Theoretische Grundlagen

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1 Theoretische Grundlagen Zur meßtechnischen Untersuchung elektrischer Maschinen sind neben den elektrischen Größen, wie z. B. Strom, Spannung, Leistung, Widerstand, auch mechanische Größen, wie z. B. Drehmoment und Drehzahl, zu messen. Dieser erste Versuch gibt eine Einführung in die Meßtechnik bei elektrischen Maschinen. Bei elektrischen Maschinen sind die zu messenden Spannungen und Ströme oft so groß, daß Spannungs- und Stromwandler eingesetzt werden müssen. Meßmethoden Widerstandsmessung Die Wicklungswiderstände der im Praktikum eingesetzten elektrischen Maschinen sollen durch verschiedene Meßverfahren bestimmt werden. a) Messung mit der Wheatstone- Brücke (Prinzip siehe Bild 1.1) b) Messung mit der Thomson- Brücke (Bild 1.2, zur Vermeidung des Einflusses von Kontakt- und Leitungswiderständen, ab R x < 1Ω vorzuziehen, zwei Klemmen zum Anschluß des Stromkreises (in Bild 1.2: R I, R * I ), zwei Klemmen zum Anschluß des Meßkreises (in Bild 1.2: R U, R * U )). Bild 1.1 Wheatstone- Brücke Bild 1.2 Thomson- Brücke 1

2 c) Messung von Strom und Spannung Da die Wicklungswiderstände in der Regel klein sind gegenüber dem Innenwiderstand des s, ist die spannungsrichtige Schaltung vorzusehen. Leistungsmessung Aronschaltung Bei der Aronschaltung nach Bild 1.3 (Seite 4) werden zur Messung der Gesamtleistung in einem Dreileitersystem nur zwei Wattmeter benötigt. Ein künstlicher Sternpunkt ist nicht erforderlich (siehe auch Dreileistungsmessermethode). Die Gesamtleistung ergibt sich aus der Summe der beiden Ausschläge α 1, α 2, wobei die Vorzeichen der Einzelausschläge zu berücksichtigen sind. Bei Phasenverschiebungswinkeln ϕ > 60 o zwischen I R und U VU ist bei symmetrischer Last der Leistungsmesserausschlag α 2 negativ. Mit den Meßbereichskonstanten von Stromwandler (c I ) und Wattmeter (c W ) ergibt sich die Gesamtleistung zu P = c I c W (α 1 + α 2 ) Dreileistungsmessermethode Zur Messung der Wirkleistung in einem beliebig belasteten Dreileitersystem werden die Spannungspfade zu einem künstlichen Sternpunkt zusammengefaßt (Bild 1.4, Seite 5). Die Gesamtleistung ist die Summe der drei Strangleistungen. Der künstliche Sternpunkt ist bei elektronischen dreiphasigen Wattmetern im Gerät integriert. Drehmomentmessung Zur Drehmomentmessung werden im Praktikum sog. Pendelmaschinen eingesetzt. Es handelt sich hierbei um fremderregte Gleichstrommaschinen, deren Ständer drehbar gelagert ist. Da das auf den Läufer wirkende Drehmoment gemäß "actio = reactio" als Gegenmoment auch auf den Ständer wirkt, kann das Drehmoment über einen definierten Hebelarm und eine Federkraft in einen drehmomentproportionalen Federweg umgesetzt werden. Neben den Pendelmaschinen werden zur Drehmomentmessung auch sog. Drehmomentmeßwellen eingesetzt. Dabei wird die magnetische Kopplung zwischen zwei an den beiden Enden einer Torsionswelle angebrachten Spulen bei Einwirkung eines Drehmoments verändert ( Transformator mit variabler Kopplung ) und die in der Sekundärspule induzierte drehzahlproportionale Wechselspannung gleichgerichtet und zur Anzeige gebracht. Drehzahlmessung Analog: Mit Hilfe von Tachogeneratoren (kleine Gleichstrommaschinen) kann die Drehzahl gemäß U i = k 1 Φ n in eine drehzahlproportionale Spannung umgesetzt werden. 2

3 Digital: Die digitale Drehzahlmessung beruht auf der Zählung von Impulsen pro Umdrehung. Übliche Verfahren sind Messungen mit Lochscheibe und Lichtschranke oder mit auf der Welle angebrachtem Zahnkranz und feststehenden Spulen zur Erfassung der Änderung des Luftspaltes Versuchsdurchführung 1. Widerstandmessung Die Wicklungswiderstände von - Asynchronmaschine (Ständer- und Läuferwicklung) - Gleichstromnebenschlußmaschine (Anker-, Wendepol- und Erregerwicklung) sind mit der Wheatstone- Meßbrücke und mit der Strom- und Spannungsmessung zu messen und zu protokollieren. Widerstände kleiner als 1 Ω sind zusätzlich mit der Thomson- Brücke zu messen. Bei der Messung des Ankerwiderstands der Gleichstrommaschine sind die Tastspitzen auf zwei um eine Polteilung entfernte Kommutatorstege aufzusetzen. 2. Leistungsmessung Für die Asynchronmaschine soll die Trennung der lastunabhängigen Leerverluste in Eisen- und Reibungsverluste vorgenommen werden. Die Reibungsverluste sind bei konstanter Drehzahl spannungsunabhängig. Die Eisenverluste ändern sich wegen der quadratischen Abhängigkeit der Hysterese- und Wirbelstromverluste von der Induktion quadratisch mit der Klemmenspannung. 2.1 Notieren Sie die Leistungsschilddaten. 2.2 Messen Sie im Leerlauf bei kurzgeschlossener Läuferwicklung den Leerlaufstrom und die aufgenommene Wirkleistung (Aron- Schaltung) als Funktion der Klemmenspannung (0,4 U N < U < 1,2 U N ). Versuchsauswertung 1. Vergleichen Sie die mit den verschiedenen Methoden ermittelten Wicklungswiderstände. Begründen Sie jeweils, mit welchem Meßverfahren die Widerstandsmessungen vorgenommen werden sollten. Vergleichen Sie die Wicklungswiderstände der Wicklungen von Gleichstrommaschine und Asynchronmaschine jeweils miteinander (Gleichstrommaschine: Anker-, Wendepol-, Erregerwicklung, Asynchronmaschine: Ständer- und Läuferwicklung). 2. Stellen Sie die Magnetisierungskennlinie U = f(i 0 ) grafisch dar. Tragen Sie die lastunabhängigen Leerverluste P Fe + P Reib = P 0 P Cu1 = f(u 2 ) über dem Quadrat der Spannung auf und bestimmen Sie die Reibungsverluste sowie die Eisenverluste bei Bemessungsspannung. 3

4 L1 L2 L3 Stelltrafo Lasttrennschalter 400 V / 50 Hz Wattmeter 1 Stromwandler Stromwandler Wattmeter 2 Amperemeter U V W M 3~ Bild 1.3 Leistungsmessung: Aronschaltung (Zweiwattmetermethode) 4

5 M 3~ U V W Amperemeter Wattmeter R R R 400 V / 50 Hz L1 L2 L3 Stelltrafo Lasttrennschalter Bild 1.4 Leistungsmessung: Dreiwattmetermethode 5