Fakultät ME

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Labor:
Elektrische Antriebstechnik
Labor: MB/EK
Elektrische Antriebe
Datum:
Versuch EA-4:
Gleichstrommaschine
Semester:
Gruppe:
Protokoll:
Testat:
Bericht:
Datum:
1. Einführung
1.1 Aufbau
Gleichstrommaschinen bestehen aus:
- dem Stator oder Magnetgestell, das ein räumlich stillstehendes Magnetfeld erzeugt,
- einem darin drehbar gelagerten Anker mit der Ankerwicklung,
- dem Kollektor oder Stromwender als Stromzuführung zum rotierenden Anker über
feststehende Kohlebürsten und
- diversen Konstruktionsteilen wie Welle, Lager, Lüfter, Füße, Klemmen, etc.
Wegen dem funktionsbestimmenden Stromwender gehören Gleichstrommaschinen zu den
sog. Stromwendermaschinen.
1.2 Funktionsweise
Die Gleichstrommaschine beruht auf der direkten Anwendung der 2 Grundgesetze der
Elektrotechnik:
- Induktionsgesetz und
- Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld.
Durch den Stator (Bild 1) wird in den Polbereichen des Luftspaltes jeweils ein räumlich und
zeitlich konstantes, radiales Erregerfeld BE erzeugt.
Dreht sich die Leiterschleife der Länge l, wird in ihr entsprechend dem Induktionsgesetz
eine Spannung
U i = 2 B E l v = 4π B E l r n ~ B E ⋅ n
induziert.
Diese kann im Generatorbetrieb über die Kohlebürsten abgenommen und genutzt werden,
bzw. muss im Motorbetrieb zusätzlich von der speisenden Spannungsquelle überwunden
werden.
Wird umgekehrt der Leiterschleife ein Strom IA zugeführt, wirkt an dieser ein Kräftepaar
bzw. ein Drehmoment
F = BE l I A ⇒ M = 2F r = 2 BE l r I A ~ BE ⋅ I A .
Dieses kann im Motorbetrieb an der Welle abgenommen werden, bzw. muss im Generatorbetrieb vom äußeren Antrieb aufgebracht werden.
Zur Beibehaltung der Spannungs-, Kraft- bzw. Momentrichtung muss die Stromrichtung in
der Leiterschleife nach jeder halben Umdrehung umgepolt werden. Dazu benötigt man den
Stromwender als mechanischen Umschalter.
19.02.07 Elektrische Antriebe (EA)
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Gleichstrommaschine
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Stator
.
Erregerwicklung mit IE
+
+
F
Leiterschleife mit IA
.
n
Anker mit r
_
+
Kollektor-Lamelle
.
Kohlebrüste
+
F
Luftspalt
BE
Bild 1. Funktionsweise der Gleichstrommaschine
Nachteilig an der bisher betrachteten Anordnung mit nur 1 Leiterschleife ist, dass im Bereich der Pollücke keine Spannung induziert und kein Moment entwickelt wird.
Man ordnet daher viele Leiterschleifen gleichmäßig über dem Umfang verteilt an, wodurch
sich Spannung und Moment vervielfachen und deren Welligkeit verschwindet.
Dabei werden die Leiter meistens nicht auf der Ankeroberfläche sondern in Nuten untergebracht. Die Funktionsweise und die oben angegebenen Zusammenhänge ändern sich dadurch aber nicht.
1.3 Motorbetrieb
IA , n
Gleichstrommaschinen werden heute
meistens nur noch als Motoren und
dabei insbesondere bei kleinen Leistungen als permanenterregte Gleichstrommotoren eingesetzt.
nmax
1/2 IEN
Feldschwächbereich:
I E < I EN ; U A = U AN
3/2 n0N
n = f (M , I E )
2/3 IEN
I A2 =
n0N
IAN; nN
IEN
IA2
IA1
Normalbetrieb:
I E = I EN ; U A ≤ U AN
UAN
n = f (M , U A )
1/2 n0N
I A1 =
1/2 UAN
0
Mn
I EN I AN
⋅
⋅ M ≤ I AN
IE M N
I AN
⋅ M ≤ I AN
MN
M
Bild 2. Belastungskennlinien des Gleichstrommotors
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1.3.1 Leerlauf
Betreibt man eine reibungsfreie, konstant erregte, leerlaufende Gleichstrommaschine an
einer konstanten Spannung, so fließt wegen fehlendem Lastmoment kein Ankerstrom
(IA = 0) und es stellt sich genau die Drehzahl ein, für die gilt
UA = Ui(n0) mit n0 ~ UA .
Sie ändert sich also direkt proportional zur angelegten Spannung und man spricht dabei
von Spannungssteuerung.
Soll die Drehzahl über den bei voller Ankerspannung UAN erreichten Wert n0N hinaus gesteigert werden, so muss gemäß obiger Beziehung das Erregerfeld reduziert werden
1
B E < B EN mit n 0 ~
> n0 N ,
BE
was man als Feldschwächbetrieb bezeichnet.
Aus mechanischen Gründen darf die Drehzahl einen bestimmten Wert nmax nicht überschreiten, was einen Mindestwert des Erregerfeldes erfordert
B E ≥ B E min .
Daher darf z.B. die Erregung bei Gleichstrommaschinen nicht separat abschaltbar sein und
auch keine Sicherungen enthalten.
1.3.2 Belastung
Wird eine Gleichstrommaschine belastet, so nimmt sie einen zum Lastmoment proportionalen Ankerstrom auf (siehe Leiterschleife) IA ~ M, der bis zu seinem Bemessungswert IAN
ansteigen darf.
Bei voller Erregung kann demnach die Gleichstrommaschine ihr Bemessungsmoment MN
beim Bemessungsstrom IAN entwickeln.
Da jedoch jede Ankerwicklung einen endlichen Widerstand RA aufweist, ergibt sich
dadurch ein ohmscher Spannungsverlust, so dass trotz konstanter Spannungsversorgung
die induzierte Spannung lastabhängig abnimmt
Ui = UA – RA ⋅ IA ~ n .
Da die Drehzahl grundsätzlich proportional zu Ui ist, sinkt diese ebenfalls leicht mit zunehmender Belastung. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien verlaufen daher als leicht
geneigte, parallele Geraden.
Im Feldschwächbereich steigt wegen BE < BEN das Moment langsamer mit dem Strom und
man erreicht wegen IA ≤ IAN auch nicht mehr dessen vollen Wert
B
M max = E ⋅ M N < M N .
B EN
Trotz dem mit BE kleiner werdenden Moment bleibt dabei wegen der zunehmenden Drehzahl die Leistung etwa konstant.
In der Praxis werden meistens beide Betriebsweisen kombiniert.
Im Normalbetrieb fährt man mit voller Erregung und variiert die Ankerspannung. Der Ankerstrom stellt sich dann lastabhängig von selbst ein:
IE = IEN ; UA ≤ UAN ; IA ≤ IAN ; n ≤ n0N .
Kann für höhere Drehzahlen die Ankerspannung nicht mehr erhöht werden, wechselt man
in den Feldschwächbetrieb
IE < IEN ; UA = UAN ; IA ≤ IAN ; nN< n ≤ nmax .
Bei permanent erregten Gleichstrommotoren ist durch die eingebauten Magnete mit ihrer
festen Erregung kein Feldschwächbetrieb möglich.
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1.4 Ersatzschaltung
Oftmals interessiert bei Gleichstrommaschinen nicht der konstruktive Aufbau mit den tatsächlichen physikalischen Zusammenhängen, sondern nur deren elektrisches und mechanisches Verhalten.
Dann stellt man sie durch ein möglichst einfaches elektrisches Netzwerk dar, das sich an
den Klemmen genau wie die Gleichstrommaschine verhält. Dieses Netzwerk bezeichnet
man als Ersatzschaltung der Gleichstrommaschine (Bild 3).
RA
F2
F1
IE
IA
Bei Gleichstrommaschinen besteht
die Ersatzschaltung nur aus 3 Elementen
Ui ~ BE ⋅ n - verkörpert die induzierte
Spannung,
berücksichtigt
den
R
A
ΒE
Ankerwiderstand und
LE - steht für das Erregerfeld.
Bild 3. Ersatzschaltung der fremderregten Gleichstrommaschine
UA
Ui
Insbesondere die Erregung lässt sich auf mehrere Arten mit Strom versorgen. Dabei wird
heutzutage die sog. Fremderregung bevorzugt, bei der Anker- und Erregerkreis unabhängig
voneinander mit Gleichstrom versorgt werden. Dies geschieht häufig mit Hilfe von elektronischen Schaltungen.
Auch permanent erregte Gleichstrommaschinen zählt man zu den fremd erregten. Allerdings kann bei ihnen die Erregung nicht geändert werden, d.h. ein Feldschwächbetreib ist
z. B. nicht möglich.
1.5 Besonderheiten
Mit Gleichstrommotoren konnte man schon lange anspruchsvolle drehzahlvariable Antriebe
realisieren. Nachteilig ist der durch den Kollektor bedingte Verschleiß und Wartungsaufwand (typ. Wartungsintervalle ≤ 1000 h).
Daher haben sie ihre frühere herausragende Bedeutung an die wartungsarmen umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen verloren.
Große Bedeutung haben und behalten sie allerdings noch als permanent erregte Gleichstrommotoren bei kleinen Leistungen und kurzen Laufzeiten. Stückzahlmäßig sind sie daher immer noch die meistgefertigten elektrischen Maschinen z.B. in der
- Autoindustrie als Hilfsantriebe,
- Unterhaltungselektronik,
- Spielzeugindustrie u. v. m.
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2.
Versuchsaufbau
Schaltgerät
Stromrichter
Steuergerät
UA
IE
IA
A1
F1
D2
F1
F2
M
D1
F2
G
S1
A2
Last
B2
30
15
B1
45
0
F=M/h
3.
0000
n
Versuchsdurchführung
3.1 Notieren Sie die Daten des Typenschildes und den Hebelarm
Hersteller
Typ
UN
PN
UEN
Isol.Kl.
Nr.
V IN
kW nN
V IEN
IP
A
min-1
A
lH = ________ mm.
3.2 Berechnen Sie vorab:
MN = Bemessungsdrehmoment des Prüflings
= ______ Nm,
FN = zugehörige Bemessungskraft
= ______ N.
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3.3. Leerlaufversuch
Führen Sie mit dem unbelasteten Gleichstrommotor folgende Leerlaufversuche durch
IE = IEN = ________ A
UA / V
n0 / min-1
0
50
75
100
125
150
200
UA = UAN = _______ V
IEN
2/3 IEN
1/2 IEN
IEN / A
n0 / min-1
3.4. Belastungsversuch
Nehmen Sie die Belastungskennlinien auf:
n, IA = f(M)
für IE = IEN; UA = UAN ;
M = (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1)MN
F/N
M / Nm
n / min-1
IA / A
4. Auswertung
4.1. Stellen Sie die Leerlaufdrehzahl über der Ankerspannung dar und prüfen Sie die
Linearität.
4.2. Kontrollieren Sie die Abhängigkeit der Leerlaufdrehzahl vom Erregerstrom.
4.3. Stellen Sie die Belastungskennlinien
n, IA = f(M) in einem gemeinsamen Diagramm dar.
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