Elektrische Maschinen und Antriebe

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1 Elektrische Maschinen und Antriebe Vorlesungsinhalt 1. Einleitung 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 3. Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern 4. Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen 5. Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 6. Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine 7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine 8. Die Synchronmaschine 9. Erregereinrichtungen und Kennlinien 10. Gleichstromantriebe 2/1

2 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen (Ständer) S (Läufer) N Luftspalt Quelle: H. Kleinrath, Elektrische Maschinen, Uni-Text, Akad. Verlagsgesellschaft, /2

3 Drehfeld-Maschinen: Prinzip Drehfeldmaschinen: Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen Beispiel: Synchron-Schenkelpolmaschine: Prinzip Stator: Index s Feld: Index f Quelle: Kleinrath. H.: Ele. Maschinen, Uni-text, 1971 Drehstromsystem I s in Ständerwicklung erzeugt Drehfeld (hier 2 Pole: 2p = 2)). Erregerspule im Läufer ( Polrad ) über Schleifringe mit Gleichstrom ( Feldstrom I f ) erregt. Es entsteht ein 2-poliges Läuferfeld. Das Ständer-Drehfeld zieht den magnetisierten Läufer SYNCHRON mit. Für das quantitative Verständnis von Drehfeldmaschinen ist die Berechnung des Drehfelds und seiner Wirkung (Spannungsinduktion, Drehmomentbildung) erforderlich. Dazu dienen Durchflutungssatz, Induktionsgesetz, Wicklungstechnik und FOURIER-Analyse. 2/3

4 i W Dreiphasen-Wechselströme i V Î - Amplitude, Effektivwert I Î / 2 - Frequenz f = 1/T ( = 2f) - Phasenfolge U - V - W oder U - W - V Phasenlage bei m = 3 Strängen U,V,W i U i V i W ( t) Iˆ cos( t 0) ( t) Iˆ cos( t 120 ) ( t) Iˆ cos( t 240 ) I Re ˆ e Re Re Iˆ e Iˆ e j t j 120 e j t Beispiel: Phasenfolge U - V - W: j 240 e j t I W I U I U I I V W Re t=0s I I e I e I V j120 j240 -Im 2/4

5 Synchronmaschinen Ständer Läufer (Durchmesser d): Zeitlich konstantes Magnetfeld B f a) Permanentmagnete oder b) Spulen ( elektrisch erregt : Gleichstrom I f ) (Zwei Schleifringe + Bürsten) Ständer: Drehfeldwicklung mit Wechselströmen I s : Erregen Drehfeld B s LORENTZ-Kraft F e vom Ständer-Magnetfeld B s auf z f Strom-Leiter der Läuferwicklung: Tangentialkraft F e Drehmoment M e F e I f ( l B ) M z F d s Läufer rotiert SYNCHRON (gleich schnell) mit dem Ständerdrehfeld Drehzahl n syn = f / p e f e / 2 S S Läufer AC-Spulen: U-X V-Y W-Z DC-Spule Beispiel: Zweipolige (2p = 2) elektrisch erregte Synchronmaschine, Drehzahl n syn = f N N l 2/5

6 (Ständer wie bei Synchronmaschine!) N Läufer F e I r ( l Bs ) s Asynchronmaschinen - Ständer hat Drehfeldwicklung, erregt Ständer-Drehfeld B s, das mit n syn rotiert - Läufer trägt Kurzschlusswindung - Läufer dreht langsamer (ASYNCHRON) als Ständer-Drehfeld B s, erfährt Feldänderung db s /dt: n mot < n syn - FARADAY sches Induktionsgesetz: Spannung u i ~ db s /dt in Kurzschlusswindung induziert - Spannung u i treibt Kurzschlussstrom als Wechselstrom i r (t) -Strom i r bildet mit B s eine LORENTZ-Kraft F e, die den Läufer antreibt. Zwei Rotorleiter (z r = 2): bei tangentialen Kräfte F e : Drehmoment: M e l S z r syn M e 2 F F e e 2 (d / 2) 2/6

7 Bauform Scheibe vs. schlanker Zylinder (bei gleicher Leistung P) d P l Das Drehmoment M e bestimmt die Baugröße des Motors! P 2 n M M e ~ d 2 e l 2 n z F dl e z F dl e dl 10 5 Pa d 2 1bar PM-Synchronmotor M 1 = 800 Nm n 1 =120/min P 1 =10 kw (Quelle: EMT) Quelle: Bohn, T. (Hsg.): El. Energietechnik Scheibe n = n syn = f / p Zylinder Drehzahl n klein groß Drehmoment M e groß klein Durchmesser d groß klein Länge l klein groß Polzahl 2p groß klein P PM-Synchronmotor M 2 = 0.08 Nm n 2 = 60000/min P 2 =0.5 kw (Quelle: TU Darmstadt) 2/7

8 Beispiel: PM-Synchron- und Käfigläufer-Asynchronmaschine als Antrieb für Hybrid-Automobile Technische Daten: PSM M1 ASM M2 Bemessungsleistung P N 20,5 kw 15 kw Nenndrehzahl n N 1500 min min -1 Maximaldrehzahl n max 6000 min min -1 Nenn-Drehmoment M N 130 Nm 52 Nm PSM: PM-Synchronmaschine M1 Außendurchmesser d s,a 286 mm 150 mm Eisenlänge l 95 mm 180 mm Bauweise Scheibe Zylinder ASM: Käfigläufer- Asynchronmaschine M2 Flüssigkeitsmantelkühlung im Ständer: Kühlmittel: 50% Wasser, 50% Glycol, Durchfluss: 8 l/min, Vorlauftemperatur: 85 C Quelle: Daimler, Stuttgart 2/8

9 Elektrische Maschinen und Antriebe 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 2.1 Grundprinzipien der Magnetfeldberechnung 2.2 Vereinfachte Feldberechnung im Luftspalt elektrischer Maschinen 2.3 Erzeugung von magnetischen Drehfeldern 2.4 Wicklungsanordnungen 2/9

10 Erregung von H: AMPERE scher Durchflutungssatz Quelle: Prechtl, A.: Grundlagen der Elektrotechnik, Springer, 1996 Rechte-Hand-Regel für die Zuordnung von Kurvenorientierung und Durchtrittsinn! ds ( hier : N 3) Bei Niederfrequenz ist das Kurvenintegral der magnetischen Feldstärke H längs der geschlossenen Kurve C, die die Fläche A aufspannt, gleich der resultierenden Durchflutung, die durch die Fläche A hindurch tritt. H ds H ds cos : Winkel zwischen H C Beispiel: H Niederfrequenz : und ds ds A ( 3 I1 1 I2) D / t da D: dielektrische Verschiebung 2/10

11 Magnetischer Fluss B da Magnetischer Fluss ist die Summe (= das Integral) der durch eine Fläche A hindurch tretende Flussdichte B Einheit: V. s Wb ( Weber ) Nur Normalkomponente B n auf Fläche A trägt zum Fluss bei A ( B n B t ) da A B n da A da 1 2 B n,1 B n,2 B 1 B t, 1 B B t,2 2 Daher: B-Normalkomponente zu beiden Seiten der Fläche A gleich groß sein, also auch, wenn die A Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien 1 und 2 ist. B B n, 1 n,2 2/11

12 Gesetz vom magnetischen Hüllenfluss Der magnetische Hüllenfluss über eine geschlossene Fläche A ist stets Null! A B da 0 A: geschlossene Oberfläche V: eingeschlossenes Volumen S N S N Nord- und Südpole treten stets gemeinsam auf. Die Mindest-Polzahl ist 2 - ein Nord- und ein Südpol. Die Anzahl der Magnetpole ist 2p (Polpaarzahl p = 1, 2, 3,...). Beispiel: vierpolig: p = 2, 2p = 4 2/12

13 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Grundprinzipien der Magnetfeldberechnung - Rotierende elektrische Maschine: Stator, Rotor und Luftspalt - Flussleitend: Eisen, stromleitend: Kupfer + Aluminium - Isolationsmaterial: Beanspruchung durch elektrisches Feld - Für niederfrequente Magnetfelder gilt der AMPÈRE sche Durchflutungssatz - Konstanz des magnetischen Flusses 2/13

14 Elektrische Maschinen und Antriebe 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 2.1 Grundprinzipien der Magnetfeldberechnung 2.2 Vereinfachte Feldberechnung im Luftspalt elektrischer Maschinen 2.3 Erzeugung von magnetischen Drehfeldern 2.4 Wicklungsanordnungen 2/14

15 Einzelspule in zwei Ständernuten Die Spule liegt mit ihrem Hin- und Rückleiter in je einer Ständernut. Der in ihr fließende Strom (Pfeilrichtung!) erregt ein zweipoliges Magnetfeld, dessen Flussröhren sich in dem Ständer rücken (Blechpaket-Joch) schließen. Ständer: Quelle: Siemens, Deutschland Nutbreite b Komplette Drehstromwicklung 2/15

16 Anwendung des Durchflutungssatzes Durchflutungssatz: Kurve C identisch mit B-Feldlinie gewählt: Länge Fe Ständer Luftspalt C B = Kurve C H ds 2H H Fe Fe 2 Spule C Läufer Kurvenlänge Fe 2 Fe,s 2 Fe,r Kurvenlänge im Eisen: 2 Fe,r + 2 Fe,s = 2 Fe 2/16

17 Luftspaltfeld einer stromdurchflossenen Spule Durchflutungssatz: Ständer B C H ds 2H FeFe 2H 2H Null! Spule Nutbreite b 0 Luftspalt Läufer Polteilung B = B Fe H Fe = B Fe / Fe = 0 ( Fe = ) und H = B / 0 ( 0 = 4 10 Vs/Am) Feldvektoren H, B im Luftspalt (nahezu) nur Radialkomponenten. Spulenwindungszahl N c, Spulenstrom I c : B H 0 7 N c I c /17

18 Magnetische Spannung V(x) und Strombelag A(x) Da H Fe = 0 ( Fe ): Feldlinien von H entspringen an Eisenoberfläche: Magnetische Spannung V im Luftspalt: V H B V ( x) 0 B H "Strombelag" A(x): A b V V = /2 H Fe =0 Fe ( x) im Nutbereich, A 0 außerhalb des Nutbereichs Einheit: von V: (A) von A: (A/m) V A(x) /b b 2/18 x

19 Magnetische Spannungsverteilung V(x) "Strombelag" A(x): A lim 0 b 0 b im Nutbereich, A außerhalb des Nutbereichs Beispiel: Äquidistante Nuten mit gleicher Nutdurchflutung l Fe Berechnung von B mit dem Strombelag A(x): B x H ( x) A( x) dx V ( x) 0 ( x) V 0 Magnetischer Summenfluss durch Hüllfläche A H um Rotor im Luftspalt ist Null Bestimmung von V 0. 2 p p A H B da l Fe B x0 ( x) dx 0 2/19

20 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Vereinfachte Feldberechnung im Luftspalt elektrischer Maschinen - Wicklung liegt in Nuten - Eisenpermeabilität unendlich groß angenommen - Luftspalt konstant und klein gegenüber Hauptabmessungen - H-Feld nur im Luftspalt, Definition der magnetischen Spannung V - Vernachlässigte Nutöffnungen - Treppenförmige Verteilung der Luftspaltflussdichte-Radialkomponente 2/20

21 Elektrische Maschinen und Antriebe 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 2.1 Grundprinzipien der Magnetfeldberechnung 2.2 Vereinfachte Feldberechnung im Luftspalt elektrischer Maschinen 2.3 Erzeugung von magnetischen Drehfeldern 2.4 Wicklungsanordnungen 2/21

22 Luftspaltfeld einer Ständerspule q = 1 Stator Fe Radialkomponente B (x) des Luftspaltfelds: Rotor Fe Luftspalt x: Umfangskoordinate 2/22

23 Beispiel: Magnetisches Wechselfeld bei q = 1 c Bˆ ( t) Bˆ sint Bˆ Speisung der Ständerspulen mit Wechselstrom i c (t): i c ( t) Iˆ sint c Pulsierendes stehendes Luftspaltfeld: Das Luftspaltfeld hat WEITERHIN dieselbe Polzahl und ist rechteckförmig, aber seine Amplitude pulsiert mit Frequenz f. Bˆ ( t) Bˆ sint f 2 2/23

24 Drehstrom-Wicklung: Drei Wicklungsstränge U, V, W Eisenständer, ohne Läufer dargestellt Strang V - 1 Spule je Polpaar und je Strang - 2 Nuten je Polpaar und Strang - 2 Pole (N und S), 6 Nuten, 3 Stränge - q = 1: Nuten je Pol und Strang V Z W Y Strang U q Qs p m 23 Ständer-Nutzahl: Q s = 6 Polzahl: 2p = 2 Strang W Strangzahl: m = 3 2/24

25 Ständer-Drehstromwicklung mit Eisenläufer Ständer, Fe (Stator) Luftspalt - Ständerfeld durch Drehstromwicklung - Läufer aus Eisen - konstanter Luftspalt - Magnetfeld im Luftspalt V x W - Magnetfeld dreht - Läufer dreht NICHT Z Y X -U Y -V Z -W Abgewickelte Darstellung: Einschichtwicklung Läufer, Fe (Rotor) x 2/25

26 Drehstromsystem: Zeit- und Frequenzbereich Re Re Re Darstellung im Zeitbereich Darstellung in der komplexen Zahlenebene ( Frequenzbereich ) 2/26

27 Technische Erzeugung eines Drehfelds (1) Überlagerung der Einzelfelder der drei Spulen zum resultierenden treppenförmigen Luftspaltfeld Feld von Strang U Feld von Strang V Beispiel: Zeitpunkt t = 0: Feld von Strang W Resultierendes Luftspaltfeld zum Zeitpunkt t = 0 +U: positiver Wicklungssinn (linke Spulenseite) -U: negativer Wicklungssinn (rechte Spulenseite) Ebenso: +V, -V, +W, -W Nuten je Polpaar: Q s /p = 6 Stranganzahl: m = 3 2/27

28 Technische Erzeugung eines Drehfelds (2) Beispiel: Nuten je Polpaar: Q s /p = 6 Stranganzahl: m = 3 2/28

29 Phasenfolge U, V, W versus U, W, V ZEITLICH: RÄUMLICH: Zeitbereich: Frequenzbereich: i U i V Stromphasenfolge U, V, W Zeiger-Dreibein dreht im mathematisch positiven Sinn in der komplexen Zahlenebene mit, Winkel t W t V V Z x Koordinate x im Uhrzeigersinn gezählt W Y Alternativ: Phasenfolge U, W, V +U W +V U +W V +U Alternativ: +U -V +W U +V W +U x 2/29

30 Drehrichtung des Drehfelds (1) ZEITLICH: Zeitbereich: Frequenzbereich: V RÄUMLICH: i U i V t V x W W Stromphasenfolge U, V, W V Z Felddrehrichtung Y Feldrichtung U Bei Phasenfolge U, V, W zeitlich und räumlich wandert (dreht) Feld in x-richtung Bei zeitlicher Änderung der Phasenfolge (= Tausch zweier Klemmen) als U, W, V kehrt sich die Wander- (Dreh)richtung um! W +U W +V U +W V +U Feldwanderrichtung x 2/30

31 Zeitliche Stromphasenfolge U V W Drehrichtung des Drehfelds (2) Räumliche Zonenfolge im Uhrzeigersinn U V - W Zeitliche Stromphasenfolge U W V Räumliche Zonenfolge im Uhrzeigersinn U W - V Drehfeld dreht IM Uhrzeigersinn: Rechtsdrehsinn (Mathematisch negativer Drehsinn) Zeitliche Stromphasenfolge U V W Räumliche Zonenfolge im Uhrzeigersinn U W - V Blick auf das Wellenende Drehfeld dreht GEGEN Uhrzeigersinn: Zeitliche Stromphasenfolge U W V Räumliche Zonenfolge im Uhrzeigersinn U V - W Linksdrehsinn (Mathematisch positiver Drehsinn) Quelle: Siemens AG, Deutschland 2/31

32 Magnetisches Feld von Spulengruppen (1) Beispiel: q = 2 Spulengruppe W: Spulenweite Spulengruppenabstand = p Bˆ 0 q N c I /(2 ) c Q : Nutteilung B ( x) dx l Fe p 2/32

33 Magnetisches Feld von Spulengruppen (2) Spulengruppe: Die Windungen pro Pol sind auf mehrere in Serie geschaltete Spulen verteilt (q Spulen je Gruppe = z. B.: "Lochzahl" q = 2) Spulengruppen: Sind im Abstand einer Polteilung p am Maschinenumfang verteilt "Konzentrierte" Durchflutung je Spule: Hat stets den gleichen Betrag = N c I c Zugehörige Feldtreppe ist abszissensymmetrisch = = Kurve ober- und unterhalb Abszisse x spiegelbildlich Polflüsse = positive u. negative Flächen unter der Feldkurve gleich groß. 2/33

34 Magnetisches Wechselfeld Speisung der Spulengruppen-Anordnung mit sinusförmigem Wechselstrom i c : Amplitude, Frequenz f, Kreisfrequenz = 2f, T = 1/f : Schwingungsperiode i c ( t) Iˆ cost c Î c B ( x, t) B ( x) cost Luftspaltfeld ändert sich auch zeitlich sinusförmig, behält aber seine räumliche Form (Verteilung längs x) bei! Radiale Feldkomponente am Ort x ändert sich zwischen positiven und negativen Maximalwert. Strang U Bˆ qn Iˆ 2 qn Iˆ 2 c c c c 0 B ( x) 0 Bˆ +U -U +U 2/34

35 Sechszonen-Wicklung für das magnetische Drehfeld DREI Wicklungsstränge U, V, W mit Hin- und Rückleiter angeordnet = sechs Zonen je Polpaar (mit Bezeichnungsfolge +U, -W, +V, -U, +W, -V) Räumlich positive Stromrichtung je Strang so gewählt, dass sie im Strang V gegenüber U um 2 p /3 versetzt ist, im Strang W um 4 p /3 Strang U +U -U +U Strang V 2 p /3 +V -V +V Strang W 4 p /3 +W -W +W 2 p Sechs Zonen +U, -W, +V, -U, +W, -V je Polpaar 2/35

36 Speisung der Sechszonenwicklung mit Drehstromsystem Wicklungsstränge U, V, W mit zeitlich um jeweils T/3 phasenversetzten Wechselströmen i U (t), i V (t), i W (t) ( = DREHSTROMSYSTEM) gespeist. T 2 : Phasenwinkel zur Spannung Beispiel: Phasenfolge U-W-V i U i V i W ( t) Iˆcos( t ) T ( t) Iˆcos( t ) 3 2T ( t) Iˆcos( t ) 3 Verwendung der komplexen Wechselstromrechnung: jt j jt i( t) Re I 2 e Re I e 2 e Iˆcos( t ) Im 2 Re I I e j 2/36

37 Magnetisches Drehfeld Dreisträngige Wicklung (1) Re-Achse i i U V Iˆ, i W Iˆ / 2 2/37

38 Magnetisches Drehfeld Dreisträngige Wicklung (2) U V N c W Iˆ, / 2 2/38

39 Magnetisches Drehfeld Mit fortschreitender Zeit wandert die Feldtreppe nach links. Nach der Zeit T ist die Strecke 2 p zurückgelegt. Synchrone Geschwindigkeit v syn 2 p vsyn 2 f p T Synchrondrehzahl n syn = 1/T syn, (mit der das Drehfeld rotiert) Mit 2p p = d si folgt: v n syn syn d v d si vsyn 2 f p 2 p 2 p syn / T si syn p n syn d f p si n p syn f p 2/39

40 Magnetisches Wanderfeld und Drehfeld Wanderfeld Wandergeschwindigkeit: v syn 2 T p 2 f p Synchrone Geschwindigkeit v syn n Drehfeld d si Synchrondrehzahl n syn, mit der das Drehfeld rotiert: 2 vsyn vsyn nsyn d / 2 p / si p 2f p n syn f p Synchrondrehzahl 2/40

41 Beispiel: a) Zweipolig 2p = 2, 50 Hz: n syn = (50 / 1). 60 = 3000 / min, Drehfrequenz des Drehfelds b) Vierpolig 2p = 4, 50 Hz: n syn = (50 / 2). 60 = 1500 / min Synchrondrehzahl folgt streng der Frequenz der Wicklungsströme: z. B.: 2p = 4, f = 200 Hz: n syn = (200 / 2) 60 = 6000 / min statt 1500 / min bei 50 Hz. Vierpolige Wicklungsanordnung Bei Tausch zweier Phasen (z.b. Klemmen U und V): Es dreht sich das Drehfeld in die andere Richtung. 2/41

42 Linearmaschinen Geradlinig bewegter Läufer, z.b. Antrieb einer Magnetschwebebahn Reisegeschwindigkeit TRANSRAPID p = 258 mm, f = 270 Hz (Ausgangsfrequenz des Umrichters) vsyn 2 f p m/s = km/h 185 mm V Eisenblechpaket N c 1 q 1 m 3 U W Quelle: Thyssen Krupp & Siemens, Deutschland 2/42

43 Drehfeldmaschinen Rotierender Läufer ( = Rotor) bei f = 50 Hz: Zweipolige Maschine (2p = 2): Drehfeld dreht mit n syn = 50 Hz = 3000/min Sechzigpoliger Wasserkraftgenerator (2p = 60): n syn = 100/min 2p f = 50 Hz n syn 1/min f = 60Hz n syn 1/min Richtungsumkehr des Drehfelds durch Tausch zweier Phasenanschlüsse 2/43

44 Ständer-Feldwelle eines Polpaares Beispiel: m = 3, q = 2 V max B-Feldlinie als Feldwirbel Fe : B, max 0 Vmax / N-Pol S-Pol V max 2/44 Feldtreppe : Im Idealfall eine Sinuskurve: m, q

45 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Erzeugung von magnetischen Drehfeldern - Wicklung liegt in Nuten - Eisenpermeabilität unendlich groß angenommen - Luftspalt konstant und klein gegenüber Hauptabmessungen - H-Feld nur im Luftspalt, Definition der magnetischen Spannung V - Vernachlässigte Nutöffnungen - Treppenförmige Verteilung der Luftspaltflussdichte-Radialkomponente - Wanderwellengeschwindigkeit: Frequenz x Wellenlänge - Synchrondrehzahl: Frequenz / Polpaarzahl 2/45

46 Elektrische Maschinen und Antriebe 2. Drehfelder in elektrischen Maschinen 2.1 Grundprinzipien der Magnetfeldberechnung 2.2 Vereinfachte Feldberechnung im Luftspalt elektrischer Maschinen 2.3 Erzeugung von magnetischen Drehfeldern 2.4 Wicklungsanordnungen 2/46

47 Bezeichnungsweisen bei Wicklungen p: Polpaarzahl m ( = 3): Strangzahl (Phasenzahl): U-X, V-Y, W-Z, in Stern oder Dreieck schaltbar Q: Nutzahl q: Lochzahl (= Nuten pro Pol und Strang) = Anzahl der Spulen je Gruppe N c : Windungszahl je Spule (c: coil (engl. für Spule)) N: Windungszahl je Strang (= Wicklungsstrang) z. B. zw. U und X a: Anzahl der parallelen Zweige je Strang W: Spulenweite d si : Stator-Innendurchmesser ( Bohrung ) p : Polteilung = d si /(2p) Q : Nutteilung = d si /Q 2/47

48 Rotor Luftspalt Stator Einschichtwicklungen Je Nut liegt nur die Spule eines Strangs Ausführung als: a) Spulen mit gleicher Weite: W = p b) Konzentrische Spulen mit unterschiedlicher Weite Beispiel: Dreisträngige, 12-polige Maschine mit q = 3 Spulen je Gruppe: Nutenzahl: Q = m. 2p. q = = 108 Eine Schicht Wickelkopf Wickelkopf Problem bei Einschichtwicklungen: Im Wickelkopf Kreuzungspunkte, da alle Spulen in der gleichen Ebene liegen. Abhilfe: Konzentrische Spulen Aber: Kreuzungen zw. Phasen U, V, W Daher: Stirnverbindungen von zwei Phasen in zweite Ebene hoch gebogen: "Zwei-Etagen-Wicklung" 2/48

49 Beispiel: Einschichtwicklung: Ein Polpaar 2. Etage 1. Etage Blechpaket W 2 W 1 +U +U -W -W +V +V -U -U +W +W -V -V Abgewickelte Darstellung, m = 3, q =2, - konzentrische Spulen - Spulen unterschiedlicher Weite: W 1 < W 2 - Mittlere Spulenweite: W mit = (W 1 + W 2 )/2 - W mit = Polteilung p Problem: Kreuzungspunkte, daher: Hochbiegen Bsp.: q = 2 2. Etage W V U Blechpaket 1. Etage 2/49

50 Beispiel: Einschichtwicklung mit kurzen und langen Spulen 2. Etage 1. Etage Blechpaket Abgewickelte Darstellung, vierpolige Maschine: 2p = 4, m = 3, q =2, Q =24 Ausführung mit konzentrischen Spulen Spulen mit den längeren Stirnverbindungen müssen hoch gebogen werden ( = 2. Etage ). Dann aber: Zumindest vier Pole erforderlich für gleiche Gesamt-Windungslänge je Strang. 2/50

51 Statorfertigung mit Niederspannungs-Einschichtwicklung (U N 1kV) Elektrisch isolierte Stahlbleche bilden das Statorblechpaket Einlegen der Nutisolation, z. B.: aromatische Polyamide Einlegen der lackisolierten Kupfer-Runddrahtspulen Schalten der Spulen zu drei Strängen U, V, W Formen und Bandagieren der Wickelköpfe Zweipolige, dreisträngige Wicklung, 36 Nuten Hochwertiger Epoxidharz-Verguss im Vakuum des kompletten Stators Quelle: Fa. Levitec, Lahnau, Deutschland 2/51

52 Einschichtwicklung - Einlegebeispiel Bsp.: q = 2 2. Etage Statorblechpaket Anmerkung: Blechpaket 1. Etage Nutisolation Hier: Geteilter Wickelkopf: q = 2. 3 = 6 2 Spulengruppen kurzer Wickelkopf Quelle: Fa. Levitec, Lahnau, Deutschland Einlegebeispiel: Runddrahtspulen, konzentrisch, q = 2. 3 = 6 Spulen je Gruppe, zweipolig 36 Nuten, dreisträngige Wicklung m = 3, Q = 2p. m. q = = 36 2/52

53 Wellen- versus Schleifenwicklung N S N c = 1 N S Beispiel: Einschichtwicklung, q = 1 Wellenwicklung: für einwindige Spulen (N c = 1) Dadurch weniger Stirnverbinder = Kupferersparnis N c 1 N S N S Schleifenwicklung: für ein- und mehrwindige Spulen (N c 1) - mehr Aufwand bei den Stirnverbindern - mehr Kupfermaterial nötig - höhere Stromwärmeverluste 2/53

54 Zweischichtwicklungen: Spulen gleicher Weite Beispiel: q = 3, m = 3 Rotor Luftspalt Stator +U +U +U -U -U -U +U +U +U +U +U +U -U -U -U +U +U +U Zwei Schichten Keine Kreuzungspunkte, daher: alle Spulen identisch ausgeführt 2/54

55 Zweischichtwicklungen Bei größeren Leistungen ca. ab 500 kw: Spulenleiter aus Profilkupfer Spulen gleicher Weite Zweischichtwicklung: Je Nut zwei Spulenseiten übereinander Nord- und Südpol werden von zwei Spulengruppen erzeugt Wickelsinn der Spulengruppe im S-Pol-Bereich umgekehrt zu jener im N-Pol-Bereich: Umkehrverbinder Umkehrverbinder Beispiel: Für vier Pole (2p = 4) sind vier Spulengruppen pro Strang erforderlich q = 3, m = 3, Q =2p. q. m = 36 2/55

56 Zweischichtwicklungen: Ein Strang dargestellt W = p Beispiel: q = 3, m = 3 +U +U +U -U -U -U +U +U +U +U +U +U -U -U -U +U +U +U Umkehrverbinder Spulen gleicher Weite W Nord- und Südpol: Je eine Spulengruppe mit umgekehrtem Wickelsinn Spulenweite W = = Polteilung p 2/56

57 Wickelkopf von Zweischichtwicklungen a) Zwei Formspulen vor dem Einlegen in die Nuten des Blechpakets: Es gibt keine Kreuzungspunkte im Wickelkopf. b) In die Nuten eingelegte Formspule aus Profilkupfer: Deutlich höherer Fertigungsaufwand als bei Runddraht-Einschichtwicklung, daher vorzugsweise für Hochspannungswicklungen (U N > 1 kv) bis 30 kv verwendet. a) b) Quelle: Hütte Energietechnik, Springer 2/57

58 Vorgeformte Hochspannungs-Statorspule mit N c Windungen für eine Zweischichtwicklung Wickelkopf Spulenseite, liegt in der Nut Lackisolierte Profilkupferdrähte, mit Glimmer-Glasfaser- Band umwickelt, im Vakuum mit Epoxidharz getränkt Halbleitender Anti- Korona-Anstrich (grau) Spulenenden = Anschlüsse Quelle: Andritz Hydro, Austria 2/58

59 Einlegen von vorgeformten Statorspulen in die Nuten eines hochpoligen Wasserkraftgenerators Kühlschlitze Zahn Nut Pressfinger für das Blechpaket Pressplatte Oberschicht Unterschicht Wickelkopf 2/59 Quelle: Andritz Hydro, Austria

60 Sehnung von Spulen W < p (1) Bei Zweischichtwicklung: gesehnte Spulenausführung möglich Sehnung = Verkürzung der Spulenweite W in Nutteilungseinheiten S W p m q S m q p YQ m q S ganzzahlig +U +U +U -U -U -U +U +U +U +U +U +U -U -U -U +U +U +U 2/60

61 Sehnung von Spulen W < p (2) - Bessere Anpassung der "Feldtreppen"-Kurve an Sinusform - Kürzere Wickelköpfe = geringeres Kupfervolumen, kleinerer ohm scher Widerstand = = geringere Stromwärmeverluste, - ABER: etwas geringere Feldamplitude B,max = etwas kleinerer Magnetfluss/Pol - Optimale Sehnung = minimale Abweichung der Feldtreppe von der Sinusform (bei gegebenem m = 3, q): W/ p = 0.8 2/61

62 Beispiel: Sehnung von Spulen W < p Beispiel: Vierpolige Maschine, m = 3, Q = 36, q = 3: Sehnung ist möglich für S < mq = 3. 3 = 9: S = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. z. B.: S = 1 und daher W/ p = 8/9. 2/62

63 Gesehnte Zweischicht-Drehstromwicklung Oberschicht p Unterschicht Beispiel: m = 3, q = 2, W/ p = 5/6 +U +U -W -W +V +V -U -U +W +W-V -V +U -W -W +V +V -U -U+W+W -V V +U Mögliche Sehnungen: 1/6, 2/6, 3/6, 4/6, 5/6, 6/6 7/6,. Nur 4/6, 5/6, 6/6 sinnvoll! Bei mehr Sehnung zu starke Verringerung des Pol-Flusses 2 Umkehrverbinder 7/6 wirkt wie 5/6, ABER: längerer Wickelkopf! Serienverbinder 2/63

64 Gesehnte Zweischicht-Drehstromwicklung Beispiel: Vierpolige Maschine, m = 3, Q = 24, q = 2: Sehnung W/ p = 5/6 Anschlüsse V-Y, W-Z nicht dargestellt Umkehrverbinder Umkehrverbinder Serienverbinder 2/64

65 Beispiel: Serien- und Parallelschaltung von Spulengruppen Serie Parallel Beispiel: Zweischichtwicklung: 2p = 2, q = 3, elfwindige Spulen (N c = 11), a) Serienschaltung aller Spulengruppen: a = 1: Windungszahl je Strang N 2 pqn a c b) Parallelschaltung der Spulengruppen: a = 2: Windungszahl je Strang N 2 pqn a c /65

66 Serien- und Parallelschaltung von Spulengruppen (1) Serien- und Parallelschaltung der Spulengruppen zu Wicklungssträngen Zweischichtwicklung: Beispiel: Achtpolige Maschine: 8 Spulengruppen mit VIER Schaltvarianten: a = 1: Serienschaltung aller 8 Spulengruppen a = 2: 4 Spulengruppen in Serie, parallel mit dem zweiten Serienabschnitt a = 4: 2 Spulengruppen in Serie, vier parallele Serienabschnitte a = 8: Alle 8 Spulengruppen parallel geschaltet 2 pqnc Magnetisch wirksame Windungszahl je Strang N: N a Wicklungsstrang a = 1: U a = 2: U X 1 Spulengruppe X U a = 8: X a = 4: U X 2/66

67 Serien- und Parallelschaltung von Spulengruppen (2) Serien- und Parallelschaltung der Spulengruppen zu Wicklungssträngen Beispiel: Achtpolige Maschine: Einschichtwicklung: 4 Spulengruppen mit DREI Schaltvarianten: a = 1: Serienschaltung aller 4 Spulengruppen a = 2: 2 Spulengruppen in Serie, parallel mit dem zweiten Serienabschnitt a = 4: Alle 4 Spulengruppen parallel geschaltet Magnetisch wirksame Windungszahl je Strang N: N pqn a c Beispiel: 2p = 4, q = 2, elfwindige Spulen (N c = 11), Serienschaltung der Spulengruppen: a = 1: I) Einschicht: Je Strang N = /1 = 44 Windungen II) Zweischicht: Je Strang N = /1 = 88 Windungen N pqn a c /67

68 Beispiel: 2-fach-Parallelschaltung je Strang bei Sternschaltung Achtpolige Maschine: Einschichtwicklung: Sternschaltung: 4 Spulengruppen je Strang a = 2: 2 Spulengruppen in Serie, parallel mit dem zweiten Serienabschnitt a = 2 parallele Zweige Strang U m = 3 Stränge ( Phasen ) U V N = X = Y = Z Sternpunkt W 2/68

69 Einlegen der Statorbleche bei einem Synchron- Wasserkraftgenerator Quelle: Andritz Hydro, Austria 2/69

70 Hydraulisches Pressen des Statorblechpakets eines Synchron-Wasserkraftgenerators Quelle: Andritz Hydro, Austria 2/70

71 Eingelegte Zweischicht-Statorwicklung in den Nuten eines Wasserkraftgenerators Einpressen der Spulen Einwindige Spulen (N c = 1) Wellenwicklung möglich, da N c = 1 ist Dadurch weniger Stirnverbinder = Kupferersparnis Eingelegt als Halbspulen ( Stäbe ), die zwischen Ober- und Unterschicht im Stirnbereich verlötet werden Quelle: Andritz Hydro, Austria 2/71

72 a) m ist ungerade: Drehfelder bei beliebiger Phasenzahl m Bei m Wicklungssträngen ( Phasen ): Räumliche Verschiebung der Stränge um 2 p /m erforderlich Stränge müssen mit einem symmetrischen m-phasigen Wechselstromsystem (Frequenz f) gespeist werden, dessen Ströme zueinander um 360 /m phasenverschoben sind. Beispiel: a) m = 3, b) m = 5: räumlicher Versatz der Stränge: a) 2 p /3, : b) 2 p /5 zeitliche Verschiebung zw. benachbarten Strömen: a) 360 /3 = 120, b) 360 /5 = 72 b) m ist gerade: Räumliche Verschiebung der Stränge um 2 p /(2m) erforderlich Stränge müssen mit einem symmetrischen m-phasigen Wechselstromsystem (Frequenz f) gespeist werden, dessen Ströme zueinander um 360 /(2m) phasenverschoben sind. Beispiel: m = 2: räumlicher Versatz der Stränge: p /2 zeitliche Verschiebung der beiden Ströme: 360 /4 = 90 2/72

73 Sonderfall: Zweisträngige Statorwicklung m = 2 Beispiel: 2p = 2 - Zwei Stränge a und b, um räumlich 90 versetzt bei zweipoliger Wicklung - Gespeist mit zweiphasigem Stromsystem i sa, i sb, wobei die Ströme um 90 el elektrisch phasenverschoben sind 2/73

74 Re Drehfeld bei zweiphasigem Stromsystem m = 2 Im Zweiphasiger Betrieb am Einphasennetz: Einphasenmotor (zweisträngige Wicklung) mit Arbeits - und Hilfs -Phase und Kondensator C als Phasenschieber zwischen Phase a und b (H = a, A = b) 2/74

75 Elektrische Maschinen und Antriebe Zusammenfassung: Wicklungsanordnungen - Dreisträngige Einschichtwicklungen kostengünstig - Spulengruppen in Nuten je Pol und Strang - Hochwertige dreisträngige Zweischichtwicklungen - Zweischicht: Sehnung der Spulen möglich - Hochspannungswicklungen (> 1 kv) meist als Zweischichtwicklung - Parallelschaltung gleichartiger Spulengruppen möglich - Auch andere Strangzahlen m 2 für symmetrische Drehfeldwicklungen möglich 2/75