Technik Asynchronmotoren

Transkript

1 Technik Asynchronmotoren Alle Asynchronmotoren arbeiten nach einem einheitlichen Prinzip: Der mechanisch stillstehende Stator erzeugt ein magnetisches Drehfeld, das exakt mit der Netzfrequenz synchron ist. Der Rotor besteht aus einem verlustarmen Elektroblech, welches von einem Käfig aus kurzgeschlossenen Metallstäben umgeben ist ( Käfigläufer ). Solange der Rotor langsamer als der Stator dreht ( Schlupf ) induziert (daher auch Induktionsmotor genannt) dieser durch Verkettung (Überlagerung) der magnetischen Felder ein Magnetfeld im Rotor. Dieses Rotorfeld tritt nun durch eine zweite Verkettung erneut in Wechselwirkung mit dem Stator und erzeugt dadurch das Drehmoment. Je größer der Schlupf ist, um so schneller dreht sich der Rotor relativ gegen den Stator, damit wird auch die Induktion und somit das Drehmoment des Motors größer. Dieses Verhalten ist beim Überschreiten eines kritischen Wertes, dem Kippschlupf, jedoch nicht mehr gegeben. Hier erreicht das Drehmoment ein lokales Maximum, das Kippmoment genannt wird. Bei noch höherem Schlupf fällt das Moment wieder ab, bis es bei Schlupf 1 (also im Stillstand) mit dem Anzugsmoment zusammenfällt. Bei kleinen Drehstrom- Asynchronmaschinen gibt es jedoch davon abweichend oft kein ausgeprägtes Kippmoment, vielmehr steigt das Moment mit zunehmendem Schlupf monoton (aber nicht linear) bis zum Anzugsmoment an, das dann auch das größte Moment im motorischen Betrieb ist. Die in der Nähe des Nennpunktes mit der Drehzahl linear abfallende Drehmomentkennlinie führt mit Arbeitsmaschinen, deren Kennlinie flacher abfällt (das sind fast alle), zu einem stabilen Arbeitspunkt ohne Zuhilfenahme elektronischer Regelungen. Asynchronmotoren sind ein bedeutender Teil des Gefeg-Neckar Sortimentes. Sie werden weiter nach dem Anschluss an das speisende Netz unterschieden. Motore, die an das fast überall verfügbare einphasige Stromnetz angeschlossen werden, heißen Wechselstrommotore (oder 1-phasige Asynchronmaschinen). Motore, die das dreiphasige Drehstromnetz benötigen, werden analog als Drehstrommotore (oder 3-phasige Asynchronmaschinen) bezeichnet. Wechselstrommotore benötigen für den zuverlässigen Anlauf ein Hilfsmittel. Bei den Gefeg-Neckar Baureihen wird neben dem Hauptstrang ein zweiter Strang (Hilfsstrang) über einen Kondensator bestromt (intern also ein 2-phasiger Motor). Es kann sogar, ebenfalls mit einem Kondensator, ein intern 3-phasiger Wechselstrommotor realisiert werden (Steinmetzschaltung). In jedem Fall ist zum Betrieb ein Kondensator notwendig, daher auch die Bezeichnung Kondensatormotor. Im Gefeg-Neckar Sortiment kann je nach Anwendungsfall auf die spezifischen Vorteile beider Möglichkeiten zurückgegriffen werden. Ein Wechselstrommotor hat in der Regel ein niedrigeres Anlaufmoment als das Nennmoment. Dies ist bei der Auslegung zu berücksichtigen. Deshalb ist für Anwendungen mit erschwertem Anlauf der Drehstrommotor zu bevorzugen. Nachstehende Tabelle zeigt das Verhältnis von Anlaufmoment zum Nennmoment. 2-polig 0,6 x M nenn 1,2 x M nenn 4-polig 0,7 x M nenn 1,3 x M nenn Die typischen Drehmomentverläufe können Sie aus den Abbildungen 1 und 2 ersehen. Der Wirkungsgrad dieser Präzisionsmotoren beträgt bei Drehstrom- motor Einphasenmotor Einphasen- Drehstrommotor motor 2-polig Bis 63 % Bis 72 % 4-polig Bis 52 % Bis 56 % Die Nenndrehzahlen ergeben sich für beide Bauarten wie folgt: 2-polig min 1 4-polig min 1 Mit den Asynchronmaschinen aus dem Gefeg-Neckar Sortiment haben Sie folgende Nutzen: Beim Drehstrommotor einfacher Anschluss ans Drehstromnetz. Beim Kondensatormotor einfacher Anschluss ans Wechselstromnetz. Hohes spezifisches Leistungsvolumen. Extrem ruhiger Lauf in allen Belastungsphasen. Drehrichtungsumkehr durch einfaches Umpolen. Extrem lange Lebensdauer ist nur von Kugellagern abhängig. Alle Motoren sind durch unser Baukastensystem vielseitig mit Getrieben, Gebern, Bremsen usw. kombinierbar. Auch Sie finden Ihren Maßantrieb! Abbildung 1 Abbildung 2 T-05

2 Technik Bürstenlose Gleichstrommotoren Die bürstenlosen Gleichstrommotoren (Abk.: BL-DC Motoren) der Baureihen EC, M und MH haben ähnlich wie die Asynchronmotoren einen 3strängigen Stator. Anstelle des Käfigläufers wird jedoch ein 4- oder 8-poliger Neodym Magnetläufer eingesetzt, der zur Reduzierung von Rastmomenten und Oberwellen kontinuierlich schrägmagnetisiert (keine Stufen) ist. Der Drehwinkel zwischen Rotor und Stator wird von einem Rotorlagegeber erfasst. Er besteht aus einer mit dem Rotor umlaufenden Magnetscheibe und drei jeweils um 120 versetzt angeordneten, ruhenden Hallsensoren, die die Polwechsel auf dem Magnetring erfassen. Entsprechend der Rotorlage werden die Wicklungsstränge so bestromt, dass sie synchron zum Rotor laufen und den vom Anwender vorgegebenen Sollwert erreichen. Der BL-DC Motor ist also eine Synchronmaschine. Zum Betrieb des BL-DC Motors ist zwingend eine elektronische Ansteuerung erforderlich, die entweder in einem externen Gehäuse (Baureihen M, EC) untergebracht oder im Motor integriert ist (Baureihe MH). Die Bestromung der 3 Stränge erfolgt gemäß dem nachfolgenden Ansteuerschema in Blockstromtechnik: Eigenschaften: Die BL-DC Motoren zeichnen sich durch sehr hohe spezifische Dynamik aus. Die Drehmoment-Drehzahl Kennlinie ist im ungeregelten Betrieb wie beim PM-DC Motor linear. Der große Vorteil des BL-DC Motors gegenüber dem PM-DC Motor ist der Ersatz der mechanischen Kommutierung durch das oben beschriebene elektronische System. Dadurch erhöhen sich die Standzeiten von ca Stunden beim PM-DC Motor auf über Stunden. Der BL-DC Motor vereint die lange Lebensdauer der Asynchronmaschine mit der guten Regelbarkeit des PM-DC Motors und hat die höchste Leistungsdichte unter den genannten Motoren. Er ist der ideale Antrieb für anspruchsvolle Anforderungen. Durch den Einsatz der integrierten Elektronik (Baureihe MH) konnten weiter Anwendungsgebiete erschlossen werden. Die Vorteile des integrierten Antriebes sprechen für sich: Die empfindlichen Rotorlagegeberleitungen müssen nicht mehr nach außen geführt werden Beschädigungen durch Verdrahtungsfehler des Rotorlagegebers sind ausgeschlossen Die Steuerung komplexer Maschinen wird vereinfacht Dauerleistung wie bei Motoren mit externer Elektronik Regelbereich 30:1 Drehrichtungsumkehr, Fehlermeldeausgang, Impulsausgang (alles SPS-Pegel), Kurzschlussbremsung und Sanftanlauf Anschluss optional mit Steckverbindern Der Zusammenhang zwischen Drehzahl, Polzahl und Nutenzahl des Stators ist in nachfolgender Tabelle erkennbar. Nenndrehzahl Polzahl Nutenzahl 3000 min -l min -l 8 24 Standard-Ansteuerschema T-06

3 Technik Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren (PM-DC Motoren) Aufbau Die wesentlichen Bauteile eines PM-DC Motors sind der (ruhende) Permanentmagnetkreis (Jochring), der Rotor (Anker) und das Kommutierungssystem. Der Jochring besteht bei Kleinmaschinen in der Regel aus zwei 2-polig magnetisierten Ferritmagneten, deren Fluss über einen Eisenring und den Anker geschlossen wird. Basis des Ankers ist die Welle, auf der das Eisenblechpaket und der Kollektor befestigt ist. In die Nuten des Ankers werden Spulen gewickelt; diese werden mit den Stegen des Kollektors (Kommutator, Stromwender) verbunden. Das Kommutierungssystem besteht aus dem Kollektor, der mit dem Anker rotiert, und zwei Kohlebürsten (ruhend), die mit einer definierten Kraft auf den Kollektor gedrückt werden und den Anker mit Strom versorgen. Funktion Die auf den Anker gewickelten Spulen drehen sich im Erregerfeld des Jochringes. Über den Kollektor werden die Spulen mit Gleichstrom versorgt, der zwischen den Hauptpolen in der neutralen Zone gewendet wird. In den einzelnen Spulen fließt also ein trapezähnlicher Wechselstrom; der Kollektor wirkt quasi als mechanischer Frequenzwandler. Durch Flussverkettung (Überlagerung) des Erregerflusses und des Wechselfeldes (!) der einzelnen Spulen entsteht das Drehmoment des Motors. Eigenschaften Das Betriebsverhalten des PM-DC Motor wird durch ein spannungsproportionales, lineares Drehzahl-Drehmoment Kennfeld gekennzeichnet. Daraus resultieren die guten Regeleigenschaften. So kann die Drehzahl durch Änderung der Versorgungsspannung sehr einfach und in einem großen Bereich geändert werden. Des Weiteren gehören ein großes Anzugsmoment (für Schwerlastanlauf) und ein guter Wirkungsgrad zu den positiven Eigenschaften. Andererseits ist das mechanische Kommutierungssystem einem ständigen Verschleiß ausgesetzt, was die Lebensdauer auf ca Stunden begrenzt. Auch die Qualität der Stromversorgung spielt eine wichtige Rolle. So sollte der Oberwellenanteil unter 5% liegen. Bei Betrieb an nicht idealen Spannungsquellen muss außerdem die Nennleistung P 2 auf folgende Werte zurückgenommen werden: Einphasen-Brückengleichrichter 0,7-0,8 x P 2 Einphasen-Einweggleichrichter 0,5-0,6 x P 2 Thyristorsteuerungen 0,5-0,6 x P 2 T-07

4 Technik Universalmotoren Der Universalmotor ist von der Bauart her betrachtet ein Gleichstromreihenschlussmotor. Er wird in der Regel aber mit Wechselstrom betrieben. Wegen der Möglichkeit, sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom verarbeiten zu können heißt er auch Allstrommotor. Er hat im Gegensatz zum PM-DC Motor ein elektrisch erregtes Magnetsystem, bei dem anstelle der zwei Ferritmagnete zwei Spulen (Wicklungen) den magnetischen Fluss erzeugen. Wegen des Wechselstrombetriebs muss der Rückschluss mit einem geblechten Eisen erfolgen. Die Spulen sind in Reihe mit dem Anker geschaltet. Der Anker und das Kommutierungssystem sind den entsprechenden Teilen des PM-DC Motors sehr ähnlich ist (s.o.). Beim Betrieb des Universalmotors sind einige Besonderheiten zu beachten: Zum Reversieren muss die interne Verbindung zwischen Erregerspulen und Anker herausgeführt und vertauscht werden. Der Universalmotor darf nicht unkontrolliert entlastet werden, da er keine definierte Leerlaufdrehzahl hat. Der Motor kann dann durchgehen, da die Leerlaufdrehzahl nur durch die Reibmomente und diverse elektrische Verlustmechanismen begrenzt wird. Im Stillstand wird die Erregerwicklung besonders stark bestromt, es entsteht ein großes Anzugsmoment. Ansonsten ist das Regelverhalten ähnlich gut wie beim PM-DC Motor. Ein weiterer Vorteil des Universalmotors ist darin zu sehen, dass sein elektrisch erregtes Magnetsystem im Gegensatz zu Permanentmagnetsystemen nicht irreversibel entmagnetisiert werden kann. T-08

5 Technik Getriebe Motore aus dem Gefeg-Neckar Sortiment sind für die Kombination mit einer Vielzahl von Stirnrad-, Schnecken- und Planetengetriebe konstruktiv vorbereitet. Aus einem umfassenden und fein abgestimmten Baukastensystem kann für jeden Anwendungsfall die optimale Kombination gefunden werden. Aufgabe der Getriebe ist es, die hohen Drehzahlen der auf Leistung getrimmten Motoren an die niedrigeren Drehzahlen und den hohen Drehmomentbedarf der Arbeitsmaschine anzupassen: 1) Getriebe reduzieren die Drehzahl mit der Untersetzung i n [Getriebe] = n [Motor] i 2) Getriebe verstärken das Drehmoment des Motors: M [Getriebe] = M [Motor] x i x η η = (Wirkungsgrad) Der Wirkungsgrad η des Getriebes hängt von der Bauart, Anzahl der Stufen, der Schmierung und anderen Faktoren ab. Beträgt der Wirkungsgrad zum Beispiel 50 %, also η = 0,5 bei einer Untersetzung von i = 10, so wird das Motordrehmoment um den Faktor = i x η = 5 verstärkt. Die (gewollte) Verstärkung des Drehmoments darf selbstverständlich das maximal zulässige Drehmoment des Getriebes nicht übersteigen. Gegebenenfalls muss die Motorleistung begrenzt werden. M Getriebe M max M max ist daher in den Getriebetabellen immer mit angegeben. Um eine einheitliche Lebensdauer von Getriebe und Motor zur erreichen, müssen verschiedene Lastarten berücksichtigt werden. Je nachdem ob die Lastart gleichmäßig schwellend stoßartig ist, reduziert sich das in den Tabellen angegebene maximale Drehmoment M max um den Betriebsfaktor f B, was letztlich das tatsächlich nutzbare Drehmoment am Getriebeausgang ergibt. M Nutz = fb x M max Die Betriebsfaktoren sind in den Diagrammen 1 bis 3 für die 3 Lastarten angegeben. Beispiel: Bei stoßartiger Lastart (Diagramm 3) beträgt der Betriebsfaktor f B = 0,5 bei einer Betriebsdauer < 3 Stunden pro Tag sowie bei möglichem Drehrichtungswechsel. Es handelt sich also um eine deutliche Reduktion der Tabellenwerte, die bei der Auslegung des Antriebes auf keinen Fall vergessen werden darf. Generell unzulässig ist das Fahren gegen Block oder blockieren des Getriebes. Die dabei auftretenden Kräfte und Drehmomente sind kurzzeitig extrem groß und können das Getriebe zerstören. Lastart: gleichmäßig Lastart: schwellend Lastart: stoßartig M Mnenn M Mnenn M Mnenn t [s] t [s] Betriebsfaktor fb Betriebsfaktor fb Betriebsfaktor fb Betriebsart Betriebsdauer 3h/Tag 8h/Tag 24h/Tag Betriebsart Betriebsdauer 3h/Tag 8h/Tag 24h/Tag Betriebsart Betriebsdauer 3h/Tag 8h/Tag 24h/Tag Eine Drehrichtung 1 0,83 0,66 Eine Drehrichtung 0,77 0,66 0,55 Eine Drehrichtung 0,66 0,55 0,45 Drehrichtungswechsel 0,83 0,63 0,52 Drehrichtungswechsel 0,63 0,53 0,43 Drehrichtungswechsel 0,50 0,43 0,35 Diagramm 1 Diagramm 2 Diagramm 3 T-09

6 Winkellage der Befestigungsbohrungen und Steckerpositionen Winkellage der Befestigungsbohrungen zum Anbau beträgt nach Standard +/- 5 Standardsteckerposition (9 Uhr). Zwischenpositionen sind möglich, mit Ausnahme bei Motoren der Baureihe G. Standardsteckerposition links (9 Uhr) bei Motoren mit Getriebe der Baureihen Z und M. Standardsteckerposition links (9 Uhr) bei Motoren mit Schneckengetriebe der Baureihen S 345, S 567, S 668 und S 769. T-10