3. Gleichstrommotor - Drehmoment-Drehzahl

1. Allgemeines .....................................................................................................................2
1.1. Verwendete Geräte .......................................................................................................... 2
1.2. M essgeräte:...................................................................................................................... 3
2. Asynchronmotor ............................................................................................................4
2.1. Aufgabenstellung............................................................................................................. 4
2.2. M essaufbau...................................................................................................................... 4
2.3. Vorgangsweise ................................................................................................................ 5
3. Gleichstrommotor - Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie ............................8
3.1. Aufgabenstellung............................................................................................................. 8
3.2. M essschaltung / M essaufbau........................................................................................... 8
3.3. Vorgangsweise ................................................................................................................ 8
3.4. M essergebnis ................................................................................................................... 9
3.5. Diagramme .................................................................................................................... 10
3.6. Berechnung.................................................................................................................... 11
3.7. Diskussion..................................................................................................................... 11
4. Gleichstrommotor – Leerlaufkennlinie n = f(IE) ....................................... 12
4.1. Aufgabenstellung........................................................................................................... 12
4.2. Vorgangsweise .............................................................................................................. 12
4.3. M essschaltung / M essaufbau......................................................................................... 12
4.4. M essergebnis ................................................................................................................. 12
4.5. Diagramm ...................................................................................................................... 13
4.6. Diskussion..................................................................................................................... 13
-1-
1. Allgemeines
1.1. Verwendete Geräte
Geräte-Platz 11
Schleifringläufer
EW HOF VDE 0530/1284
UNI LINZ 31 000 000 5138 0000
HP 19910101
Typ L01-71L-DS2 No. 302288
Bauform B3; 50 Hz,
cos = 0.78; 2850 U/min
22/380 V; 0,7/0,4 A; 0,1 kW
Nebenschlussmaschine
UNI LINZ 31 000 000 5139 0000
133100
HP 19910101
Nr. 2501
M agnetpulverbremse
VDE 0530/1172
Nr. 304724; 2518
Bremse No. 0367
1,5 Nm; 3000 U/min; max. 6000 U/min
Tachogenerator
EW HOF
VDE 05301172
L91-91-TD1G
Nr. 286528
10 V / 15 W (max. 45W)
Spannungsversorgung
3 Phasig Nr. 2291
Schalter dreipolig
Nr. 2232
Steuergerät für M agnetpulverbremse
Nr. 2518.1
3100 0000 5137 0000
19910101
Gleichspannungsversorgung
0 ... 250 V
Nr. 2525
-2-
1.2. Messgeräte:
M X 40:
M X 47
Nr. 540-00/95 0006
Nr. 9124 4056 0504
Nr. 9133 4356 0028
Nr. 9124 4056 0516
Nr. 9240 4952 0135
Nr. 88052925
Nr. 88052918
Anmerkung:
Während der M essung an der Gleichstrommaschine fielen die Batterien bei dem M ultimeter
M X 47 88052918 aus. Leider können wir nicht den genauen Zeitpunkt festlegen, wann diese
Umstände zu einer M essbeeinflussung geführt haben.
-3-
2. Asynchronmotor
2.1. Aufgabenstellung
Nehmen Sie die Drehmoment – Drehzahl – Kennlinie für jeweils drei verschiedene
Widerstände auf (0 , 23,5
und 38,2 ). Dabei kann man die am Schaltpult integrierten
Widerstände benützen. Wichtig ist dabei die Vorgangsweise, um nicht unnötige M essfehler in
die Ergebnisse zu bekommen. Ergänzen Sie die folgende Tabelle für jeden dieser Widerstände
und zeichnen Sie die Ergebnisse in ein Diagramm.
RL
-1
n
min
I
A
M
V
M
Nm
2800
2600
2400
2200
2000
1750
1500
1250
1000
2.2. Messaufbau
Die M agnetpulverbremse, hier in der Skizze rechts vom M otor ermöglicht eine genaue
Kennlinienaufnahme, wobei dieses mit dem Tachogenerator zuerst verbunden werden muss.
Zusätzlich müssen die Temperaturfühlereingänge des M otors mit dem Steuergerät verbunden
-4-
500
sein. Der Betriebswahlschalter muss auf Regelung geschaltet werden und der
Regelungswahlschalter auf n. Um das Steuergerät in Betrieb zu nehmen, muss zuerst der
Sollwertpotentiometer auf Null stehen. Um die Temperaturfühlereingänge zu testen, kann
man die Verbindung trennen und danach müssen beide roten LED ’s aufleuchten.
Bevor man das Drehmoment messen kann, muss die Anzeige am M ultimeter durch Einstellen
des Widerstands und des Kondensators angeglichen werden. Diese Spannung am M ultimeter
soll sich im mV – Bereich finden. Zuletzt lassen Sie den Aufbau durch einen Tutor der
Übungsleiter kontrollieren.
2.3. Vorgangsweise
Nachdem Sie den M otor eingeschaltet haben, können Sie die Drehzahl mittels der Bremse
regeln. Nun kann man das M oment und die Umdrehungen des M otors durch die am
Steuergerät angehängten M ultimeter ablesen und in die M esstabelle eintragen. Da die
Wicklungswiderstände bei M otoren meist sehr temperaturabhängig sind, sollte man erstens
den M otor einige M inuten warm laufen lassen und danach die M essungen in möglichst
gleichmäßiger Zeit durchführen. Zusätzlich muss zwischen den M essungen immer 30
Sekunden die M agnetpulverbremse ausgeschaltet werden. Auch die Reihenfolge der
M essungen spielen eine große Rolle. Nehmen Sie die M esspunkte in der Reihenfolge 200
min-1 , 2800 min-1 , 1000 min-1 , 2600 min-1 ... auf. Stellen Sie dazu den Wert der
Umdrehungen so genau wie möglich ein und messen Sie zum Schluss den Leerlauf. Dies soll
für alle Widerstände wiederholt werden (0 , 23,5 und 38,2 )
2.4. Messergebnis
Das M oment in Newtonmeter kann man durch die Spannungsmessung am Steuergerät
umrechnen. 1 Volt entspricht 0,15 Newtonmeter. Wie schon unter dem Punkt 2.2. M essaufbau
erklärt, musste vor jeder M essung das M ultimeter abgeglichen werden. Leider schwankte
dieser Wert während den M essungen sehr stark. Obwohl es zu Beginn auf meist weniger als
20mV eingestellt wurde, hatte es während der Betriebszeit gelegentlich einen Wert von 100
bis 200 mV. Leider konnte dieser M essfehler nicht in der Rechnung berücksichtigt werden, da
dieser Wert nie genau bekannt war.
Abgleich M O = 13.5 mV
RL
n
min-1
2800
ntatsächlic min
-1
2600
2400
2200
0
2000
2602
2402
2193
1750
1500
1250
1000
500
1246
1004
500
2948
2804
2000
1755
1495
0.373 0.564 0.736 0.899 1.023
1.26
1.244 1.344 1.423 1.505
8.20
8.15
h
I
A
0.32
M
V
0.190 2.389
M
Nm
4.95
6.50
7.42
8.08
0.029 0.358 0.743 0.975 1.113 1.212 1.23
M esstabelle für die M essergebnisse für 0
-5-
7.99
7.90
7.20
1.223 1.199 1.185
1.08
Abgleich M O = 41 mV (schwankte im Betrieb von 10 mV und 120 mV)
RL
23.5
min
-1
ntatsächlic min
-1
n
2902
2800
2600
2400
2200
2000
1750
1500
1250
1000
500
2807
2606
2396
2200
2004
1748
1502
1250
1003
505
h
I
A
0.324 0.322 0.372
0.46
0.55
0.64
0.745 0.836 0.918 0.999 1.138
M
V
0.155 0.795
3.7
4.7
5.85
6.85
7.28
7.75
8.11
8.60
M
Nm
0.023 0.119 0.349 0.555 0.705 0.878 1.028
M esstabelle für die M essergebnisse für 23.5
1.09
1.163 1.127
1.29
2.33
Abgleich M O = 12.5 mV
RL
min
-1
ntatsächlic min
-1
n
38.2
2800
2600
2400
2200
2000
1750
1500
1250
1000
500
2873
2800
2603
2396
2205
1995
1750
1505
1251
997
497
h
I
A
0.326
0.32
0.35
0.4
0.46
0.535
0.62
0.695
0.77
0.84
0.96
M
V
0.05
0.53
1.765
2.89
3.79
4.66
5.6
6.35
6.95
7.4
8.2
M
Nm
0.008 0.079 0.265 0.434 0.569 0.699 0.84 0.953 1.043
M esstabelle für die M essergebnisse für 38.2
1.11
1.23
-6-
2.5. Diskussion
Wie schon im Skript unter Punkt 6.2.5 erläutert wird das Kippmoment nach links verschoben,
wenn ohmsche Widerstände an die Läuferwicklungen gehängt werden und diese dann in Stern
geschalten werden. Je größer der Widerstand ist, desto weiter verschiebt sich die Kurve nach
links, wie man an dem Beispiel oben erkennen kann. Bei keinem Widerstand kann man sofort
das Kippmoment erkennen, da es sich ungefähr um 1750 Umdrehungen befindet. Dieses
Verfahren wird meist beim Anfahren von M aschinen verwendet. Dort werden nach der Zeit
die Widerstände verringert um immer möglichst ein starkes Drehmoment zu erreichen.
Damit stimmt das Ergebnis mit den Erwartungen überein, dass die Drehmomentkurven bei
steigenden ohmschen Widerstand immer weiter nach links verschoben werden.
-7-
3. Gleichstrommotor Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
3.1. Aufgabenstellung
Bauen Sie die Schaltung entsprechend Skript-Abbildung 6.24 auf. (siehe ebenfalls Pkt.
M essaufbau) Flanschen Sie dabei die M agnetpulverbremse links und den Tachogenerator
rechts am M otor an. Für den Anschluss und die Funktionsprüfung des Steuergerätes gilt
dasselbe wie bei der Asynchronmaschine.
M essen Sie bei verschiedenen Drehzahlen (Leerlaufdrehzahl, nächste durch 50 teilbare
Drehzahl und weiter in 50er Schritten). Beachten Sie dabei folgende Grenzen: 1) Bremsen Sie
-1
den M otor nicht unter 1300 min 2) Der Ankerstrom darf 1,1 A nicht überstiegen.
M essen Sie anschließend den Erregerstrom ohne und mit dem 400 Widerstand. Nehmen Sie
dann wieder die M-n-Kennlinie mit dem 400 Widerstand im Erregerkreis auf.
Zeichnen Sie die Kennlinien M(n), (n)
3.2. Messschaltung / Messaufbau
3.3. Vorgangsweise
Aufbau:
Umbau der M essschaltung aus der M essung mit der Asynchronmaschine. (M essaufbau lt.
Schaltung)
Ersetzten der Asynchronmaschine durch die Gleichstrommaschine, Anflanschen von
Tachogenerator und M agnetpulverbremse. Bei Beschalten mit Gleichspannungsversorgung,
-8-
beachten, dass Spannungsregler auf Linksanschlag steht (0)! Für die Einstellungen am
Steuergerät gilt dasselbe wie für den M essaufbau der Asynchronmaschine.
Temperaturfühler, Kopplung mit M agnetpulverbremse, justieren der Ausgangsspannung
(M oment) auf minimalen Wert. Funktionsprüfung.
Aufnahme:
Warmlauf, Festlegung der zu messenden Drehzahlen, beginnen der M essung bei der höchsten,
Leerlaufdrehzahl am Ende.
3.4. Messergebnis
Drehmoment-Drehzahl Kennlinie für RE = 0 : M0 = 27,0 mV
min-1
A
V
Nm
W
W
%
V
A
V
nist
IAnker
M
M
PEl
PMech
UAnker
IErreger
UErreger
1580
0,085
0,045
0,007
33,10
1,12
3,4%
220,2
0,07
205,5
1548
0,138
0,44
0,066
45,22
10,70
23,7%
220,5
0,072
205,4
1500
0,25
1,37
0,206
69,49
32,28
46,5%
220,6
0,07
204,9
Drehmoment-Drehzahl Kennlinie für RE = 400
nist
IAnker
M
M
PEl
PMech
UAnker
IErreger
UErreger
-1
min
A
V
Nm
W
W
%
V
A
V
1672
0,09
0,015
0,00
31,42
0,39
1,3%
220,8
1651
0,14
0,37
0,06
42,45
9,60
22,6%
220,7
1601
0,23
1,05
0,16
62,20
26,41
42,5%
220,2
1447
0,35
2,24
0,336
91,76
50,91
55,5%
221
0,07
205,8
1351
0,58
3,92
0,588
142,46
83,19
58,4%
220,8
0,07
205,6
1300
0,69
4,7
0,705
166,45
95,98
57,7%
220,4
0,07
205,4
: M0 = 15,2 mV
1550
0,34
1,91
0,29
86,45
46,50
53,8%
220,3
-9-
1401
0,44
2,97
0,446
111,50
65,36
58,6%
220,4
0,071
204,5
1502
0,43
2,58
0,39
106,28
60,87
57,3%
220,3
0,064
180,5
1450
0,54
3,3
0,50
130,51
75,16
57,6%
220,3
1401
0,65
4,02
0,60
155,07
88,47
57,0%
220,8
1349
0,77
4,66
0,70
181,72
98,75
54,3%
221
1302
0,87
5,15
0,77
202,60
105,33
52,0%
219,6
3.5. Diagramme
Drehmoment - Drehzahl - Kennlinie
M (n ) - Kennlinie
0,90
0,80
0,70
M in Nm
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
1250
1300
1350
1400
1450
1500
n in (1 / min)
Moment R = 400 Ohm
1550
1600
1650
1700
Moment R = 0
Wirkungsgrad - Drehzahl - Kennlinie
(n ) - Kennlinie
70,0%
Wirkungsgrad in %
60,0%
50,0%
40,0%
30,0%
20,0%
10,0%
0,0%
1300
1350
1400
Wirkungsgrad R = 400 Ohm
1450
1500
1550
n in (1 / min)
Wirkungsgrad R = 0 Ohm
- 10 -
1600
1650
1700
3.6. Berechnung
-1
Es wird hier nur die Berechnung für den Fall R = 0, n = 1300 min gezeigt. Andere Werte
analog.
Spannung-Drehmoment Steuergerät :
allgemein:
M in Nm = M in V · 0,15 Nm / V
-1
Für M esswert n = 1300 min
M1300 = 4,7 · 0,15 Nm / V = 0,705 Nm
Aufgenommene elektrische Leistung PEl :
PEl = UAnker · IAnker + UErreger · IErreger
PEl 1300 = 220,4 V · 0,69 A + 205,4 V · 0,07 A = 166,5 W
Abgegebene mechanische Leistung PMech :
PMech = M ·(
n) / 30
P Mech 1300 = 0,705 Nm · (
Wirkungsgrad :
= PMech / PEl
1300
1300 min-1) / 30 = 96 W
= PMech 1300 / PEl 1300 = 96 W / 166,5 W = 0,577
57,7 %
3.7. Diskussion
Die Tabellenwerte sind die abgelesenen Werte ohne Berücksichtigung der Offsetspannung
des Steuergerätes für M oment-M essung, da die Werte während der M essung ständig
schwankten. Größenordnung bis ca. 100 mV. Da Offsetspannung im mV-Bereich somit
unberücksichtigt. Es wurde als Grundeinstellung eine möglichst geringe Offsetspannung
eingestellt.
Bei der Drehmoment-Drehzahlkennlinie ist linearer Zusammenhang Drehmoment-Drehzahl
deutlich ersichtlich. Ein höherer Widerstand bewirkt eine Schwächung des Feldes und somit
eine höhere Drehzahl.
Der max. erreichbare Wirkungsgrad sinkt mit höherem Vorwiderstand.
Die Kennlinien verschieben sich jedoch aufgrund des veränderten Drehzahlbezuges.
An der unteren Drehzahlgrenze (1300 min-1) wird der Wirkungsgradunterschied deutlich.
Der M omentverlauf bei höherem Vorwiderstand verläuft flacher.
- 11 -
4. Gleichstrommotor –
Leerlaufkennlinie n = f(IE)
4.1. Aufgabenstellung
Prinzipieller Aufbau wie Pkt. Drehmoment-Drehzahlkennlinie Gleichstrommotor jedoch mit:
Kuppeln Sie die M agnetpulverbremse vom M aschinensatz ab. M essen Sie nun für 4
verschiedene Erregerkreiswiderstände (RE = 0, 200, 400 und 600 ) jeweils Leerlaufdrehzahl,
Ankerstrom und Erregerstrom bei UA = 220 V. Zeichen Sie im Protokoll n = f(IE)
Zeichnen Sie die Kennlinie nLeerlauf(IE)
4.2. Vorgangsweise
Aufbau analog Pkt.3, jedoch ohne M agnetpulverbremse. M essungen im Leerlauf.
4.3. Messschaltung / Messaufbau
Widerstand in Serie zur Erregerwicklung
4.4. Messergebnis
R
nist
IAnker
IErreger
UAnker
UErreger
min
A
A
V
V
-1
0
1575
0,08
0,07
220,3
205,9
200
1630
0,08
0,07
220,1
192,3
- 12 -
400
1690
0,08
0,06
219,8
180,6
600
1750
0,08
0,06
219,7
170,5
4.5. Diagramm
Leerlauf - Kennlinie
Drehzahl n ( Erregerstrom I ) - Kennlinie
Drehzahl n in (1 / min)
1800
1750
1700
1650
1600
1550
1500
0,0550 0,0570 0,0590 0,0610 0,0630 0,0650 0,0670 0,0690 0,0710 0,0730
Erregerstrom I in A
4.6. Diskussion
Interessant ist der lineare Zusammenhang zwischen Erregerstrom und Leerlaufdrehzahl.
Es ist aus den M essdaten (Tabellenwerten) ersichtlich, das bei steigendem Erregerwiderstand
die Spannung und der Strom an der Erregerwicklung deutlich sinkt.
Jedoch steigt der Strom am Anker, bei annähernd gleich gehaltener Spannung leicht an.
Je größer der Erregerwiderstand, desto geringer Strom und Spannung am Erreger und
steigende Drehzahl.
Bei steigendem Erregerwiderstand sinkt Strom und Spannung in der Erregerwicklung. Es
wird somit das M agnetfeld abgeschwächt. Aus Gleichung Skript (6.9) ist ersichtlich, das bei
sinkendem die Drehzahl steigt.
Eine Feldschwächung bewirkt Drehzahlerhöhung.
- 13 -