BEET 05: Kleinmaschinen. Lehrstuhl für Energiewandlung Prof. Dr-Ing. Martin Pfost

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1 BEET 05: Kleinmaschinen Lehrstuhl für Energiewandlung Prof. Dr-Ing. Martin Pfost

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine Aufbau Die Wirkungsweise einer Drehstrom-Asynchronmaschine Drehfeld Einphasenmotor Zweiphasenmotor Kondensatormotor Widerstandshilfsstrangmotor Spaltpolmotor Aufbau Wirkungsweise Universalmotor Aufbau Wirkungsweise Kommutierung Fremderregte Gleichstrommaschine Verständnisfragen 16 6 Versuchsteil Spaltpolmotor Erwärmung Elliptisches Drehfeld Universalmotor Bürstenfeuer Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie Phasen-Asynchronmaschine Testen der 3-Phasen-Asynchronmaschine Versuchsteil

3 1 Einleitung Elektrische Maschinen werden häufig in drei Klassen eingeteilt: in Maschinen großer, mittlerer und kleiner Leistung. Diese Klassen, die sich außer durch die Leistung auch durch besondere Eigenschaften, Ausführungsarten und Fertigungsverfahren der Maschinen unterscheiden, gehen fließend ineinander über. Die obere Leistungsgrenze von Kleinmaschinen nimmt man gewöhnlich bei einer abgegebenen Leistung von 1 kw an. Folgende, typische Merkmale sind für Kleinmaschinen kennzeichnend: Es handelt sich um Motoren zum Antreiben von Geräten, die zu den Verbrauchsgütern zählen. Daher muss die Herstellung kostengünstig sein. So zielt der Entwurf vor allem auf eine optimale Fertigung und einem hohen Automatisierungsgrad bei der Produktion ab. Dem Wirkungsgrad kommt nur eine untergeordnete Bedeutung zu. Neben den für Konsumgüter bestimmten Kleinmotoren gibt es hochwertige Maschinen mit optimalem Leistungsgewicht, hohem Wirkungsgrad, langer Lebensdauer und extremen Drehzahlen. Sie werden in Geräten der Datenverarbeitung, der gehobenen Unterhaltungselektronik, Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt. Aufgrund ihrer großen Stückzahlen haben Kleinmotoren eine große wirtschaftliche Bedeutung. Heute sind in einem Haushalt im Mittel 70 Kleinmotoren im Einsatz. 2

4 2 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine Dreiphasen-Asynchronmaschinen (ASM) haben wegen ihres einfachen und robusten Aufbaus eine große Verbreitung gefunden. Das macht diesen Maschinentyp auch für Kleinantriebe interessant, und zwar unter der Voraussetzung, ihn an einer einphasigen Wechselspannung betreiben zu können. 2.1 Aufbau Sowohl die 3-Phasen-ASM als auch die 1- und 2-Phasen-ASM besitzen einen feststehenden Teil (Ständer, Stator) und einen drehbar gelagerten Teil (Läufer, Rotor). Der Ständer trägt Kupferwicklungen/Kupferspulen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes. Der Rotor besteht häufig aus einem Aluminiumkäfig. Die Stäbe des Käfigs sind über zwei Kurzschlussringe an den Enden elektrisch kurzgeschlossen (Käfigläufer). (a) Stator (b) Rotor Abbildung 1: Ständer und Käfigläufer einer Asynchronmaschine 2.2 Die Wirkungsweise einer Drehstrom-Asynchronmaschine Sowohl die Ein- und Zweiphasenasynchronmaschinen als auch die Drehstromasynchronmaschinen zählen zu den sogenannten Induktionsmaschinen. Zum grundsätzlichen Verständnis der Wirkungsweise eines Ein- und Zweiphasenasynchronmotors ist es daher sinnvoll, die Drehstrom-Asynchronmaschine (ASM, DASM) zu kennen. Deshalb werden hier nochmals die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge einer DASM kurz erläutert Drehfeld Entscheidend für die Funktion einer Asynchronmaschine ist ein Drehfeld (daher auch der Begriff Drehfeldmaschine). Dies wird durch die stromdurchflossenen Wicklungen im Ständer erzeugt. Zur Erzeugung eines Drehfeldes müssen vorhanden sein: Wicklungen im Ständer des Motors, die um 120 räumlich zueinander verdreht sind. Speisung der Wicklungen mit Dreiphasendrehstrom (drei um 120 zeitlich phasenverschobene Wechselstromsysteme). Die Drehstromwicklung ist so angeordnet, dass bei Speisung der einzelnen Wicklungen mit Gleichstrom unterschiedlicher Amplitude ein quasi-sinusförmiges magnetisches Feld im Luftspalt entsteht. Dieses Feld besitzt dann 2p Pole bzw. p Polpaare. Durch die Speisung mit Drehstrom wandert das Feld um den Umfang der Maschine. 3

5 Abbildung 2: Verlauf eines Drehfeldes mit p = 1 zu drei verschiedenen Zeitpunkten Dreh- und Wechselfelder: Drehfeld: Ein periodisch veränderliches Feld, bei dem die räumliche Lage der Nullstellen und Maxima zeitlich veränderlich ist, heißt Drehfeld. Wechselfeld: Ein periodisch veränderliches Feld, bei dem die Lage der Nullstellen und Maxima räumlich nicht veränderlich ist, heißt Wechselfeld. Ein Wechselfeld lässt sich durch zwei gegensinnig laufende Drehfelder mit gleicher Amplitude beschreiben. Elliptisches Drehfeld: Zwei gegensinnig laufende Drehfelder unterschiedlicher Amplitude erzeugen ein elliptisches Drehfeld. Kreisdrehfeld: Zwei gleichsinnig laufende Drehfelder mit unterschiedlicher oder gleicher Amplitude erzeugen ein Kreisdrehfeld. Abbildung 3: Kreisdrehfeld, elliptisches Feld, Wechselfeld 4

6 Die Geschwindigkeit ω, mit der das Drehfeld am Umfang rotiert, ergibt sich aus der Anzahl der Polpaare p und der elektrischen Frequenz f des Stromes: ω syn = 2π f p (1) Wird zum Beispiel eine zweipolige Maschine, dies entspricht einer Polpaarzahl von eins, mit f = 50Hz gespeist, so rotiert das Drehfeld mit ω = 314, 2s 1. Häufig wird jedoch nicht die Winkelgeschwindigkeit, sondern die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) verwendet. Sie wird synchrone Drehzahl bzw. Drehfelddrehzahl genannt: n syn = f p (2) Hier ergibt sich eine synchrone Drehzahl von n = 50Hz = 3000U/min. Eine 4-polige Maschine mit f = 50Hz besitzt demzufolge eine Drehfelddrehzahl von n = 1500U/min, etc. Abbildung 4: Entstehung eines Drehfeldes durch eine Zweiphasenwicklung 5

7 Die Wirkungsweise einer Asynchronmaschine kann man nun wie folgt erklären: Stator erzeugt ein Drehfeld mit ω syn = 2πf/p Drehfeld durchsetzt den Rotor Spannungsinduktion im Rotor Rotorstäbe kurzgeschlossen Stromfluß im Rotor Statorfeld + Stromfluss im Rotor = Kraft auf Rotorwicklungen Maschine entwickelt Drehmoment und beschleunigt Bei Lauf mit Drehfeld-Drehzahl n syn keine Spannungsinduktion im Rotor kein Rotorstrom keine Kraft bzw. kein Drehmoment Maschine wird durch innere Reibung oder durch Last gebremst es stellt sich eine Drehzahl n < n syn ein, bei der die Maschine das erforderliche Drehmoment liefert Aus der Bedingung, dass die Drehzahl des Rotors n mech hinter der synchronen Drehzahl des Drehfeldes n syn zurückbleiben muss, resultiert auch die Bezeichnung Asynchronmaschine. Um die Drehzahl von Maschinen unterschiedlicher Polpaarzahlen vergleichbar zu machen, wird die normierte Größe Schlupf s eingeführt. Der Schlupf ist definiert als Differenz zwischen mechanischer Drehzahl und synchroner Drehzahl/Drehfelddrehzahl, und zwar bezogen auf die synchrone Drehzahl: s = f syn f f syn = n syn n n syn (3) Der stationäre Drehzahl-Drehmomenten-Verlauf einer ASM ist in Abbildung 5 dargestellt: 6

8 M M k Bremse Motor Generator s 1 s k s k Stillstand untersynchron M k Stabiler Bereich übersynchron Abbildung 5: Drehzahl-Drehmomentenkennline (M n-kennlinie) einer ASM Die ASM hat ein maximales Moment (Kippmoment) M k, welches beim Kippschlupf s k auftritt. Sind diese beiden Größen bekannt, so kann der Drehzahl-Drehmomentenverlauf durch die Kloss sche Formel beschrieben werden: M = s ks 2M k + s (4) s k 2.3 Einphasenmotor Ein Einphasenmotor trägt eine Wechselstromwicklung im Stator und wird mit Wechselstrom betrieben. Daher wird im Luftspalt ein Wechselfeld erzeugt. Wie bereits gezeigt, lässt sich ein Wechselfeld in zwei gegensinnig laufende Drehfelder zerlegen. Folglich kann man die Wirkung eines Einphasenasynchronmotors beschreiben als zwei gegensinnig laufende Drehfeldmaschinen gleicher Leistung an einer Welle. Die Drehzahl- Drehmomentkennlinie erhält man dann aus der Addition der Kennlinien der beiden Asynchronmaschinen (M res = M I + M II ) 7

9 Abbildung 6: Drehzahl-Drehmomentverlauf (M res ) eines Einphasensynchronmotors Wie der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie zu entnehmen ist, entwickelt die Maschine kein Anzugsmoment (M(n = 0) = 0), d.h. die Maschine läuft nicht selbständig an. Sie muss angeworfen werden (Anwurfmotor) und dreht sich dann in die jeweilige Anwurfrichtung. Allerdings erst, wenn ein Motor selbständig anlaufen kann, ist er für die Praxis brauchbar. Dazu muss (s.o.) vom Ständer ein Kreis- oder ein elliptisches Drehfeld erzeugt werden. Hierfür wird der 1-Phasen-Motor mit einem zusätzlichen Strang (Hilfsstrang) ausgeführt (zweite Phase 2-Phasen-Motor, Zweistrangmotor). 2.4 Zweiphasenmotor Der Zweiphasenmotor besitzt zwei Wicklungen, welche bei Speisung mit 90 phasenverschobenen Strömen in der Lage sind, ein elliptisches bzw. ein Kreisdrehfeld zu erzeugen. Da der Motor jedoch nur von einem Einphasennetz gespeist werden kann, besteht das Problem darin, in den Wicklungen eine Phasenverschiebung der Ströme um 90 zu erzielen. Dies kann man mit einem Kondensator erzielen, welcher zu einer der beiden Wicklungen (i.d.r. zur Hilfswicklung) in Reihe geschaltet wird. Weil die Wicklungsimpedanzen schlupfabhängig sind, lässt sich das ideale Kreisdrehfeld nur in einem bestimmten Betriebspunkt erreichen. In diesem Punkt verhält sich eine zweisträngige Wicklung wie ein Dreiphasen- Asynchronmotor. Für alle anderen Betriebspunkte ergibt sich ein elliptisches Drehfeld. 8

10 Abbildung 7: Beschaltungen zweisträngiger Motoren Die Beschaltungsmöglichkeiten zweisträngiger Motoren sind in Abbildung 7 dargestellt. Anstelle eines Kondensators kann auch ein Widerstand (Widerstandshilfstrangmotor) oder eine Induktivität in Reihe zur Hilfswicklung gelegt werden. In der Praxis wird jedoch am häufigsten der Kondensatormotor eingesetzt Kondensatormotor Am häufigsten schaltet man Kondensatoren in Reihe zur Hilfswicklung und kann damit eine optimale Phasenverschiebung von 90 erreichen, jedoch nur für einen einzigen Betriebspunkt. Ein Betriebskondensator C B bleibt dauernd eingeschaltet. Ist ein hohes Anzugsmoment erwünscht, schaltet man einen zweiten Kondensator, einen sogenannten Anlasskondensator C A, parallel zum Betriebskondensator. Der Anlasskondensator wird nach erfolgtem Hochlaufen, etwa bei Erreichen des Kippmomentes, durch ein Relais oder einen Fliehkraftschalter abgeschaltet. Oft sieht man auch nur einen abschaltbaren Anlasskondensator vor. Der nach dem Abschalten des Hilfsstranges einsträngig wirkende Motor dreht sich ja in der Anlaufrichtung weiter Widerstandshilfsstrangmotor In einigen Fällen wird der Wirkwiderstand des Hilfsstranges gegenüber dem des Hauptstranges künstlich erhöht. Dazu legt man entweder einen ohmschen Widerstand in Serie zur Hilfswicklung oder verwendet für die Hilfswicklung Widerstandsdraht. Wegen der hohen Stromwärmeverluste im Hilfsstrang wird dieser abgeschaltet, wenn der Motor angelaufen ist. Der Widerstandshilfsstrangmotor ist zwar kostengünstiger und noch robuster als der Kondensator-Motor, bei dem der Kondensator eher zu Ausfällen führt, erreicht aber nicht dessen große Phasenverschiebung. 9

11 3 Spaltpolmotor 3.1 Aufbau Auch beim Spaltpolmotor wird die Idee verfolgt, aus 1-Phasen- Wechselspannung ein Drehfeld bzw. ein elliptisches Feld zu erzeugen. Dabei wird eine Bauform nach Abbildung 3.1 gewählt. Die Hauptwicklung (Spule) sitzt auf dem Eisenkern. Die Hilfswicklung besteht aus kurzgeschlossenen Kupferringen, die jeweils einen Teil des Pols (Spaltpol) umschließen. Der Rotor wird als herkömmlicher Kurzschlussläufer zumeist mit Aluminiumkäfig ausgeführt. Häufig ist ein Lüfter vorgesehen, da die Stromwärmeverluste, vor allem in der Kurzschlusswicklung beträchtlich sind. Spaltpolmotoren werden in großen Stückzahlen für kleine Leistungen (bis ca. 100W) produziert. Man unterscheidet den symmetrischen und den asymmetrischen Aufbau (s. Bild 8b). Der asymmetrische Aufbau ist besonders leicht zu fertigen. Hier lassen sich aber nur 2-polige Maschinen bauen. (a) Symmetrischer Spaltpolmotor (b) Asymmetrischer Spaltpolmotor 3.2 Wirkungsweise Der Spaltpolmotor wird am 50 Hz bzw. 60 Hz Wechselstromnetz betrieben. Daher fließt durch das Eisen und durch die Pole ein magnetischer Wechselfluss. In den Kurzschlussringen wird demzufolge eine Spannung induziert (Induktionsgesetz). Im Kurzschlussring fließt ein Strom. Dieser Strom erzeugt ebenfalls ein magnetisches Feld, welches dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist (Lenz sche Regel). Daher löscht das Magnetfeld des Ringes den Fluss durch den Spaltpol, so dass nur noch ein Fluss durch den Hauptpol verläuft. Wird der Hauptfluss zu Null, so fließt noch Strom durch den Kurzschlussring und erzeugt einen Fluss, der durch den Spaltpol verläuft. Dieser Fluss ist deutlich kleiner als der maximale Hauptfluss. 10

12 t = 0 t = n/4 Abbildung 8: Verlauf des Magnetflusses beim Spaltpolmotor Das Bild verdeutlicht, dass sich der Fluss durch den Rotor eines Spaltpolmotors zeitlich und räumlich verändert. Es entsteht ein stark elliptisches Drehfeld. Dies reicht aber aus, damit der Motor selbständig hochläuft. 11

13 4 Universalmotor Universalmotoren sind, genau wie Gleichstrommaschinen, Kommutatormaschinen. Sie lassen sich sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betreiben. Ihre Drehzahl ist unabhängig von der Netzfrequenz. Deshalb lassen sich auch wesentlich größere Drehzahlbereiche als bei Asynchronmotoren oder bei Spaltpolmotoren erreichen. Die Drehzahlstellung ist recht unkompliziert (Veränderung der Spannung an den Rotorwicklungen, auch Ankerspannung genannt). Daher hat der Universalmotor eine große Bedeutung für Kleinantriebe (z.b. drehzahlvariable Bohrmaschine). Das Wirkprinzip beruht auf dem Gleichstrommotor (GM). Um die Drehrichtung eines GM umzukehren, muss entweder die Richtung des Ankerstroms oder die Richtung des Erregerstroms am Stator geändert werden. Geschieht beides gleichzeitig, so ändert sich die Drehrichtung nicht. Werden nun Anker und Erregung in Reihe geschaltet (Reihenschlussmaschine), so werden bei Betrieb mit Wechselstrom sowohl Anker als auch Erregung jeweils gleichzeitig umgepolt. Somit ändert sich die Richtung des erzeugten Drehmomentes nicht. Jedoch ist das Moment zeitlich nicht konstant (wie bei Betrieb mit Gleichstrom), sondern pulsierend. 4.1 Aufbau Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine werden beim Universalmotor aufgrund der auftretenden Wechselfelder im Luftspalt, die Erregerpole geblecht. Dies reduziert die induzierten Wirbelströme im Statorblech. Der Universalmotor wird i.d.r. 2-polig ausgeführt. Anker- und Erregerwicklung werden immer in Reihe geschaltet (Reihenschlussmotor). Bei den Kleinmaschinen wird i.d.r. aus Kostengründen immer auf Wendepole und Kompensationswicklung zur Verbesserung der Kommutierung verzichtet. 4.2 Wirkungsweise Die Drehmomentbildung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie beim Gleichstrommotor, welches hier nochmals wiederholt wird. Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft: F = I ( l B) (5) F : Lorentzkraft I: Strom durch den Leiter l: Leiterlänge B: Magnetische Flussdichte Das magnetische Feld H, bzw. die magnetische Flussdichte B des Ständers wird von den Erregerpolen oder von Permanentmagneten erzeugt, und durchsetzt den Anker (Rotor), auf dem die Ankerwicklungen angebracht sind. Dort fließe der Strom I. Die resultierende Kraft F führt nun dazu, dass ein Drehmoment auf den Anker wirkt. Die daraus entstehende Drehbewegung und die Wirkung des Kommutators sind in folgenden Bildern verdeutlicht. Das Feld B wird in diesem Beispiel von einem Permanentmagneten erzeugt. Diese Beispielmaschine hat nur eine Wicklung, und soll lediglich das Funktionsprinzip verdeutlichen. 12

14 Abbildung 9: Entstehung des Drehmoments bei einer Gleichstrommaschine Mit einer einzelnen Wicklung kann jedoch keine große Kraft und damit auch kein großes Drehmoment erreicht werden. Daher enthält eine reale Maschine viele Wicklungen. Entscheidend ist dabei die Anordnung der Wicklung. Im folgenden Beispiel wird hier eine Trommelwicklung mit 8 Läuferspulen gezeigt. Abbildung 10: Entstehung des Drehmoments bei einer Gleichstrommaschine Die in Abbildung 10 gezeichnete Läuferstellung und Stromverteilung sei nochmals verdeutlicht: 1. Der Strom wird über die rechte Bürste in die Lamelle 3 eingespeist. 2. Lamelle 3 speist die Spulen 5/8 und 6/3. 3. Strom fließt über die Spule 5/8 zur Lamelle 4 und über Spule 6/3 zur Lamelle Lamelle 4 Spule 7/2 Lamelle Lamelle 2 Spule 4/1 Lamelle Über die linke Bürste schließt sich der Stromkreis. 4.3 Kommutierung Wie gesehen, wird bei der Gleichstrommaschine der Strom in den Ankerwicklungen bei Drehung laufend umgepolt. Den Umpolvorgang nennt man Kommutierung. 13

15 Abbildung 11: Kommutierungsvorgang Demnach fließt in einer Ankerwicklung ein pulsierender Gleichstrom mit der Frequenz f el = n p. Der Kommutierungsvorgang ist sehr wichtig für den Betrieb der Gleichstrommaschine. In einer Spule findet innerhalb kurzer Zeit eine große Stromänderung di Spule dt statt. Da jede Spule eine Induktivität besitzt, wird während der Kommutierung eine Spannung gemäß U = L di Spule induziert (Selbstinduktion). Die Spule dreht sich dt außerdem im Erregerfeld. Auch hiervon wird eine Spannung induziert. Letzteres kann verhindert werden, wenn sich die Bürsten an der Stelle befinden, an der das Hauptfeld den Wert Null annimmt. Diesen Bereich nennt man auch neutrale Zone. Gerade beim Universalmotor ist eine funkenfreie Kommutation praktisch nicht möglich. Es wird immer eine Spannung in der durch die Kommutatorbürsten kurzgeschlossenen Wicklung induziert (s.o.). Die eine Ursache der Spannungsinduktion ist das zeitlich veränderliche Feld in der Maschine durch den Betrieb der Erregerwicklung mit Wechselstrom. Man spricht hier von der transformatorisch induzierten Ankerspannung. Weiterhin wird auch durch die Rotation der Wicklung im Magnetfeld eine Spannung induziert. Demnach spricht man von der rotatorisch induzierten Ankerspannung. Damit ist die gesamte in der kurzgeschlossenen Spule induzierte Spannung abhängig vom Betriebspunkt. Aus diesem Grund kann die Kommutierung nur für einen Betriebspunkt optimal eingestellt werden. Daher tritt beim Universalmotor immer Bürstenfeuer auf. Dies ist vertretbar, da die Motoren in den meisten Fällen nicht im Dauerbetrieb arbeiten (z.b. Haushaltsgeräte, Werkzeuge). Beim Universalmotor ist der Ankerstrom zeitlich veränderlich, d.h. der Strom in den einzelnen Ankerwicklungen kommutiert nicht - wie bei einer Gleichstrommaschine - zwischen zwei betragsmäßig gleichen Werten, sondern zwischen den Werten einer Sinuskurve. I A I A t t (a) Kommutierung bei Wechselstrom (b) Kommutierung bei Gleichstrom Abbildung 12: Stromverlauf in der Ankerwicklung 14

16 4.4 Fremderregte Gleichstrommaschine Das Ersatzschaltbild einer fremderregten Gleichstrommschine ist in Abbildung 13 dargestellt. I R X L U E i U err Abbildung 13: Ersatzschaltbild einer Gleichstrommaschine Aus dem Ersatzschaltbild lässt sich die Spannungsgleichung aufstellen: U = I(R + jx L ) + E i (6) Die vom Rotor in den Ankerkreis induzierte Spannung E i ist dabei gemäß dem Induktionsgesetz proportional zur Änderung des magnetischen Flusses, also proportional zur Drehzahl des Rotors. Dies lässt sich mit einem maschinenabhängigen Proportionalitätskonstante k 1, dem magnetischen Fluss Φ und der der Drehzahl n ausdrücken. Die magnetische Fluss Φ verhält sich propotional zur Erregerspannung U err, was hier durch eine zweite Proportionalitätskonstante k 2 berücksichtigt wird. E i = k 1 Φn = k 1 k 2 U err n (7) Wird dieser Zusammenhang in die Spannungsgleichung der Gleichstrommschine eingesetzt und nach der Drehzahl umgestellt, ergibt sich der folgender Ausdruck n = U I(R + jx L) k 1 k 2 U err (8) Daraus folgt, dass sich die Drehzahl der Maschine umgekehrt propotional zur Erregerspannung verhält. Für den Betrieb in der Praxis bedeutet dies, dass ein Ausfall der Erregung ein unkontrolliertes Anstigen der Drehzahl zur Folge hätte. Dies ist problematisch, da die Maschine wegen der hohen Drehzahl eine sehr starke mechanische Belastung erfahren würde und als Folge dessen die Maschine zerstört werden würde. 15

17 5 Verständnisfragen 1. Was unterscheidet Kleinmaschinen von mittleren und großen Maschinen? 2. Wie lässt sich bei einer Dreiphasenwicklung die Drehrichtung des entstehenden Drehfeldes umkehren? 3. Welches Drehmoment liefert eine Asynchronmaschine, wenn sie mit synchroner Drehzahl läuft? 4. Welche Frequenz hat der Strom im Rotor einer Asynchronmaschine im Stillstand? 5. Was für Vorteile hat die Asynchronmaschine? 6. Warum kann eine Einphasenmaschine nicht selbstständig anlaufen? 7. Wodurch wird die Drehrichtung eines Einphasenmotors festgelegt? 8. Warum werden bei Zweiphasenmotoren u.a. Anlass- und Betriebskondensatoren vorgesehen? 9. Wie kann die Drehrichtung eines Zweiphasenmotors umgekehrt werden? 10. Welche Arten von Spaltpolmotoren gibt es? 11. An welchem Teil eines Spaltpolmotors sind im Betrieb die höchsten Erwärmungen zu erwarten? 12. Wie lässt sich die Drehzahl eines Spaltpolmotors ändern? 13. Welche Maschinen besitzen einen höheren Wirkungsgrad: Zweiphasenmotoren oder Spaltpolmotoren? Warum? 14. Welche Maschinentypen haben einen Käfig im Rotor? 15. Welche grundsätzliche Eigenschaft unterscheidet eine Universalmaschine von den anderen vorgestellten Maschinentypen? 16. Warum werden die Erregerpole von Universalmaschinen geblecht? 17. Wie lässt sich die Drehzahl einer Universalmaschine und wie die Drehrichtung ändern? 18. Warum darf bei einer fremderregten Gleichstrommaschine nicht ohne weiteres die Erregerspannung heruntergefahren werden? 16

18 6 Versuchsteil 6.1 Spaltpolmotor In Abbildung 14 sind die beiden in dem Versuch verwendeten Spaltpolmotoren dargestellt. Am gemeinsamen Klemmenkasten sind auf der linken Seite die Anschlüsse für die asymmetrische Maschine und auf der rechten Seite die Anschlüsse für die symmetrische Maschine angebracht. Hinter den Anschlüssen 1 und 2 befindet sich jeweils die Hauptwicklung der Maschine. Hier wird die Netzspannung angelegt. Verwenden Sie einen Schalter, um die Netzspannung ohne wiederholtes Einstellen der Spannungsamplitude ein- und ausschalten zu können. In den übrigen Klemmen befinden sich Messwicklungen zur Bestimmung der Erwärmung des Kurzschlussringes im symmetrischen Spaltpolmotor sowie zur Bestimmung des magnetischen Flusses im Haupt- und Spaltpol des asymmetrischen Spaltpolmotors. Hauptwicklung Hauptwicklung Fluss Hauptpol nicht verwendet Fluss Spaltpol Kurzschlussring Abbildung 14: Symmetrischer (rechts) und asymmetrischer (links) Spaltpolmotor Erwärmung Der symmetrische Spaltpolmotor ist mit zwei Platinwiderständen PT 100 (R = 100Ω bei 0 C) versehen. Dieser ist direkt auf dem Kurzschlussring befestigt und wird mit einem Strom von IM ess = 10mA gespeist. Die Temperatur wird dann über den Spannungsabfall des Widerstandes bestimmt. Bei einer Temperatur von 0 C fällt also eine Spannung von 1 V ab. Die Aufzeichnung dieser Messung erfolgt mittels eines Oszilloskops. Kalibrieren Sie das Oszilloksop so, dass ein Temperaturverlauft bis zu 110 C dargestellt werden kann. Achtung: Nach jeder Messung soll der Motor mit dem Ventilator auf etwa 30 C - 40 C heruntergekühlt werden. (a) Stromquelle für den PT 100 Platinenwiderstand (b) Oszilloskop Abbildung 15: Messequipment Messungen Erwärmung des Kurzschlussringes bei unbelastetem Motor und UM otor = 150V 17

19 Erwärmung des Kurzschlussringes bei unbelastetem Motor und U Motor = 230V Bericht Interpretieren Sie die Ergebnisse und notieren Sie diese. Markieren Sie die Anfangs- die maximale sowie die Endtemperatur und skalieren Sie die Achsen entsprechend sinnvoll Elliptisches Drehfeld Schließen Sie den asymmetrischen Spaltpolmotor an (U Motor = 230V ). Oszillographieren Sie die Spannungen in den Messwicklungen. Welche Rückschlüsse ergeben sich hieraus für die magnetischen Flüsse im Haupt- als auch im Hilfspol des Ständers. Bericht Erklären Sie anhand Ihrer Beobachtungen das Funktionsprinzip des Spaltpolmotors Skizzieren Sie die beiden magnetischen Flüsse, welche Phasenverschiebung ergibt sich? 18

20 6.2 Universalmotor In diesem Versuchsteil soll das Verhalten von Gleichstrommaschinen (GM) untersucht werden. Dabei kommen eine Universalmaschine und eine fremderregte Gleichstrommaschine zum Einsatz. Die Universalmaschine (UM) wird sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichspannung betrieben und treibt die fremderregte Gleichstrommaschine an, die als Generator fungiert. Die von der fremderregten Gleichstrommaschine aufgenenommene Leistung wird in einem Widerstand umgesetzt. Der Maschinensatz und die Spannungsquellen für die Speisung der Universalmaschine sowie für die Erregung der Gleichstrommaschine ist in Abbildung 16 dargestellt. (a) Universalmaschine (links) und fremderreg- (b) Spannungsquelle für die Universalmaschine te Gleichstrommaschine (rechts) (links) Spannungsquelle für die Erregung der fremderregten Gleichstrommaschine (rechts) Abbildung 16: Maschinensatz und Spannungsquellen Die Maschinen werden entsprechend Abbildung 17 verschaltet. Die Nummerierung der Anschlüsse in der Abbildung entspricht der Nummerierung auf dem Klemmenkasten. (a) Universalmaschine (b) Fremderregte Gleichstrommaschine Abbildung 17: Verschaltung der Maschinen Stellen Sie den Lastwiderstand auf 25 Ω ein und schließen Sie sie diesen in den Ankerkreis der fremderregten Gleichstrommaschine (Klemmen 2 und 4) ein. Verschalten Sie die beiden Wattmeter so, dass Sie die aufgenommene (Universalmaschine) und abgegebene (Gleichstrommaschine) elektrische Leistung messen können. Achtung: Bevor sie den Maschinenasatz einschalten, muss die Erregerspannung des fremderregten Gleichstromgenerators auf Uerr,min = 25V (siehe Abbildung 17) eingeschaltet werden Bürstenfeuer Belasten Sie die Gleichstrommaschine mit einem Ankerstrom IA = 0, 6A. Betreiben Sie die Universalmaschine nacheinander mit Gleich- und Wechselstrom und untersuchen 19

21 Sie die Bildung des Bürstenfeuers Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie Bestimmen Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Universalmotors bei Gleichund Wechselstrom aus der abgegebenen mechanischen Leistung P mech. Beginnen Sie die Aufnahme der Kennlinie bei Wechselspannungsbetrieb mit U err = 25V und bei Gleichspannungsbetrieb mit der doppelten Erregerspannung, also 50V. Belasten Sie den Maschinensatz indem Sie die Erregerspannung der Gleichstrommaschine in 5V Schritten gleichmäßig erhöhen und messen Sie in jedem Punkt die aufgenommene Wirkleistung (P auf,el ), die abgegebene elektrische Leistung (P ab,el ), die Drehzahl n mittels des Handtachometers und den Ankerstrom I A bei vorgegebener Betriebsspannung U Motor. Erstellen Sie hierzu eine Tabelle in Querformat. Parameter für Versuchsdurchführung: Gleichspannung an UM: U UM = 60V, 50V U err 100V Wechselspannung an UM: U UM = 90V, 25V U err 75V Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie und der Wirkungsgrad lassen sich mit den folgenden Gleichungen bestimmen. Der Ankerwiderstand der Gleichstrommaschine beträgt R Anker = 7, 5Ω. Bericht M = P mech = P mech 60 ω mech 2π 1 n (9) P mech = P ab,el + R Anker IAnker 2 (10) η = P mech P auf,el (11) Legen Sie eine Tabelle in Querformat an, in der folgende Werte aufzuführen sind (einige Werte sind mit Hilfe der oben genannten Formeln zu bestimmen): Drehzahl n [1/min] Drehmoment M [Nm] Wirkungsgrad η [%] Aufgenommene elektrische Wirkleistung P auf,el [W ] Abgegebene elektrische Wirkleistung P ab,el [W ] Ankerstrom I A [ma] Mechanische Wirkleistung P mech [W ] Zeichnen Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie (M = f(n)) auf und interpretieren Sie deren Verlauf in Bezug auf die typischen Eigenschaften eines Reihenschlussmotors. Anmerkung: Bei diesem Verfahren wird das Drehmoment über die von der Gleichstrommaschine abgegebene elektrische Leistung bestimmt. Dabei nimmt man vereinfacht an, dass in der Gleichstrommaschine nur ohmsche Verluste in der Ankerwicklung auftreten. Bestimmen Sie jeweils für Gleich- und Wechselstrombetrieb auch den Wirkungsgrad der Universalmaschine und tragen Sie diesen über die Drehzahl auf. Binden Sie beide Kennlinien (Drehzahl-Drehmomenten- und Drehzahl Wirkungsgrad- Kennlinie) mit 2 unterschiedlichen Achsen in ein Diagramm ein. 20

22 Phasen-Asynchronmaschine Testen der 3-Phasen-Asynchronmaschine Versuchsziel: In diesem Versuchsteil ist die Kloss sche Kennlinie einer 3-Phasen-Asynchronmaschine aufzunehmen. Anbei werden die benötigen physikalischen Größen ermittelt, um Aussagen über die Leistungsabgabe und Überlastbarkeit der Asynchronmaschine im Kipppunkt tätigen zu können. Versuchsaufbau: Die 3-Phasen-Asynchronmaschine ist über eine Welle mit der Synchronmaschine (SM) gekoppelt. Dabei dient die SM als Belastungsmaschine, welche das Lastmoment für die Asynchronmaschine vorgibt. Die an der ASM anliegende Spannung wird über einen Stelltransformator zugeschaltet. Abbildung 18: Aufbau der Versuchsanordnung Die Regelung der Belastungsmaschine erfolgt über die Software des LTi-DriveManagers, mit Welcher auf den Frequenzumrichter zugegriffen wird. Zur Versuchsauswertung kann das Digitaloszilloskop der Software verwendet werden, um die Signalverläufe von Drehzahl und -moment darzustellen. Der LTi-DriveManager ermöglicht zudem eine Ablage der aufgenommenen Messdaten als Excel-Dokument. Maschinendaten: Die Daten der benutzten Maschinen sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben. Größe Spannung Nennstromstärke IN Nennleistung PN Nenndrehzahl nn Leistungsfaktor cosϕ Frequenz f Wert 400 V 0,69 A 0,25 kw 2755 min 1 0,95 50 Hz Tabelle 1: Daten der Asynchronmaschine 21

23 Größe Nennstrom I N Nenndrehzahl n N Zwischenkreisspannung U DC Stillstandsdrehmoment M 0 Nennleistung P N Wert 2,28 A 3000 min V 4,2 Nm 1276,8 W Tabelle 2: Daten der Synchronmaschine Versuchsteil Untersuchung des Leerlaufverhaltens: Vorüberlegungen Wie viele Polpaare weist die Asynchronmaschine (ASM) auf? Wie groß wäre die abgegebene mechanische Leistung, sowie der Schlupf der ASM bei idealem Leerlauf (ω M = ω syn )? Durchführung Starten Sie die Software LTi DriveManger, nachdem Sie den Frequenzumrichter eingeschaltet haben. Wählen Sie Eines der zuletzt bearbeiteten Projekte öffnen im Projektassistent und bestätigen Sie die Auswahl. Bevor Sie zu den unten stehenden Versuchsteilen schreiten, führen Sie zunächst den Erstinbetriebnahme-Assistent aus und wählen Sie den Unterpunkt Automatic Test. Öffnen Sie das Handbetriebsfenster des LTi-DriveManagers und wählen Sie TCON Drehmomentregelung als Regelungsart aus. Durch geeignete Wahl des Sollwertes für das Lastmoment der SM, kann bei Zuschalten der 3-Phasen-Asynchronmaschine mit U N der Betriebszustand des Leerlaufs erzielt werden. Das Auslesen der zugehörigen Leerlaufdrehzahl erfolgt im Cockpit-Fenster. Regeln Sie nach Durchführung des obigen Versuchsteils die Spannung an der ASM auf 0V herab und deaktivieren Sie den Handbetrieb durch Schließen des Fensters. Versuchsauswertung Benennen Sie die gemessene Leerlaufdrehzahl und den zugehörigen Schlupf. Aufnahme der Kloss schen-kennlinie: Vorüberlegungen Berechnen Sie das Nennmoment der 3-Phasen-Asynchronmaschine. Durchführung Vor Aufnahme der Kloss schen-kennlinie sind die Kanäle des Oszilloskops zu belegen (CH1 für Drehzahl- und CH2 für Drehmomentmessungen). Da die Signalverläufe erst nach Beendigung der Aufnahme aufbereitet und dargestellt werden, ist eine ausreichend große Aufnahmezeit zu wählen. Ein vorzeitiges Beenden der Aufnahme ist über 22

24 die zugehörige Auswahl möglich. Unter dem Reiter Optionen des Digitaloszilloskops ist vor erstmaliger Durchführung einer Messung ein Ablagecontainer für die zu erstellenden Datensätze anzugeben. Tragen Sie im Handbetriebsfenster einen Sollwert von 0N m ein und betreiben Sie die ASM mit Nennspannung U N. Ist die 3-Phasen-Asynchronmaschine in den Leerlauf überführt, so wird die Aufnahme der Messung gestartet. Abbildung 19: Drehmomentregelung des Handbetrieb Im Folgenden wird das Aufnahmemoment der SM unter Verwendung des Schiebereglers eingestellt. Reduzieren Sie hierzu schrittweise das Moment, bis Sie den Kipppunkt der 3-Phasen-Asynchronmaschine erreichen, um die zugehörigen Kippgrößen (Drehzahl und Moment) im Cockpit auszulesen. Es wird darauf verwiesen, dass die ASM schnellstmöglich aus dem Kipppunkt zuführen ist, da hier die Asynchronmaschine erheblichen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Hierzu regeln Sie die ASM wieder in den unbelasteten Betriebszustand (Leerlauf), bevor Sie die Spannung an den Klemmen der 3-Phasen-Asynchronmachine auf 0V herabsenken. Führen Sie abschließend obigen Versuchsteil mit verminderten Netzspannungen U = 200V und U = 300V an der ASM durch. Notieren Sie hierbei die auftretenden Kipp- 23

25 drehzahlen und Momente in Abhängigkeit der anliegenden Klemmenspannung. Versuchsauswertung Benennen Sie die Kippdrehzahl, sowie das Kippmoment. Berechnen Sie den Kippschlupf und die abgegebene Leistung der ASM im Kipppunkt. Welche Überlastbarkeit weist weist die untersuchte 3-Phasen-Asynchronmaschine auf? Hinweis: Die Überlastbarkeit ist definiert mit ü = M Kipp M N Welcher Zusammenhang besteht zwischen Netzspannung und Drehmoment bei einer ASM? Geben Sie den Verlauf der Kloss schen-kennlinie (bei Nennspannung) M(n) in Abhängigkeit der Drehzahl an. Hinweis: Verwenden Sie die vom LTi-DriveManager generierte Excel-Datei für die Auswertung. 24