Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EA-2: Drehstrom-Asynchronmotor
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- Heinz Schmitz
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1 Labor: MB/EK Elektrische Antriebe Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EA-2: Drehstrom-Asynchronmotor Datum: Semester: Gruppe: Protokoll: Testat: Bericht: Datum: 1. Einführung 1.1 Funktionsweise Der Drehstrom-Asynchronmotor (DASM) ist wegen seiner sehr hohen Zuverlässigkeit, seiner einfachen und damit preiswerten Konstruktion sowie seinem geringen Wartungsaufwand der für industrielle Antriebe am häufigsten eingesetzte Motor. Wegen der Konstruktion des Läufers wird der DASM auch als Kurzschluss- oder Käfigläufermotor bezeichnet. Die günstigen Betriebseigenschaften von Drehstrommaschinen ergeben sich durch ein umlaufendes Magnetfeld, das Drehfeld genannt wird. Es entsteht dadurch, dass zeitlich phasenverschobene Ströme in räumlich versetzten Spulen fließen. In Drehstrommotoren wird das Drehfeld von einer Dreiphasenwicklung erzeugt, die an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Bild 1.a zeigt die Liniendiagramme der Strangströme i u, i v und i w und Bild 1.b den Richtungssinn des magnetischen Flusses im Läufer einer zweipoligen Maschine zu verschiedenen Zeitpunkten t 1... t 4, der den Strangströmen nach einer Rechtsschraube zugeordnet werden kann. Die unterschiedlichen Stromstärken zu den einzelnen Zeitpunkten sind durch mehr oder weniger dick gezeichnete Punkte und Kreuze in den Leitern angedeutet. Die Wicklungseingänge werden mit U1, V1, W1 und die -ausgänge mit U2, V2, W2 bezeichnet. Eine genauere Untersuchung zeigt, dass sich das Drehfeld gleichmäßig dreht, dabei aber in seiner resultierenden Stärke konstant bleibt. Drehsinn des Drehfeldes und Drehrichtung des Drehstrommotors lassen sich durch Vertauschen von zwei Zuleitungen der Wicklung umkehren. Bei einer zweipoligen Maschine (Polpaarzahl p = 1) sind die Spulen der Ständerwicklung um 120 versetzt am Umfang angeordnet. Wie Bild 1 zeigt, hat sich das Drehfeld nach T/4 um 90 gedreht. Während der Periodendauer T führt das Drehfeld somit eine volle Umdrehung aus. Die Drehfelddrehzahl n d = f 1 / p mit f 1 = Netzfrequenz, p = Polpaarzahl hat für p = 1 den größtmöglichen Wert. Dieser beträgt bei f 1 = 50 Hz: n d = 50 s -1 = 3000 min -1. Bei einer mehrpoligen Maschine wiederholt sich die Wicklungsanordnung der zweipoligen Maschine p - fach am Ständerumfang. Dadurch kann die Drehfelddrehzahl grob gestuft abgesenkt werden. Unter der Polpaarzahl p versteht man die Anzahl der Nord-/Südpolpaare, die sich aufgrund der Ausführung der Ständerwicklung am Statorumfang ausbilden Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 1
2 a) t = t 1 t = t 2 V2 B W1 V2 B W1 U1 U2 U1 U2 W2 V1 B U W2 V1 V2 t = t 3 t = t 4 W1 B V B W V2 W1 B B U1 U2 U1 U2 W2 V1 W2 V1 b) Bild 1. Drehfelderzeugung Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 2
3 Der DASM kann nur dann ein Drehmoment bilden, wenn zwischen Läufer und Ständerdrehfeld eine Relativgeschwindigkeit bzw. ein Schlupf vorhanden ist. Da in der Praxis immer bremsend wirkende Drehmomente, z. B. Lagerreibung oder angekuppelte Lastmomente, vorhanden sind, wird die Läuferdrehzahl kleiner als die Drehfelddrehzahl. Der Schlupf s ist definiert als die auf die Drehfelddrehzahl bezogene Differenz zwischen Drehfelddrehzahl n d und Läuferdrehzahl n. Damit ergeben sich für den Schlupf Werte zwischen s = 0 für den theoretischen Fall, dass die Motordrehzahl der Drehfelddrehzahl entspricht, und s = 1 für den Stillstand des Motors: s =(n d n) / n d M / Nm M K Kippmoment M A Anlaufmoment M N Bemessungsmoment Bemessungsdrehzahl Leerlaufdrehzahl 0 Anlaufbereich n K n N n 0 Überlastbereich Arbeitsbereich n / min -1 Bild 2. Momentkennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors Bild 2 zeigt die charakteristische Momentkennlinie eines DASMs. Bei der Momentkennlinie wird meistens das Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl dargestellt. Man sieht, dass M = 0 ist, wenn der Motor im Leerlauf betrieben wird. Wird der Motor belastet, sinkt die Drehzahl und das Drehmoment steigt. Das maximale Drehmoment, das ein Motor aufbringen kann, wird als Kippmoment M K bezeichnet. Im Stillstand entwickelt der Motor das sog. Anlauf- oder Stillstandsmoment M A. 1.2 Betriebskennlinien bei Netzbetrieb I/I N s/s N η cosϕ 1,0 0,5 η cosϕ I/I N s/s N 0,5 1,0 P 2 /P N Bild 3. Betriebskennlinien des DASM Bei U = U N erhält man die nebenstehenden Betriebskennlinien. Im Arbeitsbereich zwischen Leerlaufdrehzahl (n 0 n d ) und Bemessungsdrehzahl n N zeigt der Asynchronmotor genauso wie der permanent- oder fremderregte Gleichstrommotor sog. Nebenschlussverhalten: s M P2. s M P N N N Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 3
4 1.3 Umrichterbetrieb von Asynchronmotoren Künstliches spannungs- und frequenzvariables Drehstromnetz Die Drehzahl von Asynchronmotoren ist eng an dessen Drehfelddrehzahl gekoppelt. Für moderne, stufenlos drehzahlvariable Antriebe muss daher die Frequenz des speisenden Drehstromnetzes veränderbar sein. Dazu benötigt man sog. Frequenzumrichter, die vom öffentlichen Versorgungsnetz elektrische Energie bei fester Spannung und Frequenz aufnehmen und diese in Drehstrom mit einstellbarer Spannung und Frequenz umwandeln. Dazu werden heutzutage bevorzugt Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter nach Bild 4 eingesetzt. Bild 4. Moderner Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter Steuerkennlinie des Umrichters U Die Kennlinie U = f (f) bezeichnet man als Steuerkennlinie des Umrichters. Man erhält sie, wenn Φ = konst. Φ 1/f man den Umrichter ohne Belastung betreibt und U N die Spannung in Abhängigkeit der Frequenz misst. Um den Motor mit konstantem Fluss Φ betreiben zu können, werden im unteren Stellbereich Spannung U und Frequenz f proportional zueinander verstellt. Diesen Stellbereich nennt man Proportional- oder Spannungsstellbereich. U min Sobald die Bemessungsspannung U N erreicht ist, wird nur noch die Frequenz f bei konstanter f N f Spannung U N erhöht. Da in diesem Bereich die Bild 5. Steuerkennlinie des Umrichters. Höhe des magnetischen Feldes mit zunehmender Frequenz abnimmt, spricht man vom Feldstell- bzw. Feldschwächbereich. Abweichend vom linearen Verlauf muss bei sehr kleiner Frequenz eine Spannung U min > 0 zur Überwindung des ohmschen Spannungsabfalles an der Wicklung vorgegeben werden Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 4
5 1.3.3 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien Betreibt man den Asynchronmotor am Umrichter mit unterschiedlichen Frequenzen, so ergibt sich für jede Frequenz eine eigene Momentkennlinie. Diese sind im Spannungsstellbereich bei etwa konstantem Kippmoment nach Bild 6 parallel verschoben, während im Feldschwächbereich das Kippmoment etwa hyperbolisch mit der Frequenz abnimmt: M 2 N K M KN. f f Somit ist jeder Betriebspunkt innerhalb der gestrichelten Berandung einstellbar. Im Dauerbetrieb müssen allerdings die thermischen Grenzen, i.d.r. I I N, beachtet werden. Dies hat zur Folge, dass das zul. Moment ebenfalls von der Frequenz abhängt. M M N 2 einhüllendes Kippmoment zulässiges Dauerdrehmoment 1 0 Spannungsstellbereich f N Feldschwächbereich f Bild 6. Momentkennlinienfeld bei Umrichterspeisung Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 5
6 2. Versuchsaufbau 3x400V, 50 Hz, 32A, Netz 3x400V, 50 Hz, 16A, 35Hz Menu Handbetrieb Kennlinie Warmkennlinie Blockiermessung S1 Dauerbetrib S2 Kurzzeibetieb S3 Aussetzbetrieb S6 Durchlaufbetrieb Positionierung AMK KU 25 f-sollwert Netzbetrieb Umr. Betrieb Power Analyzer U N,I N,P 4,8 A N N 5000 U 2,I 2,P V 2200 W ϑ MGR 10 CAN-Bus R W1, R W2, R W3 n, M n Prüfling: Bg 100/4 Bremse (3~Motor) Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 6
7 3. Messungen Die Betriebskennlinien eines Drehstrom-Käfigläufermotors sind sowohl bei Netz- als auch bei Umrichterspeisung aufzunehmen. 3.1 Typenschildschild Hersteller/Maschinenart Typ Nr. U N V I 1N A P N kw n N min -1 f N Hz cos ϕ Isol.Kl. IP IM 3.2 Bemessungsdrehmoment M N = Nm 3.3 Betriebskennlinien bei Netzbetrieb U = U N = 400 V; f = f N = 50 Hz M / Nm n / min -1 P 2 / W I 1 / A P 1 / W 3.4 Steuerkennlinie des Umrichters f / Hz U / V 3.5 Betriebskennlinien bei Umrichterbetrieb f = 25 Hz; U = V; I max = I N M / Nm n / min -1 P 2 / W f = 75 Hz; U = V; I max = I N M / Nm n / min -1 P 2 / W Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 7
8 3.6 Wirkungsgrad bei Bemessungsbetrieb aufgenommene Leistung des Umrichters P 1Umrichter = P NU = abgegebene Leistung des Umrichters bzw. aufgenommene Leistung des Motors P 2Umrichter = P 1N = η Umrichter = abgegebene Leistung des Motors P 2N = M. N ω N = η Motor = Gesamtwirkungsgrad η Ges = η. Umrichter η Motor = oder η Ges = P 2N / P NU = 4. Auswertung 4.1 Stellen Sie alle Messreihen graphisch dar und begründen Sie deren Verlauf. 4.2 Welche Erkenntnisse gewinnt man aus der Steuerkennlinie des Umrichters. 4.3 Ermitteln Sie aus den Tabellen 3.3 und 3.5 die Grenzkennlinien M = f(n) für Dauerbetrieb und begründen Sie deren Verlauf im Spannungs- bzw. im Feldstellbereich. 4.4 Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad bei Bemessungsfrequenz und halbem Bemessungsmoment (M = 0,5 M N ) Elektrische Antriebe (EA) Versuch EA - 2 Drehstrom-Asynchronmotor Seite 8
Datum: Ersatzschaltung und Gleichungen eines fremderregten Gleichstrommotors ( 1) ( 2) ( 3) ( 4) U F. i 2 A V
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