabhängige Spannung transformatorisch induziert. Sie muss zur Selbstinduktionsspannung während der Stromänderung in dieser Spule addiert werden und erschwert zusätzlich die Kommutierung. Wendepole bei größeren Maschinen unbedingt notwendig. Problem: Diese transformatorisch induzierte Spannung durch das Wechselfeld tritt unabhängig von der Drehzahl des Rotors auf. Bei stehender (bzw. langsam drehender) Maschine kann sie nicht durch das Wendepolfeld aufgehoben werden. Blatt 19 Blatt 20

11 Von den quer liegenden Windungen aufgespannte Fläche φ (t) Hauptpol Erregerpol i a (t) Ω m i (t) Wendepol Bild 3-24 Anmerkung: Die schwierigen Kommutierungsverhältnisse bei Universalmaschinen waren der Grund für die Einführung der niedrigen Frequenz ( 16 2 Hz, heute 16,7Hz) 3 im deutschen, österreichischen und schweizerischen Bahnstromnetz. 3. Der Stator der Maschine muss zur Verringerung von Wirbelstromverlusten in jedem Fall geblecht werden (Wechselfluss φ(t) induziert Wirbelströme im Eisen). 4. Die Maschine als Wechselstromzweipol weist einen Leistungsfaktor cos φ < 1 auf. Dieser verändert sich mit den Feldverhältnissen. Durch Einbau von Kompensationswicklungen zur Aufhebung des Ankerquerfeldes kann der cos φ verbessert werden. Blatt 21