Spannungsebenen der heutigen Energieversorgung Die in den Kraftwerken erzeugte Energie hat in der Regel eine Spannung zwischen 6 und 21 kv. Diese ist aber für den möglichst verlustfreien Transport viel zu niedrig. Warum??? Die Ursache liegt darin begründet, dass die Leitungen einen elektrischen Widerstand besitzen. Dieser wird nach dem Widerstandsgesetz berechnet. (mehr dazu später). In unserem Stromnetz unterscheidet man vier Spannungsebenen: Skizze: 1. Höchstspannungsnetz (380 kv) 2. Hochspannungsnetz (110 kv) 3. Mittelspannungsnetz (5 40 kv) 4. Niederspannungsnetz (400/230 V) Das Höchstspannungsnetz mit einer Spannung von 220 bzw. 380 kv verteilt den in Großkraftwerken erzeugten Strom landesweit. Über dieses Leitungsnetz ist Deutschland auch mit dem europäischen Verbundnetz gekoppelt. Das 110 kv Hochspannungsnetz dient zur Versorgung größerer Gebiete und Ballungszentren. Es bezieht seine Energie Entweder direkt aus den Kraftwerken oder über Umspannwerke aus dem 220 kv bzw. 380 kv Höchstspannungsnetz. Die Einspeisung der Mittelspannungsnetze erfolgt meist über Umspannwerke aus dem 110 kv Netz. Diese sind entweder als Freiluftschaltanlagen oder als Innenraumschaltanlagen ausgeführt. Die Mittelspannung liegt zwischen 5 und 40 kv. Die Mittelspannungsnetze versorgen Industriebetriebe oder versorgen Ortsnetztransformatoren. Diese transformieren die elektrische Energie auf Niederspannungsniveau. Die Niederspannung beträgt 230 V bzw. 400 V. Niederspannungsleitungen versorgen die einzelnen Haushalte. Im städtischen Bereich werden hauptsächlich Erdkabel verwendet, während auf dem Land oft auch Freileitungen eingesetzt werden. Energietransport Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung,
bei großen Kraftwerken etwa 10 kv bis 30 kv, auf die Hochspannung von etwa 110 kv bis 400 kv um, wodurch im Verbundnetz die Transportverluste geringer ausfallen und größere Leistungen übertragen werden können. Die Transformationsverluste sind bei Hochspannungstrafos vergleichsweise gering und liegen meist 0,1% der übertragenen Leistung. Der geringere Strom auf der Hochspannungsseite bei konstanter übertragener Leistung führt dazu, dass weniger Verlustwärme am Ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Allerdings ist der Strom auf Hochspannungsleitungen im Normalbetriebsfall relativ hoch und betragsmäßig sogar höher als bei niedrigeren Spannungsebenen wie dem Mittelspannungsnetz. Der Strom auf 400 kv Leitungen liegt im Bereich von 1 ka pro Außenleiter im normalen Betriebsbereich. Der Grund für den Betrieb von Hochspannungsleitungen ist nicht die Reduktion des Stromes in den Transportleitungen sondern die durch die Hochspannung erzielbare Steigerung der zu übertragenen Gesamtleistung. Bei richtiger Übertragungsspannung heben sich induktive und kapazitive Blindleistung auf (Wellenwiderstand Z = 240...300 Ω. Diese Aussage gilt jedoch nur beim Übertragen der so genannten natürlichen Leistung P n. Für das Mittelspannungsnetz werden die Hochspannungen in Umspannwerken wieder auf 10 kv bis 36 kv zurücktransformiert. Fazit Warum müssen Spannungen zum Transport höher transformiert werden? Ursache ist darin begründet, dass auch die Leitungen einen elektrischen Widerstand haben. Dieser wird nach dem Widerstandsgesetz berechnet:. Beispiele: Kabel mit 0,18 Ω, 200, 600 daraus folgt:, Ω 60 Ω Ein Kraftwerk speist 500 MW ins Netz ein. Ein Teil der Leistung wird durch den elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt. Aus und erhält man Daraus ergibt sich eine Verlustleistung von 34 MW oder 7% der eingespeisten Leistung gehen verloren. Aus der Gleichung ist ersichtlich, welche Möglichkeiten es gibt, die Verlustleistung zu reduzieren. Entweder muss der elektrische Widerstand oder die Stromstärke verringert werden. Eine Verkleinerung des elektrischen Widerstandes der Leitungen kann nur durch Einsatz anderer Materialien mit geringerem spezifischen Widerstand oder durch Erhöhung des Leiterquerschnittes erreicht werden. Aus wirtschaftlichen Gründen sind diese Maßnahmen jedoch nicht sinnvoll. Deshalb muss die Stromstärke verringert werden. Dies wird durch Transformatoren erreicht. Die Spannung wird vielfaches des ursprünglichen Wertes transformiert, die Stromstärke dementsprechend reduziert. In unserem Beispiel würde bei einer Verzehnfachung der Spannung eine Reduktion auf ein Zehntel des Stromes führen. Die Verlustleistung verringert sich sogar auf ein Hundertstel, sprich 0,34 MW. Es gilt folgende Faustformel: Die elektrische Energie kann wirtschaftlich sinnvoll so viele Kilometer transportiert werden, wie ihre Nennspannung in kv beträgt. Es kann also ein Strom mit einer Nennspannung von 380kV ohne Zwischenstation 380 km transportiert werden!
Transformator Symbolische Darstellung, Aufbau eines Trafos Links: Jeder Trafo besteht grundsätzlich aus zwei magnetisch gekoppelten Magnetkreisen Rechts: idealer Trafo mit Blind und Wirkwiderständen Die rechte Darstellung wird zur reinen Ersatzschaltung, wenn man die Wirkung aller Feldanteile durch Induktivitäten bzw. Blindwiderstände darstellt (X 1 und X 2 ). Gemäß der allgemeinen Definition Λ ergibt sich: Λ und Λ Λ = Leitwert Auf dem gemeinsamen Hauptweg mit dem Leitwert Λ h ergeben sich eine Haupt und eine Gegeninduktivität. Λ Λ Ersatzschaltbild des Trafos X h berücksichtigt den Magnetisierungsstrom im Leerlauf. R Fe berücksichtigt die Hysterese und Wirbelstromverluste. R 1 und R 2 repräsentieren die Stromwärmeverluste. L σ1,2 Streuinduktivitäten Ein realer Transformator hat Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern und Ummagnetisierungsverluste. Bei größeren Transformatoren muss die Verlustleistung ggf. durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Hystereseverluste und Wirbelstromverluste sind im Eisen begründet und werden deshalb als Eisenverluste bezeichnet. Die Stromwärmeverluste sind den Kupferverlusten zuzuordnen, und die Streuverluste ergeben sich aus den Streuflüssen. Die gestrichenen Größen im Ersatzschaltbild müssen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Trafos umgerechnet werden.
Betriebszustände Leerlauf bzw. Unbelasteter Transformator Wenn bei angelegter elektrischer Spannung an der Primärspule kein Strom aus der Sekundärspule des Transformators entnommen wird, wird dies als Leerlauf oder unbelasteter Betrieb bezeichnet. In diesem Zustand verhalten sich die eingegebene Primärspannung und die an der Sekundärspule messbare Sekundärspannung näherungsweise wie die Windungszahlen, weil die sekundären Kupferverluste gleich Null sind: Dabei sind U 1 und U 2 die Primär und Sekundärspannung sowie N 1 und N 2 die Primär und Sekundärwindungszahl. Ansonsten verhält sich der Transformator im Leerlauf exakt wie eine Induktivität, es ist dabei belanglos, ob eine Sekundärspule vorhanden ist oder wie sie ausgeführt ist. Leerlauf und Magnetisierung Der Effektivwert der induzierten Spannung kann über Φ 4,44 Φ berechnet werden. Im Leerlauf ist U q =U 2 und U q1 =U 1,so dass sich die Klemmenspannung wie bereits oben gezeigt genau wie die Windungszahlen verhalten. Leerlaufersatzschaltbild Leerlauf = Laststrom = 0 d.h. kein Spannungsabfall an L σ2 und R 2 deshalb kann im Ersatzschaltbild auf L σ2 und R 2 verzichten werden. Somit ergibt sich folgendes für den Leerlauf gültiges Ersatzschaltbild: I 0 Gegeben: U 1N ; I 0 ; P 0 Kurzschlußersatzschaltbild Der Transformator wird sekundär kurzgeschlossen und die anliegende Primärspannung soweit abgesenkt bis Nennstrom fließt. U 2 =0 U i =0 Relative Kurzschlussspannung [ 100% ] mit 100% 100%
Ersatzschaltbild: I 1N R K X K U 1K Belasteter Transformator Ist der Transformator sekundärseitig belastet, so bewirkt der Sekundärstrom im Eisen ein zusätzliches magnetisches Wechselfeld. Nach dem Gesetz von Lenz muss die durch den Sekundärstrom verursachte Magnetfeldänderung derjenigen, die durch den Primärstrom verursacht wird, entgegen gerichtet sein. Die effektive Magnetfeldänderung ist bei Belastung somit in der Primärspule geringer als im unbelasteten Fall. Dadurch ist auch U i kleiner und somit die effektive Spannung im Primärkreis größer. Als Folge davon wächst der Primärstrom. Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann: S 1 = S 2 Da die elektrische Scheinleistung S das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I ist: folgt: wenn die Ströme betragsmäßig aufgefasst werden. Da sich die Spannungen wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich dann die Ströme (genauer gesagt auch hier: deren Beträge) umgekehrt wie die Windungszahlen: Verhalten bei Nennbetrieb (Kappsches Dreieck) Aus dem vollständigen Ersatzschaltbild des Trafos lässt sich für den Leerlauf das linke Zeigerdiagramm entwerfen. Bei Belastung des Transformators lässt sich anhand des vollständigen Ersatzschaltbildes das genaue Verhalten herleiten. Bei ohmsch induktiver Last auf der Sekundärseite ergibt sich das rechte Zeigerdiagramm: Aus dem Zeigerdiagramm kann man unmittelbar ablesen: und mit wird:
Folglich: Der Magnetisierungsstrom ist unabhängig von der Last und in etwa proportional der Klemmenspannung. Eine Änderung des Sekundärstromes wirkt also unmittelbar auf den Primärstrom zurück! In der folgenden Betrachtung vernachlässigen wir zur Vereinfachung den Magnetisierungsstrom. Es gilt dann:. Die vereinfachte Ersatzschaltung (im nachfolgenden) ergibt sich dann zu: und Daraus ergibt sich das vereinfachte Zeigerdiagramm mit dem Kappschen Dreieck (siehe rechte Abbildung) Im vereinfachten Zeigerdiagramm unterscheiden sich die Spannungen auf der Primär und Sekundärseite durch ein Spannungsdreieck, welches Kappsches Dreieck genannt wird. Bei konstantem Betrag des Stromes ergibt sich die Ortskurve der Sekundärspannung als Kreis um die Primärspannung mit dem Radius/Z K wobei: Bestimmung der Sekundärspannung mit Hilfe des Kappschen Dreiecks. Siehe Abbildung rechts. Bei kapazitiver Last steigt die Sekundärspannung über den Leerlaufwert an! Trenntrafo Als Trenntransformator wird im engeren Sinne ein Transformator bezeichnet, der die Netzspannung von 230 V im Verhältnis 1:1 auf eine Wicklung mit sogenannter "sicherer elektrischer Trennung", einer verstärkten oder doppelten Isolation zum Netz, transformiert. Solche Trenntransformatoren werden zu Reparatur und Experimentierzwecken sowie zum Betrieb von Allstromgeräten eingesetzt, um bei Arbeiten an netzspannungsgespeisten Geräten oder Ausrüstungen die Gefahr eines Stromschlages zu verringern: Man erzeugt ein nicht mit der Erde verbundenes, freies Potential der Ausgangsspannung, weshalb bei Berührung kein Strom durch den Körper gegen Erde abfließen kann. Trenntransformatoren schützen nicht vor einem Stromschlag, wenn man beide Ausgangspole berührt. Um den Schutz aufrechtzuerhalten, dürfen Trenntransformatoren keinen Schutzleiter führen. Beim Anschluss von zwei Geräten am Trenntransformator müssen die Gehäuse der Verbraucher miteinander auf ein erdfreies gleiches Potenzial geführt werden ("erdfreier örtlicher Potenzialausgleich").
Allgemein ist jeder Transformator mit getrennten Wicklungen ein Trenntransformator jedoch ist die Isolierung oft nicht ausreichend sicher, um Personenschutz zu gewährleisten. Auch für Niederfrequenzsignale werden Trenntransformatoren gefertigt, entweder um sichere Netztrennung herzustellen oder Erdschleifen und damit verbundene Brummstörungen zu vermeiden. In der Nachrichtentechnik nennt man diese Transformatoren Übertrager. Durch einen Trenntransformator werden herkömmliche Arbeitsleuchten zu Sicherheitsleuchten. Trenntransformatoren sind "Lebensretter". Ab Trafoausgang besteht galvanische Trennung vom Stromnetz und somit auch arbeitsrechtlich vorgeschriebene Sicherheit für Berufe mit erhöhter Gefährdung. In Situationen, in denen ein Kabelbruch tödlich enden kann, z.b. bei Arbeiten innerhalb eines Metallbehälters, ist ein Trenntrafo unverzichtbar. Optimal ist der Einsatz von Sicherheitsleuchten. Dort ist der Trenntrafo fest in die Zuleitung integriert und kann deshalb nicht versehentlich vergessen werden. Parallelbetrieb von Transformatoren Es wird unterschieden zwischen dem Netzparallelbetrieb und dem Sammelschienenparallelbetrieb! Für Ausgleichströme ist es günstiger über lange Netzleitungen zu fließen, anstatt über die kurzen Sammelschienen. Ersatzschaltbild: R KI X KI R KII X KII Folgende 3 Bedingungen sind zum Parallelbetrieb zu erfüllen: 1) Gleiches Übersetzungsverhältnis, da sonst Ausgleichströme fließen. 2) Trafos in Parallelbetrieb sollten gleiche Eisenqualität haben, da sonst unterschiedliche I 2 I A 3) Übereinstimmung der relativen (u K ) Kurzschlussspannung, da so der Transformator mit dem kleineren u K den größeren Lastanteil übernehmen muss und er wird überlastet.
Gleichstrommotor Allgemeine Grundlagen Bei einem Gleichstrommotor handelt es sich um eine Maschine zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so wirkt auf ihn eine Kraft. Sie resultiert daraus, dass sich gleiche Magnetpole abstoßen und entgegengesetzte anziehen. In unserem Fall (Bild oben) wird das äußere Erregerfeld von einem Dauermagneten erzeugt. Die Leiterschleife, die drehbar gelagert ist, wird von dem Strom IA durchflossen und ruft so ebenfalls ein Magnetfeld hervor. Wirken beide Felder auf einander wird die Leiterschleife veranlasst, sich zu drehen. Die Pole des Feldmagneten sind durch N = Nordpol und S = Südpol gekennzeichnet. Die Leiterschleife, die sich im Luftspalt zwischen den Polen dreht ist durch einen Balken mit zwei Kreisen dargestellt (Bild a). Die Symbole und X im Inneren der Kreise zeigen die Stromrichtung innerhalb der Ankerwicklung. Zu Beginn unserer Darstellung ist die Leiterschleife parallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Wird nun eine Gleichspannung angelegt, fließt der Strom aus der untere Spulenhälfte (Punkt in Kreis) heraus und in die oberen Spulenhälfte (X im Kreis) wieder hinein (Bild b). Da die stromdurchflossene Leiterschleife ein eigenes Magnetfeldentwickelt, kommt es nun zu einer Überlagerung des Dauermagnetfeldes mit den Feldern der unteren und oberen Spulenhälften. a) b) c) d) Die Feldlinien des Dauermagneten zeigen stets vom Nordpol zum Südpol, wohingegen die Felder der Spulenhälften jeweils entgegengesetzte Richtung haben. Wir erkennen die Richtung durch die eingezeichneten Pfeile (Bild b). Dort, wo die Magnetfelder gleichgerichtet sind, verstärken sie sich. Dort, wo sie entgegengesetzte Richtung haben, werden sie geschwächt. Weil verstärkte, d.h. zusammengedrängte Feldlinien die Eigenschaft besitzen, sich voneinander abzustoßen, kommt es zu einer Kraftwirkung in Richtung des verminderten Feldbereichs. Diese ist durch weiße Pfeile gekennzeichnet ( Bild c + d ). Durch diese Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen Ende der Leiterschleife entsteht ein Drehmoment, welches die Rotationsbewegung der Leiterschleife bewirkt.
Aufbau Im wesentlichen besteht ein Elektromotor aus einem ruhenden Magneten (Ständer) und einer drehbaren Spule (Anker oder Läufer) mit dem Kollektor (Stromwender). Der Läufer oder Anker befindet sich auf einer Stahlwelle, auf der ein gepresstes Blechpaket aufgebracht ist um Wirbelströme zu vermeiden. Die Ankerwicklung, die aus einzelnen Teilspulen besteht, ist in die Nuten des Läufers eingelegt. Anfang und Ende einer jeden Teilspule sind mit den Lamellen des Stromwenders verbunden. Oft besitzen Läufer einen Lüfter. Der Ständer ist der feststehende, äußere Teil des Motors, der unter anderem die Aufgabe hat das Erregerfeld zu erzeugen. Er besteht aus dem Eisenkern und den Polschenkeln, die die Ständerwicklung, auch als Erregerwicklung bezeichnet, tragen. Der Kollektor besteht aus einzelnen, voneinander isolierten Hartkupferlamellen, die über Kohlebürsten den Stromfluss durch den Läufer herstellen. Die Kohlen werden durch Bürstenhalter auf den Stromwender gedrückt. Ihr Druck wird mit einer Feder reguliert. Entstehende Wärme muss vom Motor nach außen abgeführt werden. Je besser die Wärme abgeführt werden kann, um so kleiner kann der Motor bei gleicher Leistung gebaut werden Grundprinzip Motor und Generator Unter einer Gleichstrommaschine versteht man einen Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird. Der Gleichstromgenerator wandelt mechanische Energie in Gleichstrom um. Die GM besteht aus einem unbeweglichen Teil, dem Stator, und einem beweglichen Teil, dem Rotor. Die meisten GM sind als Innenläufer ausgeführt: der Rotor ist der innere Teil, der Stator der äußere. Bei konventionellen GM besteht der Stator aus einem Elektromagneten oder bei kleineren Maschinen aus einem Permanentmagneten. Der Rotor wird bei konventionellen Maschinen Anker genannt. Die Wicklung des Ankers wird über den Kommentator angeschlossen. Die Kontakte ( Bürsten ) des Kommutators sind so aufgebaut, dass sie während der Drehung ständig die Polung der Ankerwicklung wechseln. Sie sind aus einem Material gefertigt, welches gut elektrisch leitet, sich im Betrieb leicht abreibt und sich somit selber schmiert ( meistens enthalten sie Graphit ). Beim Generator wird durch die Funktion des Kommutators aus dem Wechselstrom des Rotors Gleichstrom. Kommutator eines großen Elektromotors In der Elektrotechnik wird mit Kommutator (von lat. commutare vertauschen) oder Stromwender eine Einrichtung zur Stromwendung in elektrischen Maschinen bezeichnet. Die Stromwendung ist zur Bereitstellung eines relativ zur Wicklung drehenden oder wandernden Stromes notwendig und für viele elektrische Maschinen essentiell notwendig. Stromwendeeinrichtungen sind klassisch als Lamellen Bürste System ausgeführt ( Gleichstrommaschine); bei neuzeitlichen Elektronikmotoren werden elektronische Ventile verwendet (Transistoren, Thyristoren, Triacs), die von einer elektronischen Rotorlageerkennung angesteuert werden
(elektronische Kommutierung). (siehe Buch Elektrische Maschinen S.33) Kollektor 1: Ankerachse 2: Kollektor 3: Wicklungskontaktierung 4: Wicklungskopf mit Bandage 5: Eisenkern des Ankers mit Wicklungsnuten Übermäßige Funkenbildung am Kommutator muss vermieden werden, da die dabei entstehende Hitze zu einem sehr schnellen Verschleiß führen würde. Da man Anfang des 20. Jahrhunderts noch keine so guten Isolierwerkstoffe hatte wie heute, war man wegen der Funkenbildung an den Kommutatoren großer Elektromotoren gezwungen, die Frequenz des Bahnstroms auf 16 2 / 3 Hz zu senken; so große Motoren mit 50 Hz (wie aus dem öffentlichen Netz) und Hochspannung zu betreiben, war damals nicht möglich.
Erzeugung einer Gleichspannung Rotiert ein Gleichstromanker im Ständerfeld der Luftspalt Flussdichte B, so wird in den Leiterstäben entlang des Umfanges nach Uq = B*l*v eine Spannung induziert. Durch die Reihenschaltung der Spulen addieren sich deren Spannungen Usp zwischen benachbarten Kohlebürsten und bilden in ihrer Summe die Quellenspannung der Maschine. Der Stromwender sorgt wieder dafür, dass stets der Maximalwert und damit eine Gleichspannung an den Ankerklemmen auftritt.der Aufbau einer Gleichstrommaschine gestattet ohne Änderungen den Motor und Generatorbetrieb. Die in der An
kerwicklung induzierte Gesamtspannung zwischen den Kohle bürsten hat beim Generator die Funktion einer Quellenspannung, beim Motor wirkt sie als induzierte Spannung der von außen angelegten Spannung entgegen. Polteilung Gleichstrommaschinen werden in der Regel nicht nur mit zwei Hauptpolen ausgeführt sondern haben meistens eine höherpolige Ausführung. Der Bereich eines Poles am Ankerumfang, die Polteilung τp berechnet sich aus dem Ankerdurchmesser da und der Polpaarzahl p Erzeugung eines Drehmoments Die Grundkonstruktion einer Gleichstrommaschine kann am Beispiel des Motorbetriebs anschaulich als Anwendung des Kraftwirkungsgesetzes nach F = B*L*I erklären. Man benötigt danach ein Magnetfeld der Flussdichte B im Luftspalt der Feldpole und darin drehbar angeordnet Leiter der Länge l, die einen Strom I führen. Die Stromzufuhr muss dabei so erfolgen, dass stets alle Leiter eines Polbereichs gleichsinnig durchflossen sind. In dem nachstehenden Bild sind alle wesentlichen Bauteile der Gleichstrommaschine enthalten.
Prinzipieller Aufbau einer Gleichstrommaschine
Der feststehende Ständer aus massivem Eisen trägt einen Elektromagneten, dessen Erregung die zum Aufbau des Feldes erforderliche Durchflutung liefert. Die Enden des Magneten, die Hauptpole, sind nach innen durch sogenannte Polschuhe erweitert, um gleichzeitig eine möglichst große Leiterzahl zu erfassen. Den äußeren magnetischen Rückschluss stellt der Jochring sicher. Rheinische Fachhochschule Köln Dipl. Ing. U. Hamm Grundlagen der elektrischen Maschinen und Antriebe 4. Semester Formel Einheit Bezeichnung Bemerkungen M =I Ψ Nm Drehmoment U = R I + Ω Ψ V Spannung Ia = U / R A Anlaufstrom Ma = Ia Ψ Nm Anlaufmoment Ω0 = U / Ψ rad/s Leerlaufdrehzahl P = M Ω W Mechanische Leistung Leistungsbetrachtung Pe = U I W Elektrische Leistung Pv = R I ² W Rotorverlustleistung im Rotor (Anker) Symbol Einheit Bezeichnung Bemerkungen M Nm Drehmoment Ω rad/s Drehzahl 1500 U/min sind 157 rad/s U V Spannung für den Rotor (Anker) I A Strom für den Rotor (Anker) R Ω Rotorwiderstand Ψ Vs Flussverkettung n Index für Nennwert
Das Nennmoment Mn ist die maximale zulässige Belastung, bei dem die entstehende Verlustwärme Pvn = R* In² [W] den Antrieb nicht überhitzt. Die Nenndrehzahl Ωn ist die Motordrehzahl, welche sich bei Nennspannung Un und Nennbelastung Mn einstellt, dann fließt auch der 2 poliger Gleichstrommotor Nennstrom In [A]. In diesem Betriebspunkt gibt der Motor seine Nennleistung Pn = Mn* Ωn [W] ab und nimmt die Nennleistung Pen = Un* In [W] auf. 4 poliger Gleichstrommotor
Grundgleichungen der Gleichstrommaschine Kraft: F = ( Bx I )*l [B]=magn.Flußdichte= 1T =WS/m² Spannung: U = ( B x ν ) *l Induzierte Spannung: Uq = c * Φ * n c: Maschinenekonstante [Φ ] = magn.fluß = Wb = Ws Uq = L* Δl/Δt [ L ] = Induktivität = 1H = Vs/A Maschinenkonstante: c = 4* p * N p= Polpaare; N= Windungszahl Zeit T für Umdrehung um Polteilung T= 1/n = 1/ 2p Moment: M =Uq* IA/ 2*π*n Drehzahl: n = UA IA*RA/ c*φ Verluste: Pv = I²A * RA Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine
Rmf ist der magnetische Widerstand des Feldkreises. Das Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine hängt davon ab, wie die Erregerwicklung geschaltet ist. Man unterscheidet prinzipiell drei Arten der Schaltung von Erregerwicklungen ( Wie in den nächsten Kapiteln beschrieben ). Reihenschlussmaschine Eine Reihenschlussmaschine wird auch Hauptschlussmaschine genannt. Bei dieser Art von GM Maschine sind die Erregerwicklung und Ankerwicklung in Reihe geschalten. Dadurch wechseln Erregerfeld und Ankerstrom ihre Richtung synchron, so dass eine Speisung mit Wechselstrom möglich ist. Solche Maschinen wurden als Bahnantriebe in Wechselstromnetzen eingesetzt. Unter dem Begriff Universalmotor oder Allstrommotor werden die Antriebe von Haushaltsmaschinen, Bohrmaschinen etc. zusammengefasst. Schematische Darstellung: Ersatzschaltbild Die Drehzahl von Reihenschlussmotoren ist stark lastabhängig. Sinkt das abgegebene Drehmoment, so steigt wegen des geringeren Stroms und der damit einhergehenden Feldschwächung die Drehzahl des Ankers. Das kann so weit führen, dass der Motor "durchgeht", was bedeutet, dass sich der Motor wegen der auftretenden Fliehkräfte selbst zerstört. Deshalb sollten Reihenschlussmotoren mit einer Grundlast (Motorlüfter, Getriebe etc.) betrieben werden.
Die erste Grundgleichung ergibt: Die zweite Grundgleichung ergibt: Somit gilt für die Drehzahl Drehmomentkennlinie: Drehzahl Drehmomentkennlinie
Der Reihenschlußmotor zeigt eine starke Abhängigkeit des Drehmomentes von der Drehzahl: weiche Drehzahlkennlinie. Dadurch ist er besonders geeignet für Traktionszwecke ( Bahnmotoren ). Er verbindet ein hohes Anzugsmoment ( η= 0 ) mit hoher Drehzahl bei kleinem Drehmoment. Wichtiger Hinweis: Der Reihenschlußmotor darf nicht völlig mechanisch entlastet werden; wegen des fehlenden Flusses geht sonst η, d.h. der Motor würde durchdrehen. Die Drehrichtungsumkehr ist nur durch Umpolung der Feld oder Ankerwicklung möglich. Wegen der Reihenschaltung von Feld und Ankerwicklung wirkt das Moment unabhängig von der Stromrichtung immer in die gleiche Richtung. Deshalb ist der Reihenschlußmotor auch mit Wechselspannung betreibbar. (Eisenteile müssen zur Verringerung der Wirbelströme geblecht werden.) Der Einsatz als Wechselstrom Bahnmotor oder bei kleiner Leistung ( bis ca. 500W) als Universalmotor, d.h. Betrieb mit Gleich oder Wechselspannung ( Hausgeräte, Elektrowerkzeuge ) ist üblich. Der Vorteil des Universalmotors: Der Drehzahlbereich ist nicht nur durch eine Leerlaufdrehzahl beschränkt. Nebenschlussmaschine Bei der Nebenschlussmaschine sind Erreger und Ankerwicklung parallel geschaltet. Wechselspannungsbetrieb ist nicht üblich, da hierfür Erregerund Ankerstrom in Phase sein müssten, d.h. gleiche Induktivität und Widerstand haben müssen. Oft wird nicht zwischen Nebenschluß und fremderregter Maschine unterschieden und dabei übersehen, dass eine Verringerung der Ankerspannung zu einer Feldschwächung führt. Schematische Darstellung:
Ersatzschaltbild Nebenschlußmaschine Drehzahl Drehmoment Kennlinie Nebenschlussmaschine: Die Drehzahl n lässt sich durch folgende Maßnahmen einstellen 1. Ankerkreisvorwiderstand Rv verändern Die beiden Nachteile dieser Maßnahme sind: hohe Verluste starke Abhängigkeit der Drehzahl vom Ankerstrom 2. Fluß über If einstellen Die Drehzahl n ist proportional 1/Ф, weil bei kleinerem Fluß eine höhere Drehzahl erforderlich ist, um ein Spannungsgleichgewicht zu erzielen.flußschwächung bedeutet Drehzahlerhöhung. ( Übliches Verfahren der Drehzahleinstellung ). Es ist allerdings zu kleinen Drehzahlen hin beschränkt, da wegen Sättigung nicht ein beliebig großer Fluß realisierbar ist.
Drehzahl Drehmomenten Kennlinie mit Rv als Parameter Wirkung des Ankervorwiderstandes: Der Ankervorwiderstand RV dient als Anlasser zur Begrenzung des Anfahrstromes am Gleichstromnetz konstanter Spannung ( z.b. bei Gleichstrombahnen ). Der Ankerkreisvorwiderstand RV begrenzt zwar den Ankerstrom IA, verkleinert aber gleichzeitig das Drehmoment Mi = CMASCH/( 2π* Ф* IA ), d.h. die Drehzahlkennlinie wird weicher. ( Achtung, zusätzliche Verluste ) Fremderregte Gleichstrommaschine Ersatzschaltbild Drehzahl Drehmoment Kennlinie der fremderregten GM
Drehzahl Drehmomenten Kennlinie der fremderregten GM Das Verhalten der fremderregten Maschine ist wie folgt beschrieben: Die Leerlaufdrehzahl n0 ist durch UA und Ф steuerbar. Hieraus lässt sich das das Kennlinienfeld Drehzahl über Drehmoment ermitteln. Parameter ist die Klemmenspannung UA bezogen auf die Nennspannung UAN, der Fluß Ф ist konstant. Mit der ersten Grundgleichung folgt: die Drehzahl n erhält: daraus erhält man:
Doppelschlußmaschine Der Doppelschlussmotor vereinigt die Eigenschaften des Neben und Reihenschlussmotors in einer Maschine. Er hat eine Reihenschluss und eine Nebenschlusswicklung. Je nach Auslegung hat der Doppelschlu?motor unterschiedliches Betriebsverhalten. Bei richtiger Kompoundierung hat er ein etwas geringeres Anzugsdrehmoment als ein gleichwertiger Reihenschlussmotor. Bei Leerlauf geht er nicht durch. Wird der Doppelschlussmotor überkompoundiert, so hat er vorwiegend Reihenschlussverhalten, also ein hohes Anzugsmoment aber eine instabile Drehzahl. Bei Unterkompoundierung hat er überwiegend Nebenschlussverhalten also hohe Drehzahlstabilität aber geringeren Anzugsmoment. Der Doppelschlussmotor wird wegen seines gleichen Drehzahl Drehmoment Verhaltens zum Antrieb von Pressen und Stanzen verwendet. Ersatzschaltbild RA IE Uq RE IE RE Drehzahl Drehmomentkennlinie
Gleichstrommaschinen: a) GS Reihenschlußmaschine b) GS Reihenschlußmaschine c) GS Fremderregter Motor d) GS Doppelschlußmaschine Einsatz und Anwendungen
Die Drehzahl und das Drehmoment lassen sich bei Gleichstrommotoren sehr einfach steuern. Zusätzlich verfügt sie über eine hohe Rundlaufgüte. Es gibt sehr kleine Motoren mit einer Leistung von unter einem Watt, die für Feinwerktechnik konstruiert werden. Großmotoren, die mit einer Spannung von 1500 V betrieben werden nehmen über 10.000 kw Leistung auf. Sehr weit verbreitet sind Motoren bis ca. 100 W. Viele von ihnen werden durch Dauermagneten betrieben. Oft finden sie in Kraftfahrzeugen Einsatz, wo sie als Scheibenwischer, Gebläse und Stellmotoren (Servomotor) verwendet werden. Ein typisches Einsatzgebiet sind Orte, wo nur Akkumulatoren oder Batterien für eine Stromversorgung möglich sind. Auch in der Industrie kommen Gleichstrommotoren in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Robotern und Walzstraßen vor. Ihre Bandbreite geht von Antriebsmotoren für Nahverkehrsbahnen bis hin zu elektrischen Miniaturmodellen von wenigen Millimetern Größe. Aufgrund des hohen Anlaufdrehmoments und der guten Steuerbarkeit der Fahrgeschwindigkeit über die Betriebsspannung findet dieser Motor vor allem in Straßenbahnen und Lokomotiven Verwendung. Auch in Hebezeugen und als Autoanlasser usw. wird er gerne eingesetzt. Bremsen der Gleichstrommaschine Bei der elektrischen Bremsung des Antiebes wirkt das Drehmoment der Maschine der Bewegungsrichtung entgegen. Die den Bremsvorgang einleitende Schalthandlung führt zum generatorischen Betrieb, in dem die Maschine als Generator auf Widerstände arbeitet ( Widerstandsbremsung ) oder in das Netz zurückspeist ( Nutzbremsung ) oder zum Gegenstrombetrieb, in dem die Maschine im gegenläufigen Drehsinn an das Netz geschaltet wird ( Gegenstrombremsung ). Betriebsarten Einquadrantenbetrieb Halbgesteuerte Antriebe Vollgesteuerte Antriebe Vierquadrantenbetrieb weiteres folgt