Schnittbild einer zweipoligen elektrisch erregten Gleichstrommaschine. Rotor der Gleichstrommaschine und eine Windung des Rotors
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- Clemens Kaufer
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1 Universität Stuttgart Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Abt. Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. N. Parspour Inhalt 5 Elektrische Maschinen Gleichstrommaschinen... 1 Schnittbild einer zweipoligen elektrisch erregten Gleichstrommaschine Rotor der Gleichstrommaschine und eine Windung des Rotors Anschauungsbild zur Berechnung der gesamten Kraft und der induzierten Spannung (Berechnung erfolgt in der Vorlesung) Elektrisches Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine (Herleitung erfolgt in der Vorlesung) Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine (Herleitung erfolgt in der Vorlesung) Ankerstrom in Abhängigkeit vom Drehmoment (Herleitung erfolgt in der Vorlesung) Leistungsfluss durch die fremderregten Gleichstrommaschine Anordnung zur Erläuterung der Eisenverluste in der Gleichstrommaschine Schnittbild einer zweipoligen (links) und einer vierpoligen fremderregten Gleichstrommaschine Zusammenfassung der bisher hergeleiteten Formeln für die fremderregte Gleichstrommaschine Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine für = konst. und U A = U = konst. Drehzahlstellverfahren Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Spannungssteuerung Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Feldsteuerung (Beispiel für eine konstante Belastung: M L = M N ) Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Widerstandssteuerung (Beispiel für eine konstante Belastung: M L = M N ) Kombination der Spannungssteuerung und der Feldschwächung zur Drehzahlsteuerung Begrenzung des Kennlinienfelds der fremderregten Gleichstrommaschine Anlaufverfahren Anlauf der fremderregten Gleichstrommaschine mit Spannungssteuerung
2 9 Anlauf der fremderregten Gleichstrommaschine mit Widerstandsanlasser Bremsverfahren Nutzbremsen der fremderregten Gleichstrommaschine Widerstandsbremsen der fremderregten Gleichstrommaschine Gegenstrombremsen der fremderregten Gleichstrommaschine Ankerrückwirkung: Veränderung des Hauptfelds durch das Ankerquerfeld Maßnahmen gegen die Ankerrückwirkung Wicklungen der elektrisch erregten Gleichstrommaschine Schaltungsarten der elektrischen Erregerwicklung Klassifikation der Gleichstrommaschine Anwendungsbeispiele für die Gleichstrommaschine Vor- und Nachteile der Gleichstrommaschine
3 1 5 Elektrische Maschinen 5.1 Gleichstrommaschinen Bild 5.13 Schnittbild einer zweipoligen elektrisch erregten Gleichstrommaschine Bild 5.14 Rotor der Gleichstrommaschine und eine Windung des Rotors
4 11 F U A F Kraft auf einen Leiter F (5.12) Induzierte Spannung in einem Leiter U (5.13) i Bild 5.15 Anschauungsbild zur Berechnung der gesamten Kraft und der induzierten Spannung (Berechnung erfolgt in der Vorlesung) Bild 5.16 Elektrisches Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine (Herleitung erfolgt in der Vorlesung)
5 12 Bild 5.17 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine (Herleitung erfolgt in der Vorlesung) Bild 5.18 Ankerstrom in Abhängigkeit vom Drehmoment (Herleitung erfolgt in der Vorlesung)
6 13 Bild 5.19 Leistungsfluss durch die fremderregten Gleichstrommaschine
7 14 P P P Fe hys Wir P B 1,6 hys P B Wir 2 2 PFe: Eisenverluste P W Fe (5.14) (5.15) (5.16) P : Hystereseverluste (Ummagnetisierungsverluste) hys P hys =W PWir: Wirbelstromverluste PWir W B : Magnetische Flussdichte : Winkelgeschwindigkeit Bild 5.2 Anordnung zur Erläuterung der Eisenverluste in der Gleichstrommaschine F F p 1 p 2 Bild 5.21 Schnittbild einer zweipoligen (links) und einer vierpoligen fremderregten Gleichstrommaschine p: Polpaarzahl
8 15 Gesamtes elektrisches Drehmoment Mel c I (5.17) A Gesamte induzierte Spannung Ui c (5.18) Maschinenkonstante p: Polpaarzahl N: Anzahl der Windungen im Rotor 2 N p c (5.19) Winkelgeschwindigkeit als Funktion des U c elektrischen Drehmoments c 2 R A M el (5.2) Tabelle 5.2 Zusammenfassung der bisher hergeleiteten Formeln für die fremderregte Gleichstrommaschine 1 s,an Mel Nm Winkelgeschwindigkeit über Drehmoment A Leerlauf-Winkelgeschwindigkeit: U (5.21) c Anlauf-Drehmoment: U (5.22) Mel, An c R A,An Ankerstrom über Drehmoment,An Mel Nm Bild 5.22 Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine für = konst. und U A = U = konst. Drehzahlstellverfahren der fremderregten Gleichstrommaschine: Spannungssteuerung Feldsteuerung Widerstandssteuerung Bild 5.23 Drehzahlstellverfahren
9 16 a) Gleichung b) Kennlinienfeld U M 1 c c) Schaltung R A 2 ( c ) M el A1 A2 (+U... U ) max konst. I F U F max konst. U N 1 2 U N U 1 2 U N U N konst. I (U beliebig) F 2 F 1 Bild 5.24 Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Spannungssteuerung a) Gleichung b) Kennlinienfeld U M 1 c c) Schaltung R A 2 ( c ) el 1 2 N 2 3 N 2, N 3 N 1, 5 2, I N N N N 1, 5 I N I N M N M N Bild 5.25 Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Feldsteuerung (Beispiel für eine konstante Belastung: M L = M N ) a) Gleichung b) Kennlinienfeld U M 1 c c) Schaltung R A 2 ( c ) el I (R V beliebig) N I N 2RA M N 4RA M N Bild 5.26 Drehzahlsteuerung der fremderregten Gleichstrommaschine mittels Widerstandssteuerung (Beispiel für eine konstante Belastung: M L = M N )
10 17 / N U U AN U U, N U U AN AN N M/M N Bild 5.27 Kombination der Spannungssteuerung und der Feldschwächung zur Drehzahlsteuerung Bild 5.28 Begrenzung des Kennlinienfelds der fremderregten Gleichstrommaschine
11 18 Anlaufverfahren der fremderregten Gleichstrommaschine: Spannungssteuerung Widerstandssteuerung Bild 5.29 Anlaufverfahren a) Schaltung b) Kennlinienfeld konst. konst....,max M U konst. I F L 2 1,max I N 2' 1' U F F 2 F 1 ML konst. ML konst. Mel Bild 5.3 Anlauf der fremderregten Gleichstrommaschine mit Spannungssteuerung a) Schaltung b) Kennlinienfeld A U A2 1 Arbeitsmaschine M konst. I F U F L,max F 2 F 1 R V1 1 R V M M L Mmin Mmax el,min,l ML Mmin Mmax Mel Bild 5.31 Anlauf der fremderregten Gleichstrommaschine mit Widerstandsanlasser Bremsverfahren der fremderregten Gleichstrommaschine: Nutzbremsung Widerstandsbremsung Gegenstrombremsung Bild 5.32 Bremsverfahren
12 19 a) Schaltung b) Kennlinienfeld A1 A2 U U U AN II. (U beliebig) konst. U 1 U 2 AN U I F U F U 1 U 2 AN F 2 F 1 IV. UU AN Bild 5.33 Nutzbremsen der fremderregten Gleichstrommaschine a) Schaltung b) Kennlinienfeld II. U U AN, IA ( beliebig) R V 2RA IV. 4RA Bild 5.34 Widerstandsbremsen der fremderregten Gleichstrommaschine a) Schaltung b) Kennlinienfeld 8RA II. A1 U A2 6RA 4RA U U AN, konst. I F U F F 2 F 1 R V UU AN, IA ( beliebig) Bild 5.35 Gegenstrombremsen der fremderregten Gleichstrommaschine
13 2 a) Feldverlauf zwischen Polschuhen und Anker b) Verlauf der Luftspaltflussdichte Bild 5.36 Ankerrückwirkung: Veränderung des Hauptfelds durch das Ankerquerfeld Nachteile der Ankerrückwirkung: 1. Verzerrung der Luftspaltinduktion unsymmetrische Kraftentwicklung am Rotorumfang 2. Das magnetische Feld wird infolge der Sättigung in der einen Polhälfte weniger verstärkt als in der anderen Polhälfte geschwächt die mittlere Induktion und infolgedessen das Drehmoment nehmen ab. 3. Die magnetisch neutrale Zone zwischen den Polen (an den Kommutatoren) wird verschoben Stromwendung wird erschwert: Es entstehen hohe induzierte Spannungen im Wendebereich, die zur Funkenbildung führen. Da im Luftspalt der Gleichstrommaschine Kohlepulver verstreut sein kann, kann die Funkenbildung zu einem sogenannten Bürstenfeuer führen. Bild 5.37 Maßnahmen gegen die Ankerrückwirkung
14 21 A 1 A 2 : Ankerwicklung C 1 C 2 : Kompensationswicklung F 1 F 2 : Feldwicklung B 1 B 2 : Wendepolwicklung Bild 5.38 Wicklungen der elektrisch erregten Gleichstrommaschine Fremderregte Gleichstrommaschine (FGM) Lineare Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Sehr gute Steuer- und Regelbarkeit Kann an fast jede Arbeitsmaschine angepasst werden Klemmenbezeichnung der Feldwicklung: F1-F2 Gleichstrom-Reihenschluss-Maschine (GRM) Hyperbolische Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Weiches Drehzahlverhalten : starke Veränderung der Drehzahl unter Belastung Hohes Anlaufmoment Betrieb an Wechselstrom möglich (Universalmotor) Klemmenbezeichnung der Feldwicklung: D1-D2 Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM) U Näherungsweise lineare Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie ähnlich wie FGM Hartes Drehzahlverhalten : geringe Veränderung der Drehzahl bei Lastveränderung Klemmenbezeichnung der Feldwicklung: E1-E2 Bild 5.39 Schaltungsarten der elektrischen Erregerwicklung
15 22 Gleichstrommaschine Elektrisch erregte Gleichstrommaschine bis 1 MW Permanentmagnetisch erregte Gleichstrommaschine bis ca. 1 kw Gleichstrom- Nebenschluss-Maschine Fremderregte Gleichstrommaschine (GNM) Gleichstrom- (FGM) Reihenschluss-Maschine (GRM) Bild 5.4 Klassifikation der Gleichstrommaschine Handyvibrationsmotor (ca. 1 W) Lüfter (ca. 3 W) Elektrische Schiebetür (ca. 1 W) ESP-Hydraulikpumpe (ca. 5 W) Bild 5.41 Anwendungsbeispiele für die Gleichstrommaschine
16 23 Handwerkzeuge (bis ca. 2 kw) Gabelstapler (ca. 1 kw) Straßenbahn (12 kw pro Motor) S-Bahn (2 kw pro Motor) Schiffsantrieb, Zementwerk (ca. 1-2 MW) Walzwerksantrieb (mehrere MW) Bild 5.42 Anwendungsbeispiele für die Gleichstrommaschine
17 24 Vorteile der Gleichstrommaschine: Sehr gute Steuer- und Regeleigenschaften Hoher Stellbereich von niedrigen bis zu sehr hohen Drehzahlen Hohes Anlaufdrehmoment Hohe elektromagnetische Verträglichkeit Nachteile der Gleichstrommaschine: Mechanische Kommutierung: Verschleiß der Kohlebürsten, Funkenbildung Tabelle 5.3 Vor- und Nachteile der Gleichstrommaschine Literatur zu Kapitel 5: Rolf Fischer: Elektrische Maschinen
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