2. drehzahlsteuerung beim drehstrom

Drehzahlsteuerung der DASM
2.
2-1
DREHZAHLSTEUERUNG BEIM DREHSTROM-ASYNCHRONMOTOR
2.1 Übersicht der Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung der DASM
Die Drehzahl n eines Drehstromsasynchronmotors DASM läst sich nach der Formel
___________________________
___________________________
___________________________
berechnen.
Die Drehfelddrehzahl ns (synchrone Drehzahl, Umdrehungsfrequenz) bestimmt sich aus der
Gleichung:
______________________________
___________________________________
Aus den beiden Gleichungen ergibt sich somit die folgende Beziehung:
Hieraus ist ersichtlich, dass die Drehzahl eines Asynchronmotors durch Verändern der folgenden
Größen ebenfalls verändern lässt:
1. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit vom __________________________
2. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit von der ________________________
3. Die Drehzahl n ist in Abhängigkeit von der ________________________
4. Des weitern ist durch unterschiedliche ___________________________ die
Drehzahl ebenfalls veränderbar.
Alle angegeben Verfahren haben praktische Bedeutung erlangt und werden in den folgenden
Kapitel einzeln behandelt.
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-2
2.2 Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Läufergrößen
(Schlupfsteuerung)
Nach der Gleichung
ist erkennbar, dass die Motordrehzahl sich
verringert beim ________________________________________
vergrößert sich beim ________________________________________
Gegeben ist folgende Drehmoment-Schlupf-Kennlinie eines Drehstromasynchronmotors:
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
Die Theorie der Drehstromasynchronmaschine besagt, dass durch Verändern der Läufergrößen, der
_______________________________ sich ebenfalls verändert.
____________________________________________________________________
______________________________________________________
In der Ausführung der Maschine als Schleifringläufer besteht die Möglichkeit, an den Anschlüssen
_____ des Läufers einen ___________________________________ zuzuschalten. Der
Strangwiderstand der Läuferwicklung erhöht sich somit von
__________________________________________
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-3
(Die genauen Abläufe werden auf den Klassen 12TEE und 13TEE behandelt)
Da der Läufer eines Käfigläufers nicht zugänglich ist, ist die Drehzahlsteuerung nach dem Prinzip
der Schlupfsteuerung _________________________________________
Durch den zusätzlichen Läuferwiderstand verschiebt sich der Kippschlupf sK horizontal nach links.
Drehmoment –Drehzahl- und Strom-Kennlinie eines Drehstromasynchronmotors für verschiedene
Läuferwiderstände ________________________________________
Mit den Drehmomenten verschiebt sich auch ______________________________ und damit
der ______________________________________, so dass der Motor einen
_________________________________________________aufnimmt.
Merksatz:
Durch die angeschlossenen Zusatzwiderstände im Läuferkreis (Anlasswiderstände) werden
________________________________________________________
________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
__________________________________________
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2.2.1
2-4
Schaltungsmöglichkeiten:
Über die Schleifringe des Schleifringläufers wird ein einstellbarer dreisträngiger Widerstand
zugeschaltet. Die einzelnen Stufen lassen sich durch _____________________ oder
___________________________ anwählen.
(Siehe Bild 2 S.435 Europa Lehrmittel)
Bild1: ____________________
Bild2: _____________________
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
Zu Bild2.
Mit Mitteln der Leistungselektronik lässt sich eine kontaktlose, stetige Einstellung des Läuferstandes
erreichen. Der dreiphasige Läuferstrom wird dabei ____________________ und danach einem
__________________________zugeführt. Die Drossel dient zur Glättung des Gleichstromes Id.
Parallel zum Festwiderstand liegt ein _______________________. Ist dieser geöffnet, so
________________ über den Widerstand, bei geschlossenem Schalter ist
_______________________. Durch _______________________________ des Schalters
S lässt sich somit _________________________ im Läuferkreis und damit
____________________________ des Asynchronmotors steuern.
2.2.2
Leistungsbilanz bei Drehzahlsteuerung durch Läuferwiderstände:
Der entscheidende Nachteil dieser Steuermethode liegt ________________________
_____________________________________________________________
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-5
Das nebenstehende Bild zeigt ________________
___________________ bei der Drehzahlsteuerung durch
Läufervorwiderstände. ____ ist die über den Luftspalt
________________________________________________
Für den Bemessungsbetrieb, d.h. _________ ergibt sich die
Leistungsbilanz nach der ______________________________.
Die Luftspaltleistung PLN teilt sich dabei in die ______________________________und die
im Läufer _______________________________________________________ auf.
Wird ein Vorwiderstand Rv zugeschaltet, so ________________________ und man erhält die
_________________________________________. Für Dauerbetrieb und über einen
größeren Bereich ist die Drehzahleinstellung über Läuferwiderstände daher ________________.
Sie wird jedoch dort angewandt, wo__________________ _____________________, wie
z.B. bei_________________________________ verlangt werden.
2.2.3 Abhängigkeit des Drehmomentes von der Läuferdrehzahl bei unterschiedlichen
Läuferwiderständen. (Ergebnisse aus dem Versuch)
Drehzahlsteuerung bei Schleifringläufern durch Zuschalten von Widerständen in den Läuferkreis
Aus dem Bild ist ersichtlich, dass dieses Drehzahlsteuerungsverfahren _____________
_____________________________________________________________
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-6
2.3 Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Polpaarzahl
Nach der Gleichung
ist erkennbar, dass die Drehfelddrehzahl im Ständer bei konstanter Frequenz f sich
_______________________________________________
_______________________________________________
Es gilt somit:
Beispiel 1:
a) Bestimme die Drehfelddrehzahl eines 4 poligen Drehstrommotors an einem 50HzDrehstromnetz?
b) Bestimme die Drehfelddrehzahl eines 8 poligen Drehstrommotors an einem 50HzDrehstromnetz?
Beispiel 2:
a) Bestimme die Motordrehzahl des 4 poligen Drehstrommotors mit einem Schlupf von 4%. (f
= 50Hz)
b) Bestimme die Motordrehzahl des 8 poligen Drehstrommotors mit einem Schlupf von 4%. (f
= 50Hz)
Somit ist ersichtlich, dass eine Verdopplung der Polzahl eines Drehstrommotors eine Halbierung
der Drehfelddrehzahl und der Motordrehzahl mit sich bringt.
Bemerkung:
Es gilt allgemein:
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
=
2-7
oder
Am Leistungsschild des Drehstrommotors wird jeweils die Polzahl angegeben:
Übersicht:
Bei f = 50Hz sind die in der Tabelle angegebenen Drehfelddrehzahlen möglich:
p
1
ns in min-1
Die effektiven Läuferdrehzahlen n liegen um die Schlupfdrehzahl ∆n = ns - n unter den in der
Tabelle angegeben Werten.
Man unterscheidet zwischen zwei Arten der Drehzahlsteuerung durch Verändern der Polpaarzahl:
•
•
2.3.1 DASM mit getrennten Wicklungen
Es werden Motoren mit bis zu 3 unterschiedlichen Ständerwicklungen mit 3 unterschiedlichen
Polpaarzahlen gebaut.
Diese unterschiedlichen Polzahlzahlen ergeben somit jeweils eine andere Drehfelddrehzahl.
Die Klemmen der einzelnen Ständerwicklungen werden zum Klemmbrett geführt.
Mittels eines Drehschalters (Nockenschalter) oder mit Hilfe von Schützen werden die
verschiedenen Ständerwicklungen an das Drehstromnetz angeschlossen.
Die Bezeichnung Polumschaltbare Motoren beruht darauf, dass durch Umschalten über Schalter
verschiedene Polzahlen am Motor und somit Motordrehzahlen gewählt werden können.
Beispiel eines polumschaltbaren Motors mit zwei getrennten Ständerwicklungen
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-8
Polumschaltbarer Motor mit zwei getrennten Ständerwicklungen
Klemmenbezeichnungen:
Für p = 8:
1U
1V
1W
niedrige Drehzahl
Für p = 6:
2U
2V
2W
hohe Drehzahl
Das Verhältnis der Polpaarzahlen beträgt in diesen Fall
bzw.
Das Verhältnis der Drehfelddrehzahlen beträgt in diesen Fall wegen n s ≈
1
:
p
Bemerkungen:
•
Die Ständerwicklungen sind stets in Stern geschaltet. Bei einer Dreieckschaltung würden in
den nicht in Betrieb befindlichen Ständerwicklungen Induktionsströme fließen, welche den
Motor unnötig erhitzen würden.
•
Das Drehmoment ist bei beiden Drehzahlen etwa gleich, die Leistungen des Motors
verhalten sich etwa wie die Drehzahlen.
•
Die polumschaltbaren Motoren mit getrennten Wicklungen werden dort eingesetzt, wo das
Drehzahlverhältnis 1:2 nicht genutzt werden kann.
Schaltkurzzeichen:
Polumschaltbarer Drehstrommotor mit getrennten Wicklungen p = 3 resp. 2
2.3.2 DASM mit Dahlander - Wicklung
Bei der Dahlanderschaltung ist nur eine dreiphasige Ständerwicklung erforderlich.
Jeder Wicklungsstrang ist allerdings in zwei Wicklungshälften aufgeteilt. Durch Umschaltung
werden die Wicklungshälften entweder in Reihe oder parallel geschaltet.
Bei der Umschaltung von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung wird die Polzahl halbiert und
1
die Drehfelddrehzahl nach n s ≈ verdoppelt.
p
Es ergeben sich somit zwei Schaltungsmöglichkeiten:
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
•
2-9
Dreieckschaltung ∆ (Reihenschaltung der Wicklungshälften)
Klemmenanschlüsse: L1 →
L2 →
L3 →
→
•
________________________
Doppelsternschaltung Υ Υ (Parallelschaltung der Wicklungshälften)
Klemmenanschlüsse: L1 →
L2 →
L3 →
Sternpunkt →
→
________________________
Polumschaltbarer Motor mit Dahlanderwicklung (Dreieck-Doppelstern)
Wirkungsweise:
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-10
Im oben stehenden Bild ist die Darstellung des Wicklungsstranges 1U-1V, unterteilt in die zwei
Wicklungshälften 1U-2V und 2V-1V.
Zum Vergleich werden die Stromverhältnisse zu einem Zeitpunkt betrachtet, zu dem die Spannung
an L2 gegenüber L1 und dem Sternpunkt positiver ist.
Es entstehen die im Bild dargestellten Magnetfelder.
Bei der Dreieckschaltung entstehen 4 Magnetpole, d.h. p = 2
Bei der Doppelsternschaltung entstehen 2 Magnetpole, d.h. p = 1
Merke:
Bemerkungen:
• Das Drehmoment ist bei beiden Drehzahlen etwa gleich.
• Die Leistung des Motors bei der hohen Drehzahl beträgt wegen reduzierten Spannung
(200V pro Wicklungshälfte am 400V-Netz) nur den 1,5 fachen Wert der Leistung bei der
niedrigen Drehzahl (230V an den parallel geschalteten Wicklungshälften).
Einsatzgebiete:
Wegen dem gleich bleibenden Drehmoment bei den beiden Drehzahlen eignet sich die Schaltung
besonders für Antriebe mit konstantem Drehmoment, z.B. Werkzeugmaschinen
Schaltkurzzeichen:
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-11
Polumschaltbarer Drehstrommotor mit Dahlanderwicklungen p = 2 resp. 1
2.4 Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Ständerspannung
Bei dem Drehstromasynchronmotor ist das Kippdrehmoment MK proportional zum Quadrat der
Ständerspannung, d.h.:
Der Kippschlupf sK bzw. Kippdrehzahl nK bleibt unverändert
Bei Halbierung der Ständerspannung zum Beispiel verringert sich das Kippdrehmoment auf ein
Viertel des Bemessungswertes.
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-12
Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines DASM bei Drehzahleinstellung mit Hilfe unterschiedlicher
Ständerspannungen.
Feststellungen:
• Ist der Motor an seiner Bemessungsspannung angeschlossen
ergibt sich ein
Kippmoment das dem 2 fachen des Bemessungsmomentes entspricht
•
Ist der Motor an 70% Bemessungsspannung angeschlossen ___________ ergibt sich ein
Kippmoment das nach ___________________________ nur _________ des Kippmomentes
entspricht bei der Bemessungsspannung entspricht.
•
__________________________ leiben unverändert bei den unterschiedlichen
Ständerspannungen, hier nK = 0,8·ns
Wird der Motor mit einer Arbeitsmaschine mit stark drehzahlabhängigem Lastmoment ML belastet,
z.B. einen Lüfter, ergeben sich für die dargestellten Kennlinien die drei Arbeitspunkte mit den
Drehzahlen n1 bis n3.
Feststellungen:
•
Wird die Ständerspannung auf 50% des Bemessungswertes gesenkt, so liegt der
Schnittpunkt der Lastkurve mit der M-n-Kennlinie vor dem Kipppunkt und ein Dauerbetrieb
ist nicht möglich.
•
Die Drehzahl lässt sich nur in einem sehr begrenzten Raum steuern.
2.4.1 Möglichkeiten zur Steuerung der Ständerspannung:
•
Stern – Dreieck – Schaltung
Bei der Stern-Schaltung ist der Motor an 1
3
seiner Bemessungsschaltung angeschlossen.
Das Drehmoment sinkt somit auf 1 ab. Es ergibt sich somit eine Drehzahlreduzierung.
3
•
Drehstrommotor mit Anlasstransformator
Bei Hochspannungstransformatoren verwendet man Spartransformatoren zur
Spannungsreduzierung
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
•
2-13
Drehstrommotor mit Drehstromsteller
Mit Hilfe von einem Drehstromsteller, antiparallel geschalteten Thyristoren in den
Motorzuleitungen, kann man durch geeignete Wahl des Steuerwinkels an den Thyristoren
die Spannung kontaktlos und stufenlos verstellen. Dies erlaubt somit eine stufenlose
Drehzahlsteuerung. Dieses Verfahren ist besonders bei drehzahlgeregelten Antrieben
geeignet.
Bei kleinen Motoren werden Triac’s anstatt Thyristoren benutzt
2.4.2
Einsatzgebiete:
•
Im Kurzzeitbetrieb mit festgelegter Einschaltdauer, z.B. für Kurzschlussläufer-Sanftanlauf.
•
Drehzahlsteuerung von Arbeitsmaschinen mit stark von der Drehzahl abhängigem
Lastmoment, z.B. Lüfter, Pumpen.
•
Drehzahlsteuerung von kleinen Motoren mit großem Läuferwiderstand, z.B.
Wicklerantriebe in der Textilindustrie.
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-14
2.5 Drehzahlsteuerung beim DASM durch Verändern der Ständerfrequenz
Die bisher erwähnten Möglichkeiten der Drehzahlsteuerung haben einen gemeinsamen
wesentlichen Nachteil:
Die Drehzahlsteuerung des Motors ist nur unterhalb der Bemessungsfrequenz 50Hz möglich.
Weitere Nachteile:
• Polumschaltbare Motor:
o ________________________________________
o ________________________________________
•
Spannungs- und Schlupfsteuerung:
o ________________________________________
o ________________________________________
Nach der Gleichung
ist erkennbar, dass die Drehfelddrehzahl im Ständer bei konstanter Polpaarzahl p sich
_____________________________________________________
_____________________________________________________
Es gilt somit:
Der wesentlicher Vorteil dieser Drehzahlsteuerungsmöglichkeit besteht darin, dass
Speisefrequenzen oberhalb der Bemessungsfrequenz von 50Hz ebenfalls Drehzahlen über der
Leerlaufsdrehzahl bei 50Hz ermöglichen.
_________________ → ________________
Worauf ist jedoch bei der Frequenzveränderung zu achten?
Beim Drehstrommotor gilt die folgende Beziehung:
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-15
Φs ≈
U
f
d.h. der magnetische Drehfeldfluss Φs vergrößert sich beim Verringern der Frequenz. Dadurch
vergrößert sich ebenfalls der Magnetisierungsstrom im Ständer, was zu höheren Verlusten der
Maschinen führt. Bei vorgegebener Baugröße und Kühlung würde die Maschine unzulässig
erwärmt werden.
Aus dieser Ursache wird bei der Frequenzverringerung die Motorspannung im gleichen
Maße verringert. Der magnetische Drehfeldfluss bleibt somit konstant.
Bei fSpeise < 50Hz werden wegen der Spannungsreduzierung der Motorstrom und das Motormoment
ebenfalls annähernd konstant gehalten.
Wird der Motor mit Frequenzen fSpeise > 50Hz gespeist, so kann die Motorspannung jedoch nicht im
gleichem Maße wie die Frequenz erhöht werden. Bei zunehmender Frequenz verringert sich der
magnetische Drehfeldfluss und somit der Motorstrom und das Motormoment.
Spannungskennlinie in Abhängigkeit von Speisefrequenz und Drehzahl
Bemerkung:
Eine zusätzliche feste Spannungsanhebung im unteren Drehzahlbereich ermöglicht eine
Verbesserung der Anlauf- und Beschleunigungseigenschaften des Stromrichterantriebes.
Betriebsverhalten des Drehstromasynchronmotors mit FU
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-16
Drehmoment-Drehzahlkennlinienschar eines umrichtergespeisten Käfigläufers
Bei den Speisefrequenzen unterhalb der Bemessungsfrequenz von 50Hz verlaufen die Kennlinien
parallel zum Verlauf des Motors bei 50Hz. Das Kippmoment bleibt konstant.
Bei den Speisefrequenzen oberhalb von 50 Hz sinkt das Drehmoment des Motors infolge des
geringeren magnetischen Drehflusses Φs.
Dieses Drehzahlsteuerungsverfahren erlaubt unterhalb von 50Hz einen Einstellbereich von n = 0 bis
n = nN bei gleichem Moment. Oberhalb von 50Hz kann die Drehzahl bis zur mechanischen
Belastungsgrenze des Motors vergrößert werden. Das Moment verringert sich jedoch.
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc
Drehzahlsteuerung der DASM
2-17
Statische Frequenzumrichter ( Genaue Wirkungsweise später )
Statische Frequenzumrichter sind dreiphasige Spannungsquellen mit variabler Frequenz.
Je nach Typ sind Ausgangsfrequenzen von 200Hz möglich.
Die Ausgangsleistung von Standartgeräten liegt bei 1kW bis 100kW
Prinzipschaltbild eines Drehstromfrequenzumrichters mit Zwischenkreis
Beim Zwischenkreisumrichter wird die Netzspannung zunächst gleichgerichtet, um danach in einem
Wechselrichter in ein Drehstromsystem veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung
umgesetzt zu werden. Der Zwischenkreis ist als Spannungszwischenkreis ausgeführt.
Einsatzgebiete:
In der heutigen Industrie ist wird dieses Verfahren zur Drehzahlsteuerung in jedem Bereich
eingesetzt wo Motoren mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten müssen.
Durch die stufenlose Steuerung ist das Verfahren einfach als Drehzahlregelung auszulegen.
X2EE, TECEN
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Drehzahlsteuerung der DASM
2-18
Wiederholung - Vergleich
Drehzahlsteuerung eines Drehstromasynchronmotors durch Verändern
der Läufergrößen (Schlupfsteuerung)
der Ständerspannung
der Ständerfrequenz
(ausschließlich für Schleifringläufer)
Kippmoment ist konstant
Kippmoment ~ U2
Kippmoment ist konstant
Kippdrehzahl sinkt bei Verringerung der
Drehzahl
Kippdrehzahl ist konstant
Kippdrehzahl sinkt/steigt proportional bei
Verringerung/Steigerung der Drehzahl
Großer Drehzahleinstellbereich
Kleiner Drehzahleinstellbereich
Großer Drehzahleinstellbereich
n < nN (nN = Bemessungsdrehzahl bei R2 = 0)
n < nN (nN = Bemessungsdrehzahl bei
U = UN)
n < nN und n ≥ nN (nN = Bemessungsdrehzahl
bei f = 50Hz)
X2EE, TECEN
X2EE_DASM_n_stud.doc