Grundlagen Gleichstrommaschinen

Grundlagen
Gleichstrommaschinen
Arbeitsbuch
Mit CD-ROM
L1
N
PE
-T1
-T2
L+
L+
L-
L-
-P1
A1
A2
E2
E1
-M1
M
3600
1/min
n
V
3400
n = f [IE]
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300 mA 330
IE
Festo Didactic
571781 de
Bestell-Nr.:
Stand:
Autoren:
Redaktion:
Grafik:
Layout:
571781
05/2011
Jürgen Stumpp
Frank Ebel
Anika Kuhn, Jürgen Stumpp
08/2011, Frank Ebel, Sophia Härer
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten,
soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte
vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen
durchzuführen.
Hinweis
Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch
Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine
geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem
besseren Verständnis der Formulierungen.
Inhalt
Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV
Vorwort
______________________________________________________________________________ V
Einleitung _____________________________________________________________________________ VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII
Trainingspaket „Grundlagen Gleichstrommaschinen“ __________________________________________ IX
Lernziele _______________________________________________________________________________X
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben _____________________________________________________ XII
Komponenten ___________________________________________________________________________ XIV
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder __________________________________________________________ XVI
Struktur der Aufgaben ___________________________________________________________________ XVII
Bezeichnung der Komponenten ___________________________________________________________ XVII
Inhalte der CD-ROM _____________________________________________________________________ XVIII
Aufgaben und Lösungen
Übersicht Gleichstrommaschinen _____________________________________________________________3
Aufgabe 1: Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors ____________________________________5
Aufgabe 2: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 11
Aufgabe 3: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab ________________ 23
Aufgabe 4: Grundlagen des Gleichstrom-Reihenschlussmotors __________________________________ 37
Aufgabe 5: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 43
Aufgabe 6: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab _______________ 53
Aufgaben und Arbeitsblätter
Übersicht Gleichstrommaschinen _____________________________________________________________3
Aufgabe 1: Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors ____________________________________5
Aufgabe 2: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 11
Aufgabe 3: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab ________________ 23
Aufgabe 4: Grundlagen des Gleichstrom-Reihenschlussmotors __________________________________ 37
Aufgabe 5: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 43
Aufgabe 6: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab _______________ 53
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III
Bestimmungsgemäße Verwendung
Das Trainingspaket „Grundlagen Gleichstrommaschinen“ ist nur zu benutzen:
• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb
• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand
Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten
sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib
und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.
Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich
Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die
Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die
in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.
Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des
Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes
außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden
vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.
IV
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Vorwort
Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen
Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des
Lernsystems:
• Technologieorientierte Trainingspakete
• Mechatronik und Fabrikautomation
• Prozessautomation und Regelungstechnik
• Mobile Robotik
• Hybride Lernfabriken
Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem
Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.
Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,
Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare
Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.
Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen
Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen
und elektrischen Antrieben möglich.
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V
Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:
• Hardware
• Medien
• Seminare
Hardware
Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und
Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte
der begleitenden Medien angepasst.
Medien
Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die
praxisorientierte Teachware umfasst:
• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)
• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)
• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)
• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)
• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)
Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:
• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)
• Simulationssoftware
• Visualisierungssoftware
• Software zur Messdatenerfassung
• Projektierungs- und Konstruktionssoftware
• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht
konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.
Seminare
Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und
Weiterbildung ab.
Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?
Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.
VI
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Einleitung
Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma
Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und
Weiterbildung. Das Trainingspaket TP 1410 „Servo Brems- und Antriebssystem“ behandelt die folgenden
Themen:
• Grundlagen Gleichstrommaschinen
• Grundlagen Wechselstrommaschinen
• Grundlagen Drehstrommaschinen
In der Antriebstechnik spielen Gleichstromantriebe heute für mobile Antriebslösungen eine bedeutende
Rolle. Das Arbeitsbuch „Grundlagen Gleichstrommaschinen“ befasst sich gezielt mit der Thematik der
Gleichstromantriebe. Die Inhalte werden zunächst theoretisch erarbeitet und im Weiteren durch Übungen
gefestigt. Neben dem Aufbau der Maschinen werden auch deren Beschaltung und die Einsatzgebiete an
industrienahen Projekten verdeutlicht.
Technische Voraussetzungen für den Aufbau der Schaltungen sind
• ein Laborarbeitsplatz ausgestattet mit einem A4-Rahmen,
• der Gerätesatz TP 1410 Servo Brems- und Antriebssystem,
• ein Netzgerät mit 0 – 250 VDC, 4 A und 60 – 250 VDC, 1,5 A,
• eine Gleichstrom-Nebenschlussmaschine,
• eine Gleichstrom-Reihenschlussmaschine,
• Komponenten zur Ansteuerung der elektrischen Maschinen und
• Sicherheits-Laborleitungen.
Mit dem Gerätesatz TP 1410 und den Gleichstromantrieben werden die kompletten Schaltungen der
6 Aufgabenstellungen aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthält
das Lehrbuch
•
Fachkunde Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567297.
Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Gleichstrom-Nebenschlussmaschine,
Gleichstrom-Reihenschlussmaschine usw.) zur Verfügung.
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VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise
Allgemein
• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt
werden und sind umgehend zu beseitigen.
Mechanik
• Hängen Sie alle dafür vorgesehenen Komponenten in den A4-Rahmen ein.
• Beachten Sie Angaben zur Platzierung der Komponenten.
Elektrik
•
Das Servo Brems- und Antriebssystem (Motorenprüfstand) darf nur mit einem zusätzlichen Schutzleiter
in Betrieb genommen werden.
Output
L1
DC+
L2
Input
L3/N
DC-
PE
PE
•
•
•
•
VIII
Verbinden Sie immer den Temperaturschalter des Motors mit dem Eingang „Motor ϑ„ des
Motorenprüfstandes.
Herstellen bzw. Abbauen von elektrischen Anschlüssen nur in spannungslosem Zustand!
Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.
Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den
Leitungen.
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Trainingspaket „Grundlagen Gleichstrommaschinen“
Gegenstand dieses Teils des Trainingspakets TP 1410 sind die Grundlagen von Gleichstrommaschinen.
Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 1410 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.
Wichtige Komponenten des TP 1410
• Fester Arbeitsplatz mit A4-Rahmen
• Gerätesätze oder Einzelkomponenten (Gleichstrom-Nebenschlussmotor, GleichstromReihenschlussmotor)
• Sicherheits-Laborleitungen
• Komplette Laboreinrichtungen
Medien
Die Teachware zum Trainingspaket TP 1410 besteht aus einem Fachbuch und Arbeitsbüchern. Das Fachbuch
vermittelt die Grundlagen der Gleichstrommaschinen und ihrer Steuerschaltungen. Die Arbeitsbücher
enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt und eine
CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe ist enthalten.
Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket zur Verfügung gestellt.
Medien
Fachbuch
Fachkunde Elektroberufe
Arbeitsbuch
Grundlagen Gleichstrommaschinen
Grundlagen Wechselstrommaschinen
Grundlagen Drehstrommaschinen
Digitale Lernprogramme
WBT Elektrische Antriebe 1
WBT Elektrische Antriebe 2
Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1410
Als Software zum Trainingspaket TP 1410 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrische Antriebe 1 und
Elektrische Antriebe 2 zur Verfügung. Diese Lernprogramme beschäftigen sich ausführlich mit den
Grundlagen der elektrischen Antriebstechnik. Die Lerninhalte sind sowohl fachsystematisch als auch
anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.
Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. Das Lernsystem
Automatisierung und Technik wird laufend aktualisiert und erweitert. Die Foliensätze, die Filme, CD-ROMs,
DVDs und Lernprogramme sowie die weitere Teachware werden in mehreren Sprachen angeboten.
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IX
Lernziele
•
•
•
•
•
•
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•
•
•
•
•
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
X
Grundlagen Gleichstrommaschinen – Gleichstrom-Nebenschlussmotor
Sie kennen das Prinzip des Gleichstrommotors.
Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Nebenschlussmotors.
Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
Sie kennen die Bezeichnungen der einzelnen Wicklungen bei Gleichstrommaschinen.
Sie kennen die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
Sie können die Drehrichtung bei Gleichstrommaschinen definieren.
Sie kennen das Zustandekommen des hohen Einschaltstromes beim Gleichstrommotor.
Sie kennen die Drehfrequenzsteuerung des Gleichstrommotors.
Sie kennen die Messschaltung zur Inbetriebnahme eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors.
Sie kennen die Bedeutung der Angaben auf dem Leistungsschild des Motors.
Sie kennen die Inbetriebnahme eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors.
Sie kennen die Leerlaufwerte des Motors im Vergleich zu den Werten auf dem Leistungsschild.
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
Sie kennen die grafische Darstellung der Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz vom Erregerstrom.
Sie kennen die grafische Darstellung der Abhängigkeit der Drehfrequenz vom Erregerstrom.
Sie kennen die Messschaltung zur Messung des Betriebsverhaltens des Motors.
Sie kennen den Verlauf der Messungen und die erforderlichen Berechnungen.
Sie kennen die grafische Darstellung der Belastungskennlinien.
Sie kennen die Auswertung der Kennlinien.
Grundlagen Gleichstrommaschinen – Gleichstrom-Reihenschlussmotor
Sie kennen die Erklärung für den Begriff Reihenschlussmotor.
Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Reihenschlussmotors.
Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
Sie kennen den Anlaufstrom des Motors ohne Anlassvorrichtung.
Sie kennen das Problem des Reihenschlussmotors im Leerlauf.
Sie kennen das Problem des Reihenschlussmotors bei der Kopplung mit einer Arbeitsmaschine.
Sie kennen die Auswirkungen des hohen Einschaltstromes auf Drehfrequenz und Drehmoment des
Motors.
Sie kennen eine häufige Anwendungsmöglichkeit für den Reihenschlussmotor und die Begründung
dafür.
Sie kennen die Messschaltung zur Inbetriebnahme des Gleichstrom-Reihenschlussmotors.
Sie kennen die Inbetriebnahme des Gleichstrom-Reihenschlussmotors.
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
Sie kennen die grafische Darstellung der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Sie kennen die Messschaltung zur Messung des Betriebsverhaltens des Motors.
Sie kennen den Verlauf der Messungen und die erforderlichen Berechnungen.
Sie kennen die grafische Darstellung der Belastungskennlinien.
Sie kennen die Auswertung der Kennlinien.
Einsatz des Servo Brems- und Antriebssystems und der Software DriveLab
Sie kennen den Umgang mit dem Servo Brems- und Antriebssystem und der Software DriveLab.
Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme des Motors mit dem Servo Brems- und Antriebssystem und
der Software DriveLab.
Sie kennen die Programmoberfläche der Software DriveLab.
Sie kennen Auswahl und Änderung der Messgrößen auf der X-Achse und der Y-Achse.
Sie kennen die Anpassung von Farbe und Stil der Messkurven.
Sie kennen die Einstellung von Drehfrequenz und Drehmoment über den Rechner.
Sie kennen Vorbereitung und Start einer Messung über den Rechner.
Sie kennen die Eintragung eines neuen Motors in die Motorbibliothek.
Sie kennen Aufnahme und Dokumentation von Lastkennlinien über den Rechner.
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XI
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
Lernziel
XII
Sie kennen das Prinzip des Gleichstrommotors.
•
Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des
Nebenschlussmotors.
•
Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
•
Sie kennen die Bezeichnungen der einzelnen Wicklungen bei Gleichstrommaschinen.
•
Sie kennen die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
•
Sie können die Drehrichtung bei Gleichstrommaschinen definieren.
•
Sie kennen das Zustandekommen des hohen Einschaltstromes beim Gleichstrommotor.
•
Sie kennen die Drehfrequenzsteuerung des Gleichstrommotors.
•
Sie kennen die Messschaltung zur Inbetriebnahme eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors.
•
Sie kennen die Bedeutung der Angaben auf dem Leistungsschild des Motors.
•
Sie kennen die Inbetriebnahme eines Gleichstrom-Nebenschlussmotors.
•
Sie kennen die Leerlaufwerte des Motors im Vergleich zu den Werten auf dem Leistungsschild.
•
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
•
Sie kennen die grafische Darstellung der Abhängigkeit der Drehfrequenz von der
Ankerspannung.
•
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz vom Erregerstrom.
•
Sie kennen die grafische Darstellung der Abhängigkeit der Drehfrequenz vom Erregerstrom.
•
Sie kennen die Messschaltung zur Messung des Betriebsverhaltens des Motors.
•
Sie kennen den Verlauf der Messungen und die erforderlichen Berechnungen.
•
Sie kennen die grafische Darstellung der Belastungskennlinien.
•
Sie kennen die Auswertung der Kennlinien.
•
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Aufgabe
1
2
3
4
5
6
Lernziel
Sie kennen den Umgang mit dem Motorenprüfstand und der Software DriveLab.
•
Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme des Gleichstrom-Nebenschlussmotors mit dem
Motorenprüfstand und der Software DriveLab.
•
•
Sie kennen Anschluss und Inbetriebnahme des Gleichstrom-Reihenschlussmotors mit dem
•
Motorenprüfstand und der Software DriveLab.
Sie kennen die Programmieroberfläche der Software DriveLab.
•
•
Sie kennen Auswahl und Änderung der Messgrößen auf der X-Achse und der Y-Achse.
•
•
Sie kennen die Anpassung von Farbe und Stil der Messkurven.
•
•
Sie kennen die Einstellung von Drehfrequenz und Drehmoment über den Rechner.
•
•
Sie kennen Vorbereitung und Start einer Messung über den Rechner.
•
•
Sie kennen die Eintragung eines neuen Motors in die Motorbibliothek.
•
•
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
•
Sie kennen Aufnahme und Dokumentation von Lastkennlinien über den Rechner.
•
•
Sie kennen die Erklärung für den Begriff Reihenschlussmotor.
•
Sie kennen die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des
Reihenschlussmotors.
•
Sie können die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
•
Sie kennen den Anlaufstrom des Motors ohne Anlassvorrichtung.
•
Sie kennen das Problem des Reihenschlussmotors im Leerlauf.
•
Sie kennen das Problem des Reihenschlussmotors bei der Kopplung mit einer Arbeitsmaschine.
•
Sie kennen die Auswirkungen des hohen Einschaltstromes auf Drehfrequenz und Drehmoment
des Motors.
Sie kennen eine häufige Anwendungsmöglichkeit für den Reihenschlussmotor und die
Begründung dafür.
•
•
Sie kennen die Messschaltung zur Inbetriebnahme des Gleichstrom-Reihenschlussmotors.
•
Sie kennen die Inbetriebnahme des Gleichstrom-Reihenschlussmotors.
•
Sie kennen die Abhängigkeit der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
•
Sie kennen die grafische Darstellung der Drehfrequenz von der Ankerspannung.
•
Sie kennen die Messschaltung zur Messung des Betriebsverhaltens des Motors.
•
Sie kennen den Verlauf der Messungen und die erforderlichen Berechnungen.
•
Sie kennen die grafische Darstellung der Belastungskennlinien.
•
Sie kennen die Auswertung der Kennlinien.
•
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XIII
Komponenten
Die Komponenten des Trainingspakets „Grundlagen Gleichstrommaschinen“ vermitteln Kenntnisse über
Aufbau, Anschluss und Anwendungsgebiete von Gleichstrommaschinen. Zum Aufbau funktionsfähiger
Schaltungen werden zusätzlich ein Laborarbeitsplatz, optional mit A4-Rahmen, der Gerätesatz TP 1410
„Servo Brems- und Antriebssystem“, eine 250 V Gleichspannungsversorgung und Ansteuerungen für die
elektrischen Maschinen und benötigt.
Gerätesatz TP 1410 „Servo Brems- und Antriebssystem“
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
Servo Brems- und Antriebssystem
571870
1
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
Gleichstrom-Nebenschlussmaschine
571868
1
Gleichstrom-Reihenschlussmaschine
571869
1
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
Drehstromversorgung EduTrainer
571812
1
Netzteil 24 V EduTrainer
571813
1
Schützboard EduTrainer
571814
1
Schützsatz Motortechnik
571816
1
Bedien- und Meldegerät EduTrainer
571815
1
Elektrische Maschinen „Grundlagen Gleichstrommaschinen“
Ansteuerungen für die elektrischen Maschinen
XIV
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Grafische Symbole des Gerätesatzes
Komponente
Grafisches Symbol
Gleichstrom-Nebenschlussmaschine
M
Gleichstrom-Reihenschlussmaschine
M
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XV
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder
Lernziele
Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Kennenlernen der Grundlagen von
Gleichstrommaschinen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und
nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete
Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet.
Richtzeit
Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.
Auszubildende im Elektrobereich: ca. 3 Tage. Mit Facharbeiterausbildung: ca. 1 Tag.
Komponenten
Arbeitsbuch und Komponenten sind aufeinander abgestimmt. Für Aufgaben 1 bis 3 benötigen Sie einen
Gleichstrom-Nebenschlussmotor. Für Aufgaben 4 bis 6 benötigen Sie einen GleichstromReihenschlussmotor.
Normen
Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:
EN 60617-2 bis
EN 60617-8:
Graphische Symbole für Schaltpläne
EN 81346-2:
Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;
Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung
Kennzeichnung der Lösungen
Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.
Kennzeichnungen in den Arbeitsblättern
Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.
Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.
Hinweise für den Unterricht
Hier werden zusätzliche Informationen zu den einzelnen Komponenten und Schaltungen gegeben. Diese
Hinweise sind in den Arbeitsblättern nicht enthalten.
Lösungen
Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer
Messungen können von diesen Daten abweichen.
Lernfelder
Im Folgenden ist eine Zuordnung der Lernfelder der Berufsschule auf das Ausbildungsthema „Grundlagen
Gleichstrommaschinen“ für ausgewählte Ausbildungsberufe dargestellt.
XVI
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Ausbildungsberuf
Lernfeld
Thema
Elektroniker/in für
Automatisierungstechnik
1
Elektrotechnische Systeme analysieren und Funktionen prüfen
3
Steuerungen analysieren und anpassen
6
Anlagen analysieren und deren Sicherheit prüfen
3
Installieren elektrischer Betriebsmittel unter Beachtung sicherheitstechnischer
Aspekte
4
Untersuchen der Energie- und Informationsflüsse in elektrischen, pneumatischen
und hydraulischen Baugruppen
7
Realisieren mechatronischer Teilsysteme
11
Inbetriebnahme, Fehlersuche und Instandsetzung
Mechatroniker/in
Struktur der Aufgaben
Alle 6 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:
• Titel
• Lernziele
• Problemstellung
• Lageplan
• Projektauftrag
• Arbeitshilfen
• Arbeitsblätter
Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt.
Bezeichnung der Komponenten
Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt nach der Norm DIN EN 81346-2. In
Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines
Schaltkreises werden durchnummeriert.
Relais:
Schalter/Taster:
Schütz:
Sicherungen:
Signalgeräte:
K, K1, K2, …
S, S1, S2, …
Q, Q1, Q2, …
F, F1, F2, ...
P, P1, P2, ...
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XVII
Inhalte der CD-ROM
Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM
Ihnen weitere Medien zur Verfügung.
Die CD-ROM enthält folgende Ordner:
• Bedienungsanleitungen
• Bilder
• Datenblätter
Bedienungsanleitungen
Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese
Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.
Bilder
Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit
können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den
Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.
Datenblätter
Die Datenblätter der Komponenten des Trainingspakets stehen als pdf-Dateien zur Verfügung.
XVIII
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Inhalt
Aufgaben und Lösungen
Übersicht Gleichstrommaschinen _____________________________________________________________3
Aufgabe 1: Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors ____________________________________5
Aufgabe 2: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 11
Aufgabe 3: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab ________________ 23
Aufgabe 4: Grundlagen des Gleichstrom-Reihenschlussmotors __________________________________ 37
Aufgabe 5: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 43
Aufgabe 6: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab _______________ 53
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1
2
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Übersicht Gleichstrommaschinen
Gleichstrommaschinen
GleichstromNebenschlussmotor
Errergerwicklung
liegt parallel zum
Anker
Anker:
A1- A2
Errergerwicklung: E1- E2
Drehfrequenz fällt
bei Belastung
nur wenig ab
GleichstromReihenschlussmotor
GleichstromDoppelschlussmotor
Erregerwicklung
liegt in Reihe
zum Anker
Zwei Erregerwicklungen
Reihenschlusswicklung
Nebenschlusswicklung
auf einem gemeinsamen
Polkern
Anker:
A1- A2
Erregerwicklung: D1- D2
Drehfrequenz ist sehr
stark lastabhängig
hohes Anlaufdrehmoment
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Anker:
A1- A2
Nebenschlusswicklung:
E1- E2
Reihenschlusswicklung:
D1- D2
Eigenschaften von
Nebenschlussmotoren
und Reihenschlussmotoren sind vereinigt
3
4
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Aufgabe 1
Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
Lernziel
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
• kennen Sie den Aufbau eines Gleichstrommotors.
• kennen Sie das Prinzip des Gleichstrommotors.
• kennen Sie die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Nebenschlussmotors.
• können Sie die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
• kennen Sie die Bezeichnungen der einzelnen Wicklungen bei Gleichstrommaschinen.
• kennen Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
• können Sie die Drehrichtung bei Gleichstrommaschinen definieren.
• kennen Sie das Zustandekommen des hohen Einschaltstromes beim Gleichstrommotor.
• kennen Sie die Drehfrequenzsteuerung des Gleichstrommotors.
Problemstellung
Ein Auszubildender am Ende des zweiten Ausbildungsjahres wird im Wareneingang mit der Kontrolle von
angelieferten Elektromotoren beauftragt.
Nach einer ausführlichen Einweisung erhält er vom Ausbilder einen Gleichstrommotor zur Untersuchung. Die
Untersuchungsergebnisse sind in einem Protokoll zu dokumentieren.
Hinweis
Der Motor wird in dieser Aufgabe nicht in Betrieb genommen!
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5
Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
8.
9.
Arbeitsaufträge
Beschreiben Sie das Prinzip eines Gleichstrommotors.
Messen Sie mit einem Ohmmeter die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung.
Beurteilen Sie die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beim Nebenschlussmotor.
Weisen Sie den einzelnen Wicklungen die entsprechenden Bezeichnungen zu.
Erklären Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
Wie lässt sich die Drehrichtung eines Gleichstrommotors definieren?
Beschreiben Sie, warum im Moment des Einschaltens beim Gleichstrommotor ein relativ hoher
Einschaltstrom fließt.
Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz des Gleichstrommotors verändern lässt.
Beschreiben Sie die Bedeutung der Wendepole bei einem Gleichstrommotor.
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Arbeitshilfen
Fachbücher, Tabellenbücher
Auszüge aus Herstellerkatalogen
Datenblätter
Internet
WBT Elektrische Antriebe 1
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
1. Prinzip des Gleichstrommotors
–
Beschreiben Sie das Prinzip eines Gleichstrommotors.
Das Prinzip des Gleichstrommotors beruht auf dem stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld. Der
stromdurchflossene Leiter ist der Anker und das Magnetfeld wird von der Erregerwicklung erzeugt.
Das Magnetfeld kann bei kleineren Motoren von einem Dauermagneten und bei größeren Motoren von
einem Elektromagneten (Erregerwicklung) erzeugt werden.
2. Widerstände von Anker- und Erregerwicklung
Information
Die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung sind für das Verständnis der Funktion
des Nebenschlussmotors wichtig.
–
Messen Sie mit einem Ohmmeter die in der Tabelle verlangten Werte.
R [Ω]
Ankerwicklung
11
Erregerwicklung
595
3. Beurteilen der Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung bei Nebenschlussmotor
–
Beurteilen Sie die gemessenen Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung.
Ankerwicklung
Widerstandswert: 11 Ω
Beurteilung
Der Ankerwiderstand ist relativ niederohmig.
Der dadurch entstehende hohe Anlaufstrom muss deshalb durch eine geeignete Maßnahme
(gesteuerter Gleichrichter, Gleichstromsteller PWM, veraltet Anlasser) beim Anlaufen verkleinert
werden. Im Betrieb entsteht eine Gegenspannung, die den Strom auf einem bestimmten Wert hält.
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
Erregerwicklung
Widerstandswert: 595 Ω
Beurteilung
Der Widerstand der Erregerwicklung ist relativ hochohmig.
Die Erregerwicklung muss diesen hohen Widerstand (viele Windungen, dünner Wickeldraht) besitzen,
da die Wicklung im Betrieb an der Nennspannung des Gleichstromnetzes liegt (220 V) und bei
Gleichstrom nur der Kupferwiderstand (ohmscher Widerstand) der Wicklung wirksam ist.
4. Wicklungsbezeichnungen bei Gleichstrommaschinen
–
Vervollständigen Sie die Tabelle mit den verlangten Bezeichnungen.
Wicklung
Bezeichnung
Ankerwicklung:
Nebenschluss
Reihenschluss
A1 – A2
A1 – A2
Erregerwicklung:
Nebenschluss
Reihenschluss
E1 – E2
D1 – D2
Kompensationswicklung
1C1 – 1C2
Wendepolwicklung
1B1 – 1B2
Wicklungsbezeichnungen von Gleichstrommaschinen
5. Bedeutung der Ziffern hinter den Kennbuchstaben der Wicklungsbezeichnungen
–
Erklären Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Kennbuchstaben der Wicklungen
Die Ziffern hinter den Kennbuchstaben der Wicklungen geben den Wicklungsanfang (1) und das
Wicklungsende (2) an.
Fließt der Strom in allen Wicklungen von 1 nach 2, so hat der Motor Rechtslauf.
Wird die Stromrichtung in einer Wicklung vertauscht (von 2 nach 1), dann hat der Motor Linkslauf.
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
6. Drehrichtung eines Gleichstrommotors
a) Definieren Sie die Drehrichtung durch Strompfeile in den Wicklungen (Rechtslauf, Linkslauf).
A1
E2
E1
M
A1
E2
E1
M
Rechtslauf
A2
Linkslauf
A2
b) Beschreiben Sie, wie die Drehrichtung in der Praxis geändert wird.
In der Praxis wird für die Drehrichtungsumkehr von Gleichstrommotoren die Stromrichtung im Anker
(A1 – A2) umgepolt.
Bei Motoren mit Wendepolen ist darauf zu achten, dass die Wendepole (1B1 – 1B2) auch mit
umgepolt werden.
7. Einschaltstrom beim Gleichstrommotor
–
Beschreiben Sie warum der Gleichstrommotor nicht direkt an das Gleichstromnetz gelegt werden darf.
Das entstehende Drehmoment beim Gleichstrommotor beruht auf der Kraftwirkung eines
stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld (das Magnetfeld kann durch einen Dauermagneten oder
durch einen Elektromagneten erzeugt werden).
Bei der Drehung des Ankers im Magnetfeld wird in der Ankerwicklung eine Spannung induziert, die der
angelegten Netzspannung entgegenwirkt.
Im Stillstand des Ankers ist diese Gegenspannung gleich Null. Im Moment des Einschaltens ist nur der
ohmsche Widerstand der Ankerwicklung wirksam und dieser ist sehr klein. Der Einschaltstrom würde
sehr hohe Werte annehmen und muss daher durch geeignete Maßnahmen begrenzt werden.
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
8. Änderung der Drehfrequenz beim Gleichstrommotor
Für die Steuerung bei Gleichstrommotoren unterscheidet man zwei Einstellbereiche:
1. unterhalb der Nenndrehfrequenz
2. oberhalb der Nenndrehfrequenz
a) Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz unterhalb der Nenndrehfrequenz einstellen lässt.
Die Drehfrequenz unterhalb der Nenndrehfrequenz wird durch Verkleinerung der Ankerspannung von
Null bis zur Nennspannung erreicht (veraltet Anlasser).
b) Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz oberhalb der Nenndrehfrequenz einstellen lässt.
Sind für eine Drehfrequenzsteuerung oberhalb der Nenndrehfrequenz vom Hersteller keine Angaben
gemacht, so darf die gesteuerte Drehfrequenz die Nenndrehfrequenz um höchstens 10% übersteigen.
Die Drehfrequenz oberhalb der Nenndrehfrequenz wird durch Verkleinerung des Erregerstromes
erreicht. Dazu wird die Erregerspannung verringert (veraltet Feldsteller).
9. Bedeutung der Wendepole beim Gleichstrommotor
–
Welche Bedeutung haben Wendepole bei Gleichstrommotoren?
Wendepole sind zusätzliche kleine Magnetpole.
Die Wendepole erzeugen ein Magnetfeld, welches dem Ankerquerfeld entgegenwirkt und bei richtiger
Bemessung der Wendepole die Ankerquerfeldverschiebung aufhebt.
Da das Ankerquerfeld vom Belastungsstrom abhängig ist, muss das Magnetfeld der Wendepole auch
vom Belastungsstrom abhängig gemacht werden. Deshalb sind Ankerwicklung und Wendepolwicklung
in Reihe geschaltet.
Weil die Wendepole das Ankerquerfeld in der neutralen Zone aufheben, wird bei der Stromwendung
eine Funkenbildung weitgehend verhindert.
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Inhalt
Aufgaben und Arbeitsblätter
Übersicht Gleichstrommaschinen _____________________________________________________________3
Aufgabe 1: Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors ____________________________________5
Aufgabe 2: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 11
Aufgabe 3: Gleichstrom-Nebenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab ________________ 23
Aufgabe 4: Grundlagen des Gleichstrom-Reihenschlussmotors __________________________________ 37
Aufgabe 5: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen und Berechnungen im Leerlauf und bei
verschiedenen Belastungen _____________________________________________________ 43
Aufgabe 6: Gleichstrom-Reihenschlussmotor: Messungen mit der Software DriveLab _______________ 53
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Übersicht Gleichstrommaschinen
Gleichstrommaschinen
GleichstromNebenschlussmotor
Errergerwicklung
liegt parallel zum
Anker
Anker:
A1- A2
Errergerwicklung: E1- E2
Drehfrequenz fällt
bei Belastung
nur wenig ab
GleichstromReihenschlussmotor
GleichstromDoppelschlussmotor
Erregerwicklung
liegt in Reihe
zum Anker
Zwei Erregerwicklungen
Reihenschlusswicklung
Nebenschlusswicklung
auf einem gemeinsamen
Polkern
Anker:
A1- A2
Erregerwicklung: D1- D2
Drehfrequenz ist sehr
stark lastabhängig
hohes Anlaufdrehmoment
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Anker:
A1- A2
Nebenschlusswicklung:
E1- E2
Reihenschlusswicklung:
D1- D2
Eigenschaften von
Nebenschlussmotoren
und Reihenschlussmotoren sind vereinigt
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Aufgabe 1
Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
Lernziel
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
• kennen Sie den Aufbau eines Gleichstrommotors.
• kennen Sie das Prinzip des Gleichstrommotors.
• kennen Sie die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung des Nebenschlussmotors.
• können Sie die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beurteilen.
• kennen Sie die Bezeichnungen der einzelnen Wicklungen bei Gleichstrommaschinen.
• kennen Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
• können Sie die Drehrichtung bei Gleichstrommaschinen definieren.
• kennen Sie das Zustandekommen des hohen Einschaltstromes beim Gleichstrommotor.
• kennen Sie die Drehfrequenzsteuerung des Gleichstrommotors.
Problemstellung
Ein Auszubildender am Ende des zweiten Ausbildungsjahres wird im Wareneingang mit der Kontrolle von
angelieferten Elektromotoren beauftragt.
Nach einer ausführlichen Einweisung erhält er vom Ausbilder einen Gleichstrommotor zur Untersuchung. Die
Untersuchungsergebnisse sind in einem Protokoll zu dokumentieren.
Hinweis
Der Motor wird in dieser Aufgabe nicht in Betrieb genommen!
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
8.
9.
Arbeitsaufträge
Beschreiben Sie das Prinzip eines Gleichstrommotors.
Messen Sie mit einem Ohmmeter die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung.
Beurteilen Sie die Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung beim Nebenschlussmotor.
Weisen Sie den einzelnen Wicklungen die entsprechenden Bezeichnungen zu.
Erklären Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Buchstaben der Wicklungsbezeichnungen.
Wie lässt sich die Drehrichtung eines Gleichstrommotors definieren?
Beschreiben Sie, warum im Moment des Einschaltens beim Gleichstrommotor ein relativ hoher
Einschaltstrom fließt.
Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz des Gleichstrommotors verändern lässt.
Beschreiben Sie die Bedeutung der Wendepole bei einem Gleichstrommotor.
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Arbeitshilfen
Fachbücher, Tabellenbücher
Auszüge aus Herstellerkatalogen
Datenblätter
Internet
WBT Elektrische Antriebe 1
1.
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
1. Prinzip des Gleichstrommotors
–
Beschreiben Sie das Prinzip eines Gleichstrommotors.
2. Widerstände von Anker- und Erregerwicklung
Information
Die ohmschen Widerstände von Anker- und Erregerwicklung sind für das Verständnis der Funktion
des Nebenschlussmotors wichtig.
–
Messen Sie mit einem Ohmmeter die in der Tabelle verlangten Werte.
R [Ω]
Ankerwicklung
Erregerwicklung
3. Beurteilen der Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung bei Nebenschlussmotor
–
Beurteilen Sie die gemessenen Widerstandswerte von Anker- und Erregerwicklung.
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Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
4. Wicklungsbezeichnungen bei Gleichstrommaschinen
–
Vervollständigen Sie die Tabelle mit den verlangten Bezeichnungen.
Wicklung
Bezeichnung
Ankerwicklung:
Nebenschluss
Reihenschluss
Erregerwicklung:
Nebenschluss
Reihenschluss
Kompensationswicklung
Wendepolwicklung
Wicklungsbezeichnungen von Gleichstrommaschinen
5. Bedeutung der Ziffern hinter den Kennbuchstaben der Wicklungsbezeichnungen
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Erklären Sie die Bedeutung der Ziffern hinter den Kennbuchstaben der Wicklungen
Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
6. Drehrichtung eines Gleichstrommotors
a) Definieren Sie die Drehrichtung durch Strompfeile in den Wicklungen (Rechtslauf, Linkslauf).
A1
E2
E1
M
A1
E2
E1
M
Rechtslauf
A2
Linkslauf
A2
b) Beschreiben Sie, wie die Drehrichtung in der Praxis geändert wird.
7. Einschaltstrom beim Gleichstrommotor
–
Beschreiben Sie warum der Gleichstrommotor nicht direkt an das Gleichstromnetz gelegt werden darf.
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Name: __________________________________ Datum: ____________
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Aufgabe 1 – Grundlagen des Gleichstrom-Nebenschlussmotors
8. Änderung der Drehfrequenz beim Gleichstrommotor
Für die Steuerung bei Gleichstrommotoren unterscheidet man zwei Einstellbereiche:
1. unterhalb der Nenndrehfrequenz
2. oberhalb der Nenndrehfrequenz
a) Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz unterhalb der Nenndrehfrequenz einstellen lässt.
b) Beschreiben Sie, wie sich die Drehfrequenz oberhalb der Nenndrehfrequenz einstellen lässt.
9. Bedeutung der Wendepole beim Gleichstrommotor
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Welche Bedeutung haben Wendepole bei Gleichstrommotoren?
Name: __________________________________ Datum: ____________
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