Grundlagen der Konsultation 12: Elektrische aschinen 1. Einleitung Bei den elektrischen aschinen unterscheidet man Transformatoren, Gleichstrommaschinen, Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen. Daneben existieren weitere otorentypen und -bauformen, die hier nicht weiter erläutert werden. Wir behandeln exemplarisch die wichtigsten Eigenschaften zweier Bauformen von Gleichstrommaschinen und der Asynchronmaschinen. 2. Gleichstrommaschinen Gleichstrommaschinen funktionieren mit Gleichstrom. Je nach Ausführung ist auch ein Betrieb mit Wechselstrom möglich. In der gezeigten aschinen fließen zwei Ströme ein Strom, der das agnetfeld erzeugt ein Strom, auf den eine Kraft (Lorentzkraft) wirkt Aufgabe: 1) Welcher Teil des otors dreht sich, und welcher Teil ruht? 2) Kennzeichnen Sie die Spulenwicklungen, die das agnetfeld erzeugen! 3) Kennzeichnen Sie die Wicklung (nur eine eingezeichnet), auf die die Kraft wirkt! 4) Nehmen Sie die Richtung des Erregerstroms als gegeben. Durch welche Regel erklärt sich die Richtung des agnetfeldes? Rechte Handregel 5) Vorwiegend interessiert das agnetfeld O im Luftspalt zwischen Läufer und Ständer O das agnetfeld im Ständer O das agnetfeld im Läufer Elektrische aschinen 1/9
Elektrische aschinen 2/9
Reihen- und Nebenschlussmaschine Bei Nebenschlussmaschinen sind der Zweig, dessen Strom das agnetfeld erzeugt, und der Zweig, auf dessen Strom das mechanische oment wirkt, parallel geschaltet. Bei Reihenschlussmaschinen fließt derselbe Strom, der das agnetfeld erzeugt, auch durch die Wicklungen, auf die die Kraft wirkt. Aufgabe Schließen Sie die folgende aschine als Reihenschlussmaschine an. Verwenden Sie dazu nur eine Spannungsquelle! Schließen Sie die folgende aschine als Nebenschlussmaschine an. Verwenden Sie ebenfalls nur eine einzige Spannungsquelle! Was passiert nach einer 90 -Drehung am Kommutator? Eingezeichnet sind was unrealistisch ist und letztlich nur das Prinzip verdeutlichen soll zwei Wicklungen. Die Wicklung, die sich im agnetfeld befindet, wird mit Strom versorgt. Nach einer 90 -Drehung des otors wird die andere Spulenwicklung mit Strom versorgt, während die Wicklung, die sich nicht mehr im agnetfeld befindet, abgeschaltet wird. Elektrische aschinen 3/9
Reihenschlussmaschine (Universalmaschine) Der Strom, der das agnetfeld erzeugt, und der Strom, auf den das agnetfeld wirkt, sind identisch. N, Ia Ia() Strom und agnetfeld sind daher in Phase und wechseln insbesondere ihr Vorzeichen zum gleichen Zeitpunkt. N() Das führt dazu, dass die Reihenschlussmaschine auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Denn die =l I Lorenztkraft F B=l I B ändert ihr Vorzeichen nicht, wenn Strom und agnetfeld zugleich ihr Vorzeichen ändern! Da das B-Feld direkt proportional zum Strom ist, ist das oment der Reihenschlussmaschine proportional zu I². F I² oder I F. Die Drehzahl der Reihenschlussmaschine hängt besonders stark von der Last ab. Reihenschlussmaschinen kommen häufig in Haushaltsgeräten wie Staubsaugern vor. Die Abhängigkeit der Drehzahl von der Last hören Sie sofort, wenn Sie das Saugrohr des Staubsaugers verstopfen. Eine Reihenschlussmaschine, die auf Wechselstrombetrieb optimiert wurde, heißt Universalmaschine. Sie läuft nur als otor, nicht jedoch als Generator. N, Ia Nebenschlussmaschine: Die Ströme in beiden Zweigen können unterschiedlich sein, denn in der Parallelschaltung ist zwar die Spannung in jedem Zweig identisch, der Strom aber in der Regel nicht. Ia () N0 N() Nb generatorisch Iab motorisch Die Nebenschlussmaschine (und ähnlich die permanenterregte und die fremderregte aschine) ändert ihre Drehzahl kaum bei Belastung. Der Zusammenhang von Drehzahl und Lastmoment ist zudem linear. Die Nebenschlussmaschine kann auch als Generator betrieben werden. b Aufgabe: Ordnen Sie einander zu. N= (1) Reihenschlussmaschine (2) harte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (2) Nebenschlussmaschine (1) weiche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie Ua 2π k Φ Ra 2π ( k Φ ) 2 (2) nahezu konstante Drehzahl (1) variable, von der Last abhängige, Drehzahl (1) hohe Leerlaufdrehzahl kφ ist bei der Nebenschlussmaschine von UA abhängig; es ist nur bei fremderregter und permanenterregter aschine eine Konstante. Aufgabe: Das agnetfeld im Luftspalt kann bei kleineren otoren auch durch einen Permanentmagneten erzeugt werden. Der permanenterregte otor hat O Reihenschlussverhalten Nebenschlussverhalten, denn das agnetfeld hängt nicht vom Ankerstrom ab. Elektrische aschinen 4/9 O
Elektrische aschinen 5/9
3. Asynchronmaschine Die Asynchronmaschine besteht in der einfachsten Form aus zwei Bestandteilen: a) eine Vorrichtung, die ein Drehfeld erzeugt b) ein Ring aus leitfähigem aterial (z. B. Aluminium), der durch das agnetfeld angetrieben wird Die Frage, ob ein Kurzschlussläufer vorliegt oder ein Schleifringläufer, bezieht sich darauf, ob der felderzeugende Strom im Stator (Kurzschlussläufer) oder im Läufer (Schleifringläufer) fließt. Drehfeld Ein Drehfeld wird im einfachsten Fall mit drei Spulen erzeugt (siehe Bild). Das Zeichen (.) deutet einen Spulenstrom an, der dem Betrachter entgegenkommt, das Zeichen (x) deutet einen Spulenstrom an, der sich vom Betrachter wegbewegt1. Die jeweils gegenüberliegenden Ströme sind gleich groß, weil sie zu ein und derselben Spule gehören. Die Ströme in den verschiedenen Spulen haben einen Phasenversatz von 120 zueinander. Addiert man die B-Felder der drei Spulen, so ergibt sich das eingezeichnete Feld. Aufgabe: Vollziehen Sie mit der rechten Handregel nach, dass das agnetfeld in die eingezeichnete Richtung zeigen muss. Antrieb Wir ordnen einen leitfähigen Ring so an, dass das agnetfeld die Ringfläche senkrecht durchstoßen kann. Wenn sich das agnetfeld im Ring ändert, wird eine Spannung im Ring induziert, die zu einem Stromfluss im Ring führt. Die Ursache für den induzierten Strom ist die Änderung des agnetfeldes ( u= d / dt ). Da der Strom seiner Ursache entgegenwirkt, muss der induzierte Strom einer Änderung des Abbildung 1: http://www.physnet.unifeldes entgegenwirken. hamburg.de/ex/html/versuche/elmag/e10_13/dsm.jpg Das geschieht durch eine Drehung des Ringes mit (näherungsweise) der Drehgeschwindigkeit des Feldes. 1 Die Symbolik ist selbsterklärend: Wenn der Pfeil sich fortbewegt, sieht man die Federn wenn er sich nähert, sieht man die Spitze. Elektrische aschinen 6/9
Drehzahl des Drehfeldes (Synchrondrehzahl) Das Drehfeld dreht sich mit der Frequenz ND = fs zp. Hierbei ist fs die Netzfrequenz (50 Hz in Europa, 60 Hz in den USA) und zp die Polpaarzahl. Die Polpaarzahl sagt aus, aus vielen Paaren aus Nord- und Südpol das agnetfeld besteht. Wenn Sie die Anzahl der Pole nicht anhand der Spulenanordnung nachvollziehen möchten, können Sie die Polpaarzahl durch essen der Leerlaufdrehzahl bestimmen. Diese stimmt mit der Synchrondrehzahl überein. Polpaarzahl zp = 1 Polpaarzahl zp = 2 Schnittbild mit Kurzschlussläufer Beim Kurzschlussläufer gibt es mehr als eine Kurzschlussschleife, so dass unabhängig vom Drehwinkel des Läufers eine geeignete Kurzschlussschleife vorhanden ist. Um eine besonders große induzierte Spannung d u ind = N (und somit einen besonders großen dt Induktionsstrom) zu erhalten, muss man eine Fläche betrachten, durch die momentan kein magnetischer Fluss hindurchtritt (rechtes unteres Bild, rote aximale Steigung Linie). im Nulldurchgang d einer dt sinusförmigen Größe ist nämlich im Nulldurchgang =0 besonders groß! Die Änderung Die Kraftwirkung auf den Läufer kann man sich über die Lorentzkraft auf den induzierten Strom erklären. Elektrische aschinen 7/9
Schlupf Ohne Last dreht sich der otor mit der Drehzahl des agnetfeldes. Bei stärkerer Last kommt der Läufer dem Feld nicht mehr hinterher. Er dreht sich langsamer als das Drehfeld. an sagt, der otor habe Schlupf. Der Schlupf ist die Drehzahl-Differenz zwischen Ständerdrehfeld und Läufer, meist angegeben als Prozentwert bezogen auf die Drehfelddrehzahl. Er liegt bei otornennleistung, je nach otorgröße zwischen 1,2% und 10% der Drehfelddrehzahl. Kleinere Drehstrommotoren haben schlechtere Wirkungsgrade und demzufolge die größeren Schlupfwerte: s= n D n2 mit nd = Drehfelddrehzahl und n2 = Läuferdrehzahl nd Kennlinie Den prinzipiellen Verlauf der Kennlinie sollten Sie aus dem Kopf zeichnen können. Insbesondere sollten Sie verinnerlichen: 1) Die Bedeutung der Leerlaufdrehzahl: Sie liegt vor, wenn die aschine ohne Last fährt. 2) Die Tatsache, dass die Drehzahl im otorbetrieb stets kleiner ist als die Leerlaufdrehzahl (Abfallen der Kurve). 3) Die Tatsache, dass die Drehzahl im Generatorbetrieb stets größer ist als die Leerlaufdrehzahl. 4) Die Bedeutung des Kippmoments: Wenn ein höheres oment (z. B. ein zu hebendes Gewicht) als das Kippmoment benötigt wird, bleibt die aschine stehen. 5) Die Bedeutung des Anlaufmoments: Eine aschine, die beim Start einem höheren oment ausgesetzt ist, startet nicht, obwohl sie diese Last möglicherweise im vollen Betrieb bewältigen könnte. Die Kloss sche Formel beschreibt die Kennlinie näherungsweise: 2 = S Sk k + Sk S Elektrische aschinen 8/9
Elektrische aschinen 9/9