1 - Grundlagen elektromotorischer Antriebe

Grundlagen elektromotorischer Antriebe gema01q01 1

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Impressum... 2 Firmenvorstellung... 4 Leitfragen... 6 1.0 Kapitelübersicht... 7 1.1 Elektromotoren sind Energiewandler... 8 1.2 Auswahl eines Antriebsmotors... 9 1.3 Motorleistung und Drehmoment... 10 1.4 Motorverluste... 11 1.5 Wirkungsgrad... 12 1.6 Leistungsschild eines Motors... 13 1.7 Motor und Arbeitsmaschine... 14 1.8 Isolierstoffklassen... 15 1.10 Bauformen... 18 Auswahl an Bauformen... 19 1.11 Baugrößen... 20 1.12 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel... 21 2.0 Kapitelübersicht... 25 2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors... 26 2.1.1 Wicklung eines Motors... 29 2.2.0 Drehfelddrehzahl... 30 2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung... 31 2.3 Entstehung der Drehbewegung... 32 2.4 Der Schlupf - ein Maß für die Abweichung der Drehzahl... 33 2.5 Anschluss eines Drehstrommotors an das Netz... 34 2.6 Umkehr der Drehrichtung... 35 2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie... 36 2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie... 37 2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren... 38 2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors... 39 2.11 Anlassen von Asynchronmotoren... 40 2.12 Stern-Dreieck-Anlassschaltung... 41 2.13 Ständeranlasser mit Widerständen... 42 2.14 KUSA-Schaltung...43 2.15 Der Stromverdrängungsläufer... 44 2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer... 45 2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser... 46 2.18 Hochlaufkennlinien eines Schleifringläufermotors... 47 2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren... 48 3.0 Kapitelübersicht... 52 3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren... 53 3.2 Anker eines Gleichstrommotors... 57 3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen... 58 3.4 Aufgabe der Wicklungen im Gleichstrommotor... 59 3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren... 60 3.6 Drehrichtungsänderung... 61 3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung... 62 3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der Nenndrehzahl... 63 3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor... 64 3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor... 65 3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor... 66 3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor... 67 Bearbeitung der Fallstudie... 68 Ihre Aufgabe:... 77 gema01q01 3

Einführung Firmenvorstellung Firmenchronik: Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik. Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für die Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark wachsende Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern reagiert. Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren und umsetzen. Produktgeschichte: Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der Blechbearbeitung. gema01q01 4

Einführung Fallstudie In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander vermischt und erwärmt. Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung beschädigt wurde, soll dieser durch einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden. Fallstudie Franz Huber So, jetzt wird es ernst. Bernd Wolf Was meinen Sie damit? Franz Huber Wir haben hier einen Kundenauftrag vorliegen. Auf Grund einer Überlastung wurde der Motor beschädigt. Bernd Wolf Was für einen Motor? Franz Huber Ein alter Rührwerkmotor. Am besten schauen wir uns das mal in der Simulation 1 an. 1 gema01q01 5

Einführung Leitfragen Diese Leitfragen sollen Ihnen den Einstieg in die Qualifizierungseinheit ermöglichen. Nehmen Sie sich die Zeit und notieren Sie bitte ganz spontan auf einem Blatt Papier, was Ihnen als Antworten einfällt. Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gema01q01 6

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.0 Kapitelübersicht Kapitelbezogene Eingangsfragen: Welche Informationen können dem Leistungsschild eines Elektromotors entnommen werden? Wie kann ein Elektromotor vor Überlastung geschützt werden? Themen: 1.1 Elektromotoren sind Energiewandler 1.8 Isolierstoffklassen 1.2 Auswahl eines Antriebsmotors 1.9 Betriebsarten 1.3 Motorleistung und Drehmoment 1.10 Bauformen 1.4 Motorverluste 1.11 Baugrößen 1.5 Wirkungsgrad 1.6 Leistungsschild eines Motors 1.12 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel 1.7 Motor und Arbeitsmaschine 1.13 Motorschutz gema01q01 7

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.1 Elektromotoren sind Energiewandler Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Motor treibt eine Arbeitsmaschine an und wandelt somit elektrische in mechanische Energie um. Je nach Spannungsart werden in der Praxis Gleich- und Wechselstrommaschinen eingesetzt. gema01q01 8

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.2 Auswahl eines Antriebsmotors Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine Betriebsdauer und Schalthäufigkeit Stromart, Netzspannung und Netzfrequenz Drehzahl und Drehrichtung Aufstellungsort und Aufstellungsart gema01q01 9

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.3 Motorleistung und Drehmoment Der Motor hat das vom Antrieb geforderte Motormoment M mit der gewünschten Drehzahl n zu liefern. Der Zusammenhang zwischen mechanischer Leistung, Drehmoment und Drehzahl ergibt sich aus folgender Formel: P = M 2 π n P = abgegebene mechanische Leistung an der Welle in W M = abgegebenes Drehmoment in Nm n = Motordrehzahl in 1/s Die angegebene Leistung eines Motors ist immer die mechanische Leistung, die der Motor an der Welle abgibt. gema01q01 10

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.4 Motorverluste - Reibungsverluste in den Lagern und an den Bürsten - Eisenverluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierung - Erregerverluste beim Aufbau des Magnetfeldes - Wicklungsverluste durch den Stromfluss in den Motorwicklungen gema01q01 11

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.5 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad η eines Elektromotors ist durch das Verhältnis von abgegebener mechanischer Leistung P ab (P 2 ) zur aufgenommenen elektrischen Leistung P zu (P 1 ) gegeben. Merksatz: Die abgegebene Leistung ist immer kleiner als die zugeführte Leistung. gema01q01 12

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.6 Leistungsschild eines Motors Die wichtigsten Angaben für den Anwender sind: Nennleistung (Bemessungsleistung) Nennspannung (Bemessungsspannung) Nennstrom (Bemessungsstrom) Nenndrehzahl (Bemessungsdrehzahl) gema01q01 13

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.7 Motor und Arbeitsmaschine Der Antriebsmotor muss in der Lage sein, den Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine in jedem Drehzahlbereich zu decken. Die Arbeitsmaschine hat ein Widerstandsmoment, das geringer als das Drehmoment des Motors ist. Der Motor kann gut hochlaufen. Der Motor kann nicht hochlaufen, da das Widerstandsmoment der Arbeitsmaschine größer, als das Drehmoment des Motors ist. gema01q01 14

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.8 Isolierstoffklassen Die Isolierstoffe werden nach ihrer Belastbarkeit in sieben verschiedene Klassen eingeteilt. Isolierstoffklassen Grenztemperatur Anwendung Isolierstoffe Y 90 C Leitungen Baumwolle, Papier, Kunstseide, PVC, Gummi A 105 C Leitungen, Wicklungen Baumwolle, Kunstseide, Holz Pressspan, E 120 C Wicklungen, Pressteile Baumwoll- und Papierschichtverbundstoffe, B 130 C Wicklungen, Pressteile Glasfaser, Glimmer F 155 C Wicklungen Glasfaser, Glimmer H 180 C hitzebeständige Leitungen und Wicklungen, Isolierschläuche, Abdeckung geschichtete Glasfaser, Glimmer C > 180 C hitzefeste Wicklungen, Isolatoren Glas, Porzellan, Quarz, Glimmer gema01q01 15

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.9 Betriebsarten Die wichtigsten Betriebsarten sind Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb und Aussetzbetrieb. Dauerbetrieb S1 Im Dauerbetrieb S1 kann die Maschine ihre Nennleistung dauerhaft abgeben. Die Erwärmung der Maschine erreicht ihre Endtemperatur, eine Beharrungstemperatur wird erreicht. Kurzzeitbetrieb S2 Im Kurzzeitbetrieb S2 ist die Einschaltdauer so kurz, dass bei konstanter Belastung die Beharrungstemperatur nicht erreicht wird. Die Pausen sind so lang, dass die Maschine sich auf ihre Ausgangstemperatur abkühlt. gema01q01 16

Aussetzbetrieb S3, S4, S5 Beim Aussetzbetrieb S3, S4 und S5 wechseln konstante Belastung und Stillstand dauernd ab. Die Spieldauer beträgt meistens 10 Minuten. In den Pausen kommt es zu keiner vollkommenen Abkühlung des Motors auf die Ausgangstemperatur. Die Einschaltdauer ED wird in % der Spieldauer angegeben. Normwerte für ED sind 15%, 25%, 40%, 60%. Eine umfassende Beschreibung der Betriebsarten S1 bis S10 erhalten Sie in einem Tabellenbuch Elektrotechnik oder Mechatronik. gema01q01 17

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.10 Bauformen Nach DIN IEC 34 wird bezüglich der Bauformen elektrischer Maschinen zwischen Code I und Code II unterschieden. Code I: gültig für Maschinen mit Schildlagern und einem freien Wellenende Grundkennzeichen IM Angabe der Betriebslage (3. Buchstaben) Angaben über Befestigungsart und Wellenende (Zahl) Code II: Der IEC-Code II gilt für alle umlaufenden elektrischen Maschinen. Er wird nur angewendet, wenn Code I nicht ausreicht. Weitere Auswahl an Bauformen. gema01q01 18

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen Auswahl an Bauformen Fußmotoren alle Baugrößen Code I (Code II) IM B3 (IM 1001) Welle horizontal Füße auf dem Boden Code I (Code II) IM B8 (IM 1071) Welle horizontal Füße nach o- ben IM B6 (IM 1051) Welle horizontal Füße an der Wand und links bei Blick auf Wellenende IM V5 (IM 1011) Welle vertikal nach unten Füße an der Wand IM B7 (IM 1061) Welle horizontal Füße an der Wand und rechts bei Blick auf Wellenende IM V6 (IM 1031) Welle vertikal nach oben Füße an der Wand Flanschmotoren, A-Flansch mit Durchgangslöchern alle Baugrößen Code I (Code II) IM B5 (IM 3001) Welle horizontal Code I (Code II) IM B35 (IM 2001) Welle horizontal Füße auf dem Boden IM V1 (IM 3011) Welle vertikal nach unten IM V15 (IM 2011) Welle vertikal nach unten Füße an der Wand IM V3 (IM 3031) Welle vertikal nach oben IM V36 (IM 2031) Welle vertikal nach oben Füße an der Wand gema01q01 19

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.11 Baugrößen Motoren mit gleicher Leistung bei unterschiedlichen Drehzahlen besitzen unterschiedliche Drehmomente und damit verschiedene Baugrößen. Motoren mit gleicher Nennleistung Nennleistung 2,2 kw 2,2 kw 2,2 kw Nenndrehzahl 1400 1/min 920 1/min 710 1/min Nenndrehmoment 15 Nm 23 Nm 30 Nm Baugröße 100 mm 112 mm 132 mm Motoren mit gleichem Drehmoment Nennleistung 2,2 kw 1,5 kw 1,1 kw Nenndrehzahl 1400 1/min 920 1/min 690 1/min Nenndrehmoment 15 Nm 15 Nm 15 Nm Baugröße 100 mm 100 mm 100 mm gema01q01 20

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.12 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel Schutzarten für elektrische Maschinen werden nach DIN 40050 durch die Kennbuchstaben IP und zwei Kennziffern für den Schutzgrad angegeben. Weitere Erklärungen zu den Schutzarten elektrischer Betriebsmittel finden Sie, in der Tabelle zu den Schutzarten. Kennziffer Berührungsschutz Fremdkörperschutz 0 kein Schutz Kein Personenschutz gegen zufälliges Berühren unter Spannung stehender oder sich bewegender Teile. Kein Betriebsmittelschutz gegen Eindringen von festen Körpern. 1 Berührungsschutz gegen Zugang mit Handrücken > 50 mm Ø 2 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Finger > 12 mm Ø > 80 mm Länge 3 Berührungsschutz gegen Zugang mit Werkzeug > 2,5 mm Ø 4 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Draht > 1 mm Ø 5 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Draht > 1 mm Ø 6 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Draht > 1 mm Ø Schutz gegen Fremdkörper > 50 mm Ø Schutz gegen Fremdkörper > 12,5 mm Ø Schutz gegen Fremdkörper > 2,5 mm Ø Schutz gegen Fremdkörper > 1 mm Ø staubgeschützt staubdicht gema01q01 21

1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen 1.13 Motorschutz Um lange Lebensdauer zu gewährleisten und teure Reparaturen zu vermeiden, ist es wichtig, Motoren immer innerhalb ihrer Nennparameter arbeiten zu lassen. Bei Überschreitung der zulässigen Stromstärke und daraus folgend der Überschreitung der zulässigen Temperaturwerte müssen Motoren abgeschaltet werden. Motorstrom Ursachen eines zu großen Motorstromes 2 sind verschieden: Eine mechanische Überlastung durch die anzutreibende Arbeitsmaschine hat eine elektrische Überlastung zur Folge. Es fließt bei Nennspannung ein Überlaststrom. Eine Spannungsabsenkung im Versorgungsnetz führt bei unverminderter mechanischer Belastung zu einem vergrößerten Strom. Bei einer Leitungsunterbrechung läuft ein arbeitender Drehstrommotor meist weiter. Die Stromstärke in den nicht unterbrochenen Strängen steigt über den Nennwert an. Elektrische Fehler im Motor selbst, z.b. Wicklungsschlüsse, führen zu Überstrom. 2 In jedem Antrieb kommt dem Motor auch aus sicherheitstechnischer Sicht eine große Bedeutung zu. Ganz wichtig ist es, den Motor vor unzulässig hoher Erwärmung, infolge eines zu großen Motorstromes, zu schützen. gema01q01 22

Schutz durch Motorschutzrelais Schutz bei Überlastung durch Stromüberwachung Kein Kurzschlussschutz, daher sind Sicherungen notwendig Einstellung des Relais 3 auf den Motornennstrom Schutz durch Motorschutzschalter Mit thermischer Überstromauslösung und magnetischer Schnellauslösung. Schutz bei Überlastung und Kurzschluss. Einstellung des Schalters 4 auf den Motorenstrom. Allpolige Abschaltung und Freiauslösung. 3 Motorschutzrelais überwachen die Wicklungstemperatur indirekt über die Stromaufnahme des Motors. 4 Motorschutzschalter sind gleichzeitig Schalter und Schutzeinrichtung. Sie dienen dem betriebsmäßigen Ein- und Ausschalten von Motoren. Eigenfeste Motorschutzschalter können ohne Vorsicherung betrieben werden. gema01q01 23

Motorvollschutz mit Temperaturfühlern Durch Temperaturfühler 5 in der Wicklung zuverlässiger Schutz. Motor ist auch bei behinderter Kühlung vollständig geschützt. Halbleiter-Temperaturfühler wirken auf das Auslösegerät ein, welches das Motorschütz schaltet. 5 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 24

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.0 Kapitelübersicht Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie entsteht die Drehbewegung im Motor? Wie funktioniert das "Stern-Dreieck-Anlassverfahren"? Themen: 2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors 2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors 2.1.1 Wicklung eines Motors 2.11 Anlassen von Asynchronmotoren 2.2.0 Drehfelddrehzahl 2.12 Stern-Dreieck-Anlassverfahren 2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung 2.13 Ständeranlasser mit Widerständen 2.3 Entstehung der Drehbewegung 2.14 KUSA-Schaltung 2.4 Der Schlupf 2.15 Der Stromverdrängungsläufer 2.5 Anschluss eines Drehstrommotors an das Netz 2.6 Änderung der Drehrichtung 2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie 2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie 2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren 2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer 2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser 2.18 Hochlaufkennlinien des Schleifringläufermotors 2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren gema01q01 25

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors gema01q01 26

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors Rotor und Stator Der Drehstrom-Asynchronmotor besteht aus einem drehbar gelagerten Teil, dem Läufer oder Rotor, und einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Teil, dem Ständer oder Stator. Läufer und Ständer bestehen aus einzelnen, voneinander isolierten Blechen zur Vermeidung von Wirbelströmen. Klemmbrett und Ständerblechpaket Im Ständerblechpaket ist die dreiphasige Erregerwicklung untergebracht. Anfang und Ende eines jeden Strangs führen zum Klemmbrett. gema01q01 27

Läuferblechpaket und Luftspalt Die Welle wird in Wälzlagern so gelagert, dass zwischen dem Ständer- und dem Läuferblechpaket nur ein schmaler Luftspalt entsteht. Lüfter und Welle Die in der Maschine entstehende Wärme wird über Kühlrippen und einen Lüfter nach außen geführt. Das aus dem Motor herausragende Ende der Welle dient zum Antrieb einer Maschine. gema01q01 28

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.1.1 Wicklung eines Motors Die Wicklung des Kurzschlussläufers besteht aus Leiterstäben, die an den Stirnseiten durch Ringe kurzgeschlossen sind. Im Gegensatz zu anderen Motoren benötigt dieser Läufer keine elektrische Verbindung zum Netz. gema01q01 29

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.2.0 Drehfelddrehzahl Magnetpole treten immer paarweise auf. Zu einem Nordpol gehört stets ein Südpol. Daher spricht man von Polpaaren. Merksatz Eine Verdoppelung der Polpaarzahl bewirkt eine Halbierung der Drehfelddrehzahl. Eine Verdoppelung der Netzfrequenz bewirkt eine Verdoppelung der Drehfelddrehzahl. gema01q01 30

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung Die Drehfelddrehzahl wird bestimmt durch die Netzfrequenz und die Polpaarzahl der Drehstromwicklung. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich folgende typischen Drehfelddrehzahlen: gema01q01 31

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.3 Entstehung der Drehbewegung Die Drehrichtung des Läufers stimmt mit der Drehrichtung des Ständerfeldes überein. Durch den Drehstrom entsteht in der Ständerwicklung ein Drehfeld. Dieses induziert in den Läuferstäben eine Spannung. Da die Läuferstäbe kurzgeschlossen sind, fließen durch sie Ströme, die von einem Magnetfeld umgeben sind. Durch die Überlagerung der Magnetfelder wirken auf die Leiterstäbe Kräfte. Diese Kräfte verursachen ein Drehmoment, so dass sich der Läufer dreht. Die Drehrichtung des Läufers stimmt mit der Drehrichtung des Ständerfeldes überein. Eine Asynchronmaschine kann aus eigener Kraft die Drehfelddrehzahl nicht erreichen. Interaktionsfragen Wodurch wird die Drehung verursacht? gema01q01 32

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.4 Der Schlupf - ein Maß für die Abweichung der Drehzahl Bei Belastung des Motors nimmt seine Drehzahl n ab und damit der Schlupf s zu. gema01q01 33

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.5 Anschluss eines Drehstrommotors an das Netz gema01q01 34

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.6 Umkehr der Drehrichtung gema01q01 35

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie Das Drehmoment eines Elektromotors ist drehzahlabhängig. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl wird anschaulich durch eine Kennlinie beschrieben. Das Kippmoment MK ist das größte Drehmoment, das der Motor abgeben kann. Wird der Motor darüber hinaus belastet, bleibt er stehen. Das Anzugsmoment MA ist das Drehmoment, das der Motor beim Anlaufen, also aus dem Stillstand heraus abgibt. Beim Nennmoment MN gibt der Motor bei der Nenndrehzahl nn seine Nennleistung ab. Das Sattelmoment MS ist das kleinste während des Anlaufens abgegebene Drehmoment. Beim Nennmoment MN gibt der Motor bei der Nenndrehzahl nn seine Nennleistung ab. gema01q01 36

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie Wird der Motor belastet, dann nimmt der Strom ausgehend vom Wert l 0 bei Leerlauf immer mehr zu, während die Drehzahl abnimmt. Wird der Motor über sein Kippmoment hinaus belastet, dann sinkt die Drehzahl auf Null, der Motor bleibt stehen und nimmt jetzt den Anlaufstrom l A auf. Anlaufstrom Strom bei Kippmoment Nennstrom Leerlaufstrom Drehzahl bei Kippmoment Nenndrehzahl Leerlaufdrehzahl gema01q01 37

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren la ~ 4... 8 ln MA ~ 0,5..1 MN Merksatz: Asynchronmotoren mit Rundstabläufer besitzen trotz hoher Anzugsströme nur ein relativ geringes Anzugsmoment. gema01q01 38

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors Bei Belastung fällt die Drehzahl n nur geringfügig ab. Der Wirkungsgrad η (eta) und der Leistungsfaktor cos φ (phi) sind stark belastungsabhängig. Die Motoren sind so ausgelegt, dass bei Nennbetrieb das Produkt aus eta und cos möglichst groß wird. Der Motorstrom nimmt bei Belastung stark zu. Ein Drehstrommotor sollte stets mit Volllast betrieben werden. Ist er für den Antrieb überdimensioniert, arbeitet er mit höheren Verlusten. gema01q01 39

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.11 Anlassen von Asynchronmotoren In den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorgungsunternehmen wird für Drehstrommotoren z.b. ein Grenzwert von 60 A festgelegt. Der Einschaltstrom kann grundsätzlich durch zwei Verfahren herabgesetzt werden: 1. Herabsetzen der Ständerspannung Stern-Dreieck-Schaltung Ständeranlasser Kusa-Schaltung 2. Vergrößerung des Läuferwiderstandes Stromveränderungsläufer Schleifringläufermotor gema01q01 40

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.12 Stern-Dreieck-Anlassschaltung Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann nur bei solchen Motoren erfolgen, deren Wicklungsstränge für die volle Leiterspannung ausgelegt sind. Merksatz: Bei Anlauf in Sternschaltung verkleinern sich Anlaufstrom und Anlaufmoment von Drehstrommotoren auf ein Drittel der Werte des Dreieckbetriebes. Das Stern-Dreieck-Anlassschaltung eignet sich nicht für Schweranlauf. Netzschütz Dreieckschütz Sternschütz gema01q01 41

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.13 Ständeranlasser mit Widerständen Beim Anlauf des Motors verringern vorgeschaltete Wirkwiderstände die Spannung an der Ständerwicklung. Nach dem Hochlaufen werden die Widerstände überbrückt. Die Herabsetzung des Anlaufstromes ist mit einem starken Abfall des Anlaufmomentes verbunden. Widerstände gema01q01 42

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.14 KUSA-Schaltung Fügt man einen Widerstand in die Zuleitung eines Außenleiters zur Ständerwicklung ein, so wird das Drehmoment herabgesetzt. Die KUSA-Schaltung verwendet man bei Motoren bis ca. 2 kw, z. B. für Textilmaschinen. Widerstand gema01q01 43

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.15 Der Stromverdrängungsläufer Vergrößerte Wirkwiderstände im Läuferkreis des Asynchronmotors verbessern sein Anlaufverhalten. Durch besondere Formgebung der Stäbe des Käfigläufers ist dies erreichbar. Merksatz: Stromverdrängungsläufer haben ein größeres Anzugsmoment und einen kleineren Anzugsstrom. Doppelkäfigläufer Hochstabläufer Rundstabläufer gema01q01 44

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer gema01q01 45

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser Mit zunehmender Drehzahl werden die Widerstandsgruppen R1, R2 und R3 nacheinander abgeschaltet. Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen. Der Motor arbeitet dann wie ein Kurzschlussläufer. gema01q01 46

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.18 Hochlaufkennlinien eines Schleifringläufermotors Das Anzugsmoment kann bei geeigneter Wahl der Anlasswiderstände bis zum Kippmoment gesteigert werden. Merksatz: Schleifringläufermotoren entwickeln ein hohes Anlaufmoment bei kleinem Anlaufstrom. Sie können unter Last anlaufen. gema01q01 47

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren gema01q01 48

2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren 2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren Motoren mit getrennten Ständerwicklungen Motoren mit zwei voneinander unabhängigen Ständerwicklungen können mit zwei Drehzahlen betrieben werden, die in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen. Die Drehzahl von Asynchronmotoren kann durch die Frequenz f und die Polpaarzahl p beeinflusst werden.durch Änderung der Polzahl in der Ständerwicklung lässt sich die Drehzahl grobstufig verändern. Die Anschlüsse für die niedrige Drehzahl werden mit 1U, 1V und 1W bezeichnet. Für die hohe Drehzahl werden die Außenleiter mit den Klemmen 2U, 2V und 2W verbunden. gema01q01 49

Dahlanderschaltung Bei der Dahlanderschaltung lassen sich mit einer einzigen Wicklung durch Umschalten der Spulengruppen zwei verschiedene Polpaarzahlen erzeugen. Merksatz Bei der Dahlanderschaltung stehen die Drehzahlen immer im Verhältnis 1 : 2 zueinander. gema01q01 50

Frequenzumrichter Frequenzumrichter stellen eine leistungselektronische Baugruppe dar, welche aus einem bestehenden Wechselstromnetz gegebener Frequenz f 1, Spannung U 1 und Strom l 1 ein Wechselstromnetz mit veränderter Frequenz f 2, Spannung U 2 und Strom l 2 entstehen lassen kann. Mit diesen Umrichtern sind auch Drehzahlen möglich, die höher als 3000 min ¹ sind. Die Drehfelddrehzahl kann mit Hilfe von Frequenzumrichtern verändert werden. gema01q01 51

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.0 Kapitelübersicht Kapitelbezogene Eingangsfragen: Welche Aufgabe hat der "Kollektor" eines Gleichstrommotors? Erklären Sie die Schaltung eines Reihenschlussmotors? Themen: 3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren 3.2 Anker eines Gleichstrommotors 3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen 3.4 Aufgabe der Wicklungen im Gleichstrommotor 3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren 3.6 Drehrichtungsänderung 3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung 3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der Nenndrehzahl 3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor 3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor 3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor 3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor gema01q01 52

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren gema01q01 53

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren Gleichstrommotoren werden als Antriebe dort eingesetzt, wo ein großer Drehzahlstellenbereich, ein hohes Anzugsmoment und eine gute Regelbarkeit gefordert werden. Erregerwicklung Der Ständer eines Gleichstrommotors hat ausgeprägte Pole. Die Polkerne tragen die Erregerwicklung, die mit Gleichspannung versorgt wird. Im unteren Leistungsbereich sind Erregerwicklung und Polkerne durch Dauermagnete ersetzt. gema01q01 54

Anker Der Läufer trägt die Arbeitswicklung, die auch Ankerwicklung genannt wird. Sie ist in Nuten eingelegt und mit den Lamellen des Stromwenders verbunden. Stromwender Der Stromwender, auch Kollektor oder Kommutator genannt, ü- berträgt den Strom von den fest stehenden Bürsten auf die sich drehende Läuferwicklung. gema01q01 55

Klemmbrett Die Anfänge und Enden der verschiedenen Motorwicklungen werden auf das Klemmbrett geführt. gema01q01 56

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.2 Anker eines Gleichstrommotors Betrachten wir uns den Läufer eines Gleichstrommotors noch etwas genauer. Der Läufer oder Anker besteht aus einer Stahlwelle mit aufgepresstem Blechpaket zur Vermeidung von Wirbelströmen. Die Ankerwicklung besteht aus Teilspulen, die unterschiedlich zusammengeschaltet werden können. gema01q01 57

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen Buchstabe Bezeichnung Beispiele A Ankerwicklung A1 - A2 B Wendepolwicklung B1 - B2; 1B1-1B2; 2B1-2B2 C Kompensationswicklung C1 - C2; 1C1-1C2; 2C1-2C2 D Erregerwicklung - Reihenschluss D1 - D2; 1D1-1D2; 2D1-2D2 E Erregerwicklung - Nebenschluss E1 - E2; 1E1-1E2; 2E1-2E2 F Erregerwicklung - fremderregt F1 - F2 Nachgestellte Ziffern bezeichnen Anfang bzw. Ende der Anschlüsse, vorangestellte Ziffern unterscheiden verschiedene Teile mit gleicher Funktion (z.b. geteilte Wicklungen). gema01q01 58

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.4 Aufgabe der Wicklungen im Gleichstrommotor Ankerwicklung: Erzeugt das Magnetfeld des Läufers, welches im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld des Ständers ein Drehmoment entwickelt. Wendepolwicklung: Sorgt für eine funkenfreie Stromwendung in der Ankerwicklung und verringert das Bürstenfeuer. Kompensationswicklung: Verhindert eine Verzerrung des magnetischen Feldes im Bereich der Hauptpole. Erregerwicklung Reihenschluss: Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet. Erregerwicklung Nebenschluss: Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet. Erregerwicklung fremderregt: Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist an eine eigene Spannungsquelle angeschlossen. gema01q01 59

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren Gleichstrommotoren haben einen kleinen Ankerwiderstand. Bei direktem Einschalten an die volle Netzspannung würde ein Strom fließen, der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Ursache dafür ist, dass im Stillstand noch keine Gegenspannung U0 im Anker induziert wird. Deshalb müssen bei größeren Motoren, die Anlasswiderstände in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet werden. Während des Hochlaufens steigt die Gegenspannung an, die Anlasswiderstände werden bis auf Null verringert. Durch die moderne Stromrichtertechnik können heute Gleichstrommotoren verlustarm hochgefahren werden, ohne dass der eingestellte maximale Strom überschritten wird. (Ersatzschaltbild 6 des Ankerstromkreises) 6 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 60

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.6 Drehrichtungsänderung gema01q01 61

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung Bei annähernd gleichbleibendem Ankerstrom kann die Drehzahl proportional zur Ankerspannung gesteuert werden. Die Drehzahl lässt sich damit bis zum Ankerstillstand verringern. Eine Drehzahlsteuerung durch Veränderung der Ankerspannung sollte nur unterhalb der Nenndrehzahl erfolgen, da der Motor sonst überlastet und möglicherweise beschädigt wird. gema01q01 62

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der Nenndrehzahl Die Drehzahl verhält sich bei konstanter Ankerspannung zum Erregerstrom annähernd umgekehrt proportional. Merksatz: Durch eine Verringerung des Erregerstromes, kann die Motordrehzahl über die Nenndrehzahl hinaus erhöht werden. Da die Leistung in diesem Drehzahlbereich nicht weiter erhöht werden kann, nimmt das Drehmoment bei Erhöhung der Drehzahl ab. gema01q01 63

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor Beim fremderregten Motor wird der Erregerstrom von einer unabhängigen Spannungsquelle geliefert. Motoren mit Dauermagneten an Stelle der Erregerwicklung sind ebenfalls fremderregte Motoren. Fremderregte Motoren werden für Antriebe verwendet, deren Drehzahl lastunabhängig in großem Umfang gesteuert wird. Ziehen Sie die Leiterbezeichnungen an die Anschlüsse des Klemmbretts 7, so dass sich die Drehrichtung für Linkslauf ergibt. 7 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 64

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor Beim Nebenschlussmotor liegt die Erregerwicklung parallel zum Anker. Der Nebenschlussmotor hat bei konstanter Netzspannung dasselbe Betriebsverhalten, wie der fremderregte Motor. Die Drehzahl fällt bei Belastung jedoch etwas stärker ab, da das Erregerfeld indirekt vom Ankerstrom beeinflusst wird. Nebenschlussmotoren werden für Antriebe wie fremderregte Motoren verwendet. Vervollständigen Sie per Drag & Drop den Anschluss an das Klemmbrett 8 für Linkslauf. 8 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 65

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor Beim Reihenschlussmotor ist die Erregerwicklung in Reihe zum Anker geschaltet. Reihenschlussmotoren haben von allen Motoren das größte Anzugsmoment. Die Stromaufnahme ist beim Anlauf und unter Belastung hoch. Bei Entlastung steigt die Drehzahl sehr stark an. Im Leerlauf gehen Reihenschlussmotoren durch. Reihenschlussmotoren werden auf Grund des hohen Anlaufdrehmomentes vor allem für Elektrofahrzeuge und bei Hebezeugen eingesetzt. Vervollständigen Sie per Drag & Drop den Anschluss an das Klemmbrett 9 für Linkslauf. 9 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 66

3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren 3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor Der Doppelschlussmotor hat zusätzlich zur Nebenschlusswicklung eine Reihenschlusswicklung. Je nach Auslegung der Wicklungen kann das Betriebsverhalten des Motors mehr zum Nebenschluss- oder mehr zum Reihenschlussverhalten beeinflusst werden. Vervollständigen Sie per Drag & Drop den Anschluss an das Klemmbrett 10 für Linkslauf. 10 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun gema01q01 67

Abschluss Lerneinheit Bearbeitung der Fallstudie Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe: In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander vermischt und erwärmt. Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung beschädigt wurde, soll dieser durch einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden. Sie erhalten den Auftrag, unter Berücksichtigung der geforderten Daten einen neuen Motor auszuwählen und zu installieren. Hinweis: Öffnen Sie die Dokumentenbox! Dort finden Sie das Datenblatt zum Motor, welches Sie zur Bearbeitung der Fallstudie brauchen. Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. gema01q01 68

Anlagen gema01q01 69

LEITFRAGEN - Hinweis: Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die Antworten zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen. Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können und ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen. Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben. gema01q01 70

Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen elektromotorischer Antriebe TA Trainingsaufgabe 1 zum Themenblock Auswahl eines Antriebsmotors Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 1 im Kapitel Trainingsaufgabe. Aussagen: 1: Angabe von charakteristischen Daten eines Motors 2: Einteilung von Materialien nach dem Grad ihrer Temperaturbeständigkeit 3: Verlustleistung bedingt durch Ummagnetisierung und Wirbelströme 4: Anpassung des Elektromotors an den Belastungsrhythmus der Arbeitsmaschine 5: Verhältnis der abgegebenen zur aufgenommenen Leistung 6: Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern und Wasser 7: Lagerung und Befestigungsart elektrischer Maschinen Begriffe: Schutzart Bauformen Eisenverluste Isolierstoffklassen Leistungsschild Betriebsart Wirkungsgrad gema01q01 71

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Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen elektromotorischer Antriebe TA Trainingsaufgabe 2 zum Themenblock Aufbau und Betriebsarten von Asynchronmotoren Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 2 im Kapitel Trainingsaufgabe. Aussagen: 1: Drehzahlunterschied zwischen synchroner Drehzahl und Drehzahl des Läufers 2: Niedriges Anlaufmoment und hoher Anlaufstrom 3: Anlaufstrom und Anlaufmoment werden auf ein Drittel reduziert. 4: Der Motor läuft sanft und ruckfrei an. 5: Durch eine besondere Form der Läuferstäbe wird das Anlaufverhalten des Käfigläufers verbessert. 6: Durch Zuschalten von Widerständen in den Läuferkreis wird der Anlaufstrom verringert und das Anlaufmoment erhöht. 7: Mit nur einer Ständerwicklung lassen sich zwei unterschiedliche Polpaarzahlen erzeugen. Begriffe: Dahlanderschaltung KUSA- Schaltung Stromverdrängungsläufer Schleifringläufer Schlupfdrehzahl Rundstabläufer Stern-Dreieck-Anlassschaltung gema01q01 73

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Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen elektromotorischer Antriebe TA Trainingsaufgabe 3 zum Themenblock Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 3 im Kapitel Trainingsaufgabe. Aussagen: 1: Überträgt den Strom auf die sich drehende Ankerwicklung. 2: Unterschiedliche Spannungsquellen für Anker- und Erregerstromkreis. 3: sorgt für eine funkenfreie Stromwendung in der Ankerwicklung. 4: Erregerwicklung ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet. 5: Drehzahl fällt bei Belastung stark ab. 6: Erzeugt das Magnetfeld des Ständers. 7: Besitzt eine Nebenschluss- und eine Reihenschlusswicklung. Begriffe: Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Stromwender Fremderregter Motor Doppelschlussmotor Erregerwicklung Wendepolwicklung gema01q01 75

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Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen elektromotorischer Antriebe Bearbeitung der Fallstudie Name: Vorname: Klasse/Kurs: Datum: Ihre Aufgabe: In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander vermischt und erwärmt. Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung beschädigt wurde, soll dieser durch einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden. Sie erhalten den Auftrag, unter Berücksichtigung der geforderten Daten einen neuen Motor auszuwählen und zu installieren. (siehe hierzu unten: Vereinfachtes Technologieschema) Für den Antrieb des Rührwerks ist ein Drehstrom-Käfigläufermotor vorgesehen, der folgende Leistungsdaten erfüllen muss: Nennspannung: 400 V Nennleistung : 2,2 kw Drehzahlbereich : ca. 1000 1/min Begründen Sie, warum ein Drehstrom-Käfigläufermotor für den Rührwerkmotor die wohl beste Antriebslösung darstellt. Bestimmen Sie an Hand der beiliegenden Unterlagen (welche Sie in der Dokumentenbox unter Datenblätter finden) für den Betrieb des Motors - die Baugröße des Motors, - die erforderliche Gebrauchskategorie und Baugröße des Schützes sowie - die Baugröße und den Typ des Überlastrelais. gema01q01 77

K1 Y1 M1 M 3 ~ Y2 Reaktionsbehälter E1 Y3 K1 Leistungsschütz Rührwerkmotor M1 Rührwerkmotor E1 Heizung Y1 Magnetventil Zulauf Y1 Y2 Magnetventil Zulauf Y2 Y3 Magnetventil Ablass Y3 gema01q01 78

Motorendatenblatt gema01q01 79

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