4. Gleichstrommaschinen

Transkript

1 4. Gleichstrommaschinen Der Fertigungsbereich von Gleichstrommaschinen reicht von Kleinstmotoren mit Leistungen von unter einem Watt für die Feinwerktechnik bis zu Großmaschinen mit pannungen bis 500 V und über 0 W. Dauermagneterregte otoren bis rd. 00 W werden in großen tückzahlen in der Kfz-Elektrik eingesetzt. 4. ufbau und Wirkungsweise Die Erzeugung eines Drehmomentes basiert bei der Gleichstrommaschine auf dem Kraftwirkungsgesetz. r r r F I (l B) (4.) In einem agnetfeld der Flussdichte B müssen drehbar Leiter der Länge l angeordnet sein, die einen trom I führen. lle Leiter eines Polbereiches müssen dabei gleichsinnig vom trom durchflossen werden. Der feststehende tänder aus massivem oder geblechtem Eisen trägt einen Elektromagneten, dessen Erregerwicklung die zum ufbau des Feldes erforderliche Durchflutung liefert. Die Enden des agneten, die Hauptpole, sind nach innen durch sogenannte Polschuhe erweitert, um gleichzeitig eine möglichst große Leiterzahl zu erfassen. Den äußeren magnetischen Rückschluss stellt der Jochring sicher. Die Welle der aschine trägt einen aus Dnamoblechen geschichteten Eisenkörper. lle täbe bilden zusammen mit ihren Verbindungen die nkerwicklung. an bezeichnet den ganzen rotierenden Teil als nker der Gleichstrommaschine. Der magnetische Kreis ist bis auf den Luftspalt ganz aus Eisen mit µ r» aufgebaut n 5 4 Jochring Hauptpol 3 Erregerwicklung 4 nkerblechpaket 5 nkerwicklung 6 tromwender 7 Kohlebürsten I Prinzipieller ufbau einer Gleichstrommaschine G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 43

2 Der tromwender, auch Kommutator oder Kollektor genannt, übernimmt eine mschaltung der tromrichtung im nkerleiter beim Wechsel des Polbereichs. Der tromwender besteht aus voneinander isolierten Kupfersegmenten oder Lamellen. Er sitzt mit dem Blechpaket fest auf der Welle. Die einzelnen pulen der nkerwicklung sind mit ihren nfängen und Enden nacheinander an die egmente gelötet. Die tromzuführung in die nkerwicklung erfolgt über Kohlebürsten. In der neutralen Zone wechselt so in jedem Leiter die tromrichtung. Rotiert ein Gleichstromanker im tänderfeld der Luftspalt-Flussdichte B, so wird in den Leiterstäben entlang des mfangs eine pannung induziert. r r r B (v l) (4.) q Durch Reihenschaltung der pulen addieren sich deren pannungen zwischen benachbarten Kohlebürsten und bilden in ihrer umme die Quellenspannung. Der tromwender sorgt dafür, dass stets der aximalwert und damit eine Gleichspannung an den nkerklemmen auftritt. Gleichstrommaschinen sind ohne Änderungen im ufbau für den otor- oder Generatorbetrieb geeignet. Die in der nkerwicklung induzierte Gesamtspannung zwischen den Kohlebürsten hat beim Generator die Funktion einer Quellenspannung, beim otor wirkt sie als induzierte pannung der von außen angelegten Gleichspannung entgegen. Größere Gleichstrommaschinen werden nicht nur mit zwei Hauptpolen, sondern höherpolig ausgeführt. Der Bereich eines Poles am nkerumfang, die Polteilung τ P, berechnet sich aus dem nkerdurchmesser d und der Polpaarzahl p. d π τ p (4.3) p Jedes Polpaar erhält je eine Plus- und eine inusbürste, wobei gleichnamige Bürsten untereinander verbunden sind. τ p d Kohlebürsten und Polteilung der vierpoligen Gleichstrommaschine G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 44

3 Die früher verwendete nker-ringwicklung ist heute durch die Trommelwicklung abgelöst worden. a a 3a u u nker a a nker u u Ringwicklung chaltung der nkerleiter zur Wicklung Trommelwicklung Jede pule ist mit nfang und Ende an je eine tromwenderlamelle angeschlossen. Die nzahl der pulen stimmt mit der Lamellen- oder tegzahl k überein. Die utzahl des nkers wird im llgemeinen kleiner als die Lamellenzahl gewählt, so dass u pulenseiten einer chicht nebeneinander in einer ut liegen. Hat die pule zudem die Windungszahl w s, so ergibt sich eine utfüllung u w s täben/ut. Die Gesamtzahl der Leiterstäbe am nkerumfang wird z bezeichnet. Es gilt: u k z Oberschicht u 3, w s nterschicht (4.4) u ws k ws Keil utisolation Zwischenlage pulenisolation Querschnitt durch eine nkernut mit parallelen Flanken und Rechteckstab Die pulenweite beträgt bei der Durchmesserwicklung genau eine Polteilung ( k/p) oder etwas weniger bei der ehnenwicklung ( < k/p). Will man die u pulenseiten einer Oberschicht auch in der nterschicht in einer ut beieinander haben, dann ergeben sich pulen gleicher Weite. Für den utschritt n ergibt sich dann die Bedingung: n ganzzahlig (4.5) u Die Zusammenschaltung der einzelnen pulen zu der geschlossenen nkerwicklung und damit die ddition der Teilspannungen erfolgt mit der chleifen- oder mit der Wellenwicklung. G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 45

4 pulenweite chaltschritt Wicklungsschritt Eine Windung pro pule, w s Zwei Windungen pro pule, w s chaltung einer chleifenwicklung Für die Höhe der Gesamtspannung ist die Windungszahl w zwischen zwei ungleichnamigen Kohlebürsten mit der Bürsten-chrittweite B maßgebend. Der nkerstrom I teilt sich entsprechend der Wicklungsart auf und ergibt den Leiterstrom I s. Für die chleifenwicklung muss /p ganzzahlig sein. Es gilt: z I w Is 4 p p (4.6) Bei der chleifenwicklung werden die gesamten p nkerzweige erst durch die Verbindungsleitungen der gleichpoligen Kohlebürsten parallelgeschaltet. Da geringe nsmmetrien zu usgleichsströmen führen, werden zur Entlastung der Kohlebürsten usgleichsverbindungen ausgeführt. Eine Windung pro pule, w s Zwei Windungen pro pule, w s chaltung einer Wellenwicklung Für die Wellenwicklung gilt: k p + w z 4 I s I (4.7) G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 46

5 llgemeine Beziehungen Die Zahl der parallelen nkerzweigpaare wird mit a bezeichnet. Für die chleifenwicklung gilt dann a p und für die Wellenwicklung a. Für die Windungszahl zwischen zwei Bürsten w, für den Leiterstrom I s und für die Windungszahl zwischen zwei Lamellen w k gelten: k ws z I ws p w Is wk (4.8) a 4a a a Luftspaltfelder Für den Betrieb der Gleichstrommaschine interessiert vor allem die Radialkomponente der Luftspaltinduktion entlang des nkerumfangs. Diese Feldkurve bestimmt die Größe des magnetischen Flusses und damit die induzierte Gesamtspannung und das Drehmoment. Im Leerlauf besteht nur das agnetfeld der Hauptpole, das als Hauptfeld bezeichnet wird. Es gilt: Bm Φ Bm l τp α BL l τp mit α (4.9) B Φ L α τ p B Lx B L B m Φ Feldverlauf zwischen Erregerfeldkurve und Hauptpol und nker Definition des Polbedeckungsfaktors α Erregerfeld einer Gleichstrommaschine im Leerlauf Bei Betrieb der Gleichstrommaschine tritt im nker der Laststrom I auf, der ein eigenes agnetfeld zur Folge hat, das nkerquerfeld. x τ p B Lx Φ 3 B Lx B L B max Φ x x Feldverlauf zwischen Verlauf der Luftspaltinduktion ( Erregerfeld im Leerlauf, Polschuhen und nker nkerquerfeld, 3 Resultierender Verlauf) Resultierendes Hauptpolfeld bei Belastung G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 47

6 Im Betrieb der Gleichstrommaschine treten das Erreger- und das nkerquerfeld gleichzeitig auf, wobei wegen der magnetischen ättigung das resultierende Gesamtfeld nicht mit der ddition der zwei Teilfelder übereinstimmt. an bezeichnet die Beeinflussung der Luftspaltinduktion durch die nkerdurchflutung als nkerrückwirkung. Die nkerrückwirkung verzerrt das Hauptfeld, so dass unter einer Polhälfte eine höhere Luftspaltinduktion entsteht (B max > B L ). Infolge der magnetischen ättigung wird das Feld der einen Polhälfte weniger verstärkt als in der anderen geschwächt. Der Fluss ist damit kleiner als bei Leerlauf (Φ < Φ 0 ). Die neutrale Zone mit B 0 wird aus der itte der Pollücke verschoben. Besteht innerhalb der Polteilung die mittlere Luftspaltinduktion B m, so wird in jeder Windung der nkerwicklung eine mittlere pannung (4.0) induziert. qw B l v (4.0) m Zwischen benachbarten Bürsten stehen für die pannungsbildung w Windungen zur Verfügung, so dass sich die induzierte nkerspannung einer Gleichstrommaschine wie folgt berechnet. q w qw 4 w p n Φ z p n Φ a (4.) Eine wichtige Größe für den Betrieb der Gleichstrommaschine ist die Lamellenspannung s, auch teg- oder egmentspannung genannt, die zwischen benachbarten tromwenderlamellen auftritt. Der ittelwert lässt sich einfach aus der Klemmenspannung des nkers geteilt durch die Lamellenzahl pro Polteilung berechnen. s p ws p Bm l v k a (4.) Das vom nker der Gleichstrommaschine erzeugte sogenannte innere Drehmoment i lässt F sich über die Kraft F B l I auf einen stromdurchflossenen nkerstab berechnen. I d F Bildung des Drehmomentes aus Tangentialkräften F der nkerleiter Das innere Drehmoment i ist damit: d i Bm l Is p Φ mit Bm l π d z und p z Φ a π I Is a I (4.3) Das innere oment lässt sich mit der Drehzahl zu einer inneren Leistung P i verbinden. Die innere Leistung ist die Grundlage zur uslegung einer aschine. P i π n I (4.4) i q G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 48

7 Beim otor ist das an der Welle abgegebene Drehmoment um das Reibdrehmoment R kleiner als das innere Drehmoment i ( i - R ). Das Reibdrehmoment wird zur Überwindung der Reibungsverluste (einschließlich der Eisenverluste) des nkers benötigt. Die abgegebene Leistung ergibt sich zu: P π n (4.5) Die Leistungsaufnahme der aschine beträgt: P P P + PV (4.6) η P V sind die Gesamtverluste und η der Wirkungsgrad. Zur Kompensation des nkerquerfeldes sind im Bereich der neutralen Zone Wendepole, deren Wicklungen sind zum nker gegensinnig in Reihe geschaltet. m das nkerquerfeld auch im Bereich der Polschuhe zu kompensieren, muss in sie eine Kompensationswicklung gelegt werden, die mit nker und Wendepolen in Reihe geschaltet ist. Da die Kompensationswicklung konstruktiv aufwendig und damit teuer ist, wird bei aschinen bis zu mittleren Leistungen meist darauf verzichtet. Die Feldschwächung durch die nkerrückwirkung wird häufig mit einer Hilfsreihenschlusswicklung (Kompoundwicklung) ausgeglichen. Derartige aschinen werden auch als Doppelschlussmaschinen bezeichnet. onderbauformen Beim Dauermagnetmotor werden im Prinzip nur die gleichstromerregten Hauptpole durch Ferrit- Dauermagnete ersetzt (bis kw). Gegenüber der elektrischen Erregung erreicht man folgende Vorteile: - kleinerer ußendurchmesser - einfacherer ufbau, weniger nschlüsse - höheren Wirkungsgrad, da keine Erregerverluste. Durch die Entwicklung der eltenerd-kobaltmagnete mit ihren Remanenzflussdichten bis T wird die usnützung der dauermagneterregten aschine weiter verbessert. Beim Elektronikmotor werden anstelle des mechanischen tromwenders Halbleiter-tellglieder eingesetzt. Im Bereich der Kleinmotoren fertigt man kollektorlose aschinen als sogenannte Elektronikmotoren, die über ein etzgerät mit Gleichspannung versorgt werden. us praktischen Gründen erfolgt die mschaltung des Gleichstromes auf die einzelnen Wicklungszweige der dauermagneterregten aschine nicht im Läufer, sondern durch eine mkehr der nordnung im feststehenden Teil. G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 49

8 4. Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine Für die Darstellung und chaltzeichen der Wicklungen einer Gleichstrommaschine sowie deren nschlussbezeichnungen gilt die orm DI 440 T.3. aschinenteil nker(wicklung) Wendepolwicklung Kompensationswicklung Erregerwicklung (Reihenschluss) Erregerwicklung (ebenschluss) Erregerwicklung (Fremderregung) nschlussklemmen - B - B C - C D - D E - E F - F I I I I E I E D I D E E F F F F D I D B B B B B Reihenschlussmotor ebenschlussmotor Fremderregter otor Doppelschlussmotor chaltbilder von Gleichstrommaschinen (otorbetrieb, Rechtslauf) Kennlinien von Gleichstrommaschinen Das stationäre Betriebsverhalten einer Gleichstrommaschine lässt sich über die Ersatzschaltung mit den eingetragenen Größen bestimmen. B B B I R, n q Φ Ersatzschaltung zur Bestimmung des stationären Betriebsverhaltens der Gleichstrommaschine Vernachlässigt man zunächst den Bürstenspannungsfall B, so erhält man die pannungsgleichung im nkerkreis. + R I (4.7) q G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 50

9 Für die Quellenspannung q gilt nach Gl. (4.): z p q c Φ n mit c (4.8) a Die bhängigkeit der Drehzahl vom nkerstrom lässt sich aus den Gln. (4.7 und 4.8) herleiten. R I n (4.9) c Φ Für das innere Drehmoment i gilt nach Gl. (4.3) mit der aschinenkonstante c (4.8): c Φ i I (4.0) π Das innere Drehmoment bilden das an der Welle verfügbare Drehmoment und das Reibdrehmoment R. + (4.) i R us den Gln. (4.9-4.) lässt sich die allgemeine Drehzahl-Drehmomentesbeziehung herleiten. π R n ( + R ) (4.) c Φ (c Φ ) lle Gleichungen gelten unabhängig von der chaltung der Erregerwicklung für jeden stationären Betriebszustand. Treibt ein otor eine rbeitsmaschine mit dem omentbedarf w f{n} an, so ergibt sich die Betriebsdrehzahl aus dem chnittpunkt beider Drehzahl- Drehmomentkurven. Für diesen rbeitspunkt liegt sogenannte statische tabilität vor, wenn Gl. (4.3) erfüllt wird. d dn w Last d > dn otor (4.3) Da Gleichstrommotoren im llgemeinen als drehzahlgeregelte ntriebe verwendet werden, sind vorwiegend fremderregte aschinen im Einsatz. Die Erregerwicklung erhält dabei einen konstanten Gleichstrom und ohne Berücksichtigung der nkerrückwirkung einen von der Belastung unabhängigen Fluss Φ. Der Drehzahlabfall bis zur ennlast beträgt bei dem fremderregten Gleichstrommotor nur einige Prozent. Eine derartige Drehzahlkurve bezeichnet man als harte Kennlinie mit ebenschlussverhalten. Beim Doppelschlussmotor wird die unfreiwillige Feldschwächung durch zusätzliche Reihenschlusserregung mit einer konstruktiv einfachen Kompoundwicklung ausgeglichen. Die uslegung der Zusatzerregung erfolgt im llgemeinen so, dass ein leichter Drehzahlabfall mit der Belastung erreicht wird. n / n 0 / 3 ) Gegenkompoundierung ) normale Kompoundierung 3) Überkompoundierung Drehzahlkennlinien des Doppelschlussmotors G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 5

10 Der Gleichstrom-Reihenschlussmotor besitzt wegen I I eine laststromabhängige Felderregung, womit ohne Berücksichtigung der magnetischen ättigung die Beziehung Φ c I I besteht. it c R c c I erhält man nach Gl. (4.8) für einen Reihenschlussmotor die Quellenspannung: q c R I n (4.4) Das innere Drehmoment berechnet sich über Gl. (4.0): cr i I (4.5) π us den Gln. (4.7 u. 4.0) lässt sich mit Gl. (4.5) auch die Drehzahl-Drehmomentbeziehung des Reihenschlussmotors angeben. Es gilt: R n (4.6) π c ( + ) c R R R nstelle der harten Kennlinie der fremderregten aschine ergibt sich beim Reihenschlussmotor ein hperbolischer Drehzahlverlauf. Da die Drehzahl des Reihenschlussmotors im Leerlauf auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, darf dieser nur unter Belastung betrieben werden. I / I n / n I n ohne magnetische ättigung mit ättigung Kennlinien des Reihenschlussmotors / Der Reihenschlussmotor fand früher seine nwendung vorwiegend als Fahrmotor in ahverkehrs- und Industriebahnen. Heute wird er als niversalmotor bei Handbohrmaschinen, Handkreissägen usw. eingesetzt. 4.3 teuerung von Gleichstrommaschinen Die Drehzahl-Drehmomentbeziehung einer Gleichstrommaschine gilt in nlehnung an Gl. (4.) allgemein: π (R + R V ) n ( + R ) (4.7) c Φ (c Φ) Für die Drehzahlverstellung kann ein Vorwiderstand R V in den nkerkreis zugeschaltet werden. Die Drehmoment-Drehzahlkennlinien werden steiler, es entstehen hohe tromwärmeverluste im Vorwiderstand R V. Durch Feldschwächung (Φ Φ ) kann die Drehzahl n erhöht werden; gleichzeitig wird das zur Verfügung stehende Drehmoment verkleinert. Eine Verstellung der nkerspannung bis zur nkernennspannung ( ) und damit ein Drehzahlbereich von 0 n n ist prinzipiell mit dem rotierenden Leonard-mformer möglich. Bei stationären Gleichstromantrieben wird heute im llgemeinen die verlustarme Verstellung der nkerspannung mit einem tromrichter in echspuls-brückenschaltung B6 realisiert (Leistungen bis 3 kw auch in Zweipuls-Brückenschaltung B). G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 5

11 Bei der Projektierung eines Gleichstromantriebs muss neben den enndaten P, und n auch bekannt sein, ob ein otorbetrieb für eine oder beide Drehrichtungen und ggf. eine utzbremsung erforderlich ist. Die verschiedenen Betriebszustände einer Gleichstrommaschine lassen sich durch die Lage ihrer Drehzahl-Drehmomentkurve n f{} in einem der vier Quadranten angeben. G n teuerung einer Gleichstrommaschine im Vierquadrantenbetrieb, -I, Φ, I, Φ Durch die Beziehungen -, -I, Φ -, I, Φ n ~ und ~ I Φ Φ, I, -Φ liegt dabei fest, welche Vorzeichen nkerspannung, -strom und Hauptfeld in den verschiedenen rbeitsweisen haben. Der otorbetrieb im ersten Quadranten, in dem alle Größen positiv gezählt werden, ist der Bezugswert. G L d L u d u i Gleichstromantrieb mit tromrichter in echspuls-brückenschaltung α 0 ud 30 α u 0 α ωt Gleichrichterbetrieb Wechselrichterbetrieb Bildung der Gleichspannung u d bei einer echspuls-brückenschaltung G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 53

12 Die Bildung der momentanen tromrichterspannung u d erfolgt nach dem für die Drehstrom- Brückenschaltung gültigen Diagramm. Der maximale ittelwert d0 entsteht durch die Hüllkurve der etzspannung L und beträgt bei der Zweipuls-Brückenschaltung B: d 0 L (4.8) π Bei der echspuls-brückenschaltung B6 (Drehstrom-Brückenschaltung) beträgt dieser Wert: 3 d 0 L (4.9) π Durch eine nschnittsteuerung, d.h. verspätete Zündung der Thristoren um den Zündwinkel α, sinkt der ittelwert d der Gleichspannung nach: d d0 cosα (4.30) Für α > 90 entstehen negative Gleichspannungs-ittelwerte, was auf Grund der durch die Ventilwirkung vorgegebenen tromrichtung eine mkehr der Energierichtung bedeutet (Wechselrichterbetrieb). it Rücksicht auf einen einwandfreien Betrieb des tromrichters beträgt die maximale ussteuerung α 50. Werden keine negativen Gleichspannungen benötigt, so kann man die Hälfte der Thristoren durch Dioden ersetzen und erhält eine halbgesteuerte chaltung. Die bhängigkeit der Gleichspannung vom teuerwinkel α berechnet sich hier nach: d (+ cos ) d0 α (4.3) ind für einen Gleichstromantrieb beide Drehrichtungen vorgesehen, so muss eine Drehmomentumkehr und damit bei fester Erregung eine mpolung des nkerstromes möglich sein. Die nkerstromrichtung kann beibehalten werden, wenn eine Änderung der Feldrichtung erfolgt. L L L3 L i L L L L L IE i i i i i nkerumschaltung Feldumkehr durch zwei Gegenparallelschaltung mit Polwender (rd. 0, s) tromrichter (rd. 0,5 s) ( B6) im nkerkreis chaltung für mkehrantriebe G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 54

13 ntriebe mit Gleichstromsteller Während bei allen netzgeführten tromrichterschaltungen die Bildung der variablen nkerspannung durch Phasenanschnittsteuerung der etzwechselspannung erfolgt, arbeitet der Gleichstromsteller bereits mit einer konstanten Gleichspannung am Eingang (z.b. Batterie). Beim Gleichstromsteller wird durch ein elektronisches tellglied die etzspannung mit möglichst hoher Frequenz f P pulsförmig auf den ntrieb geschaltet. Bei der häufig verwendeten Pulsbreitensteuerung ist dabei innerhalb der konstanten Periodendauer t p /f P die Einschaltzeit t E einstellbar. In den Pausen fließt der nkerstrom über einen Freilaufkreis mit der Diode D weiter. L D elektronischer Ein-usschalter Glättungsinduktivität Freilaufdiode i i D i L i t E t t P i i D D u L u L u L t Prinzipschaltung Pulsbreitensteuerung der Gleichspannung Technik eines Gleichstromstellers Wenn das tellglied während der Zeit t E geschlossen ist, nimmt der ntrieb mit i i Energie aus dem etz auf. Die pannungsgleichung des Kreises lautet: di + ul mit ul L (4.3) dt In der Zeit t ist das tellglied geöffnet; der trom i i D klingt infolge der magnetischen Energie der Induktivität L nur langsam über den Freilaufkreis ab. Im Freilaufkreis gilt: + ul 0 (4.33) Der nkerstrom schwankt um den Wert i, der um so kleiner ist, je größer die Pulsfrequenz f P und die Induktivität L gewählt werden. ls ittelwert der pannungsimpulse stellt sich die nkerspannung nach Gl. (4.34) ein. te te (4.34) t t + t p E Die nkerspannung kann so stufenlos zwischen ull und variiert werden. ls tellglied werden heute eingesetzt: - Feldeffekttransistoren bei kleinen Leistungen mit hoher chaltfrequenz (f p > 0 khz); - IGBTs bei mittleren bis hohen Leistungen (f p < 0 khz); - GTO-Thristoren bei sehr hohen Leistungen (f p < khz). Durch Vertauschen der nordnung von Freilaufdiode und tellglied kann eine Rücklieferung von Energie in die Batterie beim Gleichstromsteller erfolgen. G. chenke,.004 Grundlagen der Elektrotechnik III FB Technik, bt. E+I 55