Fakultät ME Labor: Elektrische Antriebstechnik Versuch EA-4: Gleichstrommaschine

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1 Labor: B/K lektrische ntriebe Fakultät Labor: lektrische ntriebstechnik Versuch -4: Gleichstrommaschine Datum: Semester: Gruppe: Protokoll: Testat: Bericht: Datum: 1 inführung 11 ufbau Gleichstrommaschinen bestehen aus: - dem Stator oder agnetgestell, das ein räumlich stillstehendes agnetfeld erzeugt, - einem darin drehbar gelagerten nker mit der nkerwicklung, - dem Kollektor oder Stromwender als Stromzuführung zum rotierenden nker über feststehende Kohlebürsten und - diversen Konstruktionsteilen wie Welle, Lager, Lüfter, Füße, Klemmen, etc Wegen dem funktionsbestimmenden Stromwender gehören Gleichstrommaschinen zu den sog Stromwendermaschinen 12 Funktionsweise Die Gleichstrommaschine beruht auf der direkten nwendung der 2 Grundgesetze der lektrotechnik: - nduktionsgesetz und - Kraft auf stromdurchflossene Leiter im agnetfeld Durch den Stator (Bild 1) wird in den Polbereichen des Luftspaltes jeweils ein räumlich und zeitlich konstantes, radiales rregerfeld B erzeugt Dreht sich die Leiterschleife der Länge l, wird in ihr entsprechend dem nduktionsgesetz eine Spannung U i = 2Bl v = 4π Bl r n ~ B n induziert Diese kann im Generatorbetrieb über die Kohlebürsten abgenommen und genutzt werden, bzw muss im otorbetrieb zusätzlich von der speisenden Spannungsquelle überwunden werden Wird umgekehrt der Leiterschleife ein Strom zugeführt, wirkt an dieser ein Kräftepaar bzw ein Drehmoment F = B l = 2 F r = 2 B l r ~ B Dieses kann im otorbetrieb an der Welle abgenommen werden, bzw muss im Generatorbetrieb vom äußeren ntrieb aufgebracht werden Zur Beibehaltung der Spannungs-, Kraft- bzw omentrichtung muss die Stromrichtung in der Leiterschleife nach jeder halben Umdrehung umgepolt werden Dazu benötigt man den Stromwender als mechanischen Umschalter lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 1

2 + Stator F rregerwicklung mit _ n + + Leiterschleife mit nker mit r Kollektor-Lamelle Kohlebrüste + F Luftspalt B Bild 1 Funktionsweise der Gleichstrommaschine achteilig an der bisher betrachteten nordnung mit nur 1 Leiterschleife ist, dass im Be- wodurch reich der Pollücke keine Spannung induziert und kein oment entwickelt wird an ordnet daher viele Leiterschleifen gleichmäßig über dem Umfang verteilt an, sich Spannung und oment vervielfachen und deren Welligkeit verschwindet Dabei werden die Leiter meistens nicht auf der nkeroberfläche sondern in uten untergebracht Die Funktionsweise und die oben angegebenen Zusammenhänge ändern sich dadurch aber nicht 13 otorbetrieb, n n max 1/2 Gleichstrommaschinen werden heute meistens nur noch als otoren und dabei insbesondere bei kleinen Leistungen als permanenterregte Gleichstrommotoren eingesetzt 3/2 n 0 2/3 Feldschwächbereich: < ; U = U n = f 2 (, ) = n 0 ; n 2 1 1/2 n 0 U 1/2 U ormalbetrieb: = ; U n = f 1 = (, U ) U 0 n Bild 2 Belastungskennlinien des Gleichstrommotors lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 2

3 131 Leerlauf Betreibt man eine reibungsfreie, konstant erregte, leerlaufende Gleichstrommaschine an einer konstanten Spannung, so fließt wegen fehlendem Lastmoment kein nkerstrom ( = 0) und es stellt sich genau die Drehzahl ein, für die gilt U = U i (n 0 ) mit n 0 ~ U Sie ändert sich also direkt proportional zur angelegten Spannung und man spricht dabei von Spannungssteuerung Soll die Drehzahl über den bei voller nkerspannung U erreichten Wert n 0 hinaus gesteigert werden, so muss gemäß obiger Beziehung das rregerfeld reduziert werden 1 B < B mit n0 ~ > n0, B was man als Feldschwächbetrieb bezeichnet us mechanischen Gründen darf die Drehzahl einen bestimmten Wert n max nicht überschreiten, was einen indestwert des rregerfeldes erfordert B B min Daher darf zb die rregung bei Gleichstrommaschinen nicht separat abschaltbar sein und auch keine Sicherungen enthalten 132 Belastung Wird eine Gleichstrommaschine belastet, so nimmt sie einen zum Lastmoment proportionalen nkerstrom auf (siehe Leiterschleife) ~, der bis zu seinem Bemessungswert ansteigen darf Bei voller rregung kann demnach die Gleichstrommaschine ihr Bemessungsmoment beim Bemessungsstrom entwickeln Da jedoch jede nkerwicklung einen endlichen Widerstand R aufweist, ergibt sich dadurch ein ohmscher Spannungsverlust, so dass trotz konstanter Spannungsversorgung die induzierte Spannung lastabhängig abnimmt U i = U R ~ n Da die Drehzahl grundsätzlich proportional zu U i ist, sinkt diese ebenfalls leicht mit zunehmender Belastung Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien verlaufen daher als leicht geneigte, parallele Geraden m Feldschwächbereich steigt wegen B < B das oment langsamer mit dem Strom und man erreicht wegen auch nicht mehr dessen vollen Wert B max = < B Trotz dem mit B kleiner werdenden oment bleibt dabei wegen der zunehmenden Drehzahl die Leistung etwa konstant n der Praxis werden meistens beide Betriebsweisen kombiniert m ormalbetrieb fährt man mit voller rregung und variiert die nkerspannung Der nkerstrom stellt sich dann lastabhängig von selbst ein: = ; U U ; ; n n 0 Kann für höhere Drehzahlen die nkerspannung nicht mehr erhöht werden, wechselt man in den Feldschwächbetrieb < ; U = U ; ; n < n n max Bei permanent erregten Gleichstrommotoren ist durch die eingebauten agnete mit ihrer festen rregung kein Feldschwächbetrieb möglich lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 3

4 14 rsatzschaltung Oftmals interessiert bei Gleichstrommaschinen nicht der konstruktive ufbau mit den tatsächlichen physikalischen Zusammenhängen, sondern nur deren elektrisches und mecha- sie durch ein möglichst einfaches elektrisches etzwerk dar, das sich an nisches Verhalten Dann stellt man den Klemmen genau wie die Gleichstrommaschine verhält Dieses etzwerk bezeichnet man als rsatzschaltung der Gleichstrommaschine (Bild 3) R F2 F1 Bei Gleichstrommaschinen besteht die rsatzschaltung nur aus 3 lementen U U i U i ~ B n - verkörpert die induzierte Spannung, Β R - berücksichtigt den nkerwiderstand und L - steht für das rregerfeld Bild 3 rsatzschaltung der fremderregten Gleichstrommaschine nsbesondere die rregung lässt sich auf mehrere rten mit Strom versorgen Dabei wird heutzutage die sog Fremderregung bevorzugt, bei der nker- und rregerkreis unabhängig voneinander mit Gleichstrom versorgt werden Dies geschieht häufig mit Hilfe von elektro- nischen Schaltungen uch permanent erregte Gleichstrommaschinen zählt man zu den fremd erregten llerdings kann bei ihnen die rregung nicht geändert werden, dh ein Feldschwächbetreib ist z B nicht möglich 15 Besonderheiten it Gleichstrommotoren konnte man schon lange anspruchsvolle drehzahlvariable ntriebe realisieren achteilig ist der durch den Kollektor bedingte Verschleiß und Wartungsaufwand (typ Wartungsintervalle 1000 h) Daher haben sie ihre frühere herausragende Bedeutung an die wartungsarmen umrichter- gespeisten Drehfeldmaschinen verloren Große Bedeutung haben und behalten sie allerdings noch als permanent erregte Gleichder strommotoren bei kleinen Leistungen und kurzen Laufzeiten Stückzahlmäßig sind sie daher immer noch die meistgefertigten elektrischen aschinen zb in - utoindustrie als Hilfsantriebe, - Unterhaltungselektronik, - Spielzeugindustrie u v m lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 4

5 2 Versuchsaufbau Schaltgerät Stromrichter Steuergerät U 1 D1 D2 F1 F2 G F1 F2 S1 2 B2 B F = / h 0000 n Last 3 Versuchsdurchführung 31 otieren Sie die Daten des Typenschildes und den Hebelarm Hersteller Typ r U V P kw n min -1 U V solkl P l H = mm 32 Berechnen Sie vorab: = Bemessungsdrehmoment des Prüflings = m, F = zugehörige Bemessungskraft = lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 5

6 33 Leerlaufversuch Führen Sie mit dem unbelasteten Gleichstrommotor folgende Leerlaufversuche durch = = U / V n 0 / min -1 U = U = V / n 0 / min -1 2/3 1/2 34 Belastungsversuch ehmen Sie die Belastungskennlinien auf: n, = f() für = ; U = U ; = (0, 025, 05, 075, 1) F / / m n / min -1 / 4 uswertung 41 Stellen Sie die Leerlaufdrehzahl Linearität über der nkerspannung dar und prüfen Sie die 42 Kontrollieren Sie die bhängigkeit der Leerlaufdrehzahl vom rregerstrom 43 Stellen Sie die Belastungskennlinien n, = f( ) in einem gemeinsamen Diagramm dar lektrische ntriebe () Versuch - 4 Gleichstrommaschine Seite 6