6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 1. In Bild ist die Prinzipschaltung eines Gleichstrommotors im stationären Zustand angegeben.

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1 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 1 Maschinenkonstante In Bild ist die Prinzipschaltung eines Gleichstrommotors im stationären Zustand angegeben. Bild 6.5-1: Prinzipschaltung eines Gleichstrommotors Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls an den Bürsten 2U B (UB 0, 5VL 15. V f ( IA) ) erhält man die Spannungsgleichung im Ankerkreis UA = Uq + RAIA. (6.5-1) Die in den Ankerkreis induzierte Quellspannung U q ergab sich nach Gleichung (6.3-6) zu U = z p Φ a n und mit der Gleichstrommaschinenkonstanten zu c q A = z p A (6.5-2) a Uq = c Φ n. (6.5-3) Eingesetzt in (6.5-1) kann die Drehzahl in Abhängigkeit von Ankerstrom angegeben werden: UA RAIA n = cφ cφ. (6.5-4)

2 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 2 Führt man auch in Gleichung (6.3-8) die Maschinenkonstante c ein, so kann das innere Moment über M c i = Φ IA (6.5-5) 2π berechnet werden. Die allgemeine Drehzahl-Drehmomentkennlinie ergibt sich damit zu n UA = cφ 2πR ( cφ) A 2 M, M M M i i = R + (6.5-6) mit M R als Reibungsmoment und M als Wellenmoment. Alle angegebenen Gleichungen gelten, unabhängig von der Verschaltung der Erregerwicklung, für jeden stationären Betriebszustand. Die Leerlaufdrehzahl kann unabhängig von der Polpaarzahl auf sehr einfache Weise über die Ankerspannung und/oder dem Erregerfluss (~ Erregerspannung) gesteuert werden. Dies ist ein ganz wesentlicher Grund dafür, dass sie Gleichstrommaschine auch heute noch im Bereich drehzahlgeregelter Antriebe verbreitet eingesetzt wird. Aus Gleichung (6.5-6) folgt ferner, dass die Drehzahl von nicht erregten Gleichstrommaschinen über alle Grenzen steigt. Beim Anfahren der Maschine ist immer zuerst die Erregerwicklung einzuschalten, abgeschaltet wird die Erregerwicklung grundsätzlich zuletzt. Im Betrieb muss sichergestellt werden, dass bei einer Störung der Erregerstromversorgung der Ankerkreis sofort abgeschaltet wird.

3 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 3 Fremderregung Für den Einsatz als drehzahlgeregelte Antriebe müssen Anker und Erregung über getrennte Spannungsversorgungen gespeist werden (Bild 6.1-2c). Ohne Berücksichtigung der Ankerrückwirkung wird damit der Maschinenfluss unabhängig vom Ankerstrom. Gleiches gilt auch für ungeregelte Antriebe im Fall der Nebenschlusserregung (Bild 6.1-2b). Die ideelle Leerlaufdrehzahl n 0 ergibt sich aus (6.5-6) für M i = 0 zu U n = A 0 c Φ, (6.5-7) die Drehzahländerung unter Last zu 2πRA n = M 2 i ( c Φ). (6.5-8) Der Ankerwiderstand ist im Allgemeinen sehr klein, so dass sich insgesamt ein sehr steifes Drehzahl-Drehmomentverhalten einstellt (Bild 6.5-2(1)). Kennlinien dieser Art werden auch bei anderen Maschinen mit dem Begriff "Nebenschlussverhalten" beschrieben (z.b. Asynchronmaschine). Wie in Kapitel 6.3 beschrieben, reduzieren Ankerströme über die Ankerrückwirkung den Fluss in der Maschine. Je nach Auslegung des Motors kann dies dazu führen, dass mit zunehmender Last die Drehzahl wieder ansteigt (Bild 6.5-2(2)). Solche Kennlinien führen zu einem instabilen Arbeitspunkt und sind deshalb in jedem Fall zu vermeiden (Kompoundwicklung, Kompensationswicklung). Bild 6.5-2: Drehzahlkennlinie eines Gleichstrommotors mit Fremd- oder Nebenschlusserregung. 1) ohne Ankerrückwirkung 2) mit Ankerrückwirkung

4 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 4 Reihenschlussmotor Der Reihenschlussmotor nach Bild 6.1-2a besitzt wegen IA = IE = I eine laststromabhängige Felderregung. Ohne Berücksichtigung der Sättigung ist der Fluss dem Strom proportional Φ = c I I. Mit c ci = cr erhält man für die Quellspannung der Reihenschlussmotors U = c n I. (6.5-9) q R Drehmoment und Drehzahl im stationären Betrieb lassen sich mit M c R 2 i = I 2 π und U R n = 2πcRMi c berechnen. A R (6.5-10) (6.5-11) Bild 6.5-3: Kennlinien eines Reihenschlussmotors : ohne Sättigung : mit Sättigung Das Drehzahlverhalten des Reihenschlussmotors ist sehr weich und zeichnet sich durch sehr hohe Anlaufmomente aus. Er eignet sich deshalb besonders als Fahrmotor in elektrischen Bahnen. Wegen der Reihenschaltung von Feld und Anker arbeitet der Reihenschlussmotor auch an Wechselspannung. Diese Motoren werden als Universalmotoren bezeichnet und heute in hohen Stückzahlen in Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen verwendet (1995 wurden in Deutschland 2,2Mio Stück produziert).

5 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 5 Im ideellen Leerlauf steigt die Drehzahl über alle Grenzen. Sie wird nur durch einen eventuell vorhandenen Remanenzfluss begrenzt. Große Reihenschlussmaschinen dürfen deshalb nie im Leerlauf betrieben werden. Bei kleinen Maschinen reicht die vorhandene Reibung meist aus, um die Drehzahl auch im Leerlauf auf ein zulässiges Maß zu beschränken. Doppelschlussmotor Doppelschlussmotoren besitzen eine Nebenschlusswicklung und zum Ausgleich für die unerwünschte Feldschwächung bei Last eine zusätzliche Reihenschlusswicklung (Kompoundwicklung). Eine entsprechende Schaltung ist in Bild 6.1-2d dargestellt. Die Windungszahl der Kompoundwicklung wird meist so eingestellt, dass sich mit zunehmender Last ein leichter Drehzahlabfall einstellt (Bild (2)). Bild 6.5-4: Drehzahlkennlinien des Doppelschlussmotors 1: Gegenkompoundierung 2: normale Kompoundierung 3: Überkompoundierung

6 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 6 Übung: Gleichstromnebenschlussmaschine Eine kompensierte Gleichstromnebenschlussmaschine hat die Bemessungsdaten (Leistungsschild) 8,4kW, 440V, 1050min -1, I A,N = 241, A Der Leerlaufstrom des Ankers beträgt I A,0 = 2, 3A, die Erregerverluste 490W. Das Reibmoment sie unabhängig von der Drehzahl, die Eisensättigung ist zu vernachlässigen. a) Wie groß sind das Bemessungsmoment und der Wirkungsgrad im Bemessungspunkt? b) Berechnen Sie den Ankerwiderstand. c) Zeichnen Sie die Funktionen n = f ( M) und I = A f ( M ). d) Der Motor wird mit einer von der Drehzahl unabhängigen Last von 50Nm betrieben! Welche Drehzahl, welcher Ankerstrom und Wirkungsgrad stellen sich ein? e) Durch Feldschwächung soll die Antriebsdrehzahl so erhöht werden, dass der Ankerbemessungsstrom fließt. Wie groß ist die Drehzahl, welcher Erregerstrom ist hierfür notwendig?

7 6.5 GSM: Betriebsverhalten Seite 7 Übung: Anlauf einer Gleichstrommaschine Gegeben ist eine kompensierte Gleichstromnebenschlussmaschine mit folgenden Bemessungsdaten: 160kW, 980min -1, 440V, I A = 390 A, I E = 6 A. Der Anker trägt eine 6-polige Wellenwicklung mit R A = 25mΩ und z A = Geben Sie die Maschinenkonstante, den Erregerfluss und die Leerlaufdrehzahl an. 2. Berechnen Sie das Bemessungsmoment und die Stromwärmeverluste im Bemessungspunkt. 3. Wie groß sind die Gesamtverluste der Maschine im Bemessungspunkt, aus welchen Komponenten setzen sich diese zusammen? Geben Sie den Wirkungsgrad an. 4. Der Anlaufstrom der Maschine soll bei direkter Zuschaltung an das Netz den 1,5-fachen Bemessungsstrom nicht überschreiten. Dimensionieren Sie den notwendigen Vorwiderstand. 5. Zeichnen Sie unter Vernachlässigung des Reibmoments die Kennlinien n = f ( M) und n = f ( IA ) für den Betrieb mit und ohne Vorwiderstand in ein Diagramm. 6. Legen Sie eine dreistufige Anlasserschaltung derart aus, dass das Bemessungsmoment nicht unterschritten und der 1,5-fache Bemessungsstrom nicht überschritten wird. 7. Bestimmen Sie den Wert der maximalen Verlustleistung im Ankerkreis während des Anlaufvorgangs.