Umdruck III: Gleichstrommaschinen. 1 Aufbau, Grundgleichungen. 1.1 Mechanischer Aufbau

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1 niversität Stuttgrt Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. oth-stielow Zur Funktion des Kommuttors: ÜBNGEN Z ELEKTISCHE ENEGIETECHNIK II mdruck III: Gleichstrommschinen 1 Aufbu, Grundgleichungen 1.1 Mechnischer Aufbu - Sttor: Hohlzylinder us Mssiveisen, usgeprägte Mgnetpole (Huptpole) mit konzentrierten Erregerwicklungen, zusätzlich meist Wendepole (b c. 1 kw ufwärts), gegebenenflls Kompenstionswicklung in den Polschuhen der Huptpole. - otor: Aus Blechen geschichteter Zylinder mit Nuten, in welche die Ankerwicklung eingelegt ist. Die Spulen der Ankerwicklung sind mit den Lmellen des Kommuttors verbunden. - erbindung zwischen Ankerwicklung und feststehender mwelt: mittels räumlich feststehender Bürsten, die uf dem rotierenden Kommuttor schleifen. Der Kommuttor übernimmt die Funktion eines mechnischen Gleichrichters für die im Anker induzierte Spnnung bzw. eines mechnischen Wechselrichters für den Ankerstrom ( Ankerwicklung hier mit nur einer einzigen Spule gezeichnet). III/1 III/

2 ele Anordnung: Anker mit 1 Nuten, Kommuttor mit 1 Segmenten 1. Grundgleichungen Bei Speisung der Huptpol-Erregerwicklungen mit dem Gleichstrom I e erzeugen diese ein räumlich feststehendes mgnetisches Gleichfeld ( Erregerfeld ). Der diesem Feld entsprechende, die Luftsplte und den otorzylinder durchsetzende mgnetische Fluss ist der Huptfluss Φ (üblicherweise ohne Index h geschrieben): Φ= c 1 I e Bei permnentmgneterregten Mschinen ist Φ konstnt und nicht einstellbr. Bei ottion des otors mit der mechnischen Winkelgeschwindigkeit Ω im Mgnetfeld wird in der Ankerwicklung eine Spnnung i induziert (rithmetischer ttelwert der durch den Kommuttor gleichgerichteten induzierten Wechselspnnung): Abgewickelte Drstellung der Ankerwicklung: i = K Φ Ω! " # $ % & ' 5 5 $ % & '! " # $ > A HI J > A 7 JA HI J > A A H K J ) B= A H K J Huptfluss und Ankerstrom bilden zusmmen ds Drehmoment der Mschine: = K Φ I " # $ % & '! " K J= J H I A C A JA * HI JA III/3 1 1 III/4

3 Erstzschltbilder, Betriebskennlinien, Leistungsfluss Je nch Art der Erregung (Erzeugung des Huptflusses Φ) unterscheidet mn fremderregte, nebenschlusserregte, permnenterregte und reihenschlusserregte Gleichstrommschinen..1. Momentenkennlinie M i = M i (n,, Φ, ) Aus den Grundgleichungen = K Φ I und i = K Φ Ω ergibt sich mit i der Mschengleichung I = ds innere Drehmoment: +.1 Fremderregte Gleichstrommschinen Bei fremderregten Gleichstrommschinen wird die Erregerwicklung von einer seprten Spnnungsquelle gespeist, der Erregerstrom I e und dmit der Huptfluss Φ sind lso unbhängig vom Ankerstrom I einstellbr. K Φ M i = ( K Φ Ω) (1 + ) Zwei besondere Betriebszustände: 1. Stillstnd (Ω = 0):.1.1 Erstzschltbild! K Φ = Mst = = K Φ I Ω= 0 st (1 + ) Stillstndsdrehmoment i 0 Ω= 0 = keine induzierte Spnnung I Ω= I 0 = st = + Ankerstrom nur durch und begrenzt. Leerluf (M i = 0): Ω! M= 0 = Ω = Leerlufdrehzhl i K Φ I 0 M= 0 = kein Ankerstrom, kein Drehmoment i = = i in Höhe der ngelegten Spnnung i 0 III/5 III/6

4 Definition des Schlupfes: Ω n s = 1 = 1 Ω N n N bezogene Abweichung der Drehzhl von der Leerlufdrehzhl Normierte Drstellung: Anstelle der echnung mit bsoluten Zhlenwerten ist es oftmls günstiger, uf feste Bezugswerte zu normieren: = Φ Ω l, N IstN = und MstN = K ΦN I stn folgt: t N K N N 1 Φ Φ Ω = M stn 1 N + Φ N ΦN ΩN Die ntürliche Kennlinie liegt vor für = 0, = N und Φ = Φ N : Ω n = 1 = 1 = s MstN Ω N n N.1.3 Beeinflussungsmöglichkeiten bei Fremderregung ) durch den orschltwiderstnd bei = N und Φ = Φ N 1 Ω = 1 M stn 1+ ΩN b) durch Änderung der Spnnung bei = 0 und Φ = Φ N M M vermindert ds Stillstndsmoment bzw. den Stillstndsstrom, während die Leerlufdrehzhl erhlten bleibt. Ω i = stn N Ω N beeinflusst liner sowohl ds Stillstndsmoment ls uch die Leerlufdrehzhl (gleichsinnig). Bei Whl des Nenndrehmoments ls Bezugswert: Φ Φ Ω = M s 1 Φ Φ Ω in N N N N N Ntürliche Kennlinie für = 0, = N und Φ = Φ N : 1 Ω 1 n s = 1 = 1 = N sn ΩN sn nn sn c) durch Änderung des mgnetischen Flusses Φ bei = 0 und = N Φ Φ Ω = MstN ΦN ΦN ΩN Φ beeinflusst sowohl ds Stillstndsmoment ls uch die Leerlufdrehzhl (in umgekehrtem erhältnis). III/7 III/8

5 . Gleichstrom-eihenschlussmschinen Bei eihenschlussmschinen ist die Feldwicklung in eihe zur Ankerwicklung geschltet (und muss dher für den Ankerstrom dimensioniert werden). ergibt sich ds innere Drehmoment: c λ = ( +λ e + + c λ Ω)..1 Erstzschltbild Normierte Drstellung: t den Beziehungen N IstN =, c I stn = MstN, = + e und =Ω B folgt hierus: c λ = M stn N e 1 ( 1) Ω + λ + +λ ΩB Die "ntürliche" Kennlinie der Mschine liegt vor für = 0, = N und λ= 1 :.. Momentenkennlinie M i = M i (n,,λ, ) Infolge der eihenschltung der Ankerwicklung und der Erregerwicklung gilt jetzt Ie =λ I und für den Erregerfluss Φ= c I 1 λ. Für ds Drehmoment ergibt sich dher eine qudrtische Abhängigkeit vom Ankerstrom: 1 1 = = M Ω stn n (1 + ) (1 + ) ΩB nb = K Φ I = K c1 λ I = c λ I (c = K c 1) t i = c λ I Ω und I = +λ + + c λ Ω e III/9 III/10

6 ..3 Beeinflussungsmöglichkeiten bei eihenschlusserregung.3 Leistungsfluss bei Gleichstrommschinen ) durch orschltwiderstnd bei = N und λ= 1 1 = MstN Ω 1+ + ΩB vermindert den Stillstndsstrom und dmit uch ds Stillstndsmoment. b) durch Änderung der Spnnung bei = 0 und λ= 1 1 = M stn N Ω 1+ ΩB beeinflusst qudrtisch ds Drehmoment der Mschine. c) durch Schwächung des mgnetischen Flusses: λ < 1 bei = 0 und = N λ = M stn 1 e Ω + ( λ 1) +λ ΩB Leistungsbilnz (Motorbetrieb): Pmech = Pel P e (PBü + PCu + PFe + P ) P erluste (stets > 0) Achtung: Die Erregerleistung P e geht nur in die Berechnung des Wirkungsgrdes ein! Gesmtwirkungsgrd: bei Motorbetrieb: bei Genertorbetrieb: Pmech η M = P + P e η = G P P mech + P e III/11 III/1

7 .4 Einige Schltzeichen für Gleichstrommschinen (DIN ) Anhng: Begriffserklärungen zu elektrischen Mschinen Gleichstrommotor mit Fremderregung Gleichstrommotor mir Nebenschlusserregung Gleichstrommotor mit Permnenterregung Nennwerte ( Bemessungswerte ) Nennwerte ( Bemessungswerte ), z. B. Nennspnnung, Nennstrom, Nennleistung, usw. sind gerundete Werte, nch denen Betriebsmittel und Anlgen bemessen (usgelegt) sind. Nennwerte sind im Duerbetrieb zulässig. Eine Überschreitung ist im Allgemeinen nur geringfügig und kurzzeitig möglich. Bei größeren, länger duernden Überlstungen besteht die Gefhr der Beschädigung oder Zerstörung. Für den Anwender wichtige Nennwerte werden uf dem Leistungsschild ( Typenschild ) ngegeben. Hinweis zur Nennleistung rotierender elektrischer Mschinen: - Bei Motoren ist die Nennleistung die bei Nennbetrieb n der Welle verfügbre mechnische Leistung. - Bei Genertoren ist die Nennleistung die bei Nennbetrieb nd den Klemmen verfügbre elektrische Leistung. Nennbetrieb Gleichstrommotor mit eihenschlusserregung Der Nennbetrieb bzw. der Nennbetriebszustnd liegt vor, wenn sämtliche Größen gleichzeitig ihre Nennwerte nnehmen. Sofern nur einzelne Größen ihren Nennwert ufweisen, liegt kein Nennbetrieb vor. Leerluf Leerluf liegt bei einer rotierenden Mschine dnn vor, wenn sie (bei sonst normlen Betriebsbedingungen) nicht belstet wird. Ideler Leerluf liegt vor, wenn ds innere Moment M i verschwindet. Die hierzu gehörende Drehzhl heißt Leerlufdrehzhl. Eine rele Mschine muss hierzu ngetrieben werden (Überwindung des eibungsmoments)! III/13 III/14

8 Drehmomentbeziehungen, Pfeilung von Drehmomenten ) Mschine ohne Belstung mit eibungsmoment M : dynmisch: M = JM sttionär: = M ohne eibung (M = 0): dynmisch: = JM sttionär: = 0 b) Mschine mit Belstung mit eibung: dynmisch: M i (MW + M ) = Jges sttionär: = MW + M ohne eibung: dynmisch: MW = Jges sttionär: = MW c) Zwei Mschinen gekuppelt (mformer) mit eibung: dynmisch: 1 + M i (M1 + M ) = Jges sttionär: 1 + = M1 + M ohne eibung: dynmisch: 1 + = Jges sttionär: 1 = III/15