Versuch: Gleichstromkommutatormaschine

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1 Versuch: Gleichstromkommutatormaschine 1 Versuchsziel Die Belastungscharakteristik und die Steuermöglichkeiten eines fremderregten Gleichstrommotors und eines Gleichstromreihenschlussmotors, sowie die Arbeitsweise der Gleichstrommaschine als Generator sollen kennengelernt werden. 2 Einführung 2.1 Grundlagen Wird der Anker einer Gleichstrommaschine von einem Ankerstrom Ia durchflossen und befindet er sich in einem magnetischen Feld, dann wirkt auf den Anker folgendes inneres oment i. i = cфerr Ia Bewegt sich der Anker mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω im agnetfeld, so wird in der Ankerwicklung eine Spannung induziert. Die Quellspannung oder Elektromotorische Kraft wird nach folgender Gleichung bestimmt. Uq = cфerr ω In beiden obigen Gleichungen entspricht c einer aschinenkonstante und Фerr dem Erregerfluss. Je nach Art der Erregung der Gleichstrommaschine entstehen unterschiedliche Belastungs- bzw. Drehzahl-Drehmomentkennlinien der aschine. Daraus ergeben sich für jeden Gleichstrommaschinentyp bestimmte Vor- und Nachteile. 2.2 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn Für die Anschlussbezeichnung der einzelnen Wicklungen einer aschine sind in der DIN VDE 0530/Teil 8 folgende Kennbuchstaben festgelegt. Wicklungsbezeichnung Ankerwicklung Wendepolwicklung Kompensationswicklung Erregerwicklung (Reihenschluss) Erregerwicklung (Nebenschluss) Erregerwicklung (Fremderregung) Kennbuchstabe A B C D E F Entsprechend des Anschlusses der Wicklung wird auch der Drehsinn festgelegt. Eine Drehung im Uhrzeigersinn gilt als Rechtslauf. Für aschinen mit nur einem Wellenende oder zwei Wellenenden verschiedener Dicke gilt als Drehsinn diejenige Drehrichtung des Läufers, die ein Beobachter feststellt, wenn er die Stirnseite des einzigen oder dickeren Wellenendes betrachtet. Sind beide Wellenenden gelichdick, wird die dem Kommutator abgewendete aschinenseite betrachtet Prof. Dr.-Ing.. Förster 1

2 E1 D1 D2,E1, Abbildung 1: Gleichstromnebenschlussmaschine im Rechtslauf geschaltet D2 Abbildung 2: Gleichstromreihenschlussmaschine im Rechtslauf geschaltet 2.3 Leistungsschild Im folgenden Bild sind die Leistungsschilder der verwendeten Gleichstrommaschinen dargestellt. Bitte beachten Sie, dass durch die versuchsbedingten Eingriffe an den Versuchsmotoren sich die angegebene Schutzart zu einer niedrigeren Schutzart ändert. Typ Typ otor Nr otor Nr V 2.0 A 220 V 2.0 A 0.3 KW cos φ KW S1 cos φ -- S U/min -- Hz 2000 U/min -- Hz Err 220 V A Err 220 V 0.45 A Isol.-Kl. F IP 23 t Isol.-Kl. F IP 23 t VDE 0503 VDE 0503 Abbildung 3: Leistungsschilder der Verbundmaschine für die Verschaltung als Nebenschluss- oder Reihenschlussmotor (links) und Gleichstromnebenschlussmaschine (rechts) 2.4 Verwendete Geräte Netzabnahmefeld FI-Schalter und otorschutzschalter DC- Konstanter 0 240V/0 &A mit Spannungsanzeige 200V/1A Experimentiertrafo V Gleichrichter 2x Gleichstromkommutatormaschine agnetpulverbremse Tachogenerator 4x ultimeter Steuergerät zur Anzeige der Drehzahl des Tachogenerators und zur Einstellung des oments der agnetpulverbremse Prof. Dr.-Ing.. Förster 2

3 3 Vorbereitung Entwerfen Sie die essskizzen mit allen zu erfassenden Größen für die Durchführung der Versuche. Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise einer Gleichstrommaschine. Stellen Sie das Ersatzschaltbild einer Gleichstrommaschine da und geben die die einzelnen Elemente an. Geben Sie die Gleichung für die Drehzahl-Drehmomentkennlinie der fremderregten Gleichstrommaschine und den Gelichstromreihenschlussmotor. Bestimmen Sie aus den Leistungsschilddaten das Nennmoment N, die aufgenommene Leistung P1N und den Wirkungsgrad ηn. Beschreiben Sie die Strom-Spannungskennlinie (Uq(If)) des selbsterregten Nebenschlussgenerators und zeichnen Sie die Widerstandsgerade Uf=Rf If ein. (Beachten Sie den Einfluss der magnetischen Sättigung). 4 Durchführung 4.1 Belastungskennlinie des fremderregten Gleichstrommotors U f U f E1 E1 1B1 1B2 2B1 2B2 U a U a Abbildung 4: Anschlussplan für den fremderregter Gleichstrommotor mit (links) und ohne (rechts) herausgeführter Wendepolwicklung Bauen Sie die essanordnung mit der Verbundmaschine auf, nehmen Sie die essschaltung einschließlich essgeräte in das Protokoll auf und lassen Sie unter Vorlage der essschaltung die Versuchsanordnung abnehmen. Denken sie an den Anschluss des Tachogenerators und des Übertemperaturschalters. Lassen Sie den otor vor Beginn der essungen unter Nennlast warmlaufen bis der Erregerstrom nahezu konstant bleibt (ca. 5min). Führen Sie die essung möglichst zügig durch, da bei der vorgegebenen Belastung der Bemessungsstrom überschritten wird. Ermitteln Sie für Ua=220V und Uf=200V im Bereich von 0 1.5N die Verläufe von n(), Ia(), P1(), P2() und η() mit jeweils ca. 10 Werte. Zeichen Sie die Kennlinien in ein Diagramm. Kennzeichnen Sie auf der Achse das Bemessungsmoment. Ermitteln Sie aus dem gemessenen Verlauf des Ankerstromes die otorkonstante. Die Eisenund Reibungsverluste können als konstant angenommen werden. Berechnen Sie das Anzugsmoment(Stillstandsmoment) A und den Stillstandsstrom I A. Der Ankerwiderstand beträgt R a = 11Ω Prof. Dr.-Ing.. Förster 3

4 4.2 Belastungskennlinie des fremderregten Gleichstrommotors im Ankerstellbereich Nehmen Sie zusätzlich zu den bereits gemessenen Kennlinien bei Ua = 220V die Kennlinien bei Ua = 150V und Ua=50V mit Uf = 200V im Bereich von 0 1.5N auf. Es reichen hier 5esswerte. Zeichen Sie die drei Kennlinien in ein Diagramm und kennzeichnen Sie den im Dauerbetrieb S1 zulässigen Bereich. Fakultativer Zusatzversuch zu 4.1/4.2: Halten des Rotors von Hand Trennen Sie Die Bremse und den Tacho vom otor und stellen Sie die Ankerspannung auf Ua = 0V. Halten Sie die otorwelle an der Kunststoffkupplung fest, so dass sich der Rotor nicht drehen kann. Erhöhen Sie langsam sie Ankerspannung bis der Bemessungsstrom IaN fließt, damit erhalten Sie einen Eindruck von der Größe des Bemessungsmomentes des otors. Fahren Sie die Ankerspannung Ua auf 0V zurück ohne loszulassen. 4.3 Belastungskennlinie des Gleichstromreichenschlussmotors Bauen Sie die essanordnung mit dem Gleichstromreihenschlussmotor auf, nehmen Sie die essschaltung einschließlich essgeräte in das Protokoll auf und lassen Sie unter Vorlage der essschaltung die Versuchsanordnung abnehmen. Achten Sie darauf, dass der Reihenschlussmotor nicht unbelastet läuft. Überschreiten Sie keinesfalls eine Drehzahl von n=3500umin -1. Erhöhen Sie die otorspannung langsam und stellen Sie parallel dazu das Lastmoment ein. Ermitteln Sie für Ua=220V im Bereich von 0 1.5N die Verläufe von n(), Ia(), P1(), P2() und η() mit jeweils ca. 10 Werte. Zeichen Sie die Kennlinien in ein Diagramm. Vergleichen Sie die Verläufe mit denen von 4.1 bezüglich des Anlaufverhaltens und des Verhaltens bei sich ändernder Last (kurze schriftliche Einschätzung). 4.4 Fremderregter Gleichstromgenerator Koppeln Sie die agnetpulverbremse ab und verbinden Sie die Verbundmaschine mechanisch mit der Nebenschlussmaschine. Betreiben Sie die Nebenschlussmaschine als fremderregten otor. Die Erregerspannung entspricht der Festspannung am Spannungskonstanter und die Ankerspannung entspricht der einstellbaren Spannung am Experimentiertrafo. Die Verbundmaschine wird als Generator betrieben Die Erregerspannung des Generators liefert die einstellbare Spannung am Spannungskonstanter. Verschalten Sie die notwendigen essgeräte, um den Erregerstrom des Generators und die generatorisch erzeugte Spannung Uq messen zu können. Lassen Die die Schaltung abnehmen und schalten Sie immer die Erregerspannung vor der Ankerspannung ein Prof. Dr.-Ing.. Förster 4

5 Stellen Sie mit Hilfe der Nebenschlussmaschine eine Drehzahl von n=1500umin -1 ein. essen Sie (5Werte) die generatorisch erzeugte Leerlaufspannung Uq bzw. Quellenspannung in Abhängigkeit vom Feldstrom bzw. Erregerstrom If. Beginnen Sie bei einem Feldstrom von 0A. Stellen Sie den Verlauf der generatorisch erzeugten Leerlaufspannung Uq in Abhängigkeit vom Feldstrom If grafisch dar. Beschreiben Sie kurz, warum der Verlauf der Quellenspannung in Abhängigkeit vom Erregerstrom nichtlinear ist? 4.5 Selbsterregter Gleichstromnebenschlussgenerator Verschalten Sie den Generator als selbsterregten Nebenschlussgenerator im Leerlauf und lassen Sie die Schaltung abnehmen Bestimmen Sie bei 1500 Umin -1 die generatorisch erzeugte Spannung. Überprüfen Sie den ermittelten Wert der generatorisch erzeugten Spannung an Hand des in 4.4 ermittelten Kurvenverlaufs. essen Sie den Erregerwiderstand (Feldwiderstand) If und zeichnen Sie die Widerstandsgerade Uf=Rf If in das Diagramm Uq(If) von 4.4 ein. 5 Literaturhinweise [1] Fischer: Elektrische aschinen, Hanser-Verlag [2] Fehmel, Flachmann, ai: Elektrische aschinen, Vogel Fachbuch [3] Boy, Bruckert, Wessels, eyer: Elektrische Steuerungs- und Antriebstechnik, Vogel Fachbuch [4] üller, Ponick: Grundlagen elektrischer aschinen, Wiley-VCH Prof. Dr.-Ing.. Förster 5