Messtechnik - antriebstechnik.fh

Praktikum elektrische Maschinen
Versuch 1: Meßtechnik bei elektrischen Maschinen
Kremser 1996
Theoretische Grundlagen
Zur meßtechnischen Untersuchung elektrischer Maschinen sind neben den elektrischen
Größen, wie z. B. Strom, Spannung, Leistung, Widerstand, auch mechanische Größen,
wie z. B. Drehmoment und Drehzahl, zu messen. Dieser erste Versuch gibt eine Einführung in die Meßtechnik bei elektrischen Maschinen. Bei elektrischen Maschinen sind
die zu messenden Spannungen und Ströme oft so groß, daß Spannungs- und Stromwandler eingesetzt werden müssen.
Meßmethoden
Widerstandsmessung
Die Wicklungswiderstände der im Praktikum eingesetzten elektrischen Maschinen sollen
durch verschiedene Meßverfahren bestimmt werden.
a) Messung mit der Wheatstone- Brücke (Prinzip siehe Bild 1.1)
b) Messung mit der Thomson- Brücke (Bild 1.2, zur Vermeidung des Einflusses von
Kontakt- und Leitungswiderständen, ab Rx < 1Ω vorzuziehen, zwei Klemmen zum
Anschluß des Stromkreises (in Bild 1.2: RI, RI*), zwei Klemmen zum Anschluß des
Meßkreises (in Bild 1.2: RU, RU*)).
Bild 1.1 Wheatstone- Brücke
Bild 1.2 Thomson- Brücke
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Versuch 1: Meßtechnik bei elektrischen Maschinen
Kremser 1996
c) Messung von Strom und Spannung
Da die Wicklungswiderstände in der Regel klein sind gegenüber dem Innenwiderstand
des Voltmeters, ist die spannungsrichtige Schaltung vorzusehen.
Leistungsmessung
Aronschaltung
Bei der Aronschaltung nach Bild 1.3 (Seite 4) werden zur Messung der Gesamtleistung in
einem Dreileitersystem nur zwei Wattmeter benötigt. Ein künstlicher Sternpunkt ist nicht
erforderlich (siehe auch Dreileistungsmessermethode). Die Gesamtleistung ergibt sich
aus der Summe der beiden Ausschläge α1, α2, wobei die Vorzeichen der Einzelausschläge zu berücksichtigen sind. Bei Phasenverschiebungswinkeln ϕ > 60o zwischen IR
und UVU ist bei symmetrischer Last der Leistungsmesserausschlag α2 negativ. Mit den
Meßbereichskonstanten von Stromwandler (cI) und Wattmeter (cW ) ergibt sich die
Gesamtleistung zu
P = cI cW (α1 + α2 )
Dreileistungsmessermethode
Zur Messung der Wirkleistung in einem beliebig belasteten Dreileitersystem werden die
Spannungspfade zu einem künstlichen Sternpunkt zusammengefaßt (Bild 1.4, Seite 5).
Die Gesamtleistung ist die Summe der drei Strangleistungen. Der künstliche Sternpunkt
ist bei elektronischen dreiphasigen Wattmetern im Gerät integriert.
Drehmomentmessung
Zur Drehmomentmessung werden im Praktikum sog. Pendelmaschinen eingesetzt. Es
handelt sich hierbei um fremderregte Gleichstrommaschinen, deren Ständer drehbar
gelagert ist. Da das auf den Läufer wirkende Drehmoment gemäß "actio = reactio" als
Gegenmoment auch auf den Ständer wirkt, kann das Drehmoment über einen definierten
Hebelarm und eine Federkraft in einen drehmomentproportionalen Federweg umgesetzt
werden.
Neben den Pendelmaschinen werden zur Drehmomentmessung auch sog. Drehmomentmeßwellen eingesetzt. Dabei wird die magnetische Kopplung zwischen zwei an den beiden Enden einer Torsionswelle angebrachten Spulen bei Einwirkung eines Drehmoments
verändert („Transformator mit variabler Kopplung“) und die in der Sekundärspule
induzierte drehzahlproportionale Wechselspannung gleichgerichtet und zur Anzeige
gebracht.
Drehzahlmessung
Analog: Mit Hilfe von Tachogeneratoren (kleine Gleichstrommaschinen) kann die Drehzahl gemäß Ui = k1 Φ n in eine drehzahlproportionale Spannung umgesetzt
werden.
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Versuch 1: Meßtechnik bei elektrischen Maschinen
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Digital: Die digitale Drehzahlmessung beruht auf der Zählung von Impulsen pro
Umdrehung. Übliche Verfahren sind Messungen mit Lochscheibe und Lichtschranke oder mit auf der Welle angebrachtem Zahnkranz und feststehenden
Spulen zur Erfassung der Änderung des Luftspaltes
Versuchsdurchführung
1. Widerstandmessung
Die Wicklungswiderstände von
- Asynchronmaschine (Ständer- und Läuferwicklung)
- Gleichstromnebenschlußmaschine (Anker-, Wendepol- und Erregerwicklung)
sind mit der Wheatstone- Meßbrücke und mit der Strom- und Spannungsmessung zu
messen und zu protokollieren. Widerstände kleiner als 1 Ω sind zusätzlich mit der
Thomson- Brücke zu messen.
Bei der Messung des Ankerwiderstands der Gleichstrommaschine sind die Tastspitzen
auf zwei um eine Polteilung entfernte Kommutatorstege aufzusetzen.
2. Leistungsmessung
Für die Asynchronmaschine soll die Trennung der lastunabhängigen Leerverluste in
Eisen- und Reibungsverluste vorgenommen werden. Die Reibungsverluste sind bei
konstanter Drehzahl spannungsunabhängig. Die Eisenverluste ändern sich wegen der
quadratischen Abhängigkeit der Hysterese- und Wirbelstromverluste von der Induktion
quadratisch mit der Klemmenspannung.
2.1 Notieren Sie die Leistungsschilddaten.
2.2 Messen Sie im Leerlauf bei kurzgeschlossener Läuferwicklung den Leerlaufstrom und
die aufgenommene Wirkleistung (Aron- Schaltung) als Funktion der Klemmenspannung (0,4 UN < U < 1,2 UN).
Versuchsauswertung
1. Vergleichen Sie die mit den verschiedenen Methoden ermittelten Wicklungswiderstände. Begründen Sie jeweils, mit welchem Meßverfahren die Widerstandsmessungen
vorgenommen werden sollten. Vergleichen Sie die Wicklungswiderstände der
Wicklungen von Gleichstrommaschine und Asynchronmaschine jeweils miteinander
(Gleichstrommaschine: Anker-, Wendepol-, Erregerwicklung, Asynchronmaschine:
Ständer- und Läuferwicklung).
2. Stellen Sie die Magnetisierungskennlinie U = f(I0) grafisch dar.
Tragen Sie die lastunabhängigen Leerverluste
PFe + PReib = P0 – PCu1 = f(U2)
über dem Quadrat der Spannung auf und bestimmen Sie die Reibungsverluste sowie
die Eisenverluste bei Bemessungsspannung.
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W
V
Bild 1.3 Leistungsmessung: Aronschaltung (Zweiwattmetermethode)
4
Wattmeter 2
Stromwandler
Stromwandler
Lasttrennschalter
Voltmeter
Stelltrafo
L1
L2
L3
400 V / 50 Hz
Wattmeter 1
Voltmeter
Amperemeter
U
M
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W
V
Lasttrennschalter
Voltmeter
Stelltrafo
L1
L2
L3
400 V / 50 Hz
Bild 1.4 Leistungsmessung: Dreiwattmetermethode
5
R
R
Wattmeter
R
Voltmeter
Amperemeter
U
M
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