Versuch EMM 2. Gleichstrommaschine

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Elektrische Maschinen Versuch EMM 2 Gleichstrommaschine Versuchsziel: Kennenlernen des Aufbaus, der Wirkungsweise, des Betriebsverhaltens und der Kennlinien einer vielseitig einsetzbaren Antriebsmaschine mit Gleichstromeinspeisung.

2 2 1. Grundlagen 1.1. Aufbau Ständer. Die Gleichstrommaschine besitzt im Ständer meist 4 (kleinere Maschinen auch nur 2, größere Maschinen ggf. 6) ausgeprägte Hauptpole zur Erzeugung des Polflusses Φ. Bei Kleinmaschinen werden dafür Permanentmagnete eingesetzt; im Normalfall jedoch dienen dazu spezielle Erregerwicklungen, die vom Erregerstrom I E durchflossen werden. Zur Realisierung optimaler Feldverhältnisse im Bereich der Hauptpole und der Pollücken werden bei größeren Maschinen zusätzlich Wendepolwicklungen auf speziellen Wendepolen (zwischen den Hauptpolen) sowie in den Hauptpolen sogenannte Kompensationswicklungen vorgesehen. Beide Wicklungen sind mit der Hauptwicklung des Ankers (Läufer) in Reihe geschaltet und werden vom Ankerstrom I A durchflossen. Anker. Der Rotor einer Gleichstrommaschine wird auch Anker oder Läufer genannt. Er besteht aus einem Blechpaket welches aus einzelnen Blechen geschichtet ist. Es wird gegen Verdrehung durch eine Paßfeder gesichert. Der Anker enthält Nuten in denen die Spulen der Ankerwicklung isoliert eingelegt sind. Die Spulenköpfe außerhalb des Blechpaketes werden mit Bandagen versehen, so daß eine Beschädigung durch Fliehkräfte verhindert wird. Die Wicklungsenden sind in die Stege des Stromwenders (Kommutator) eingelötet. Die Wicklung wird aus lackisolierten oder umsponnenen Runddrähten sowie Flachdrähten hergestellt. Bei eigenbelüfteten Maschinen befindet sich auf der Antriebsseite der Welle noch ein Lüfterrad. Kommutator und Bürsten. Damit die stromdurchflossenen Leiter im Ständerfeld fortwährend ein Drehmoment erzeugen können, muß beim Wechsel des Polbereiches während der Drehung eine Umschaltung der Stromrichtung im Ankerleiter erfolgen. Dies erreicht man durch den Stromwender, auch Kommutator oder Kollektor genannt, der aus voneinander isolierten Kupfersegmenten oder Lamellen besteht und fest mit dem Blechpaket auf der Welle sitzt. Die Stromzufuhr in die Ankerwicklung erfolgt dann über Kohlebürsten, die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und die Wicklung zwischen den Hauptpolen einspeisen. Die Bürsten werden durch Kastenbürstenhalter geführt. Der Abstand der Bürstenhalter zur Stromwenderfläche soll klein sein, damit ein Verkanten der Bürsten vermieden wird. Der Bürstendruck beträgt etwa 1, N/cm Leistungsbereich und Anwendungsgebiete Der Fertigungsbereich von Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren mit Leistungen unter einem Watt für die Feinwerktechnik bis zu Großmaschinen. Dauermagneterregte Motoren bis ca. 100 W werden in großer Stückzahl in der Kfz-Elektrik als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellmotoren eingesetzt. Im Bereich der Servoantriebe bis zu Leistungen von einigen kw gibt es auch eine Reihe spezieller Bauformen wie Scheibenläufer- und Glockenankermotoren. Auf dem Gebiet der Industrieantriebe sind vor allem der Einsatz in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Walzstraßen und als Fahrmotor in Nahverkehrsbahnen zu erwähnen. Die größten Motoren erreichen bei Spannungen von meist unter 1500 V Leistungen von über kw. Auf Grund der guten dynamischen Eigenschaften wie guter Stell- und Regelmöglichkeiten in Verbindung mit moderner Stromrichtertechnik, behauptet der Gleichstrommotor auch heute noch einen bedeutenden Marktanteil im Bereich der drehzahlgeregelten Antriebe Betrieb Grundsätzlich kann jede Gleichstrommaschine sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten, ausschlaggebend ist die jeweilige Richtung des Energieflusses. Führt man der Ankerwicklung elektrische Energie zu, so steht an der Welle mechanische Energie zur Verfügung (Motorbetrieb.) Die Richtung läßt sich umkehren (Generatorbetrieb). Die Erregerwicklung ist an diesem Energieumsatz nicht beteiligt, sie erzeugt lediglich das notwendige Erregerfeld. Wenn dieser Energieumsatz bei konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment, also mit konstanter mittlerer Leistung erfolgt, liegt ein stationärer Betriebszustand vor. Der Übergang von einem stationären Betriebszustand zu einem anderen (z.b. vom Leerlauf zum Nennbetrieb) erfolgt als elektromechanischer Ausgleichsvorgang.

3 3 In den Leiterschleifen der Kommutatorwicklung des Läufers wird bei Drehbewegung durch das Polfeld hindurch eine Wechselspannung induziert, die über den Kommutator (Stromwender) als Gleichspannung (Mittelwert der gleichgerichteten Wechsel-spannung) abgegriffen werden kann: Uq = -c Φ ω (1) U q - induzierte Spannung (zeitlicher Mittelwert) c - Maschinenkonstante Φ- Polfluß ω - Läufer-Winkelgeschwindigkeit; ω = 2πn mit n als Läuferdrehzahl Ein über die Bürsten und die Kommutatorlamellen der Läuferwicklung zu- oder abgeführter Ankerstrom I A hat in Verbindung mit dem Polfluß Φ das Drehmoment: M = c Φ I A (2) zur Folge. Unter Berücksichtigung des Ankerwiderstandes R A (Summe aller Widerstände im Ankerkreis) erhält man damit die Spannungsgleichung für den Ankerkreis: U A = U q - R A I A (Generatorbetrieb) (3a) U A = U q + R A I A (Motorbetrieb) (3b) Durch Einsetzen von (1) und (2) in (3b) ergibt sich für die Drehzahl-Drehmomentenbeziehung eines Gleichstrommotors: ω = U A c Φ - R A c 2 Φ 2 M (4) Die Gleichungen (1) und (2) gelten allgemein für Gleichstrommaschinen, die Beziehungen (3) und (4) jedoch nur für stationären Betrieb (Vernachlässigung der Läuferkreisinduktivitäten!). Bild 1 zeigt das stationäre Ersatzschaltbild der Gleichstrommaschine. Bild 1 Stationäres ESB der Gleichstrommaschine 1.4. Fremderregte Gleichstrommaschine Die größte Bedeutung haben fremderregte Gleichstrommaschinen. Sie werden von kleinsten Leistungen, wie bei thyristorgesteuerten Elektrowerkzeugen, bis zu Großantrieben, Fördermotoren und Walzmotoren gebaut. Die Erregerwicklung ist bei fremderregten Maschinen vom Ankerkreis elektrisch getrennt und wird durch eine fremde Stromquelle gespeist. Somit hat man die Möglichkeit, die Drehzahl der Maschi-

4 4 ne nach (4) einerseits durch Änderung der Ankerspannung und zum anderen durch Ändern der Erregerspannung in weiten Grenzen zu verstellen. Fremderregte Gleichstrommaschinen sind ausgezeichnet durch einen konstanten Polfluß Φ, wenn eine konstante Erregerspannung U E = I E R E = const. (5) und damit Φ = const. (6) zugrunde gelegt wird. Gleichungen (3) und (4) beschreiben dann eine leicht abfallende Gerade, wenn beim Generator die Antriebsdrehzahl n und beim Motor die Ankerspannung U A als konstant angesehen werden (Bild 2). Bild 2 Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine Für den Motorbetrieb zeigt Gleichung (4) die Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung auf: Spannungssteuerung: Feldsteuerung: Veränderung der Eingangsspannung U A Veränderung des Erregerflusses Φ (I E ) Widerstandssteuerung: Veränderung des Ankerwiderstandes R A durch Vorwiderstände Beim Anlauf einer Gleichstrommaschine (motorischer Betrieb) steigt bei Φ = const. die Spannung U q proportional mit der Drehzahl n an (1). Größere Maschinen können deshalb nicht sofort an die Nennspannung U N angelegt werden, da nach (3) mit U A =U N U N = U q + I A R A = c Φ ω + I A R A (7) und bei ω = 2πn = 0 I A = U A R A = I ST (8) mit I ST dem sogenannten Stillstandsstrom ist.

5 5 Bei n = 0 gilt für das Drehmoment M M A = c Φ I ST = M ST (9) Zum Schutz der Maschine und der Schalt- und Schutzeinrichtung soll der Anlaufstrom nicht den 1,5- fachen Nennstrom übersteigen. Deshalb ist für solche Fälle eine Verkleinerung der Ankerspannung mit folgenden Verfahren möglich: Anlauf mit Spannungssteuerung Anlauf mit Widerstandsanlasser Die aufgezeigten Verfahren unterscheiden sich prinzipiell nicht von den genannten Möglichkeiten der Drehzahlsteuerung. Aus Gleichung (4) läßt sich ableiten, daß bei Unterbrechung des Erregerfeldes der Polfluß Φ Null und somit die Drehzahl des Motors theoretisch unendlich wird; der Motor geht durch. 2. Grundlagen/Schwerpunkte - Aufbau und Klemmenbezeichnungen der Gleichstrommaschinen - Bedeutung und Einsatzgebiete - Möglichkeiten der Erregung von Gleichstrommaschinen - Schaltbild und Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine - Kompensations- und Wendepolwicklung - Kennlinien der Gleichstrommaschine als Generator und als Motor - Gleichstrommaschine als Motor: Drehzahlstellung, Bremsen, Anlassen und Drehrichtungsumkehr 3. Kontrollfragen/-aufgaben 3.1 Erläutern Sie den Aufbau und die Wirkungsweise der Gleichstrommaschine! 3.2. Beschreiben Sie die Möglichkeiten der Erregerschaltung! 3.3. Was verstehen Sie unter Ankerrückwirkung, durch welche Maßnahmen kann man sie beeinflussen? 3.4. Skizzieren Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien und erläutern Sie Möglichkeiten der Drehzahlsteuerung (n-m-kennlinien!) sowie deren Vor- und Nachteile anhand der allgemeinen Gesetzmäßigkeiten für den motorischen Betrieb! 3.5. Welche Möglichkeiten des Anlassens, der Drehrichtungsumkehr und des Bremsens (n-m- Kennlinien) gibt es für den fremderregten Gleichstrommotor? 3.6. Beschreiben Sie den Widerstandsanlasser, erläutern Sie anhand von n-m-kennlinien dessen Wirkungsweise! 3.7. Was verstehen Sie unter "Durchgehen" des Gleichstrom-Reihenschlußmotors, wie kann es verhindert werden? 3.8. Nennen Sie typische Einsatzgebiete von Gleichstrommaschinen entsprechend ihrer Betriebscharakteristiken!

6 6 4. Versuchsdurchführung 4.0. Versuchsaufbau 4.1. Fremderregter Gleichstrommotor am starren Netz. Die Maschine ist mit Hilfe der angekuppelten Servobremse jeweils bis M = M M = 5 Nm zu belasten! Betrieb bei variabler Ankerspannung (R V = 0, U M = var, I E = I EN )! 1. Stellen Sie einen Erregerstrom von I E = I EN = 0,24 A ein! 2. Stellen Sie eine Ankerspannung von U A = U AN = 220 V ein! 3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks 100 steht (R V = 0 Ω)! 4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(ua).dcma! 5. Löschen Sie eventuell vorhandene Kurven über: Diagramm Löschen 6. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: und dann auf die danebenstehende Schaltfläche 7. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: 8. Wiederholen Sie den Belastungsvorgang für eine Ankerspannung von U A = 150 V und U A = 80 V! 9. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck! Betrieb mit variablen Ankervorwiderstand (R V = var, U M = U MN, I E = I EN ) 1. Stellen Sie einen Erregerstrom von I E = I EN = 0,24 A ein! 2. Stellen Sie eine Ankerspannung von U A = U AN = 220 V ein! 3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks 100 steht (R V = 0 Ω)! 4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(rv).dcma!

7 7 5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: und dann auf die danebenstehende Schaltfläche 6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: 7. Wiederholen Sie den Belastungsvorgang für eine Ankervorwiderstandseinstellung von 90 (R V = 3 Ω) und 80 (R V = 7 Ω)! 8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck! Betrieb bei variablen, geschwächtem Feld (R V = 0, U M = U MN, I E = var)! 1. Stellen Sie einen Erregerstrom von I E = I EN = 0,24 A ein! 2. Stellen Sie eine Ankerspannung von U A = U AN = 220 V ein! 3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks 100 steht (R V = 0 Ω)! 4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(ie).dcma! 5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: und dann auf die danebenstehende Schaltfläche 6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: 7. Sie den Belastungsvorgang für einen Erregerstrom von I E = 0,19 A und I E = 0,15 A! 8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck! Versuchsauswertung 5.1. Die Versuchsergebnisse sind schriftlich zu diskutieren! 6. Versuchseinrichtung Als Untersuchungsobjekt steht eine Gleichstrommaschine (GM 1) Typ G-M 90/2-1 U = 220 V I = 6,2 A P = 1,0 kw n = 2100 min -1 U e = 200 V I e = 0,24 A zur Verfügung. Die angekuppelte Servomaschine Typ SE E U=390 V I=9,1 A P=3,9 kw n=3455 min -1 M = 10,8 Nm f = 120 Hz dient in Verbindung mit einem digitalen Steuergerät dem Antrieb bzw. der Belastung der Versuchsmaschine! Vorhanden sind weiterhin ein Stellgleichrichter, die erforderlichen Meßgeräte, Widerstände sowie ein PC mit entsprechender Software usw.

8 8 7. Klemmenbezeichnung Ankerwicklung...A1, A2 Reihenschlußwicklung...D1, D2 Nebeschlußwicklung...E1, E2 (fremderregt)...(f1, F2) Wendepolwicklung...B1, B2 Kompensationswicklung...C1, C2 Positiver Leiter...L+ Negativer Leiter...L- 8. Literaturverzeichnis 8.1. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Grundlagen, Aufbau und Wirkungsweise Berlin: Verlag Technik 1989 (6. Auflage) 8.2. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Betriebsverhalten rotierender elektrischer Maschinen Berlin: Verlag Technik 1990 (2. Auflage) 8.3. Philippow, E.: Taschenbuch der Elektrotechnik Bd. 5 Berlin: Verlag Technik 1988 (8. Auflage) 8.4. Fischer, R.: Elektrische Maschinen München, Wien: Carl Hanser Verlag 1989 (7. Auflage)