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Leseprobe Kuckertz Elektrische Anlagen ELEKTROTECHNIK / ELEKTRONIK Studienbrief 2-050-1004 3. Auflage 2007 HDL HOCHSCHULVERBUND DISTANCE LEARNING Verfasser: Prof. Dipl.-Ing. Heinz Kuckertz Professor für Elektrotechnik und Regelungstechnik im Fachbereich Produktions- und Verfahrenstechnik an der Fachhochschule Braunschweig / Wolfenbüttel Der Studienbrief wurde auf der Grundlage des Curriculums für das Studienfach „Elektrotechnik / Elektronik“ verfasst. Die Bestätigung des Curriculums erfolgte durch den Fachausschuss „Grundständiges Fernstudium Wirtschaftsingenieurwesen“, dem Professoren der folgenden Fachhochschulen angehörten: HS Anhalt, FHTW Berlin, TFH Berlin, HTWK Leipzig, HS Magdeburg-Stendal, HS Merseburg, HS Mittweida, FH Schmalkalden, FH Stralsund, TFH Wildau und WH Zwickau. Redaktionsschluss: September 2007 3., aktualisierte Auflage 2007 „ 2007 by Service-Agentur des Hochschulverbundes Distance Learning mit Sitz an der FH Brandenburg. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung und des Nachdrucks, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form ohne schriftliche Genehmigung der Service-Agentur des HDL reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Service-Agentur des HDL (Hochschulverbund Distance Learning) Leiter: Dr. Reinhard Wulfert c/o Agentur für wissenschaftliche Weiterbildung und Wissenstransfer e. V. Magdeburger Straße 50, 14770 Brandenburg Tel.: 0 33 81 - 35 57 40 Fax: 0 33 81 - 35 57 49 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.aww-brandenburg.de Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen.................................................................................................. 4 Randsymbole .............................................................................................................................. 6 Einleitung ................................................................................................................................... 7 Literaturempfehlung.................................................................................................................. 7 1 Elektrische Maschinen................................................................................................. 8 1.0 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.5.2 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 Geschichtlicher Überblick und Einteilung ...................................................................... 8 Gleichstrommotor ........................................................................................................ 10 Aufbau und Wirkungsweise ......................................................................................... 10 Grundschaltungen und Anschlussbilder........................................................................ 12 Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors ....................................................................... 12 Gleichstrom-Nebenschlussmotor.................................................................................. 13 Gleichstrom-Reihenschlussmotor ................................................................................. 15 Gleichstrommotor mit Dauererregung .......................................................................... 16 Gleichstrommotor mit Fremderregung ......................................................................... 16 Drehzahlgeregelte Antriebe mit Gleichstrommotoren ................................................... 17 Der Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer ......................................................... 21 Aufbau und Wirkungsweise des Asynchronmotors (ASM) ........................................... 21 Kennlinien des ASM.................................................................................................... 24 Betriebskennlinien des ASM ........................................................................................ 26 Stern-Dreieck-Anlauf................................................................................................... 29 Polumschaltbare ASM ................................................................................................. 30 Umsteuern eines ASM ................................................................................................. 31 Der ASM am Einphasen-Wechselstromnetz ................................................................. 31 Antriebe mit drehzahlgeregelten ASM ......................................................................... 31 Drehstrom-Servomotor ................................................................................................ 34 Schrittmotoren ............................................................................................................. 36 Aufbau und Wirkungsweise ......................................................................................... 36 Eigenschaften von Schrittmotoren................................................................................ 37 Transformator .............................................................................................................. 39 Aufbau und Wirkungsweise ......................................................................................... 39 Anwendungsbereiche des Transformators .................................................................... 42 Elektronische Leistungssteller...................................................................................... 43 Aufbau und Wirkungsweise ......................................................................................... 43 Stromrichter für Gleichstrommotoren........................................................................... 44 Stromrichter für Drehstrommotoren ............................................................................. 48 2 Abnehmernahe elektrische Anlagen.......................................................................... 50 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 Stromverteilungsanlagen.............................................................................................. 50 Niederspannungs-Schaltanlagen................................................................................... 50 Elektrische Leitungen .................................................................................................. 51 Überstrom- und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen........................................................ 53 Elektrische Niederspannungsnetze und Personenschutz................................................ 56 TN-C-S-Netz ............................................................................................................... 56 Schutzmaßnahmen ....................................................................................................... 58 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik Anhang (A)................................................................................................................................61 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 Allgemeine Vorschriften und Normen ..........................................................................61 Schutzarten (DIN 40 050).............................................................................................61 Leistungsschilder für elektrische Maschinen (DIN 42 961) ...........................................62 Datenblatt von Drehstrom-Asynchronmotoren ..............................................................62 Betriebsarten (nach VDE 0530, Teil 1) .........................................................................63 Isolierstoffklassen (Wärmeklassen) ..............................................................................63 Bauformen (nach DIN 42 950) .....................................................................................64 Antworten zu den Kontrollfragen und Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben ................65 Literaturverzeichnis .................................................................................................................66 Verzeichnis der Formelzeichen Physikalische Größe Formelzeichen Einheitenzeichen Physikalische Einheit Querschnitt des stromführenden Leiters A mm2 Quadratmillimeter magnetische Induktion B T Tesla Maschinenkonstante der Gleichstrommaschine c Leistungsfaktor cos ϕ Induzierte Spannung in der Ankerwicklung E V Volt Kraft F N Newton Frequenz f Hz Hertz Strom (i – Momentanwert des Stromes) I, i A Ampere Ankerstrom bei Gleichstrommaschinen, Anlaufstrom bei Drehstrommaschinen IA A Erregerstrom Ierr A Leerlaufstrom Io A Leiterlänge l m Meter Ankerinduktivität LA H Henry Drehmoment M Nm Newtonmeter Strangzahl m Anlaufmoment MA Nm Kippmoment MK Nm Lastmoment ML Nm Nennmoment MN Nm Stillstandsmoment Mo Nm Sattelmoment MS Nm Motormoment bei Umrichterbetrieb Mum Nm Drehzahl n 1/min 4 1/Minute Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Physikalische Größe Formelzeichen Einheitenzeichen Physikalische Einheit Windungszahl N Betriebsdrehzahl nBetr 1/min Nenndrehzahl nN 1/min Leerlaufdrehzahl no 1/min synchrone Drehzahl nS 1/min Leistung, Wirkleistung P W Polpaarzahl p abgegebene Leistung P ab W aufgenommene Leistung P auf W Nennleistung PN W Motorleistung bei Umrichterbetrieb P um W Verlustleistung PV W Ankerwiderstand RA Ω Widerstand eines Kabels RKabel Ω Schlupf s % Watt Ohm Prozent 2 Stromdichte S A/mm Scheinleistung S VA (sprich Vau-A) Voltampere Schrittzahl SZ Zeit t s Sekunde Übersetzungsverhältnis ü Ampere/ Quadratmillimeter Spannung, klein: Momentanwert der Spannung U, u V Ankergleichspannung Ud V mittlere Ankergleichspannung Udm V Geschwindigkeit v m/s Meter/Sekunde Zahl der Läuferzähne ZL Phasenverschiebung ϕ Schrittwinkel bei Schrittmotoren, Zündwinkel bei Thyristoren α Erregerfluss Φ Vs Voltsekunde Winkelgeschwindigkeit ω 1/s 1/Sekunde Wirkungsgrad η Indizes: N Nennbetrieb, Nennpunkt, Bemessungspunkt x zu berechnende (unbekannte) Größe 5 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik 1 Elektrische Maschinen 1.0 Geschichtlicher Überblick und Einteilung Die allgemeine Verbreitung von Elektroantrieben begann 1879 als Werner VON SIEMENS auf der Gewerbeausstellung in Berlin die erste elektrisch betriebene Kleinbahn vorführte. Er benutzte den damals nur bekannten Gleichstrommotor. Der endgültige Durchbruch des elektrischen Antriebs in der Industrie begann 1891 mit der Erfindung des Drehstrommotors durch DOBROWOLSKI. Elektrische Maschinen dienen zur G 3 Generator Antriebsmaschine Transformator Motor 3M Arbeitsmaschine Bild 1.1 Energieübertragung – Erzeugung elektrischer (Generatoren), Energie – Übertragung elektrischer Energie (Transformatoren) und zur – Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie (Motoren). Die elektrische Energie wird dabei nahezu ausschließlich in Drehstromnetzen übertragen (siehe Bild 1.1). In den folgenden Abschnitten wird auf Grundlagen und Anwendungen von Elektromotoren und Transformatoren eingegangen. Der bei weitem wichtigste Antriebsmotor in Industrieantrieben ist der Asynchronmotor mit Käfigläufer, der als „Normmotor“ in ca. 90 % aller Antriebe seinen Einsatz findet. In drehzahlgeregelten Antrieben kleinerer Leistungen (unter 2 kW) spielt der Synchron-Servomotor eine immer größere Rolle, da er neben einem guten Gewicht / Leistungsverhältnis über ausgezeichnete dynamische Eigenschaften verfügt. Nach wie vor sind aber die Stromwendermaschinen (Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren) trotz ihres aufwändigeren Aufbaus und des Verschleißteils „Kommutator“ in der Hausgerätetechnik und in der KfzElektrik von großer Bedeutung. Eine erste Übersicht vermittelt Ihnen Tabelle 1.1. Die Einsatzbereiche elektrischer Maschinen sind sehr weit gespannt: Sie reichen von großen Generatoren in Kernkraftwerken bis zu kleinsten, von Solarenergie direkt angetriebenen Motoren (siehe Tabelle 1.2). Obwohl der Asynchronmotor der Motor mit der größten Verbreitung ist, beginnt das Kapitel „Elektrische Maschinen“ aus historischen Gründen mit dem Gleichstrommotor. In diesem Abschnitt 1.1 sind auch die für die anderen Motoren wichtigen Zusammenhänge „Motor – Antrieb“ beschrieben. 8 Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Schon hier soll darauf hingewiesen werden, dass bei der Betrachtung des Antriebs lediglich der stationäre Fall betrachtet wird, Beschleunigungsund Bremsvorgänge werden nicht berechnet. Tabelle 1.1 Einteilung der rotierenden elektrischen Maschinen Elektrische Maschinen Drehfeldmaschinen Stromwendermaschinen Asynchronmaschine (ASM) Asynchronmotor mit Asynchronmotor mit Käfigläufer – ASM (1)* Schleifringläufer – ASM mit SL (2) Synchronmaschine – Synchrongenerator (3) – Synchronmotor (4) – Schrittmotor (5) Gleichstrommaschine Gleichstrommotor (6) Wechselstrommaschine Wechselstrommotor (7) * Die Zahlen beziehen sich auf Tabelle 1.2, Spalte 1 Tabelle 1.2 Einsatzbereiche der rotierenden elektrischen Maschinen Elektrische Maschine (1) Einsatzbereich Leistungsbereich ASM: – Normmotor Standardantrieb für Pumpen, Gebläse, Werkzeugmaschinen, Hebezeuge 100 W bis 10 MW – ASM für Einphasenanschluss Haushaltgeräte, Pumpen, Gebläse 50 W bis 2200 W (2) ASM mit SL Hebezeuge, große Pumpen- u. Verdichterantriebe 20 kW bis 1 MW (3) Synchrongenerator Notstromgenerator 2 kW bis 100 kW Kraftwerkgenerator 100 kW bis 1500 MW (4) Synchronmotor (5) Schrittmotor (6) Gleichstrommotor: (7) Servoantriebe u. Textilmaschinen 500 W bis 10 kW Verdichter- u. Mühlenantriebe 100 kW bis 30 MW Positionierantriebe in Feinwerk- u. Steuerungstechnik 1W bis 2 kW – Dauermagnetmotor Spielzeug, Hilfsantriebe in Kfz-Servoantriebe 1 W bis 10 W 10 W bis 2000 W – Reihenschlussmotor Startermotore für Dieselmotore Fahrmotore in Bahnen 300 W bis 15 kW 10 kW bis 500 kW – Nebenschluss- bzw. Werkzeugmaschinen (Hauptantrieb) 10 kW bis 500 kW – Fremderregter Motor Hebezeuge, Walzgerüste, Förderanlagen 10 kW bis 9 MW Wechselstrommotor: – Universalmotor E-Werkzeuge, Haushaltgeräte 50 W bis 2000 W – Reihenschlussmotor Fahrmotor in Vollbahnen 100 kW bis 1000 kW 9 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik Behandelt werden aber Transformatoren als nichtrotierende elektrische Maschinen sowie Leistungssteller, die zur Ansteuerung elektrischer Motoren in modernen drehzahlgeregelten Antrieben dienen. Im Anhang sind einige wichtige Normen und Vorschriften sowie typische Daten bzw. Datenblätter angegeben. Das Verständnis der folgenden Abschnitte setzt die Kenntnis der Studienbriefe KUCKERTZ (2007a) bis (2007c) voraus, insbesondere sollten Ihnen das magnetische Feld und alle damit zusammenhängenden physikalischen Gesetze vertraut sein. 1.1 Gleichstrommotor 1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise Der Gleichstromgenerator, den man bis vor einigen Jahren noch als klassische Lichtmaschine in Kraftfahrzeugen fand, spielt technisch keine Rolle mehr. Im Folgenden werden daher nur Gleichstrommotoren betrachtet. In Übersichtschaltplänen sind sie mit dem Schaltkurzzeichen des Bildes 1.2 b) dargestellt. Bild 1.2 a) zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Gleichstrommotors im Querschnitt. a) b) 1 2 5 6 N S 3 4 M Bild 1.2 Aufbau eines Gleichstrommotors (a)) und zugehöriges Schaltkurzzeichen (b)) In einem zylinderförmigen Ständer (1) aus Eisen sind Magnetpole (3, 4) angeordnet. Zwischen diesen befindet sich ein aus Eisenblechen zusammengesetzter Rotor oder Anker (2), der in den Nuten die Ankerwicklung trägt. Durch die von einem Gleichstrom Ierr durchflossenen Erregerspulen (5) und (6) wird in den Hauptpolen ein magnetischer Fluss Φ erzeugt, der sich über den Ständer und den Anker schließt. In den Nuten des Ankers liegen die vom Ankerstrom IA durchflossenen Ankerleiter. Da auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld eine Kraft F (Lorentzkraft) F = B · I · , ausgeübt und damit ein Drehmoment M auf den Rotor einwirkt, dreht sich dieser. 10 Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Das Drehmoment M ergibt sich zu: (1.1) M = c · Φ · IA mit c = Maschinenkonstante, Φ = Erregerfluss, IA = Ankerstrom. In der Maschinenkonstanten c sind die mechanischen Abmessungen, Zahl der Leiterstäbe unter den Hauptpolen, Werkstoffeigenschaften u. Ä. enthalten. Damit die Ankerleiter in dem räumlich feststehenden Erregermagnetfeld immer in derselben Stromrichtung durchflossen werden, ist wegen der räumlich feststehenden Stromzuführung ein Stromwender (Kommutator, Kollektor) mit Bürsten notwendig. Bild 1.3 zeigt die Funktionsweise eines Kollektors. Über die Bürsten (3) wird der Ankerstrom über Kupferlamellen (2), die gegeneinander isoliert sind, in die Wicklung geführt, in diesem Beispiel fließt der Strom in die Zeichenebene hinein. Die gegenüberliegenden Ankerleiter führen den Strom zurück (aus der Zeichenebene heraus) und über den Kollektor und die Bürste zum Minuspol. 1 2 N S 3 Bild 1.3 Stromwender Die technische Ausführung eines Gleichstrommotors zeigt Bild 1.4. Bild 1.4 Gleichstrommotor mit Tachogenerator Die Kupferlamellen des Kollektors und die Bürsten sind deutlich zu erkennen. Auf der Bürsten-Seite (B-Seite) ist hinter dem Lüfter ein Tachogenerator zur Drehzahlerfassung angebaut. 11 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik 1.1.2 Grundschaltungen und Anschlussbilder Gleichstrommotoren werden nach der Art des Zusammenwirkens von der magnetischen Erregung und der Ankerwicklung wie folgt (vgl. Bild 1.5) eingeteilt. GM-Nebenschluss GM-Reihenschluss GM mit Dauermagnet GM mit Fremderregung Wicklungs- und Anschlussbezeichnungen (DIN 57530 bzw. IEC 34-8/1972): Ankerwicklung A1 - A2 Wendepolwicklung B1 - B2 Gleichstromnetz: Erregerwicklung (Reihenschluss) D1 - D2 Positiver Leiter Erregerwicklung (Nebenschluss) E1 - E2 Negativer Leiter L− Erregerwicklung (Fremderregung) F1 - F2 Mittelleiter Tachogenerator 2A1 - 2A2 Bild 1.5 Schaltungen von Gleichstrommotoren (GM) 1.1.3 Ersatzschaltbild des Gleichstrommotors L+ M Im Ersatzschaltbild (Bild 1.6) werden die elektrischen Eigenschaften des Gleichstrommotors nachgebildet. RA Ud = Ankerspannung LA Ierr E = induzierte Spannung in der Ankerwicklung IA = Ankerstrom uL Ierr = Erregerstrom Ud Φ = magnet. Erregerfluss E IA Φ RA = Summe aller Widerstände im Ankerkreis LA = Ankerinduktivität Bild 1.5 Ersatzschaltbild eines Gleichstrommotors Bei der Rotation des Ankers in dem feststehenden Erregermagnetfeld wird in den Ankerleitern gemäß dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert, diese wird durch E symbolisiert. E hängt von der Drehgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) ω und dem magnetischen Fluss Φ ab: E = c⋅ω⋅Φ (1.2) Hierbei ist c dieselbe Maschinenkonstante wie in Gleichung (1.1). Gemäß Maschenregel gilt in Bild 1.6: RA ⋅ IA + u L + E − Ud = 0 , 12 Elektrotechnik / Elektronik wobei u L = L ⋅ Elektrische Anlagen dI A die beim Hochlauf in der Ankerinduktivität induzierte dt Spannung ist. Im Weiteren wird nur der stationäre Fall betrachtet, d. h., der Motor hat dI den Hochlauf beendet und IA = const, d. h., u L = L ⋅ A = 0 . Damit ist dt E = Ud − R A ⋅ IA (1.3) Aus (1.3) mit (1.2) wird: ω= U − RA ⋅IA Ud − RA ⋅ IA oder n = d c⋅Φ 2π ⋅ c ⋅ Φ (1.4) Wie man aus (1.4) sieht, kann die Motordrehzahl n beeinflusst werden durch: – Verändern der Ankerspannung Ud – Verändern des magnetischen Flusses Φ bzw. des Erregerstroms Ierr. Wegen dieser einfachen Zusammenhänge und der technisch relativ einfachen Erzeugung von veränderlichen Gleichspannungen durch Leistungssteller werden Gleichstrommotoren häufig in drehzahlveränderlichen Antrieben eingesetzt (heute hauptsächlich ab P > 10 kW). 1.1.4 Gleichstrom-Nebenschlussmotor Aus dem Schaltbild (Bild 1.6) erkennt man, dass die Erregerwicklung parallel zum Anker an das Gleichstromnetz angeschlossen wird. Wird dieser Motor an die Ankernennspannung UdN angeschlossen, hat er das in Bild 1.7 dargestellte Drehzahlverhalten: n n0 nN Ud = UdN MN Bild 1.7 M n-M-Kennlinie eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors (n – Drehzahl, M – Drehmoment) Im Leerlauf (unbelasteter Motor, also M = 0, IA= 0) stellt sich die Drehzahl n0 ein. Bei Belastung sinkt die Drehzahl geringfügig ab. Wird der Motor mit dem Nennmoment MN belastet, stellt sich die Nenndrehzahl nN 13 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik ein, die nur einige Prozent unter der Leerlaufdrehzahl liegt. Man spricht daher von einer „harten“ Drehzahlkennlinie. Drehrichtungswechsel Nach dem Prinzipbild 1.2 a) wechselt die Richtung der Kraft auf die Ankerleiter, wenn entweder der Ankerstrom oder der Erregerstrom die Richtung wechselt. Bei gleichzeitigem Wechsel bleibt die Drehrichtung erhalten. Üblicherweise wird der Ankerstrom umgeschaltet, weil der Anker wegen des Kommutierungsvorgangs ohnehin als Blechpaket gebaut ist. Einsatzgebiete des Gleichstrom-Nebenschlussmotors Der Gleichstrom-Nebenschlussmotor wird hauptsächlich in drehzahlgeregelten Antrieben eingesetzt; so in Handhabungsgeräten, Robotern, Werkzeugmaschinen, Antrieben für Elektrofahrzeugen (wie Gabelstapler). B B 1.1 Aus dem Datenblatt eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors sind folgende Nenndaten bekannt: UdN = 150 V, PN = 2,33 kW, IAN = 20,3 A, ηN = 71,3 %, RA = 1,01 Ω, nN = 3.160 1/min, Erregerstrom Ierr = 1,53 A Bestimmen Sie die anderen Nenndaten! 1 Rechnen Sie den Wirkungsgrad nach und berechnen Sie die Leerlaufdrehzahl! Lösung: a) Aufgenommene Leistung Die im Nennbetrieb aufgenommene Leistung PaufN setzt sich aus der Leistung im Ankerkreis und der Erregerleistung zusammen: PaufN = U dN ⋅ I AN + U dN ⋅ I err PaufN = 150 V ⋅ 20,3 A + 150 V ⋅1,53 A = 3.275 W b) Drehmoment Aus P = ω ⋅ M folgt: MN = PN PN 2.330 W ⋅ 60 s = = = 7, 04 Nm ωN 2 π ⋅ n N 2π ⋅ 3.160 c) Induzierte Spannung Aus (1.3) folgt: E N = U dN − R A ⋅ I AN = 150 V − 1, 01 Ω ⋅ 20,3 A = 129,5 V d) Wirkungsgrad ηN = 1 14 PabN 2.330 W = = 71, 2 % PaufN 3.275 W http://www.automation.siemens.com/ld/dc-motor/index_00.html; Katalog S. 3/7 Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen e) Leerlaufdrehzahl Im Leerlauf gilt I A ≈ 0 , da M ≈ 0 , damit wird aus Gl. (1.4) no = Ud 2π ⋅ c ⋅ Φ (1.5) oder mit Gl. (1.4) damit ist 1.1.5 n0 U dN U = = dN n N U dN − R A ⋅ I AN EN n0 = n N ⋅ U dN 150 V = 3.160 ⋅ min −1 ⋅ = 3.660 ⋅ min −1 EN 129,5 V Gleichstrom-Reihenschlussmotor Beim Reihenschlussmotor werden nach Bild 1.5 Erreger- und Ankerwicklung von dem gleichen Strom durchflossen. Damit ergibt sich die im Bild 1.8 dargestellte Betriebskennlinie. Im Stillstand (n = 0) kann dieser Motor ein hohes Drehmoment abgeben, bei Leerlauf (M = 0) hingegen dreht er so hoch, dass er durch die Fliehkräfte zerstört werden kann. Sein Vorteil ist das große Anlaufmoment, das wegen der Reihenschaltung von Erreger- und Ankerwicklung bei einem begrenzten Anlaufstrom zur Verfügung steht. Die Kennlinie ist insgesamt „weich“ (nachgiebig). n IA nmax n nN IA IAN MN Bild 1.8 MAN M Kennlinienverlauf eines Gleichstrom-Reihenschlussmotors Anwendungsgebiete Wegen des hohen Anlaufmoments wird dieser Motor hauptsächlich eingesetzt als Starter(Anlasser-)motor für Dieselmotoren oder als Fahrmotor in Bahnen. Wird dieser Motor umgepolt, so bleibt seine Drehrichtung erhalten (gleichzeitige Richtungsänderung von Erreger- und Ankerstrom). Bei Anschluss an eine Wechselspannung ändert sich also die Drehrichtung nicht. Daher sind Wechselstrommotoren für Haushaltgeräte nach demselben Prinzip aufgebaut. 15 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik 1.1.6 Gleichstrommotor mit Dauererregung Dieser Motor verhält sich wie ein Nebenschlussmotor mit konstanter Erregung, er hat also eine harte Drehzahlkennlinie. Bild 1.9 a) zeigt den grundsätzlichen Aufbau. a) b) Dauermagnet Anker Bild 1.9 a) Gleichstrommotor mit Schalenmagneten b) Gleichstromservomotor mit Plattenmagneten Der Erregerfluss wird von starken Dauermagneten in Schalenform erzeugt. Die Magnete werden aus seltenen Erden (z. B. Samarium / Kobalt) gesintert und nach dem Magnetisieren eingeklebt. Anwendungsgebiete Spielzeugmotor, Stellmotor in Kfz (Scheibenwischermotor, KühlerLüfter-Motor usw.), Servomotor. Gleichstrommotoren mit Dauererregung werden bis zu Leistungen von ca. 2 kW als Servomotor eingesetzt, d. h., als äußerst schnelle (hochdynamische) Antriebsmotoren mit relativ kleinem Bauvolumen für drehzahlgeregelte Positionierantriebe von Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräten und Robotern. Bild 1.9 b) zeigt die typische Bauform (hier mit Platten-Dauermagneten und Weicheisen-Polschuhen, dem so genannten „Flusskonzentrationsprinzip“). 1.1.7 Gleichstrommotor mit Fremderregung Der technische Aufbau des fremderregten Motors entspricht dem eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors. Die Erregerwicklung ist jedoch an eine andere Spannungsquelle als der Anker angeschlossen. Dadurch sind Ankerspannung und Erregerstrom getrennt voneinander einstellbar. Dieser Motor ist daher der am häufigsten genutzte Gleichstrommotor für drehzahlgeregelte Antriebe größerer Leistung (siehe auch Abschnitt 1.1.8). Anwendungsgebiete Hebezeuge, Walzgerüste, Förderanlagen, Hauptantriebe von Werkzeugmaschinen. 16 Elektrotechnik / Elektronik 1.1.8 Elektrische Anlagen Drehzahlgeregelte Antriebe mit Gleichstrommotoren In der Produktionstechnik, der Handhabungstechnik, der Fördertechnik, der Fahrtechnik usw. werden oft drehzahlveränderliche Antriebe benötigt, die in Rechts- und Linkslauf antreiben und bremsen können. Diese Betriebsbereiche werden in den „Quadranten“ I bis IV festgelegt (vgl. Bild 1.10): n II v n I: II: III: IV: Bild 1.10 v v v v > > < < 0 0 0 0 M vorwärts vorwärts rückwärts rückwärts n n n n > > < < 0 0 0 0 I vorwärts bremsen vorwärts antreiben rückwärts antreiben rückwärts bremsen III IV M M M M > < < > 0 0 0 0 M Antreiben vorwärts Bremsen vorwärts Rückwärts antreiben Rückwärts bremsen Betriebsquadranten Die Struktur des eigentlichen Antriebs wird in Bild 1.11 deutlich: Gleichrichter Motor Regler Stromrichter Bild 1.11 Arbeitsmaschine Drehzahl Moment Druck Struktur eines geregelten Antriebs Über einen Stromrichter (Leistungssteller) wird der Motor angesteuert, der eine Arbeitsmaschine (z. B. Werkzeugmaschine, Elektrowagen) antreibt. Von dieser Arbeitsmaschine können die für den jeweiligen Arbeitsprozess wichtigen Größen, wie Drehzahl, Drehmoment oder Druck usw., erfasst werden. Diese Größen beeinflussen in einem geschlossenen Regelkreis die Parameter des Stromrichters. Der Stromrichter formt aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz eine variable Gleichspannung, mit der der Gleichstrommotor versorgt wird und die eine Drehzahlregelung erlaubt. Der „Stromrichter“ enthält neben dem Leistungsteil (Gleichrichter) auch einen informationstechnischen Steuerteil mit Anlaufprogramm, Reglerparametern, Hochlaufgeschwindigkeiten usw. Die Betriebsquadranten I bis IV legen den Stromrichtertyp fest. 17 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik Damit der Motor in beide Richtungen antreiben kann, muss der Anker umgepolt werden. Dies geschieht meist durch das Ansteuern von zwei Gleichrichtersätzen. Das Bremsen verlangt – wenn eine Nutzbremsung durchgeführt werden soll – einen steuerbaren Gleichrichtersatz, der einen Energiefluss in beide Richtungen zulässt. Stromrichter werden genauer im Abschnitt 1.6 vorgestellt. Wird ein fremderregter Gleichstrommotor mit einem entsprechenden Stromrichter betrieben, lassen sich die in Bild 1.12 angegebenen Kennlinienbereiche ausnutzen: n nmax Φ n0 nN Φ = ΦN Ud = UdN Ud MN Bild 1.12 M Einfluss von Ankerspannung und Erregerfeld Die harte Drehzahl-Momenten-Kennlinie bleibt grundsätzlich erhalten. Mit steigender Ankerspannung tritt eine Parallelverschiebung nach oben ein, bis bei Ud = UdN (Nennspannung) die „normale“ Kennlinie erreicht wird. Wenn der Erregerstrom verringert – also das Feld geschwächt wird – steigt die Drehzahl an. Dabei nimmt das zur Verfügung stehende Motormoment natürlich ab. Wie Bild 1.13 zeigt, können im Ankerstellbereich können der Ankerstrom und das Motordrehmoment konstant gehalten werden (günstig für drehzahlgeregelte Antriebe mit hohem Anfahrmoment oder Beschleunigungsmoment). Ud Φ = ΦN Φ < ΦN Ud Pab MA Pab MA n Ankerstellbereich Bild 1.13 18 nN nmax Feldstellbereich Einstellgrößen im Anker- und Feldstellbereich Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Im Feldstellbereich kann der Motor mit konstanter Leistung betrieben werden, hier muss bei Drehzahlen, die größer als die Nenndrehzahl sind, das Drehmoment reduziert werden (z. B schneller Rückwärtsschub ohne Last bei Werkzeugmaschinen). B 1.2 Ein Hebezeug (vgl. Bild 1.14) hebt über eine Seiltrommel (r = 105 mm) ein Gewicht von maximal 1.000 N. Die Trommel wird über ein Getriebe (Wirkungsgrad 100 %) mit der Untersetzung 1:15 von einem fremderregten Gleichstrommotor angetrieben (Motordaten aus Beispiel B 1.1). Dieser wird von einem Stromrichter mit variabler Ankerspannung angesteuert, die Erregerspannung ist konstant. B Getriebe ngetr nmot Motor n r Seiltrommel F Bild 1.14 Hebezeug mit Elektromotor a) Mit welchem Lastmoment wird der Motor belastet? b) Welche Motordrehzahl stellt sich bei Betrieb mit Ankernennspannung und einem Gewicht von 714,3 N ein? c) Wie groß ist die Drehzahl bei dieser Last, wenn eine verminderte Spannung (Ud = 100 V) angenommen wird? Lösung: a) Die Seiltrommel belastet den Getriebeausgang mit einem Lastmoment M L = F ⋅ r = 1.000 N ⋅ 0,105 m = 105 Nm . Das Getriebe habe einen Wirkungsgrad von 100 %. Das heißt, die abgegebene Leistung ist genau so groß wie die aufgenommene Leistung, also: Pab = Pauf oder M L ⋅ 2π ⋅ n getr = M mot ⋅ 2 π ⋅ n mot . Damit ist in diesem Betriebspunkt M mot = M L ⋅ n getr n mot = 105 Nm = 7 Nm . 15 Das entspricht dem unter Abschnitt 1.1.4 (Beispiel B 1.1) berechneten Nennmoment. Der Motor wird in diesem Belastungsfall also mit der Nenndrehzahl n N = 3.160 min −1 drehen. 19 Elektrische Anlagen Elektrotechnik / Elektronik b) Bei F = 714,3 N ergibt sich das Motormoment zu M mot = M L ⋅ n getr n mot = F⋅ r ⋅ 1 1 = 714,3 N ⋅ 0,105 m ⋅ = 5 Nm 15 15 Zur besseren Anschaulichkeit wird eine zeichnerische Lösung (vgl. Bild 1.15) gewählt. c) Durch die Spannungsverminderung wird die Kennlinie (siehe Bild 1.12) parallel verschoben. Zur Konstruktion dieser Kennlinie muss daher zuerst die Leerlaufdrehzahl bei verminderter Spannung berechnet werden: Aus Gleichung (1.4) folgt bei Leerlauf (M = 0 bzw. IA = 0). n −1 [min ] 4.000 noN bei UdN = 150 V 3.000 nox bei Udx = 100 V 2.000 1.000 2 4 6 5 7 8 M [Nm] Konstruktion der Drehzahlgeraden: – Leerlauf: n0 = 3.660min-1 bei UdN = 150V, Mmot =0 Nennpunkt: bei nN UdN – Obere Kennlinie: Bei zugehörige Drehzahl Mmot = 5 Nm finden wir die nBetr = 3.300min-1 . Drehzahlverhalten des Hebezeugs Bild 1.15 ωox = U dx c⋅Φ ωox U = dx ωoN U dN damit 20 = 3.160min-1 = 150V, Mmot = 7 Nm – oder wie in Beispiel B 1.1 gerechnet. oder n ox = n oN ⋅ n ox = n oN ⋅ U dx U dN , U dx 100 V = 3.660 min −1 ⋅ = 2.440 min −1 . U dN 150 V Elektrotechnik / Elektronik Elektrische Anlagen Damit und mit der Parallelverschiebung lässt sich das Kennlinienfeld vervollständigen, siehe Bild 1.15. Aus dem Diagramm lässt sich nun ablesen: Bei Ud = 100 V und nBetr = 2.000 min-1. Mmot = 5 Nm ist Anregung: Versuchen Sie anstatt der zeichnerischen Lösung einen rechnerischen Weg zu finden! Ü 1.1 Ein Gleichstrommotor mit Permanenterregung für den Einsatz im Kfz als ABS-Pumpenmotor hat folgende Nenndaten: UdN = 12 V, IAN = 23 A, PN = 200 W, nN = 2.800 min-1, RA = 0,09 Ω. Ü a) Berechnen Sie Drehmoment und Wirkungsgrad bei Nennbetrieb! b) Wie groß ist dabei die im Anker induzierte Spannung? c) Welche Leerlaufdrehzahl stellt sich ein? 1.2 Der Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer 1.2.1 Aufbau und Wirkungsweise des Asynchronmotors (ASM) Der Drehstrom-Asynchronmotor (ASM) mit Käfigläufer ist wegen seines einfachen Aufbaus und wegen seiner Zuverlässigkeit der am häufigsten in Industrieantrieben benutzte Motor. Bauform und Baugrößen sind international genormt. Im Bild 1.16 sind Schaltzeichen und Schaltkurzzeichen (jeweils nach DIN) dargestellt. Das Bild 1.17 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines ASM im Querschnitt. u v w M 3∼ Bild 1.16 M 3∼ Schalt- und Schaltkurzzeichen eines ASM 21