2. DREHZAHLSTEUERUNG BEIM DREHSTROM-ASYNCHRONMOTOR

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1 Drehzahlsteuerung der DASM DREHZAHLSTEUERUNG BEIM DREHSTROM-ASYNCHRONMOTOR 2.1 Übersicht der Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung der DASM Die Drehzahl n eines Drehstromsasynchronmotors DASM läst sich nach der Formel berechnen. Die Drehfelddrehzahl n s (synchrone Drehzahl, Umdrehungsfrequenz) bestimmt sich aus der Gleichung: Aus den beiden Gleichungen ergibt sich somit die folgende Beziehung: Hieraus ist ersichtlich, dass die Drehzahl eines Asynchronmotors durch Verändern der folgenden Größen ebenfalls verändern lässt: 1. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit vom 2. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit von der 3. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit von der 4. Des weitern ist durch unterschiedliche die Drehzahl ebenfalls veränderbar. Alle angegeben Verfahren haben praktische Bedeutung erlangt und werden in den folgenden Kapitel einzeln behandelt.

2 Drehzahlsteuerung der DASM Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Läufergrößen (Schlupfsteuerung) Nach der Gleichung ist erkennbar, dass die Motordrehzahl sich verringert beim vergrößert sich beim Gegeben ist folgende Drehmoment-Schlupf-Kennlinie eines Drehstromasynchronmotors: Die Theorie der Drehstromasynchronmaschine besagt, dass durch Verändern der Läufergrößen, der sich ebenfalls verändert. In der Ausführung der Maschine als Schleifringläufer besteht die Möglichkeit, an den Anschlüssen des Läufers einen zuzuschalten. Der Strangwiderstand der Läuferwicklung erhöht sich somit von

3 Drehzahlsteuerung der DASM 2-3 (Die genauen Abläufe werden auf den Klassen 12TEE und 13TEE behandelt) Da der Läufer eines Käfigläufers nicht zugänglich ist, ist die Drehzahlsteuerung nach dem Prinzip der Schlupfsteuerung Durch den zusätzlichen Läuferwiderstand verschiebt sich der Kippschlupf s K horizontal nach links. Drehmoment Drehzahl- und Strom-Kennlinie eines Drehstromasynchronmotors für verschiedene Läuferwiderstände Mit den Drehmomenten verschiebt sich auch und damit der, so dass der Motor einen aufnimmt. Merksatz: Durch die angeschlossenen Zusatzwiderstände im Läuferkreis (Anlasswiderstände) werden

4 Drehzahlsteuerung der DASM Schaltungsmöglichkeiten: Über die Schleifringe des Schleifringläufers wird ein einstellbarer dreisträngiger Widerstand zugeschaltet. Die einzelnen Stufen lassen sich durch oder anwählen. (Siehe Bild 2 S.435 Europa Lehrmittel) Bild1: Bild2: Zu Bild2. Mit Mitteln der Leistungselektronik lässt sich eine kontaktlose, stetige Einstellung des Läuferstandes erreichen. Der dreiphasige Läuferstrom wird dabei und danach einem zugeführt. Die Drossel dient zur Glättung des Gleichstromes I d. Parallel zum Festwiderstand liegt ein. Ist dieser geöffnet, so über den Widerstand, bei geschlossenem Schalter ist. Durch des Schalters S lässt sich somit im Läuferkreis und damit des Asynchronmotors steuern Leistungsbilanz bei Drehzahlsteuerung durch Läuferwiderstände: Der entscheidende Nachteil dieser Steuermethode liegt

5 Drehzahlsteuerung der DASM 2-5 Das nebenstehende Bild zeigt bei der Drehzahlsteuerung durch Läufervorwiderstände. ist die über den Luftspalt Für den Bemessungsbetrieb, d.h. ergibt sich die Leistungsbilanz nach der. Die Luftspaltleistung P LN teilt sich dabei in die und die im Läufer auf. Wird ein Vorwiderstand R v zugeschaltet, so und man erhält die. Für Dauerbetrieb und über einen größeren Bereich ist die Drehzahleinstellung über Läuferwiderstände daher. Sie wird jedoch dort angewandt, wo, wie z.b. bei verlangt werden Abhängigkeit des Drehmomentes von der Läuferdrehzahl bei unterschiedlichen Läuferwiderständen. (Ergebnisse aus dem Versuch) Drehzahlsteuerung bei Schleifringläufern durch Zuschalten von Widerständen in den Läuferkreis Aus dem Bild ist ersichtlich, dass dieses Drehzahlsteuerungsverfahren

6 Drehzahlsteuerung der DASM Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Polpaarzahl Nach der Gleichung ist erkennbar, dass die Drehfelddrehzahl im Ständer bei konstanter Frequenz f sich Es gilt somit: Beispiel 1: a) Bestimme die Drehfelddrehzahl eines 4 poligen Drehstrommotors an einem 50Hz- Drehstromnetz? b) Bestimme die Drehfelddrehzahl eines 8 poligen Drehstrommotors an einem 50Hz- Drehstromnetz? Beispiel 2: a) Bestimme die Motordrehzahl des 4 poligen Drehstrommotors mit einem Schlupf von 4%. (f = 50Hz) b) Bestimme die Motordrehzahl des 8 poligen Drehstrommotors mit einem Schlupf von 4%. (f = 50Hz) Somit ist ersichtlich, dass eine Verdopplung der Polzahl eines Drehstrommotors eine Halbierung der Drehfelddrehzahl und der Motordrehzahl mit sich bringt. Bemerkung: Es gilt allgemein:

7 Drehzahlsteuerung der DASM 2-7 = oder Am Leistungsschild des Drehstrommotors wird jeweils die Polzahl angegeben: Übersicht: Bei f = 50Hz sind die in der Tabelle angegebenen Drehfelddrehzahlen möglich: p 1 n s in min -1 Die effektiven Läuferdrehzahlen n liegen um die Schlupfdrehzahl n = n s - n unter den in der Tabelle angegeben Werten. Man unterscheidet zwischen zwei Arten der Drehzahlsteuerung durch Verändern der Polpaarzahl: DASM mit getrennten Wicklungen Es werden Motoren mit bis zu 3 unterschiedlichen Ständerwicklungen mit 3 unterschiedlichen Polpaarzahlen gebaut. Diese unterschiedlichen Polzahlzahlen ergeben somit jeweils eine andere Drehfelddrehzahl. Die Klemmen der einzelnen Ständerwicklungen werden zum Klemmbrett geführt. Mittels eines Drehschalters (Nockenschalter) oder mit Hilfe von Schützen werden die verschiedenen Ständerwicklungen an das Drehstromnetz angeschlossen. Die Bezeichnung Polumschaltbare Motoren beruht darauf, dass durch Umschalten über Schalter verschiedene Polzahlen am Motor und somit Motordrehzahlen gewählt werden können. Beispiel eines polumschaltbaren Motors mit zwei getrennten Ständerwicklungen

8 Drehzahlsteuerung der DASM 2-8 Polumschaltbarer Motor mit zwei getrennten Ständerwicklungen Klemmenbezeichnungen: Für p = 8: 1U 1V 1W niedrige Drehzahl Für p = 6: 2U 2V 2W hohe Drehzahl Das Verhältnis der Polpaarzahlen beträgt in diesen Fall bzw. Das Verhältnis der Drehfelddrehzahlen beträgt in diesen Fall wegen Bemerkungen: 1 n s : p Die Ständerwicklungen sind stets in Stern geschaltet. Bei einer Dreieckschaltung würden in den nicht in Betrieb befindlichen Ständerwicklungen Induktionsströme fließen, welche den Motor unnötig erhitzen würden. Das Drehmoment ist bei beiden Drehzahlen etwa gleich, die Leistungen des Motors verhalten sich etwa wie die Drehzahlen. Die polumschaltbaren Motoren mit getrennten Wicklungen werden dort eingesetzt, wo das Drehzahlverhältnis 1:2 nicht genutzt werden kann. Schaltkurzzeichen: Polumschaltbarer Drehstrommotor mit getrennten Wicklungen p = 3 resp DASM mit Dahlander - Wicklung Bei der Dahlanderschaltung ist nur eine dreiphasige Ständerwicklung erforderlich. Jeder Wicklungsstrang ist allerdings in zwei Wicklungshälften aufgeteilt. Durch Umschaltung werden die Wicklungshälften entweder in Reihe oder parallel geschaltet. Bei der Umschaltung von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung wird die Polzahl halbiert und 1 die Drehfelddrehzahl nach n s verdoppelt. p Es ergeben sich somit zwei Schaltungsmöglichkeiten:

9 Drehzahlsteuerung der DASM 2-9 Dreieckschaltung (Reihenschaltung der Wicklungshälften) Klemmenanschlüsse: L1 L2 L3 Doppelsternschaltung Υ Υ (Parallelschaltung der Wicklungshälften) Klemmenanschlüsse: L1 L2 L3 Sternpunkt Polumschaltbarer Motor mit Dahlanderwicklung (Dreieck-Doppelstern) Wirkungsweise:

10 Drehzahlsteuerung der DASM 2-10 Im oben stehenden Bild ist die Darstellung des Wicklungsstranges 1U-1V, unterteilt in die zwei Wicklungshälften 1U-2V und 2V-1V. Zum Vergleich werden die Stromverhältnisse zu einem Zeitpunkt betrachtet, zu dem die Spannung an L2 gegenüber L1 und dem Sternpunkt positiver ist. Es entstehen die im Bild dargestellten Magnetfelder. Bei der Dreieckschaltung entstehen 4 Magnetpole, d.h. p = 2 Bei der Doppelsternschaltung entstehen 2 Magnetpole, d.h. p = 1 Merke: Bemerkungen: Das Drehmoment ist bei beiden Drehzahlen etwa gleich. Die Leistung des Motors bei der hohen Drehzahl beträgt wegen reduzierten Spannung (200V pro Wicklungshälfte am 400V-Netz) nur den 1,5 fachen Wert der Leistung bei der niedrigen Drehzahl (230V an den parallel geschalteten Wicklungshälften). Einsatzgebiete: Wegen dem gleich bleibenden Drehmoment bei den beiden Drehzahlen eignet sich die Schaltung besonders für Antriebe mit konstantem Drehmoment, z.b. Werkzeugmaschinen Schaltkurzzeichen:

11 Drehzahlsteuerung der DASM 2-11 Polumschaltbarer Drehstrommotor mit Dahlanderwicklungen p = 2 resp Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Ständerspannung Bei dem Drehstromasynchronmotor ist das Kippdrehmoment M K proportional zum Quadrat der Ständerspannung, d.h.: Der Kippschlupf s K bzw. Kippdrehzahl n K bleibt unverändert Bei Halbierung der Ständerspannung zum Beispiel verringert sich das Kippdrehmoment auf ein Viertel des Bemessungswertes.

12 Drehzahlsteuerung der DASM 2-12 Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines DASM bei Drehzahleinstellung mit Hilfe unterschiedlicher Ständerspannungen. Feststellungen: Ist der Motor an seiner Bemessungsspannung angeschlossen ergibt sich ein Kippmoment das dem 2 fachen des Bemessungsmomentes entspricht Ist der Motor an 70% Bemessungsspannung angeschlossen ergibt sich ein Kippmoment das nach nur des Kippmomentes entspricht bei der Bemessungsspannung entspricht. leiben unverändert bei den unterschiedlichen Ständerspannungen, hier n K = 0,8 n s Wird der Motor mit einer Arbeitsmaschine mit stark drehzahlabhängigem Lastmoment M L belastet, z.b. einen Lüfter, ergeben sich für die dargestellten Kennlinien die drei Arbeitspunkte mit den Drehzahlen n 1 bis n 3. Feststellungen: Wird die Ständerspannung auf 50% des Bemessungswertes gesenkt, so liegt der Schnittpunkt der Lastkurve mit der M-n-Kennlinie vor dem Kipppunkt und ein Dauerbetrieb ist nicht möglich. Die Drehzahl lässt sich nur in einem sehr begrenzten Raum steuern Möglichkeiten zur Steuerung der Ständerspannung: Stern Dreieck Schaltung Bei der Stern-Schaltung ist der Motor an 1 seiner Bemessungsschaltung angeschlossen. 3 Das Drehmoment sinkt somit auf 1 ab. Es ergibt sich somit eine Drehzahlreduzierung. 3 Drehstrommotor mit Anlasstransformator Bei Hochspannungstransformatoren verwendet man Spartransformatoren zur Spannungsreduzierung

13 Drehzahlsteuerung der DASM 2-13 Drehstrommotor mit Drehstromsteller Mit Hilfe von einem Drehstromsteller, antiparallel geschalteten Thyristoren in den Motorzuleitungen, kann man durch geeignete Wahl des Steuerwinkels an den Thyristoren die Spannung kontaktlos und stufenlos verstellen. Dies erlaubt somit eine stufenlose Drehzahlsteuerung. Dieses Verfahren ist besonders bei drehzahlgeregelten Antrieben geeignet. Bei kleinen Motoren werden Triac s anstatt Thyristoren benutzt Einsatzgebiete: Im Kurzzeitbetrieb mit festgelegter Einschaltdauer, z.b. für Kurzschlussläufer-Sanftanlauf. Drehzahlsteuerung von Arbeitsmaschinen mit stark von der Drehzahl abhängigem Lastmoment, z.b. Lüfter, Pumpen. Drehzahlsteuerung von kleinen Motoren mit großem Läuferwiderstand, z.b. Wicklerantriebe in der Textilindustrie.

14 Drehzahlsteuerung der DASM Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Ständerfrequenz Die bisher erwähnten Möglichkeiten der Drehzahlsteuerung haben einen gemeinsamen wesentlichen Nachteil: Die Drehzahlsteuerung des Motors ist nur unterhalb der Bemessungsfrequenz 50Hz möglich. Weitere Nachteile: Polumschaltbare Motor: o o Spannungs- und Schlupfsteuerung: o o Nach der Gleichung ist erkennbar, dass die Drehfelddrehzahl im Ständer bei konstanter Polpaarzahl p sich Es gilt somit: Der wesentlicher Vorteil dieser Drehzahlsteuerungsmöglichkeit besteht darin, dass Speisefrequenzen oberhalb der Bemessungsfrequenz von 50Hz ebenfalls Drehzahlen über der Leerlaufsdrehzahl bei 50Hz ermöglichen. Worauf ist jedoch bei der Frequenzveränderung zu achten? Beim Drehstrommotor gilt die folgende Beziehung:

15 Drehzahlsteuerung der DASM 2-15 Φ U s f d.h. der magnetische Drehfeldfluss Φ s vergrößert sich beim Verringern der Frequenz. Dadurch vergrößert sich ebenfalls der Magnetisierungsstrom im Ständer, was zu höheren Verlusten der Maschinen führt. Bei vorgegebener Baugröße und Kühlung würde die Maschine unzulässig erwärmt werden. Aus dieser Ursache wird bei der Frequenzverringerung die Motorspannung im gleichen Maße verringert. Der magnetische Drehfeldfluss bleibt somit konstant. Bei f Speise < 50Hz werden wegen der Spannungsreduzierung der Motorstrom und das Motormoment ebenfalls annähernd konstant gehalten. Wird der Motor mit Frequenzen f Speise > 50Hz gespeist, so kann die Motorspannung jedoch nicht im gleichem Maße wie die Frequenz erhöht werden. Bei zunehmender Frequenz verringert sich der magnetische Drehfeldfluss und somit der Motorstrom und das Motormoment. Spannungskennlinie in Abhängigkeit von Speisefrequenz und Drehzahl Bemerkung: Eine zusätzliche feste Spannungsanhebung im unteren Drehzahlbereich ermöglicht eine Verbesserung der Anlauf- und Beschleunigungseigenschaften des Stromrichterantriebes. Betriebsverhalten des Drehstromasynchronmotors mit FU

16 Drehzahlsteuerung der DASM 2-16 Drehmoment-Drehzahlkennlinienschar eines umrichtergespeisten Käfigläufers Bei den Speisefrequenzen unterhalb der Bemessungsfrequenz von 50Hz verlaufen die Kennlinien parallel zum Verlauf des Motors bei 50Hz. Das Kippmoment bleibt konstant. Bei den Speisefrequenzen oberhalb von 50 Hz sinkt das Drehmoment des Motors infolge des geringeren magnetischen Drehflusses Φ s. Dieses Drehzahlsteuerungsverfahren erlaubt unterhalb von 50Hz einen Einstellbereich von n = 0 bis n = n N bei gleichem Moment. Oberhalb von 50Hz kann die Drehzahl bis zur mechanischen Belastungsgrenze des Motors vergrößert werden. Das Moment verringert sich jedoch.

17 Drehzahlsteuerung der DASM 2-17 Statische Frequenzumrichter ( Genaue Wirkungsweise später ) Statische Frequenzumrichter sind dreiphasige Spannungsquellen mit variabler Frequenz. Je nach Typ sind Ausgangsfrequenzen von 200Hz möglich. Die Ausgangsleistung von Standartgeräten liegt bei 1kW bis 100kW Prinzipschaltbild eines Drehstromfrequenzumrichters mit Zwischenkreis Beim Zwischenkreisumrichter wird die Netzspannung zunächst gleichgerichtet, um danach in einem Wechselrichter in ein Drehstromsystem veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung umgesetzt zu werden. Der Zwischenkreis ist als Spannungszwischenkreis ausgeführt. Einsatzgebiete: In der heutigen Industrie ist wird dieses Verfahren zur Drehzahlsteuerung in jedem Bereich eingesetzt wo Motoren mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten müssen. Durch die stufenlose Steuerung ist das Verfahren einfach als Drehzahlregelung auszulegen.

18 Drehzahlsteuerung der DASM 2-18 Wiederholung - Vergleich Drehzahlsteuerung eines Drehstromasynchronmotors durch Verändern der Läufergrößen (Schlupfsteuerung) (ausschließlich für Schleifringläufer) der Ständerspannung der Ständerfrequenz Kippmoment ist konstant Kippmoment ~ U 2 Kippmoment ist konstant Kippdrehzahl sinkt bei Verringerung der Drehzahl Kippdrehzahl ist konstant Kippdrehzahl sinkt/steigt proportional bei Verringerung/Steigerung der Drehzahl Großer Drehzahleinstellbereich Kleiner Drehzahleinstellbereich Großer Drehzahleinstellbereich n < n N (n N = Bemessungsdrehzahl bei R 2 = 0) n < n N (n N = Bemessungsdrehzahl bei U = U N ) n < n N und n n N (n N = Bemessungsdrehzahl bei f = 50Hz)