Aufbau der Gleichstrommaschine (graue Bauteile weichmagnetisch) Idealisierter Feldverlauf im Luftspalt der Gleichstrommaschine und Abmessungen

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1 Zu Erregerkreis Zu 3.1 Aufbau und grundsätzliche Wirkungsweise Bild 3.1: Aufbau der Gleichstrommaschine (graue Bauteile weichmagnetisch) Bild 3.3: Idealisierter Feldverlauf im Luftspalt der Gleichstrommaschine und Abmessungen Bild 3.2: Aufbau und Funktionsweise des Kommutators magnetische Feldstärke im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) Windungszahl der Erregerwicklung Erregerstrom Luftspaltlänge 0 Permeabilität des Luftspalts B Induktion im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) d a Ankerdurchmesser p Polwinkel p da Polteilung p 2 p mit p: Polpaarzahl p p da Polbogen p 2 a p p Polbedeckung (Quotient aus Polbogen und Polteilung a p ) p Länge des Blechpakets H w f I f Blatt 1 Blatt 2

2 Zu Induzierte Spannung Zu 3.3 Ersatzschaltbild Bild 3.5: Ersatzschaltbild der Gleichstrommaschine Zu Berechnung von nichtlinearen Permanentmagnetkreisen Bild 3.4: Induktions-, Fluss- und Spannungsverlauf einer Leiterschleife Bild 3.6: Arbeitspunktbestimmung im Permanentmagnetkreis durch Scherung Blatt 3 Blatt 4

3 Zu Permanentmagnetmaterialien Zu Berechnung von permanenterregten Gleichstrommotoren mit Innenläufer Material B r T (Remanenz) H C max ka m (Koerzitivfeldstärke) BH kj m 3 (Energieprodukt) max C (max. Einsatztemperatur) Anisotroper Ferrit 0,36 0, SmCo 0,8 1, NdFeB 1,0 1, Tabelle 3.1: Eigenschaften von Permanentmagnetmaterialien Bild 3.8: Aufbau einer permanenterregten Gleichstrommaschine B h m m B r d a p p p Luftspaltlänge Luftspaltinduktion Magnethöhe relative Permeabilität des Magneten Remanenzinduktion des Magneten (im Arbeitspunkt) Ankerdurchmesser Polwinkel Polteilung axiale Länge des Ankers und der Magnete Polpaarzahl Bild 3.7: Entmagnetisierungskennlinien von Permanentmagnetmaterialien Blatt 5 Blatt 6

4 Zu Ankerrückwirkung, Entmagnetisierung Zu 3.5 Fremderregte Gleichstrommaschine Bild 3.9: Feldlinienbilder ohne und mit Ankerrückwirkung Bild 3.10: Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine Merkmal: U a und U f werden getrennt bereitgestellt. Vereinfachungen zur Ermittlung der Betriebskennlinien: Keine Eisenverluste Keine mechanischen Verluste Betrachtung des stationären Zustands Gl. (3.5): Ui kp n Gl. (3.6): k M I 2 i p a MR: I (3.5), (3.6) 2Ra Ua Ui Ra a kp n Mi k p (3.18) Blatt 7 Blatt 8

5 Zu Betrieb mit konstanter Ankerspannung und konstantem Erregerstrom Zu Variation des Erregerstroms Bild 3.11: Kennlinie der fremderregten Gleichstrommaschine bei U a = U an und p = pn Bild 3.13: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei U a = U an und für p pn (Feldschwächung) Zu Variation der Ankerspannung Bild 3.12: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei p = pn und für - U an < U a U an Blatt 9 Blatt 10

6 Zu Betrieb der fremderregten Gleichstrommaschine am Gleichstromsteller Vorzeichen von Ankerspannung und Erregerstrom Drehrichtung Betrieb als Vorzeichen von Ankerstrom und Erregerstrom Motor/Generator Richtung Drehmoment Strom-/Spannungsumkehr mechanische Kontakte oder leistungselektronische Stellglieder (Kap. 2) Variation der Spannung leistungselektronische Stellglieder (Kap. 2) Bei hohen dynamischen Anforderungen an die Drehzahlverstellung: Verstellung der Ankerspannung, da Ankerzeitkonstante La a Ra i.d.r. kleiner als Erregerzeitkonstante Lf f. R Beispiel: f Zu 3.6 Nebenschlussmaschine Bild 3.15: Gleichstrom-Nebenschlussmaschine Zu 3.7 Reihenschlussmaschine Bild 3.16: Gleichstrom-Reihenschlussmaschine Bild 3.14: Gleichstromstellergespeister Gleichstromantrieb Blatt 11 Blatt 12

7 Zu Reihenschlussmaschine bei konstanter Spannung Zu Besonderheiten beim Betrieb von Reihenschlussmaschinen Kein generatorischer Betrieb möglich. Leerlauf: M i = 0 n ; Maschine geht durch ; bei kleinen Maschinen genügt jedoch Reibung für stabilen Leerlauf. Stillstand: I St >> I N ; Blockieren i.d.r. nicht zulässig; für bestimmte Anwendung sind Wicklungen und Kommutator jedoch für I St bemessen (z. B. KFZ-Anlasser). Für I St > I N tritt im Erregerkreis üblicherweise Sättigung auf M St. Drehrichtungsumkehr: Umpolen von Ankerwicklung oder Erregerwicklung. Häufig nur ein Teil der Erregerwicklung im Reihenschluss, ein zweiter Teil im Nebenschluss. Bild 3.17: Kennlinie der Reihenschlussmaschine Beispiel: Zu Reihenschlussmaschine bei variabler Spannung Bild 3.19: Antrieb für Gleichstrombahnen mit Reihenschlussmaschine und GTO-Tiefsetzsteller Bild 3.18: Kennlinien der Reihenschlussmaschine für 0 < U U N Blatt 13 Blatt 14

8 Zu 3.8 Wechselstromkommutatormaschine Durch Umpolen der Spannung U bei der Reihenschlussmaschine ändern sich weder die Drehrichtung noch die Richtung des Drehmoments. Deshalb kann die Reihenschlussmaschine auch an Wechselspannung betrieben werden. (Die Nebenschlussmaschine eignet sich nicht für den Betrieb an Wechselspannung, da dort Ankerstrom und Erregerstrom infolge unterschiedlicher elektrischer Zeitkonstanten nicht phasengleich bestromt werden und sich dadurch zeitweise eine Richtungsumkehr des Drehmoments ergäbe.) Aber: Drehmomentwelligkeit mit doppelter Speisefrequenz Magnetischer Kreis ist hinsichtlich Sättigung auf den Scheitelwert des Stromes auszulegen Ausnutzung (im Mittel) geringer als bei Betrieb mit Gleichstrom. Zeitlich veränderliches Erregerfeld induziert im Anker Spannungen; diese erschweren zusätzlich die Kommutierung im Ankerstromkreis. Zeitlich veränderliches Erregerfeld bedingt geblechte Ausführung des Stators zur Verringerung von Wirbelströmen. Einsatz früher häufig bei Wechselstrom-Bahnen (Grund für 16 2 / 3 Hz). Einsatz heute häufig bei Hausgeräten (kostengünstig herstellbar; mit Phasenanschnittsteuerung leicht drehzahlverstellbar). Zu 3.9 Stromrichterbedingte Oberschwingungen Gleichstrommaschinen werden z.b. an Gleichstromstellern oder an netzgeführten Stromrichtern betrieben. Die Ausgangsspannung dieser Stellglieder weist neben dem gewünschten Gleichanteil auch Wechselanteile auf. (Siehe hierzu Abschnitt und Vorlesung LE II.) Diese Wechselanteile sind für den Erregerkreis i.d.r. unkritisch, da infolge der großen Zeitkonstante f eine gute Glättung des Erregerstromes und damit des Erregerfeldes vorliegt. Es erfolgt somit nur ein geringer Einfluss auf das Drehmoment. Für den Ankerkreis sind solche Wechselanteile i.d.r. deutlich kritischer, da infolge der kleinen Zeitkonstante a keine gute Glättung des Ankerstromes vorliegt und damit ein direkter Einfluss auf das Drehmoment eintritt. Schwingungen im Drehmoment können Schwingungen im mechanischen Antriebsstrang anregen und ggf. dort auch zu Resonanzen führen. Wechselanteile im Erreger- oder Ankerstrom führen infolge der elektromagnetischen Kräfte und der resultierenden mechanischen Schwingungen auch zu Geräuschen. Zur Verminderung von solchen Wechselanteilen im Erreger- oder Ankerstrom eignen sich folgende Maßnahmen: Einfügen von Zusatzdrosseln im entsprechenden Stromkreis. (Dadurch wird aber auch die mögliche Verstellgeschwindigkeit reduziert.) Bei Gleichstromstellern: Erhöhung der Pulsfrequenz. Bei netzgeführten Stromrichtern: Erhöhung der Pulszahl. Zu Ein Beispiel Gleichstrommotor Daten der GM R a = 0,4 R f = 480 U an = 600 V n N = /min I an = 101 A M N = 250 Nm U fn = 600 V P mechn = 52,3 kw P VaN = 4080 W P V,sonst.N = 4160 W P VfN = 750 W Verlustleistung GM Wirkungsgrad beim gleichstromstellergespeisten Gleichstromantrieb betrachteter Betriebspunkt U a = 200 V n = 572 1/min I a = 100 A M = 250 Nm U f = 600 V P mech = 14,97 kw P Va = 4000 W P V,sonst. = 1030W P Vf = 750 W P VGM = P Va +P Vf +P Vsonst. = 5780W Blatt 15 Blatt 16

9 Gleichstromsteller (Tiefsetzsteller) Wirkungsgrad des gesamten Antriebs: Pmech Pmech 14,97 kw 71 %. P P P P 20,95 kw 1 mech VGM VGS Größe Pulsperiodendauer Diode Durchlassspannung Durchlassverlustleistung Einschaltverlustenergie Ausschaltverlustenergie Umschaltverlustleistung IGBT Durchlassspannung Durchlassverlustleistung Einschaltverlustenergie Ausschaltverlustenergie Umschaltverlustleistung Verlustleistung GS Betriebspunkt U 1 = 600V U 2 = 200V a = 1/3 I 2 = 100 A T S = 0,1 ms U D = 1,4 V P VDd = U D I 2 (1-a) = 93W E D,EIN = 0,3 mws E D,AUS = 0,7 mws P VDs = (E D,EIN +E D,AUS )/T S = 10W U T = 1,7 V P VTd = U T I 2 a = 57W E T,EIN = 2 mws E T,AUS = 2 mws P VTs = (E T,EIN +E T,AUS )/T S = 40W P VGS = P VDd + P VDs + P VTd + P VTs = 200W Allgemeines Vorgehen An einem betrachteten Betriebspunkt der Gleichstrommaschine liegen die elektrischen Größen U a, I a und ggf. U f, I f vor. Bei vorgegebener Versorgungsspannung (U 1 ) für den Gleichstromsteller liegt dann der erforderliche Modulationsgrad (a) des Gleichstromstellers fest. (Siehe hierzu Abschnitt 2.4.) Die Pulsfrequenz (1/T S ) des Gleichstromstellers ist vorgegeben. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (I a bzw. I f ) passenden Durchlassspannungen. (Siehe hierzu Abschnitt 2.1.) Der Modulationsgrad (a) bestimmt zusammen mit den elektrischen Größen die Durchlassverlustleistung. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (I a bzw. I f ) und zur Versorgungsspannung passenden Umschaltverlustenergiemengen. Diese Umschaltverlustenergiemengen bestimmen zusammen mit der Pulsfrequenz die Schaltverlustleistung. Die an der Motorwelle abgegebene mechanische Leistung ist P mech. Die aus der Versorgungsspannungsquelle aufgenommene elektrische Leistung ist P 1. Pmech Der Wirkungsgrad des Antriebs ist. P 1 Blatt 17 Blatt 18