Versuch EME 3. (Praktikum)

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1 FH Stralsund Fachbereich Elektrotechnik Praktikum im Fach Elektrische Maschinen EME 3 (Praktikum) Drehstrom-Asynchronmaschine I sziel: Kennenlernen der Wirkungsweise eines Drehstrom-Asynchronmotors. Aufnahme von Drehzahl-Drehmomentenkennlinien mit Hilfe eines Gleichstrom-Pendelgenerators.

2 1. Theoretische Gundlagen Die Asynchronmaschine wird fast ausschließlich als Motor eingesetzt. Der Ständer besitzt eine dreisträngige Wicklung, deren Spulen räumlich symmetrisch um 10 gegeneinander am Ständerumfang versetzt angeordnet sind. Der Läufer kann mit einer dreisträngigen Wicklung mit Schleifringen oder einem Kurzschlußkäfig versehen sein. In beiden Fällen wird die Energie des Netzes durch das Ständer-Drehfeld (Durchflutungsgesetz) transformatorisch über den Luftspalt auf die Läuferwicklung übertragen (Induktionsgesetz, deshalb auch Induktionsmaschine). Werden den drei Ständerwicklungen, die geome-trisch jeweils um 10 versetzt angeordnet sind, drei um jeweils 10 zeitlich verschobene Wechselströme gleichen Betrages zugeführt, so entstehen drei geometrisch und zeitlich gegeneinander versetzte Wechselflüsse, die sich zu einem Drehfeld (Hauptfluss) Φ h konstanten Betrages addieren. Das Drehfeld läuft mit der synchronen Winkelgeschwindigkeit Ω 1 = πf 1 p (1) oder Ω 1 = πn 1 () Ω 1 synchrone Winkelgeschwindigkeit n 1 synchrone Drehzahl f 1 Netzfrequenz p Polpaarzahl der Ständerwicklung um. m ein Drehmoment zu erzeugen, muß zwischen Ständer und Läufer stets eine Relativbewegung herrschen. Das setzt voraus, daß der Läufer stets etwas langsamer umläuft als das synchrone Ständer-drehfeld. Der Läufer der Maschine bewegt sich also nicht synchron mit dem Ständerdrehfeld, daher die Bezeichnung Asynchronmaschine. Zur Beschreibung dient der Schlupf: s = ω 1 - ω = n 1 - n (3) ω 1 n 1 n 1 synchrone Drehzahl des Ständerfeldes n Drehzahl des Läufers Für kleine Schlupfwerte, d.h. bei geringer Belastung bis etwa zur Nennbelastung, können für den Strom und dem Moment folgende vereinfachte Beziehungen zu Grunde gelegt werden: I = 1 s R ' (4) M = 3 1 s πn 1 R '. (5) In die s-m-kennlinie (Bild 1) sind verschiedene Betriebszustände eingetragen. Wesentlich ist der Motorbetrieb ab der netzsynchronen Drehzahl n N (s = s N < s K ). Gegenstrombremsen kann bei durch-ziehenden Lasten von Kranhubwerken verwendet werden (s > 1). Die Nutzbremsung (Generatorbetrieb mit s < 0) wird selten verwendet; eine Stillsetzung des Motors ist damit nicht möglich. Die n-m-kennlinie des Motots zeigt Nebenschlußverhalten.

3 Als Betriebskennlinien (Bild ) sind außerdem der Ständerstrom, der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor cos ϕ 1 über das Drehmoment aufgetagen. Bild 1 Betriebskennlinien der DAM in Abhängigkeit vom Schlupf Bild Betriebskennlinien der DAM in Abhängigkeit vom Moment

4 . svorbereitung - Typische Einsatzgebiete und Bedeutung der Drehstrom-Asynchronmaschine - Aufbau einer Drehstrom- Asynchronmaschine mit Kurzschluß- bzw mit Schleifringläufer - Entstehung und Beschreibung des Drehfeldes - Drehfeld bei ein- und mehrpolpaariger DAM - Spannungsinduktion in den Ständer und Läuferwicklungen - Einsträngiges Ersatzschaltbild - transformiertes einsträngiges Ersatzschaltbild - Drehmomentenentwicklung, Schlupfgleichung, Kippschlupf, Kippmoment - Betriebszustände der DAM (s-m-kennlinie) - Betriebskennlinien der DAM - n-m-kennlinien der DAM - Verfahren zur Verringerung des hohen Anlaufstromes der DAM - Möglichkeiten der Drehzahlstellung bei DAM (n-m-kennlinien) - Möglichkeiten des Abbremsens von DAM 3. Kolloquiumsfragen 3.1. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise einer DAM! 3.. Wie begründen sich die Schaltungsmöglichkeiten der Wicklungsstränge, wie sind Anwendung und Auswirkung? 3.3. Wie ist die Wirkung eines Hochstabläufers zu erklären? 3.4. Welche Forderungen ergeben sich aus dem Problem Anlauf-Lastmoment? 3.5. Welchen Einfluß hat der Schlupf s auf das Verhalten der DAM, wovon ist er abhängig und wie kann er berechnet werden? 3.6. Geben Sie Beispiele für die Drehzahlstellung an, erläutern Sie deren Auswirkungen auf die n-m- Kennlinie und den Wirkungsgrad! 3.7. Welche Möglichkeiten der Bremsung einer DAM kennen Sie? 3.8. Nennen Sie Beispiele für die praktische Anwendung von DAM und den möglichen Leistungsbereich! Nennen Sie Vor- und Nachteile! 3.9. Übungsaufgabe (schriftlich): Ein DAM besitzt ein Kippmoment von M K = 5, Nm bei einem Kippschlupf s K = 0,164 a) Wie groß ist das Anlaufmoment M A? b) Berrechnen Sie Nennmoment und Nennschlupf, wenn M K /M N = 1,36 ist! c) Wie groß ist die Nennleistung, wenn die Nennfrequenz f N = 50 Hz und die Polpaarzahl p = 3 betragen? d) Die Drehmoment-Schlupf- Kennlinie [M = f(s)] ist zu berechnen und zu zeichnen!

5 4. saufgaben 4.1. Durchzuführende e Im wird ein Asynchronmotor mit Schleifringläufer benutzt. Er arbeitet mit kurzgeschlossenen Schleifringen wie ein A- synchronmotor mit Kurzschlußläufer. Bei Dreieck-Schaltung des Motors ist die Eingangsspannung mittels Stelltransformator auf 0 V zu verringern! Die Belastung erfolgt durch eine PC-gesteuerte elektrische Servobremse. Der Drehstromasynchronmotor ist ständerseitig in Y zu schalten, die Läuferwicklung ist über einen dreipasigen Läuferzusatzwiderstand R L kurzzuschliessen! Belastungsversuch bei variabler Ständerspannung (R L = 0, 1 = var) 1. Stellen Sie einen Läuferzusatzwiderstand von R L = 0 Ω ein!. Stellen Sie einen Ständerspannung von 1 = 380 V ein! 3. Starten Sie das Programm ActiveASMA und laden Sie die Datei: Spannungssteuerung.asma! 4. Löschen Sie eventuell vorhandene Kurven über: Diagramm Löschen 5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: und dann auf die danebenstehende Schaltfläche 6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: 7. Wiederholen Sie den Belastungsvorgang für eine Ständerspannung von 1 = 300 V und 1 = 0 V! 8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck! Querformat einstellen!!! Belastungsversuch bei variablen Läuferzusatzwiderstand (R L = var, 1 = 380 V) 1. Stellen Sie einen Läuferzusatzwiderstand von R L = 0 Ω ein!. Stellen Sie einen Ständerspannung von 1 = 380 V ein! 3. Starten Sie das Programm ActiveASMA und laden Sie die Datei: Widerstandssteuerung.asma! 4. Löschen Sie eventuell vorhandene Kurven über: Diagramm Löschen 5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: und dann auf die danebenstehende Schaltfläche 6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: 7. Vergrössern Sie den Läuferzusatzwiderstand indem Sie die Kurbel 3 mdrehungen nach links bedienen! Führen Sie den Belastungsvorgang durch! Wiederholen Sie den Belastungsvorgang bei einem um weitere 3 mdrehungen vergösserten Läuferzusatzwiderstand! Drehen Sie den Läuferzusatzwiderstand wieder auf 0 Ω und drehen Sie die Ständerspannung auf 0 V! 8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck! Querformat einstellen!!! Belastungsversuch bei variablen Ständerspannung und Ständerfrequenz ( 1 = var, f 1 = var) 1. Nehmen Sie für eine variable Ständerspannungsfrequenz von f X = 15 Hz, 50 Hz und 80 Hz die Belastungskennlinien des Asynchronmotors auf! Stecken Sie dazu die Zuleitungen des Motors an die Ausgangsklemmen des vorhandenen mrichters!. Öffnen Sie die Datei Frequenzsteuerung.asma! Stellen Sie unter EINSTELLNG- VORGABEN-RAMPE eine Endrehzahl von 300 min -1 ein. 3. Stellen Sie am Frequenzumrichter eine Frequenz von 15 Hz ein! 4. Starten Sie den Antrieb und anschliessend die Bremsrampe! 5. Schalten Sie die Servobremse softwaremässig aus und stellen Sie eine Enddrehzahl von 1300 min -1 ein! 6. Stellen Sie am Frequenzumrichter 50 Hz ein und ermitteln Sie die Belastungskurve. 7. Wiederholen Sie die Belastung bei 80 Hz! Dazu ist vorher eine Enddrehzahl von 1800 min -1 einzustellen! 8. Machen Sie von den erhaltenen Kurven einen Ausdruck nachdem Sie sowohl den Antrieb als auch die Servobremse stillgesetzt haben!

6 Aufnahme charakteristischer Werte für das Kreisdiagramm des Drehstrommotors 1. Schalten Sie den Asynchronmotor wieder an den Stelltrafo und stellen Sie eine Spannung von 380 V ein!. Öffnen Sie die Datei Kreisdiagramm.asma! Geben Sie in das Sollwertfeld eine Solldrehzahl von 1500 min -1 ein. 3. Starten Sie den Antrieb und klicken Sie, nachdem der Antrieb eine Drehzahl von 1500 min -1 erreicht hat einmal auf den Fotoapparat! Stoppen Sie den Antrieb durch Klick auf und stellen Sie die Ständerspannung auf 0 V! 4. Geben Sie in das Sollwertfeld eine Solldrehzahl von 0 min -1 ein 5. Starten Sie den Antrieb und erhöhen Sie die Ständerspannung vorsichtig auf einen Wert, dass ein Ständerstrom (Leiterstrom) von 5 A fliesst! Klicken Sie dann einmal auf den Fotoapparat! Stoppen Sie den Antrieb durch Klick auf und stellen Sie die Ständerspannung auf 0 V! 6. Machen Sie von den erhaltenen Kurven einen Ausdruck nachdem Sie sowohl den Antrieb als auch die Servobremse stillgesetzt haben! Ermitteln der Ständerstrangwicklungswiderstände Meßwerttabelle Ermittlung der Wicklungswiderstände R 1 R 1V R 1W R AG 4.3. sauswertung Interpretieren Sie schriftlich die erhaltenen Belastungskurven! Erstellen Sie aus den Meßwerten des es das vollständige Kreisdiagramm der Asynchronmaschine. Vermerken Sie in dem Diagramm die Nennpunkte der Maschine. Geben Sie aus dem Kreisdiagramm die charakteristischen Werte (Drehzahl, Schlupf, mechanische Leistung, Moment, Ständerstrom, cos ϕ) der ASM bei /3 und 3/ Nenndrehmoment an! Ermitteln Sie das Anlauf- sowie das Kippmoment und den Kippschlupf der ASM. Hinweis: mrechnung der Kurzschlußmeßergebnisse auf die Nennspannung: I K = IK,, PK P = K,, Ma = M Das erhaltene Kreisdiagramm ist schriftlich zu diskutieren! 5. seinrichtung Als sobjekt steht ein Maschinensatz zur Verfügung, bestehend aus Drehstrom-Asynchronmaschine Typ SE 66-5J und einer Servobremse Typ SE 663-6E. Daten des Drehstromasynchronmotors: 1 = /Y 0/380 V = 17 V Y I 1 = 5,3/3, A I = 4,9 A P = 1,0 kw n = 1410 min -1 cos ϕ = 0,71

7 Daten der Servobremse: =390 V I=9,1 A P=3,9 kw n=3455 min -1 M = 10,8 Nm f = 10 Hz Die Servobremse dient in Verbindung mit einem digitalen Steuergerät dem Antrieb bzw. der Belastung der smaschine! Weiterhin sind am Laborplatz ein Dreiphasen-Stelltransformator, ein Stroboscope sowie erforderliche Meßgeräte und Widerstände vorhanden. 6. Literaturverzeichnis 6.1. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Grundlagen, Aufbau und Wirkungsweise Berlin: Verlag Technik 1989 (6. Auflage) 6.. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Betriebsverhalten rotierender elektrischer Maschinen Berlin: Verlag Technik 1990 (. Auflage) 6.3. Philippow, E.: Taschenbuch der Elektrotechnik Bd. 5 Berlin: Verlag Technik 1988 (8. Auflage) 6.4. Fischer, R.: Elektrische Maschinen München, Wien: Carl Hanser Verlag 1989 (7. Auflage) Springer - Verlag Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo 1987 (6. Auflage)