Kein Folientitel - Institut für Elektrische Energiewandlung

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Elektrische Maschinen und Antriebe
Vorlesungsinhalt
1.
Einleitung
2.
Drehfelder in elektrischen Maschinen
3.
Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern
4.
Spannungsinduktion in Drehstrommaschinen
5.
Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine
6.
Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine
7.
Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine
8.
Die Synchronmaschine
9.
Erregereinrichtungen und Kennlinien
10. Gleichstromantriebe
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UNIVERSITÄT
DARMSTADT
Prof. A. Binder : Elektrische Maschinen und Antriebe
10/1
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
10. Gleichstromantriebe
Quelle: Siemens AG
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10/2
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
& Dynamische Gleichungen von Gleichstrommaschinen
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
TECHNISCHE
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DARMSTADT
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10/3
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Einsatzgebiete von Gleichstrommaschinen mit
Stromrichterspeisung
Drehzahlveränderbare Antriebe z. B. mit geregelter Drehzahl:
– in der Industrie z. B. in Walzwerken, Prüfständen, Kranen,
für Drahtziehen, Stanzen, Kunststoffspritzguss, Folienrecken,...
– in der Traktion als U-Bahn-, Straßenbahn- und Vollbahnmotoren,
in E-Autos,
– in Schiffen als U-Boot-Antriebe,
Drehzahlveränderbare Kleinmotoren:
– als permanentmagneterregter Kleinmotor in Automobilen (Fensterheber,
Sitzversteller,..), als Tachogeneratoren,... (DC-Betrieb)
– als ele. erregter Universalmotor in vielen Haushaltsgeräten (AC-Betrieb).
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10/4
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Kleine permanentmagneterregte Gleichstrommaschinen
Quelle: Faulhaber,
Germany
Gleichstrom-Kleinstmotoren für Präzisionsantriebe
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10/5
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Vierpolige Gleichstrommaschine – Querschnitt
Quelle: H. Kleinrath,
Studientext
Elektrische Felderregung / Bsp.: Vierpolige Maschine
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10/6
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Gleichstrommaschine – Längsschnitt
le
Quelle: H. Kleinrath,
Studientext
Elektrische Felderregung / Bsp.: Vierpolige Maschine
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10/7
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Zweipoliges Erregerfeld der Gleichstrommaschine
 f  N f , Pol I f
Beispiel für geschlossene Kurve C
elektrisch erregt mit Polspule
If: Erregerstrom (Feldstrom) DC
Nf,Pol: Windungszahl je Polspule

Durchflutungssatz für geschlossene Kurve C:
 
 H  ds  2 f  H Fe,s  sFe,s  H Fe,r  sFe,r  2H   
sFe,r
C
Für Fe >> 0 ist HFe  0:
H     f
sFe,s
•
B  0 f /   B ,m
Zwei Hauptpole (2p = 2, p: Polpaarzahl) erregen Luftspaltfeld B(x), eine Ankerspule
rotiert mit Drehzahl n, zwei Kohlebürsten als Anschlüsse
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10/8
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Luftspaltfeldverteilung unter den Hauptpolen
 f  N f , Pol I f
Polkantenfeld streut in
die Pollücken =
„glockenförmige“
B-Feldkurve
Fluss pro Pol:
p
  l  B ( x)  dx   e B ,m p l
0
p: Polteilung
bp: Polbreite
e: ideelle Polbedeckung
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10/9
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Elektrische Statorfelderregung
Feldlinie = Kurve C
Durchflutungssatz (Kurve C):
 
 H  ds    2 N f ,Pol I f
Nf,Pol
Windungen je
Statorpolspule
C
Eisenpermeabilität sehr groß
(ungesättigt):
 Fe  0 : H Fe  H
2 H ( x )   ( x )  2 N f , Pol I f
H  ,m 
Ständerfeld im Luftspalt, elektrisch erregt
durch Gleichstrom If
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10/10
N f , Pol I f

B ,m  0
N f , Pol I f

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Magnetischer Statorfluss pro Pol
Radialkomponente der Flussdichte im Luftspalt
p
Polfluss:
  le  B ( x)dx   e ple B ,m
0
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Gleichstrommaschine – Felderregungsarten
Beispiel: Vierpolige Maschinen
Quelle: ABB, Schweden
Quelle: Siemens AG
Elektrische Felderregung
Permanentmagneterregung
1: Feldspulen, 2: Kompensationswicklung
1, 2: Ferrit-Feldmagnete, 3: Polschuhblech,
3: Wendepolwicklung, 4: Ankerwicklung
4: Gehäuse als Jochrückschluss
5: Anker (Rotor)
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Gleichstrommaschine – Prinzipielle Funktionsweise
e
ee
Rotierende Läuferspule im Ständerfeld mit
mechanischem Gleichrichter (Kommutator)
Ständerfeld im Luftspalt, elektrisch erregt
– In jede der bewegten Spulenseiten (Windungszahl Nc, Länge le, Drehzahl n) wird durch
Bewegungsinduktion eine Wechselspannung ui,c induziert:
Amplitude
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Uˆ i ,c  2va B ,m N cle
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10/13
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Bewegungsinduktion in eine Ankerspule
e
e
v a  B
E b  v a  B

va
B
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le
le
0
0


U ic  2  E b  d s  2  v a  B  d s  2  va  B  le
v a  B  d s
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10/14
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Spannungsinduktion in bewegten Leiter
Rotoreisen
va
Eb
Fe >> 0: B-Feldlinien treten (nahezu) senkrecht aus dem
Eisen in den Luftspalt = radiale Feldrichtung.
Dadurch sind va und B senkrecht zueinander gerichtet

 


Eb  va  B Eb  va  B  ez
Luftspalt
B
Statoreisen
Die bewegungsinduzierte Feldstärke Eb ist in axiale
Richtung (z-Achse) gerichtet!
Induzierte Spannung je Spulenseite (Länge le):
l

 e
 
ui,c / 2   Eb  ds   va  B  ez  ez ds  va  B  le
le
0
0
ui,c  (ui,c / 2)  (ui,c / 2)  2va  B  le
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10/15
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Induzierte Anker-Spulenspannung
Gleichgerichtete Spulen-Spannung ui
e
m  2  n
Nc  1 :
Spulen-Wechselspannung uic
e
e
Gleichgerichtete Spulen-Spannung ui
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Kurvenform der induzierten Ankerspulenspannung
Nc  1 :
U i,c,av  2  va  B ,av  le
e
•
Uˆ i,c  2  va  B ,m  le
Unter den Polen ist B(x) groß mit Maximalwert B,m, daher auch ui groß.
In den Pollücken wechselt das Feld die Polarität: Nulldurchgang von Feld und Spannung.
•
Amplitude der gleichgerichteten Spulenspannung: Uˆ i,c  2  va  B ,m  le , Mittelwert entspricht einer Spannungsinduktion im mittleren Feld (ohne Pollücken): ui,av  2  va  B ,av  le
•
Einbrüche der Spannung im Abstand T/2 “unschön” (fa = 1/T „Ankerfrequenz“).
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10/17
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine (1)
- Magnetisches Gleichfeld im Stator induziert Wechselspannung im Rotor (Anker)
- Mechanischer Gleichrichter (Kommutator und Kohlegraphit-Bürsten) erzeugen
Gleichspannung
- Elektrische oder permanentmagnetische Ständerfelderregung
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine (2)
- Ruhendes magnetisches Erregerfeld (Statorfeld) als Gleichfeld
- Rotierender geblechter Eisenkörper (Anker) mit Ankerspule(n)
- Bewegungsinduzierte Wechselspannung in der Ankerspule
- Über Kommutator und Bürsten gleichgerichtete Ankerspannung
- Ankerspannung proportional zur Drehzahl
- Läufer = Rotor = „Anker“, weil bei zweinutigem Läufer
als „Doppel-T-Anker“ Ähnlichkeit mit Schiffsanker
Nut
Ankerspule
Doppel-T-Anker
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10/19
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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10/20
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Induzierte gleichgerichtete Ankerspulenspannung
1 Ankerspule
Abgewickelte
Darstellung
Kommutatorsegment
Bürste
 
Ui als „innere“ Spannung U i ~ v  B
(Quellenspannung Uq)
Elektrisches Ersatzschaltbild im
Generatorbetrieb im ErzeugerZählpfeilsystem (EZS)
ic = ia
ui  0, ic  0 ui  ic
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Induktion in eine Leiterschleife - Ersatzschaltbild
Ersatzschaltbild:
i
i
R
ui
i
R
u

ui
u
ui
i
ui  d / dt
u  ui  R  i
u  R  i  d / dt
u  R  i  uq
R: Schleifen-Widerstand
u: Klemmenspannung
ui: induzierte Spannung
uq = -ui: Quellen-Spannung
uq  ui  d / dt
R
uq
Verbraucher-Zählpfeilsystem
für u, i
Beispiel:
a) Leerlaufende Schleife: i = 0  u = -ui = uq = d/dt
b) Kurzgeschlossene Schleife: u = 0  i = ui/R = -uq/R = -(d/dt)/R NEGATIVER Strom!
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u
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Die LORENTZ-Kraft auf einen Ankerleiter
Generatorbetrieb: EZS ui  0, I c  0 ui  I c
c
Die LORENTZ-Kraft F wirkt gegen die
Ankerumfangsgeschwindigkeit v = va und bremst!
Bremsen
Ui als „innere“ Spannung (Quellenspannung Uq)
Motorbetrieb: VZS ui  0, I c  0 ui  I c
c
Die LORENTZ-Kraft F wirkt in Richtung der
Ankerumfangsgeschwindigkeit v und treibt an!
Antreiben
•
•
c
Strom Ic im Leiter im Magnetfeld B
Kraftwirkung F (LORENTZ-Kraft) maximal, wenn zwischen
B- und Stromflussrichtung rechter Winkel.
l
 l
 
F   I c (ds  B)  F   I c  ds  B  I c  B  l
0
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Nc Windungen je Ankerspule: F  N c I c  B  l
0
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Zweischichtwicklung im Anker
Einschichtwicklung
Zweischichtwicklung: doppelte Spulenzahl
= 2ic
ic = ia
1 Spule
K = 2, 2p = 2, K: Kommutatorstegzahl
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c
c
2 Spulen
Spulenzahl je Parallelzweig: K/(2p) = 1
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10/24
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Spannungskurvenform der Ankerspannung
Nc  1 :
U i,c,av  2  va  B ,av  le
Vereinfachter
Kurvenverlauf:
2
2
U i,c,av   e Uˆ i,c
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10/25
Institut für Elektrische
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Erhöhung der Spulenzahl im Anker
Beispiel: K = 4, 2p = 2: Spulenzahl K = 4, Spulenzahl je Parallelzweig: K/(2p) = 2
„Vergleichmäßigung“ der gleichgerichteten
induzierten Spannung
Spule 1
Spule 2
Spule
Spule
T
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1
1

n  p fa
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10/26
TC 
1
n K
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Erzeugung einer glatten induzierten
Spannung durch Serienschaltung
von Ankerspulen
idealisiert
Uˆ i ,c  2 N cva B ,mle
U
  Uˆ
i ,c,av
e
i ,c
Beispiel: 2p = 2, K = 6
K/2 = 3 um je eine Nutteilung räumlich versetzte
Spulen mit Windungszahl Nc
realer Verlauf
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10/27
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Abgewickelte Darstellung der Ankerwicklung
K/2
Zweischichtwicklung:
2 parallele Ankerwicklungszweige
2 Pole
2. Parallelzweig
Unterschicht
Oberschicht
1. Parallelzweig
Abgewickelt: Draufsicht auf
Hauptpole
1
2
3
4
5
6
7
8
9
N
10
11
12
Beispiel:
Spulenzahl je Parallelzweig:
K/2 = 6
K = 12 Ankerspulen bzw.
Kommutatorlamellen
S
Q = 12 Ankernuten
10
11
12
1
B
2
Ia
3
4
5
6
7
A
K/2
8
Ia
9
10
Kommutatorsegmente
 Jede Spule beginnt/endet an einem Kommutatorsegment: Segmentzahl K
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10/28
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Wicklungsschritte bei der Schleifenwicklung
Beispiel: K = 12, u = 1, Qr = 12, Nc = 1, z = 2.u.Nc.Qr = 24
Oberschicht
Unterschicht
7
le
6
5
y1
4
3
2
Spulenschritte:
1
Von 1 Unterschicht nach 7 Oberschicht: y1 K/(2p) = 7 - 1 = 6
y2
Von 7 Oberschicht nach 2 Unterschicht: y2 = 7 - 2 = 5
Kommutatorschritt:
y = y1 – y2 = 6 – 5 = 1
y
10
9
8
7
6
3
(=6)
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2
1
12
11
10
Von Kommutatorsegment 1 nach
Segment 2: y = 2 - 1 = 1
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Energiewandlung • FB 18
“Glättung” der induzierten Ankerspannung
•
•
•
•
Mehrere Spulen werden in Serie geschaltet und an gegeneinander
isolierte Kommutatorsegmente (“Lamellen”, „Stege“) gelötet
(“Schleifenwicklung”).
In den Spulen wird die Spannung nacheinander induziert. Die
Serienschaltung (Spannungssumme) “verschmiert” die Einbrüche
der gleichgerichteten Spannung.
Zwischen Plus- und Minusbürste (Gleitkontakt) liegen K/2 Spulen
in Serie (z.B.: K/2 = 6). Weitere K/2 Spulen lassen sich durch
Fortsetzung des Schemas endlos anfügen.
Allgemein: K/(2p) Spulen zwischen benachbarten Bürsten !
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10/30
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Wie wirkt sich das Liegen der Leiter in den
Eisennuten bezüglich der Spannungsinduktion aus?
- Wegen der hohen Eisenpermeabilität fließt das Magnetfeld an den Nutenleitern vorbei
durch die Zähne
- B-Feld am Nutenleiter BQ ist daher viel kleiner als B im Luftspalt
- Die bewegungsinduzierte Spannung uic,Q ~ Eb,Q
ist daher viel kleiner als die mit dem Luftspaltfeld B ersatzweise
berechnete induzierte Spannung uic ~ Eb
- Wieso stimmt TROTZDEM diese Ersatz-Berechnung
mit der Wirklichkeit überein?
ANTWORT 1:


 
Eb,Q  v  BQ  Eb

 
Eb  va  B
Umgehen dieses Paradoxons durch direkte Berechnung von uic = -dc/dt
ANTWORT 2:
Auflösung des Paradoxons durch genaue Betrachtung der Nutfeldänderung
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10/31
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
ANTWORT 1: Spannungsinduktion uic = -dc/dt
Quelle: ABB, Schweden
Änderung der Flussverkettung c jeder
Läuferspule:
Von der Ankerspule
umfasster Fluss c(t)
+
W
va
Ankerspule
n

Stator-Luftspaltfeld ist B
0
GLEICH-Feld:
t
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
d c
d c
d 
uic  
  Nc 
  N c   B  dA 
dt
dt
dt A



 


B 
  Nc  
 dA  N c   (va  B )  ds   Eb  ds
t
A
C
N C

c
Wir können also mit Eb so rechnen, als ob die Spulenleiter an
der Läuferoberfläche und NICHT in den Nuten liegen!
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10/32
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
ANTWORT 2: Betrachtung der Spulenfeldänderung Bc
Aus der Sicht eines ruhenden Beobachters im Stator erfährt die bewegte Ankerspule


 
a) eine Bewegungsinduktion in dem kleinen Nutenfeld Bc = BQ
E  v  B  E
b,Q
Q
b
b) Die Bewegung des Läufers mit seiner Nut-Zahn-Struktur ändert auf der Spulenfläche Ac
im Bereich der von der Spule umfassten Nuten und Zähne lokal die SpulenFlussdichte Bc: Wenn sich am Ort x1 ein Zahn befindet, ist dort die Flussdichte hoch,
und am Ort x2, wo eine Nut ist, ist die Flussdichte niedrig.
Wenig später ist bei x1 eine Nut und bei x2 ein Zahn: Die Flussdichte Bc schwankt

daher an den Orten x1, x2 mit der HOHEN Nutfrequenz n.Qr.
Bc / t
a) + b): Resultierende induzierte Spannung:








 

Bc
Bc 
d
uic  N c   
 dA   Eb,Q  ds   N c   
 dA   (v  BQ )  ds    N c 
dt
 Ac t

 Ac t

C
C

d c
d c
d 
 N c   Bc  dA   N c 

 uic
gemäß ANTWORT 1
dt A
dt
dt


 Bc  dA
Ac
c
Wir können wieder mit Eb aus dem Luftspaltfeld rechnen, so als ob die Spulenleiter an der
Läuferoberfläche und NICHT in den Nuten liegen!
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10/33
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Energiewandlung • FB 18
Aufbau der Ankerspulen und des Kommutators
Anker-Blechpaket
beim Bewickeln
u=3
Kommutator
Quelle: H. Kleinrath,
Studientext
Ankerspulen
Quelle: Fa. Brenner, Bürstadt
- Zweischichtwicklung: pro Nut (Ober-/Unterschicht) = doppelt so viele Spulen unterbringbar
- Mehrere (= u) Spulenseiten nebeneinander in eine Nut = gröbere Nutung möglich (billiger)
- Durch Ober- und Unterschicht-Anordnung entsteht ein zweiter Parallelzweig je Polpaar in
der Ankerwicklung, in dem auch ui,av induziert wird.
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10/34
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Energiewandlung • FB 18
Zweischicht-Anker-Schleifenwicklung
(= 5)
 p
Oberschicht
Unterschicht
le
u=3
Ankernut
Oberschicht
Unterschicht
(= 4)
Einlegen einer Ankerspule in
zwei Ankernuten
Ankerspule als
Grundelement
y = y1 – y2 = 5 – 4 = 1
y1 = K/(2p) = Spulenschritt = etwa Polteilung p Verbindung zur nächsten Ankerspule am Kommutator
y = y1 – y2 = 1: „Kommutatorschritt“
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10/35
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Energiewandlung • FB 18
Begriffe der Zweischicht-Ankerwicklung
Beispiel: 2p = 2, K = 12 Spulen in 12 Nuten:
K : Kommutatorstegzahl ( = 12)
u : Spulenseiten je Nut und Schicht ( = 1)
1. Spule: 1 OS – 7 US
2. Spule: 2 OS – 8 US…
………………..
12. Spule: 12 OS – 6 US
1. Spule: 1 OS – 7 US usw. in sich geschlossen
Qr : Ankernutzahl ( = 12)
K = u . Qr ( = 1.12 = 12)
Nc : Ankerspulenwindungszahl (z. B.: 7)
z : Ankerleiterzahl
z = 2 . u . Nc . Qr ( = 2.1.7.12 = 168)
2p : Polzahl ( = 2)
OS
US
Jede Spule beginnt/endet an einem Kommutatorsegment:
Segmentzahl K  u  Qr
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10/36
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Ankerspulen in Läufernuten
S-Pol
Beispiel:
2p = 2,
K = 12 Spulen in 12 Nuten:
OBER-Schicht
(OS)
1. Spule: 1 OS – 7 US
2. Spule: 2 OS – 8 US
3. Spule: 3 OS – 9 US
4. Spule: 4 OS – 10 US
+6
-5
+6
-5
1 OS  7 US  2 OS
2 OS  8 US  3 OS
5. Spule: 5 OS – 11 US
6. Spule: 6 OS – 12 US
7. Spule: 7 OS – 1 US
8. Spule: 8 OS – 2 US
9. Spule: 9 OS – 3 US
10. Spule: 10 OS – 4 US
UNTER-Schicht
(US)
11. Spule: 11 OS – 5 US
12. Spule: 12 OS – 6 US
1. Spule: 1 OS – 7 US usw. in sich geschlossen
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N-Pol
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Energiewandlung • FB 18
Fertigung der Ankerspulen und des Kommutators
Ankerspule:
Unten: ungeformt
Oben: geformt
Läuferpaket unbewickelt: Einlegen der Ankerspulen:
Isolation in Läufernuten
4-pol. Zweischichtwicklung
Kommutator links
Unter- und Oberschicht, u = 3
Anlöten der Ankerspulenenden an die
Kommutatorsegmente:
Ober- und Unterschicht-Spulenenden
werden in die Schlitze der
Kommutatorsegmente eingelötet
Quelle: Fa. Brenner/Bürstadt, Deutschland
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10/38
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Energiewandlung • FB 18
Einlegen der Zweischicht-Ankerspulen in keillose Nuten
Nuten ohne Keile: Die Wicklung wird
nur mit Glasfaserbandagen
(„Umfangsnuten“ im Blechpaket)
bandagiert
Vorteil: Geringere Nuthöhe = geringere
Ankerstreuinduktivität = geringere
Reaktanzspannung
Vierpoliger Wickelkopf
u = 3 Spulenseiten je Nut und Schicht
Nc = 2 Windungen je Spule
Quelle: Fa. Brenner, Bürstadt
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Energiewandlung • FB 18
Induzierte Ankerspannung (1)
Maximale Spannung pro Spule:
Mittlere Spannung pro Spule:
U i,c,av  2va   e B ,m  Ncle
Uˆ i,c  2va B ,m Ncle
Fluss pro Pol:
   e ple B ,m
Ankerumfangsgeschwindigkeit:
2 p p  d si  
va  d si    n
va  2 p p  n
U i,c,av  2  2 p  Nc  n 
Mittlere Spannung bei K/(2p) Spulen:
ui ,av
2Nc
Gesamtzahl der
Ankerleiter: z  2  K  N c
ui ,av
K
2p Pole, 2a parallele Zweige:
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Ui,c,av  2  2 p p  n   e B ,m  Ncle
K

 2  2 p  N c  n 
2p
 ( 2  K  N c )  n 
ui,av  U i  z  n 
p
U i  z   n 
a
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10/40
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Energiewandlung • FB 18
Induzierte Spannung in der Ankerwicklung
2a  2 p
"SCHLEIFENWICKLUNG„:
Aus 2-poliger entsteht 6-polige (allgemein 2p-polige) Maschine durch identische Fortsetzung
der Ankerwicklung, der Ständerpolfolge und der Bürstenanordnung
Induzierte Spannung: U i  z 
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k1
p
z p
k

k

 n   k1  n  U i  k2  m  1
2
a
2
a
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10/41
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Anzahl paralleler Zweige der Schleifenwicklung
2a = Anzahl paralleler Ankerwicklungszweige
2a = 2: Minimale Anzahl paralleler Zweige (bei 2p = 2)
2a = 2p: Stets sind Polzahl und Anzahl paralleler Zweige gleich
a = p : Anzahl der positiven Kohlebürsten A
a = p : Anzahl der negativen Kohlebürsten B
2a = 2p: Anzahl der Bürsten A und B
ACHTUNG:
Bei Drehfeldmaschinen:
a = Anzahl paralleler Zweige je Wicklungsstrang,
weil auch a = 1 (Serienschaltung) möglich
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10/42
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Energiewandlung • FB 18
Vollständige eingängige Anker-Schleifenwicklung
Statorpol Süd
Kommutator
Bürste
50 A
Statorpol Nord
50 A
50 A
Ic = 25 A
Ia/a = 50 A
100 A
Quelle: Dr. Holzer, TU Wien
Beispiel: Eingängige vierpolige Schleifenwicklung:
Daten: Qr = 26, 2p = 4, u = 1, Nc = 1, a = p = 2, K = 26, y1 = 6, y2 = 5, y = 1
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10/43
Ia = 100 A
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Eingängige Anker-Schleifenwicklung: 2a = 2p
Beispiel: Qr = 26, 2p = 4, u = 1, Nc = 1, a = p = 2, K = 26, y1 = 6, y2 = 5, y = 1
Spule
Nc = 1
10 V
Anzahl der Pole = Anzahl der parallelen Wicklungszweige: 2a = 2p = 4
OS
US
Ua = 60V
(= 6 . 10 V)
Ia/a = 50 A
P  U i I a 
 60 100  6 kW
Ia = 100 A
-30 V
+30 V
Ia = 100 A
„ 1 Gang“
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Quelle: Dr. Holzer, TU Wien
Ic = Ia/(2a) = 25 A
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10/44
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Bürstenkurzschluss NUR der spannungslosen Spulen
13
19
Kommutator
Bürste
Spulenkurzschluss
durch Bürste
Beispiel:
Spule 13 (OS)-19(US) liegt in
neutraler Zone = keine
Spannung induziert = kann
von Bürste B2 gefahrlos
kurzgeschlossen werden!
Quelle:
Dr. Holzer, TU
Wien
K = Qr = 26, 2p = 4, y1 = 6, y2 = 5, y = 1
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10/45
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Reale E-Maschinen sind (leicht) unsymmetrische
Maschinen!
- Realität: Keine Maschine ist ideal symmetrisch.
- Induzierte Spannungen je Pol sind von Pol zu Pol nicht exakt
gleich groß.
- Spannungsdifferenzen bewirken unsymmetrische Aufteilung des
Ankerstroms Ia auf die parallelen Zweige.
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Wirkung paralleler, ungleich großer Spannungen
I
Kommutator
Beispiel: 2p = 2: Parallele Spannungsquellen
mit ungleicher Quellenspannung, aber
gleichem Innenwiderstand Ri:
Beispiel: 2p = 2a = 2
I
U0 + U
Ri
Bürste
B
I0 + I Bürste
A
U0 - U
Ri
I0 - I
Generator, Erzeuger-Zählpfeilsystem
R
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Ia = 2I0
U1  U0  U
U2  U0  U
Der außen fließende Nutzstrom Ia wird vom
Mittelwert U0 der beiden Spannungen
getrieben!
I a  2 I 0  U0 /( R  0.5  Ri )
Zusätzlich fließt ein innerer Kreisstrom I
als Ausgleichsstrom zwischen beiden
Spannungsquellen (der von deren
Spannungsdifferenz 2U getrieben wird)
über den Kommutator und nur quer über die
Bürsten A, B!
I  2U /( 2 Ri )  U / Ri
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10/47
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Ausgleichsströme belasten Bürstenkontakt!
U0+U
Ri
B1
U0-U
I0-I
U0
I0
B2
U0
I0
I0+I
Beispiel:
Vierpolige Schleifenwicklung = vier parallele
Wicklungszweige, 2p = 2a = 4!
A1
Z. B.: Zwei Spannungszweige mit unterschiedlicher induzierte Spannung
Ri
Ri
2I0-I
Ri
R
Ia = 4I0
Generator, Erzeuger-Zählpfeilsystem
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A2
2I0+I
 Ausgleichsstrom fließt über parallele
Bürsten A1 und A2
 Bürste A2 wird elektrisch überlastet!
Beispiel:
I / 2I0 = 0.2, 2p = 2a = 4:
Bürste A2 trägt 120%, Bürste A1 80 % des
Nenn-Bürstenstroms  A2 elektrisch
überlastet, Bürstenlänge nimmt rasch ab;
Bürste muss getauscht werden = HOHER
Wartungsaufwand!
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10/48
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Ausgleichsverbinder übernimmt den Ausgleichsstrom
U0+U
B1
Ausgleichsverbinder
I0
I
I0
A1
U0-U
I0-I
U0
I0
B2
2I0
U0
Abhilfe: Ausgleichsverbinder 1. Art:
Kupferleitungen, die Kommutatorlamellen mit
(theoretisch) gleichem elektrischen Potential
A2 2I verbinden.
0
- Der Ausgleichsstrom fließt innerhalb der
Ankerwicklung und durch den Ausgleichsverbinder, belastet aber NICHT den thermisch
empfindlichen Bürstenkontakt!
I0
R
Ia = 4I0
Beispiel:
I / 2I0 = 0.2, 2p = 2a = 4:
Ausgleichsstrom im Ausgleichsverbinder 20 %
des Nenn-Bürstenstroms, fließt aber NICHT über
den empfindlichen Bürstenkontakt.
Generator, Erzeuger-Zählpfeilsystem
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Ausgleichsverbinder 1. Art für die Schleifenwicklung
„Ausgleichsverbinder-Schritt“:
yV = K / p
80%
120%
Ausgleichsverbinder 1. Art
(„Ausgleicher“)
Hier: Nur jede dritte Spule an
Ausgleichern angeschlossen,
also 4 Ausgleicher
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Beispiel:
2p = 4, 2a = 4, u = 2, Qr = 12, K = 12.2 = 24,
Ausgleichsverbinder-Schritt:
yV = K/p = 24/2 = 12
Lamelle 1 und 13 durch Ausgleicher 1. Art
verbunden usw.
Am besten: Alle Spulen an Ausgleicher
angeschlossen, aber teuer; daher meist nur eine
Spule je Nut an Ausgleichern angeschlossen
z. B.
bei u = 2 Spulen je Nut:
Jede zweite (allg. u-te Spule) an Ausgleichern
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Montage der Ausgleichsverbinder 1. Art
Ausgleichsverbinder 1. Art für vierpolige
Wicklung: Verbinder-Schritt = 2 Polteilungen =
halber Umfang
100%
100%
Ausgleichsverbinder 1. Art
Quelle: Fa. Brenner, Bürstadt
Ausgleichsverbinder 1. Art unter der Bandage
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Beispiel: K = 26, 2p = 4: Ausgleichsverbinder 1. Art
Ausgleichsverbinder-Schritt:
yV = K/p
Beispiel:
yV = K/p = 26/2 = 13
Es kann z. B. Kommuatorsegment 10 mit 23 verbunden
werden, weil sie theoretisch
auf gleichem Potential liegen!
Quelle:
Dr. Holzer, TU
Wien
K = Qr = 26, 2p = 4, y1 = 6, y2 = 5, y = 1
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Wirkung der Ausgleichsverbinder 1. Art
Hier: jede 2. Spule an
Ausgleicher angeschlossen!
Ausgleichsstrom 2 mit Ausgleichsverbinder
Ausgleichsstrom 1 ohne
Ausgleichsverbinder
fließt über Bürsten A1,
A2
Beispiel:
yV = K/p = 26/2 = 13
K = Qr = 26, 2p = 4, y1 = 6, y2 = 5, y = 1
Quelle:
Dr. Holzer, TU Wien
a)
Wenn Spulenseite 10 (S) und 23 (OS) auf Grund von Unsymmetrien nicht identisches
Potential haben, treibt deren Potentialdifferenz einen Ausgleichsstrom 1, der auch über
den Bürstenkontakt fließt und diesen zusätzlich thermisch belastet!
b)
Werden Ausgleichsverbinder zwischen Spule 10 und 23, 8 und 21 usw. angeordnet, so
fließt der Ausgleichsstrom 2 intern über diese Ausgleichsverbinder und belastet die
Bürsten NICHT!
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Die Wellenwicklung – Alternative zur Schleifenwicklung
Oberschicht
Unterschicht
N
OS
S
US
S
N
OS
US
Ein Ankerspule als
Grundelement
Beispiel: 2a = 2, u = 1, Qr = 25, 2p = 4, K = 25, y1 = 6, y2 = 6
Wicklungsschritt y = (K-1)/p = 12 = y1 + y2 = 6 + 6:
1 (Oberschicht)  7 (Unterschicht)  13 (OS) 19 (US) 25 (OS)  6 (US)...,
usw.
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Entstehung der Wellenwicklung
a)
OS
US
OS
US
a) In Serie geschaltete “wellenförmige”
Ankerspulen:
- Bilden nach einem Anker-Umlauf NACH
RECHTS einen “Wellenzug”
- Anfang und Ende des Wellenzugs um
eine Segmentteilung auseinander
- Nach (K-1)/(2p) Wellenzügen ist die
Hälfte aller OS und US belegt.
z. B.: Start bei 7, Ende bei 1
b)
b) Derselbe Vorgang NACH LINKS (=
gestrichelt) füllt die restlichen OS und US:
Die eingängige Wellenwicklung hat stets
zwei parallele Zweige: a = 1, 2a = 2,
unabhängig von der Polzahl !
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Die Wellenwicklung – 2 Bürsten reichen, ABER ….
- Nur eine Plus- und eine Minus-Bürste ausreichend, da nur zwei parallele Zweige. ABER: Großer
Bürsten-Querschnitt nötig (= große Bürstenmasse: UNGÜNSTG)
- Die von den Bürsten kontaktierten Spulen liegen in der neutralen Zone: es wird in ihnen keine
Spannung induziert wird
Beispiel: Bei 19 dasselbe Potential wie bei 7!
- Daher: Man kann im Abstand der doppelten Polteilung weitere A-Bürste setzen und mit der ersten
parallel schalten. Es erfolgt nur ein Kurzschluss spannungsloser Spulen (z. B.: zwischen
Kommutatorsegment 7-19, 8-20 usw.): SOMIT: p Plus- und p Minusbürsten mit kleinem
Querschnitt 1/p möglich.
N
- 50V
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S
+50V
- 50V
N
S
+50V
+50V
- 50V
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+50V
- 50V
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Die Wellenwicklung – keine Ausgleicher erforderlich
- Die spannungslosen Spulen wirken als Ausgleicher 1. Art ( = sie verbinden
gleiche Potentiale A1 und A2 bei 2p = 4). (Analog bei B1 und B2).
Fazit: Die Wellenwicklung ist selbstausgleichend.
N
N
A1
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B2
S
Auf demselben
Potential
+50V
+50V
- 50V
- 50V
B1
S
A2
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10/57
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Vollständige eingängige Wellenwicklung
25 A
25 A
Ia/a = 25 A
25 A
50 A
Wellenwicklung: Beispiel:
Quelle: Dr. Holzer, TU Wien
Ia = 50 A
Qr = 25, 2p = 4, u = 1, Nc = 1, a = 1, K = 25, y1 = 6, y2 = 6, y = 12
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Eingängige Anker-Wellenwicklung: 2a = 2
Beispiel: Qr = 25, 2p = 4, u = 1, Nc = 1, a = 1, p = 2, K = 25, y1 = 6, y2 = 6, y = 12
10 V
Anzahl der parallelen Wicklungszweige STETS 2: 2a = 2
Ic = Ia/(2a) = 25 A
Ua = 100 V
 100  50  5 kW
(= 10 . 10 V)
+50 V
-50 V
Ia = 50 A
Ia = 50 A
„ 1 Gang“
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P  U i I a 
Ic = Ia/(2a) = 25 A
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Quelle: Dr. Holzer, TU Wien
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Eingängige Wellenwicklung: Zwei parallele Zweige =
kein Ausgleichsstrom über die Bürsten
I
Kommutator
2p  2, 2a = 2:
2a = 2: Zwei parallele Spannungsquellen mit i. A.
etwas ungleicher Quellenspannung, aber z. B.
gleichem Innenwiderstand Ri:
I
U0 + U
Ri
Bürsten
B
I0 + I Bürsten
A
U0 - U
Ri
I0 - I
Generator, Erzeuger-Zählpfeilsystem
R
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Ia = 2I0
U1  U0  U
U2  U0  U
Nutzstrom Ia durch den Mittelwert U0 fließt
über die Bürsten!
I a  2 I 0  U0 /( R  0.5  Ri )
Ausgleichsstrom fließt als innerer Kreisstrom I
zwischen beiden Parallelzweigen (von 2U
getrieben) über den Kommutator, aber nicht über
die Bürsten A, B!
I  2U /( 2 Ri )  U / Ri
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Schleifenwicklung
Oberschicht
Unterschicht
Spule Nc = 1
Wellenwicklung
Oberschicht
Unterschicht
symmetrisch
Oberschicht
Unterschicht
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Spule Nc > 1
Oberschicht
Unterschicht
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Oberschicht
Unterschicht
unsymmetrisch
Ein Ankerspule als
Grundelement
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Segmentspannung - Überschlagsgefahr
Mittlere Segmentspannung:
U s,av
Ua
p

  2 N c va le B ,av
K /( 2 p) a
Lokale Segmentspannung bei Ia = 0:
U s,max  U s,av 
B ,m
B ,av

U s,av
e
Zulässige Grenzwerte:
Us,av < 20 V, Us,max < 35 V
Beispiel: p/a = 1, K/(2p) = 6, Ua = 100 V
Mittlere Segmentspannung:
U s,av  100V/6  17V  20V
Lokale Segmentspannung:
Us,max = 17 V/ 0.6 = 28 V < 35 V ( 20 V/0.6)
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Us,av = 17 V
Ua = 100 V
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Vergleich: Schleifen- und Wellenwicklung
z p
Ui 
 n 
a
Schleifenwicklung
Wellenwicklung
Anzahl parallele Zweige = Polzahl
Anzahl parallele Zweige stets 2
2a = 2p
2a = 2
Ausgleicher 1. Art erforderlich
selbstausgleichend
Hohe Ströme möglich, weil viele parallele Strom begrenzt auf ca. 500 A, da max.
Zweige
ca. 250 A / Parallelzweig
Spannung steigt proportional z
Hohe Spannung, da diese proportional z.p
steigt.
Hohe Leistung möglich (bis ca. 12 MW)
Leistung begrenzt (ca. 300 kW)
Große Leistung: ausschließlich mit Schleifenwicklung
Kleine Leistung: meist Wellenwicklung: billiger (keine Ausgleichsverbinder),
viele Serienleiter: ausreichend hohe Spannung trotz des kleinen Flusses 
Beispiel: 6 MW-Walzwerksantriebe mit 18 Polen:
Schleifenwicklung: 18 parallele Ankerwicklungszweige
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Beispiel: Induzierte Ankerspannung
•
Induzierte Spannung:
z p
1 zp
Ui 
 n  
  2n   k2   m 
a
2 a
Merkformel:
U i  k 2   m 
•
Maschinenkonstante: k2 
•
Beispiel 1:
1 z p

2 a
z = 900 Leiter, 2p = 4 Pole, 2a = 4 parallele Zweige: k2 
•
1 900  2

 143.2
2
2
Beispiel 2:
n = 4500/min,  = 0.008 Wb: Ui = 143.2.(2.4500/60).0.008 = 540 V
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Grosse hochpolige fremderregte Gleichstrommaschine
Schleifenwicklung
2.7m-WalzwerksGrobgerüst-TandemAntrieb 2 x 6 = 12 MW
n = 50 … 100/min
M = 1146 … 573 kNm
2p = 18 = 2a
Ua = 1300 V
Ia = 4870 A
Ia/(2a) = 270 A
K = 1638, dsi = 4.2 m
le = 0.8 m, dC = 2.9 m
Kommutator
Us,av = 1300 V/91 = 14.3 V
< 20 V
K/(2p) = 91
Weltgrößter
WalzwerksZwillingsumkehrmotor
2 x 12 785 kW
90 … 150/min
1357 …814 kNm
2p = 2a = 18
Zweite Gleichstrommaschine
S
N
S
Quelle: Siemens AG
Quelle: ELIN-Union AG
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Ankerwicklungen
- Läuferwicklung: Schleifen- oder Wellenwicklung (eingängig)
- Mehrgängige Wicklungen veraltet (nicht mehr im Einsatz)
- Schleifenwicklung: Polzahl = parallele Wicklungszweigzahl
- Wellenwicklung: Nur zwei parallele Zweige
- Schleifenwicklung: für große Ströme und Leistungen = große Maschinen
- Wellenwicklung: für kleinere Maschinen bis ca. 300 kW
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Induzierte Spannung = Leerlaufkennlinie (Generator)
Ui-Veränderung über n und If
Eisensättigung
U a0
(n = konst.)
Leerlaufkennlinie: Ua0 = Ui (n = konst.)
Generatorisch gemessene Ankerspannung
URem
p
U i  z   n  ( I f )  k1  n 
a
- Induzierte Spannung Ui steigt LINEAR mit
Drehzahl n
- Induzierte Spannung steigt LINEAR mit
Fluss 
- Eisensättigung: Fluss  steigt nichtlinear
mit Feldstrom If
Remanenzspannung
- Feldstrom abgeschaltet: If = 0: Es verbleibt Remanenzflussdichte BRem im Statoreisen;
induziert kleine Remanenzspannung URem
- Von außen an den Bürsten externe Spannung U > Ui angelegt: U  U i  I a Ra  U b
Es fließt Gleichstrom (Ankerstrom) Ia
- Ankerwicklungswiderstand Ra und Bürstenspannungsfall Ub (ca. 2V) sind klein !
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Energiewandlung • FB 18
Beispiel: Gleichstrommaschinenparameter
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Rotor = Läufer = Anker, Stator = Ständer
Windungszahl je Ankerspule: Nc (z. B.: 5), ideelle Polbedeckung: z.B.: e = 0.7
Fluss pro Pol:    e p lB ,m z.B: B,m = 0.95 T, Polteilung p = 0.1 m, Länge l = 0.12 m,
daher   0.7  0.1 0.12  0.95  0.008Wb
Anzahl der Spulenseiten je Rotornut 2u (z. B. u = 3)
Anzahl der Rotornuten Q (z. B. 30)
Anzahl der Kommutatorlamellen und Ankerspulen: K = Q.u (z. B. 30.3 = 90)
Anzahl der Leiter am Ankerumfang: z = K.Nc.2 (z.B.: 90.5.2 = 900)
Anzahl der Pole 2p = Anzahl der parallelen Ankerzweige 2a (z. B. 4)
Ankerumfang: 2 p p  d si (z. B. 4.0.1 m = 0.4 m, dsi = 127.3 mm),
Ankerumfangsgeschwindigkeit: va  2 p p  n : va = 0.4.(4500/60) = 30 m/s = 108 km/h
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Beispiel: Anker einer 200 kW-Gleichstrommaschine
Angaben: Anker-Nennspannung 430 V, Nenndrehzahl n = 1470/min,
Ankerdurchmesser dr = 400 mm, Polzahl 2p = 4, Ankerlänge le = 190 mm, Qr = 58 Nuten,
Spulenseiten je Nut & Schicht u = 4, Windungszahl/Spule Nc = 1,
äquivalente Polbedeckung e = 0.7, maximale Luftspaltflussdichte: B,m = 0.86 T,
Schleifenwicklung 2a = 4
Berechnungen:
- Anzahl der Kommutatorsegmente K = Qr . u = 58.4 = 232
- Gesamtleiterzahl z = 2 . K . Nc = 2 . 232 . 1 = 464
- Polteilung p = dsi . /4 = 400 /4 = 314.2 mm (dr  dsi)
- Hauptfluss pro Pol  = e.p.le.B,m = 0.7 . 0.3142 . 0.19 . 0.86 = 35.9 mWb
- Induzierte Spannung
Ui = z . (p/a) . n .  = 464 . (2/2) . (1470/60) . 0.0359 = 408.5 V
• Mittlere Segmentspannung zwischen zwei Kommutatorsegmenten bei Nenndrehzahl
408.5/(232/4) = 7 V < 18 ... 20V (sonst Überschlag zwischen den Segmenten !)
Zwischen den Segmenten 0.3 mm Glimmer als Isolation, aber Luftstrecke parallel !
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Der Bürstenkontakt
Graphit-Bürste
100%
Quelle:
Schunk Kohlenstofftechnik,
Giessen
80%
Bürstenübergangswiderstand
(= in der Bürsten-Gleitzone)
- Bürstenspannungsfall für A- und B-Bürste: Ub = UA + UB = ca. 2 V
- Bürstenspannungsfall Ub: - steigt nichtlinear mit der Bürstenstromdichte Jb
- sinkt mit steigender Temperatur.
- Zul. Bürsten-Stromdichte Jb: ca. 1/100 der Spulen-Stromdichte (< 10 A/cm2)
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Kommutator und Graphitbürsten
Kommutator-Lamellen
Isolation (Glimmer)
Bürstenhalter (Messing)
Stromseile
5 Graphitbürsten parallel
je Bürstenhalter
Federdruck
Kommutatorstegteilung
ca. 3 mm im Minimum
Quelle:
Fa. Brenner, Bürstadt
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Glimmerisolierung
ca. 0.3 mm
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Elektromagnetisches Drehmoment
e
e
I
Pro Pol existiert nur eine Stromrichtung. Strom teilt sich auf 2a parallelen Zweige: I c  a
2a
In der Ankerwicklung: Wechselstrom ic je Spule, außen: Gleichstrom Ia
Gleichsinnige Kraft auf die Ankerleiter im Luftspaltfeld B : Fc  I c B le
Mittlere Kraft pro Leiter: Fc,av  I c e B ,mle
Hebelarm d r / 2  d si / 2  p p / 
p p I a
z  ( p / a)
   e B ,mle 
 I a   e ple B ,m
Drehmoment bei z Leitern: M e  z 
 2a
2
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Drehmomentformel
p p I a
z  ( p / a)
Me  z 
   e B ,mle 
 I a   e ple B ,m
 2a
2
k2
Ia

M e  k 2  I a 
Nicht verwechseln mit Formel für induzierte Spannung !
U i  k2   m  
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
- Induzierte Spannung prop. zu Drehzahl und Ständerfluss/Pol
- El.-magn. Drehmoment prop. zu Ankerstrom und Ständerfluss/Pol
- Bürstenkontakt: Elektrisch nichtlinear, etwa 2 V Spannungsfall
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Kraftbildung aus dem Feldlinienbild erkennbar
•
•
Überlagerung des Eigenfelds der Ankerleiter mit dem Erregerfeld der Hauptpole ergibt
resultierendes Magnetfeld.
Flussröhren zwischen den Feldlinien wirken wie “Gummischnüre” (MAXWELL´scher
Magnetzug) und drehen den Läufer im Gegen-Uhrzeigersinn (MOTOR-Betrieb).
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Feldverzerrung durch das
Ankerfeld
 Ia = 0 : Luftspaltfeld B0 bei Leerlauf (Ankerstrom =
0) unter dem Pol annähernd konstant, da konstanter
Luftspalt  .
Vf
B ( x )  0 
für  Fe  
 ( x)
 Ia > 0 : Bei Last (Ankerstromfluss) entsteht
zusätzlich das Ankerfeld Ba. Es überlagert sich
"quer" zum Hauptfeld und verzerrt es
(Ankerrückwirkung).
B ( x)  0 
V f  Va ( x)
 ( x)
für  Fe  
- Linke Polhälfte: B = B0 – Ba
- Rechte Polhälfte: B = B0 + Ba
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Flussverringerung durch die
Ankerrückwirkung
- Die Feldzunahme in der rechten Polhälfte treibt das
Eisen in Sättigung.
 Fe  
- Daher gilt rechts nicht B = B0 + Ba, sondern:
B < B0 + Ba.
- Wegen der Eisensättigung rechts ist die Flusszunahme rechts geringer als die Abnahme links, so
dass insgesamt pro Pol ein Flussverlust 
auftritt.
 ( I a  0)   ( I a  0)   ( I a  0)  
Zusätzliche
Sättigung
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Fazit:
Mit steigendem Ankerstrom Ia sinkt der Fluss pro Pol
 (TROTZ konstanten Erregerstroms If).
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Abhilfe gegen Ankerrückwirkung: Kompensationswicklung
 Anker
 Kompens


H

d
s
 a  Anker  Kompens  0
C
Schaltung der Wendepol- und der
Kompensationswicklung in Serie zur Ankerwicklung
Von Ia durchflossene Kompensationswicklung in den Ständerpolen
Wickelsinn entgegengesetzt zur Ankerwicklung:
Durchflutungen von Anker- und Kompensationswicklung heben sich auf: Ba = 0Ha = 0
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Kompensierte vierpolige Gleichstrommaschine
Feldspule
Kompensationswicklung
Wendepolwicklung
Ankerwicklung
Quelle: ABB,
Schweden
Feldliniendichte links und rechts gleichmäßig = KEINE Feldverzerrung !
Kompensationswicklung erforderlich ab ca. 200 … 300 kW !
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Gleichstrommaschine – Ständerpole unbewickelt
Hauptpol mit
Nuten für
Kompensationswicklung
Wendepol
Quelle:
Fa. Brenner, Bürstadt
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Bewickelte Ständerpole – vierpolig
Erregerwicklung
Kompensationswicklung
N K ,Pol  3  (2  4)  24
Wendepolwicklung
Quelle:
Fa. Brenner, Bürstadt
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Unkompensierte Maschine:
Maximale Segmentspannung bei Nennstrom
Nennpunkt
Feldschwächung
N, IaN, nN, vN
U s (x )
Anker-Spulenseite

vN
U s  U i,c  2 Nc v  le  B ( x)
B,max = 1.2 T
Leer
Last

v* = 2vN
U s,av ~ vN  B ,av , U s,av  20V
U s,max ~ vN  B ,max ,
U s,max  (1.2 / 0.8)  20  30V  35V
B*,max = 0.9 T
KEINE Sättigung
durch ARW
B* = 0.5 T
B*,av = 0.4 T
B,min = 0.6 T
p
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U s* ( x )
Sättigung durch
ARW
B = 1.0 T
B,av = 0.8 T
Luftspaltfeld
N/2, IaN, 2nN, 2vN
(p/a = 1)
x
B*,min = 0.1 T
U s,av ~ 2vN  B*,av , U s*,av  20V
U s*,max  (0.9 / 0.4)  20  45V  35V
Kompensationswicklung erforderlich !
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
- Eigen-Magnetfeld des Läufers überlagert sich dem Ständerfeld
- Resultierendes Feld im Luftspalt „verzerrt“ mit Feldüberhöhung
- Kompensationswicklung in Ständerpolen hebt das Läuferfeld auf =
= KEINE Feldverzerrung
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Kommutierung (Stromwendung) des Ankerstroms
 Ankerspulenstrom ic ist Wechselstrom.
 ic wechselt zwischen positiven Wert Ia/(2a) und negativen Wert -Ia/(2a),
wenn die Bürste die beiden Spulenanschlüsse ( = benachbarte Kommutatorsegmente)
kurz schließt.
 Dabei befinden sich die beiden Spulenseiten in der „neutralen Zone“ (B = 0).
Es wird keine Spannung in sie induziert (Ui,c = 0).
Ankerdrehrichtung
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Kommutierung (Stromwendung) des Ankerstroms
vC  d C    n
 Ankerspule hat Induktivität Lc (Nut- und Stirnstreufeld).
Stromänderung bewirkt Selbstinduktionsspannung (“Reaktanzspannung”) uR.
 Näherung: "lineare Kommutierung":
k R  Lc d C /(a  bb )
dic
Ia
u R  Lc
 Lc
 k R nI a
dt
aTcom
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Tcom  bb / vC ~ 1 / n
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
uR  k R  n  I a
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Einlegen der Zweischicht-Ankerspulen in keillose Nuten
Nuten ohne Keile: Die Wicklung wird
nur mit Glasfaserbandagen
(„Umfangsnuten“ im Blechpaket)
bandagiert
Vorteil: Geringere Nuthöhe = geringere
Ankerstreuinduktivität = geringere
Reaktanzspannung uR
Vierpoliger Wickelkopf
u = 3 Spulenseiten je Nut und Schicht
Nc = 2 Windungen je Spule
Quelle: Fa. Brenner, Bürstadt
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Schädliche Reaktanzspannung uR
uR  k R  n  I a
uR steigt
a) mit Belastung der Maschine (prop. M bzw. Ia)
b) mit Drehzahl n.
uR "zündet" Abschaltfunken (Funkenenergie Lc  ic2 / 2) zw. Bürste und Kommutatorlamelle
(„Bürstenfeuer“)  rasche Erosion der Bürsten
Bürstenlänge nimmt ab  Bürstentausch nötig !
vC
uR
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Bürstenfeuer an der ablaufenden
Bürstenkante
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Wendepole zur Aufhebung der Reaktanzspannung uR
 Wendepole in Pollücken mit Wendepolwicklung (Windungszahl NW,Pol, Ankerstrom Ia)
 Wendepolfeld BW induziert (Bewegungsinduktion) in kommutierende Ankerspule
Wendefeldspannung uW
 uW ist zur Reaktanzspannung uR entgegengesetzt und hebt sie auf: uW = -uR !
 

 2 N c  (va  BW )  ds  2 N c  va  le  BW
le
uW
0
und va  d r    n, BW ~ I a
uW  kW  n  I a
Ziel:
uR  uW  0
Schaltung der Wendepolwicklung B1-B2 in
Serie zum Anker A1-A2 mit entgegengesetztem Wicklungssinn
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10/91
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Energiewandlung • FB 18
Dimensionierung der Wendepolwicklung
 uR und uW hängen von n und Ia ab:
für JEDEN Betriebspunkt (n, Ia) erfüllbar: kW = kR.
uR  uW  (k R  kW )  n  I a  0
 Wendepolerregerdurchflutung W:
Wendepol-Eisenkreis muss ungesättigt sein !
 
H
  ds  2H ,W W  2W  2a   f  f 2(W  a )
C
BW
NW , Pol I a  N a, Pol I a
W   a
 0
 0
~ Ia
W
W
uW  kW  n  I a
kW  2 N c 0  le 
dr
W
 ( NW , Pol  N a , Pol )
Wendepoldurchflutung: NW ,PolI a
Ankerdurchflutung: N a,PolI a 
BW  0 
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I
z
z
 a 
 Ia
2  2 p 2a 8ap
W   a  W 


 
 1  0  a  (0.1...0.12)  0  a
W
W
W
 a

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Energiewandlung • FB 18
Schaltung der Wendepolwicklung
- Wendefeld muss Ankerfeld entgegen wirken
- Daher: Entgegengesetzter Wicklungssinn
110%
10%
100%
Wendefeld
Ankerfeld
Resultierendes Wendefeld
NW , Pol
W
 1.1...1.12 
a
N a, Pol
 Für kW = kR müssen W und NW,Pol/Na,Pol richtig gewählt werden.
 Optische Überprüfung, ob die Bürsten “feuern”
 Falls Bürsten feuern: Wendefeld zu stark/zu schwach = "Über-/Unterkommutierung"
 Entfernen/Einbringen von Unterlegblechen am Wendepol vergrößert/verkleinert
den Wendepolluftspalt W und verringert/erhöht daher das Wendefeld
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10/93
Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Wendepole in einer vierpoligen Gleichstrommaschine
Anbringen von
Unterlegblechen
Feldspule
Kompensationswicklung
Wendepolwicklung
Ankerwicklung
Quelle: ABB,
Schweden
Wendepole erforderlich ab ca. 1 kW !
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Institut für Elektrische
Energiewandlung • FB 18
Wendepole in einer vierpoligen Gleichstrommaschine
Quelle: ABB,
Schweden
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Schaltung der Wendepol- und der
Kompensationswicklung in Serie zur Ankerwicklung
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Energiewandlung • FB 18
Beispiel: Fremderregte Gleichstrommaschine
Vierpolige Gleichstrommaschine
- mit Wendepolen
- ohne Kompensationswicklung
Fremdlüfter mit 2poligem
Asynchronantrieb
400 V, 260 A, 100 kW, 2000/min
Achshöhe 160 mm
a 
100000
 96.15% *)
400 260
Wellenende
Klemmenkasten
160 mm
Quelle: Siemens AG,
Bad Neustadt/Saale, Deutschland
Kühlluftaustritt
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*) ohne Erregerverluste 700 W,res  95.51%
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Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine
 Ankerleiter, Wendepol- u. Kompensationswicklung = gesamter Ankerwiderstand Ra.
 Fremderregung: Erregerstrom If unabhängig von Ia einstellbar.
U  Ra I a  U b  Ui , Ui  k2 m ( I f )
VerbraucherZählpfeilsystem
 Ub: Bürstenspannungsfall ca. 2 V,
Ub oft vernachlässigt, wenn Ub/U << 1,
z. B. bei U = UN  100V
 Bremsende Läuferverluste: Ummagnetisierungsverluste, Reibungsverluste,
Zusatzverluste (Wechselstrom-Skineffekt) werden VERNACHLÄSSIGT!
 Innere Leistung P: Die Luftspaltleistung P wird über die LORENTZ-Kräfte
in
mechan. Leistung Pm (elektromagnetisches Drehmoment Me) umgesetzt.
P  Ui I a   m M e  Pm  M e  Ui I a /  m  (k2   m  /  m )  I a  k2  I a 
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Energiewandlung • FB 18
Beispiel: Leistungsbilanz eines Gleichstrommotors
200 kW-Motor, U = 430 V, n = 1470/min, a = 92% (Anker-Wirkungsgrad),
Ui = 408.5 V
- Zugeführte elektrische Leistung: Pe,in  Pm,out / a  200 / 0.92  217.4kW  U  I a
- Ankerstrom:
I a  Pe,in / U  217400/ 430  506A
- Innere Leistung: P  U i I a  408.5  506  206.7kW  Pm !
Bremsende Läuferverluste bewirken: Pδ > Pm
- Elektromagnetisches Drehmoment: Me = 206.7/(2 . 1470/60) = 1343 Nm
- Drehmoment an der Welle: MM = Pm,out/m = 200/(2 . 1470/60) = 1299 Nm
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Energiewandlung • FB 18
Beispiel: Verlustbilanz der Gleichstrommaschine
200 kW-Gleichstrommotor fremderregt, Ia = 506 A, Ra = 37.9 m, PCu ,a  Ra I a2  9.7kW
A: Gesamte Läuferverluste
17.4 kW
1. Ankerkreisverluste 217.4 - 206.7 = 10.7 kW:
1.1 Bürsten: 2V . 506A = 1.0 kW
1.0 kW
1.2 Ankerwiderstand: PCu,a  Pd ,a  Pb  10.7  1.0  9.7kW
9.7 kW
2. Sonstige Läuferverluste durch mechanisch bremsendes Verlustmoment Md
(= Differenz zwischen elektromagnetischem und Wellen-Moment):
Md = Me – MM = 1.343 -1.299 = 0.044 kNm,
PFe  PR  PZ  2nM d  P  Pm,out  206.7  200  6.7kW
2.1 Ummagnetisierungsverluste PFe: Wirbelstrom- und Hystereseverluste im
geblechten Eisenkern des Läufers
2.2 Zusatzverluste PZ: Wirbelströme in den Nutenleitern durch Stromverdrängung,
da im Leiter Wechselstrom fließt
10.7 kW
6.7 kW
2.3 Reibungs- und Ventilationsverluste PR (Lager, Bürsten, Kühlluftstrom)
B: Erregerverluste Pf = Uf.If = 1.5 kW
C: Gesamtverluste: 17.4 + 1.5 = 18.9 kW
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10/99
1.5 kW
18.9 kW
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Energiewandlung • FB 18
Stationäre Grundgleichungen der fremderregten
Gleichstrommaschine
Verbraucher-Zählpfeilsystem
U  I a Ra  U i
Erzeuger-Zählpfeilsystem
U i  I a Ra  U
Im Verbraucher-Zählpfeilsystem:
U  U a  I a Ra  U i (U b )
U i  k 2 m ( I f )
U f  Rf I f
M e  k 2 I a ( I f )
Me  MM
• Vernachlässigung der Reibungs-, Ummagnetisierungs-, Zusatzverluste im Läufer: Md = 0
• Wellenmoment MM  inneres Moment Me
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Energiewandlung • FB 18
Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
- Läuferstrom = Wechselstrom. Sein Eigenfeld induziert „Reaktanzspannung“ in
Läuferspule bei Stromwendung
- Reaktanzspannung ergibt Schaltfunken an den Bürsten = „Bürstenfeuer“
- Wendepolwicklung in den Hauptpollücken induziert Gegenspannung
(„Wendefeldspannung“ hebt Reaktanzspannung auf = KEIN Bürstenfeuer)
- Ersatzschaltbild der Gleichstrommaschine erfasst i. A. nur Verluste im Ankerkreis
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Fremderregter Gleichstromgenerator - Kennlinien
Leerlaufkennlinie
Innere Kennlinie
ErzeugerZählpfeilsystem !
Belastungskennlinie
n = konst.
- Maschine mit n = konst. angetrieben
- Erregerwicklung F1-F2 aus fremder
Gleichspannungsquelle Uf gespeist
- If über Feldstell-Widerstand verändert
0
0
Remanenzspannung
URem vernachlässigt
Leerlaufkennlinie: Leerlaufspannung U0(If)
U 0  k1  n  ( I f )
Innere Kennlinie: bei unkompensierter Maschine sinkt
der Polfluss infolge Sättigung durch Ankerrückwirkung
mit steigendem Ankerstrom um den Wert  :
U i ( I f , I a )  k1  n  ( I f , I a )  U 0
Belastungskennlinie: Ankerspannung U(If) in Abhängigkeit von If bei Ia = konst.
U ( I f , I a )  U i ( I f , I a )  I a Ra  U b
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Ankerrückwirkung bei unterschiedlichem Erregerstrom
Unkompensierte GSM
Flussverlust pro Pol:
0
n = konst.
0
B
B


-ep/2 0
+
ep/2
x
0
+
 = - - +
-
B

x
+
x
0
Sättigung
Sättigung
If klein, keine Eisensättigung
- = +:  = 0
If Nennwert, mittlere Eisensättigung
- > +:  > 0
If groß, hohe Eisensättigung
- = +:  = 0
KEIN Flussverlust: Ui = U0
Flussverlust tritt auf: Ui < U0
KEIN Flussverlust: Ui = U0
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Fremderr. GS-Generator: Belastungskennlinie
Innere Kennlinie
Leerlaufkennlinie
Belastungskennlinie
0
0
 Kompensierte Maschine: Leerlaufkennlinie = Innere Kennlinie
 Unkompensierte Maschine: Leerlaufkennlinie  Innere Kennlinie
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Fremderr. GS-Generator: Äußere Kennlinie
Erzeuger-Zählpfeilsystem !
Kompensierte Maschine
0
n = konst.
0
Äußere Kennlinie:
Ankerspannung in Abhängigkeit von Ia bei If = konst.
U ( I f , I a )  U i ( I f , I a )  I a Ra  U b
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Nebenschluss-/Fremderregter Gleichstrommotor (1)
VerbraucherZählpfeilsystem !
n  n0 
U = konst.
0
M e Ra
k1k2 2
0
Motorkennlinie n(M): kompensierter Motor
Maschine mit U = konst. gespeist
Erregerstrom If frei einstellbar
U  U i  I a Ra (U b ), U i  k1n
Nebenschluss: Klemmen: E1-E2, an U
Fremderregt: Klemmen: F1-F2: Fremde Uf-Quelle n  U i  U  I a Ra
M R
k1
k1
 Leerlauf:
Motor nur durch eigenes kleines Verlustmoment Md (Reibung,
Ummagnetisierungsverluste) gebremst: Me = Md  0. Leerlaufdrehzahl:
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n  n0 
e a
k1k 2 2
n0  U /( k1 ( I f ))
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Nebenschluss-/Fremderregter Gleichstrommotor (2)
Fremderregter und Nebenschlussmotor haben
- eine fallende Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie
- mit flacher Neigung, da der Ankerspannungsfall im Verhältnis zur Klemmenspannung
klein ist („steife“ Kennlinie = Nebenschlussverhalten!)
STABIL INSTABIL

unkompensierte Maschine
kompensierte Maschine (stets STABIL)
0
0
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Instabilität beim Nebenschluss-/fremderregten GS-Motor
 Unkompensierte Maschine: Hauptfluss  sinkt etwa ab Nennstrom Ia = IN auf ´ =  - 
(wegen zusätzlicher Sättigung durch Ankerrückwirkung)
 Bei großem Ia ist  groß: Drehzahl steigt wieder an  INSTABILITÄT
(1. Term in der Gleichung stärker steigt als der 2. Term)
m 
Ra  M e
U
 2
k 2  (   ( I a )) k 2  (   ( I a ))2
STABIL
INSTABIL
 Stabilitätsbedingung (Herleitung bei ASM):
dM e dM s

 0  stabil
d m d m
Stabilitätsgrenze
Beispiel:
INSTABIL:
Drehzahlzunahme bei steigender Belastung:
Maschine “geht durch”, sie beschleunigt
ungebremst auf hohe Drehzahlen bis zur
Selbstzerstörung.
Abhilfe: Kompensationswicklung
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Instabilität bei überkommutierendem Motor (Kurve 3)
Überkommutierung:
Stromwendung zu
rasch
 INSTABIL
0
0
0
Kommutierende Spule hat durch Überkommutierung bereits die umgekehrte Spulendurchflutung und
erregt Spulenfluss  ~ Ia, der dem Hauptfluss  entgegenwirkt ( -  ) und diesen daher schwächt
 INSTABILITÄT
 Da  ~ Ia schon bei kleinsten Strömen schwächend auftritt, kann die Drehzahlkennlinie
schon ab dem Leerlauf ansteigen (Kurve 3)
m 
Abhilfe: Wendefeld schwächen
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Ra  M e
U
 2
k 2  (   ( I a )) k 2  (   ( I a ))2
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Anlasswiderstand im Ankerkreis zum Anfahren (1)
 Motorstillstand: n = 0: Induzierte Spannung ist Null: Ui = 0
U  U i  I a Ra  0  I a Ra

I a  U / Ra
Ankerwiderstand ist (außer bei Kleinmotoren) sehr klein: Ankerstrom im Stillstand SEHR
GROSS: Motorwicklung würde verbrennen !
 Abhilfe: Strombegrenzender Anlass-Widerstand im Ankerkreis: Dient zum Anfahren des
Motors mit Nennstrom.
( RAnlasser  Ra )  I N  U
 RAnlasser 
U
 Ra
IN
Nach dem Anfahren begrenzt die induzierte Spannung den Strom; der Anlasser wird kurz
geschlossen, um nicht unnötig Stromwärme-Verluste zu verursachen.
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Anlasswiderstand im Ankerkreis zum Anfahren (2)
Beispiel:
Gleichstrommotor: UN = 430 V, PN = 200 kW, a = 92% (ohne Erregerverluste),
Ra = 37.9 m
Nennstrom: I N  PN / a  U N   506 A
Anfahren ohne Anlasser: I a  U N / Ra  430/ 0.0379  11350A  22.4  I N
Strom ist viel zu hoch!
Erforderlicher Anlass-Widerstand:
Für Anfahren mit Nennstrom
RAnlasser  U N / I N  Ra  430/ 506  0.0379  0.8 
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Anlasswiderstand im Ankerkreis zum Anfahren (3)
U  I a Ra
I a Ra
Ra  RAnlasser
U
n


 n  n0 
 Ia
k1 ( I f ) k1 k1
k1
Leerlaufdrehzahl n0 konstant
Neigung von n(Ia) wird größer mit steigendem RAnlasser, (= Anfahren mit "Anlasser„)
n
n0
U = konst.,  = konst.

Ra
Ra + RAnlasser > Ra: Ia1 >> Ia2 bei n = 0
Ra + RAnlasser
0
0

Ia2 = U/(Ra + RAnlasser)
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Ia1 = U/Ra

Ia
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Gleichstrommotor am Batterienetz
n
n0
U = konst.,  = konst.
Ra



nL
Me = Ms

0
0
•
Auf welche Drehzahl läuft Motor hoch ?
Ms
Me1 ~ Ia1

Me
Stationär gilt: Belastungsmoment Ms = Motormoment Me: dn/dt = 0
J
d m
 M e  M s  0  d m / dt  0   m  konst.
dt
e
d
J : polares Trägheitsmoment von E-Maschine und Lastmaschine
m
Beispiel: Last heben:
d
Lastmoment ist UNabhängig von der Drehzahl: M s  m  g 
2
Die Drehzahl steigt von n = 0 auf nL, wo Me = Ms ist.
F  m g
Die Lastdrehzahl nL ist kleiner als die Leerlaufdrehzahl n0!
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Gleichstrommotor versus Asynchronmotor
n
n0

U = konst.,  = konst.


nL
Ia = Ms/(k2.)
0 0
Ms

Me = Ms
Me ~ Ia


Me = Ms
Fremderregter Gleichstrommotor
Is
Beispiel:
Last heben
d
Ms  F  d / 2
Lastmoment unabhängig
von der Drehzahl
Asynchronmotor

nL
m
F  m g
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Nebenschlussgenerator
U  f (I )
I  I a I f
ErzeugerZählpfeilsystem !
URem
n = konst.
Erregerwicklung E1-E2 parallel
(= Nebenschluss)
zum Anker A1-B2 geschaltet.
U Rem  k1  n  Rem
Arbeitspunkt A:
entspricht der durch Selbsterregung
eingestellten Ankerspannung bei Ia = 0
Wenn Stator-Eisenremanenz vorhanden:
Angetriebener Generator liefert ohne jede
Fremdspannungsquelle selbst Spannung.
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Selbsterregung des Nebenschlussgenerators
n = konst.
URem
U Rem  k1  n  Rem
Stator-Eisenremanenzfluss Rem induziert im Leerlauf (Ia = 0) in der rotierenden Ankerwicklung die
kleine “Remanenzspannung” URem
URem treibt Feldstrom If = URem/(Ra + Rf + Rv), dessen Hauptfluss (If) den Remanenzfluss verstärkt
Daher: Induzierte Spannung steigt an und treibt größeren Erregerstrom If = “Aufschaukeln” bis zum
Spannungsgleichgewicht (Arbeitspunkt A)
Erstpublikation: Werner von SIEMENS 1866 als Dynamoelektrisches Prinzip
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Nebenschlussgenerator: „Selbstmordschaltung“
B: Falsche Selbsterregung: U < URem
Erregerwicklung verkehrt angeschlossen =
„Selbstmordschaltung“
A: Richtige Selbsterregung: U > URem
em
0
em
Hysterese-Schleife
des Stator-Eisens
Selbstmordschaltung:
Bei vertauschten Klemmen E1, E2 erzeugt der Erregerstrom einen zum Remanenzfluss entgegen
gesetzten Fluss und schwächt ihn: KEINE Auferregung ! Abhilfe: E1, E2 tauschen!
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Reihenschlussgenerator (Hauptschlussgenerator)
Leerlaufspannung:
bei Fremderregung messbar.
Erzeuger-Zählpfeilsystem !
U 0 U i ( I f , I a  0)
Innere Kennlinie: unkompensiert
U i ( I f , I a  0)
Serien(= Reihen)Schaltung von Anker und
Erregung: Ia = If
Belastungskennlinie:
URem
0
0
n = konst.
U  U i  I a Ra  U b
 Remanenzspannung URem ist “Initialspannung”. Erst bei Belastung (= Stromentnahme Ia)
steigen U und Hauptfeld an, weil der Belastungsstrom gleichzeitig Erregerstrom ist.
 Steigender Ia: Ankerspannungsfall IaRa steigt linear, induzierte Spannung Ui wegen
Eisensättigung weniger als linear: Klemmenspannung U sinkt nach Maximum wieder ab.
 Bedeutung: Generatorische Bremse des RS-Motors (z. B. elektrische Bahn, Elektroauto).
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Beispiel: Reihenschlussgenerator lädt Batterie
Generator:
Erzeuger-Zählpfeilsystem
n = konst.
Batterie:
Verbraucher-Zählpfeilsystem
U  U i  I a Ra  U b
U Batt  U Batt ,0  I a RBatt ,i
U b  U i : U  U i  I a Ra
Arbeitspunkt: stationär
u( I a* )  U i  I a* Ra  U Batt ,0  I a* RBatt ,i  u Batt ( I a* )
dynamisch: Generator
di
di
udyn (t )  U i  ia Ra  La a  u (ia )  La a  u Batt (ia )
dt
dt
Dynamische Änderung des Ankerstroms ia auf Grund
einer Störung ia0 des Arbeitspunkts Ia*: ia (t )  I a*  ia (t )
u ( I a*  ia )  u ( I a* ) 
La
du
 ia
dia
u Batt ( I a*  ia )  u Batt ( I a* ) 
dia
dia  du duBatt
 u (ia )  u Batt (ia )  La
 

dt
dt
dia
 dia
U Batt ( I a )
U (I a )
1: INSTABILER 2: STABILER
Arbeitspunkt
0
0
duBatt
 ia
dia
dia k

  ia  k  ia 

 ia  0 ia (t  0)  ia 0
dt
La

Arbeitspunkt 1: INSTABIL
k  du / dia  duBatt / dia  0
Arbeitspunkt 2: STABIL
k  du / dia  duBatt / dia  0
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
U Batt ,0

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ia (t )  ia0  e( k / La )t
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Reihenschlussmotor (Hauptschlussmotor)
Verbraucher-Zählpfeilsystem !
Erregerstrom = Ankerstrom: If = Ia
Drehmoment:
M e  k2  ( I a )  I a
Näherung: Sättigung = konstant:
L´ = konst.:
  L  I a
Drehmoment steigt quadratisch
mit Ankerstrom:
U = konst.
M e  k2  L´I a2
Bei kleinen Ankerströmen (= kleiner Fluss ) gilt L´ = konst. exakt, da Eisensättigung erst bei
größerem Fluss  einsetzt!
U

U  I a Ra
Ra
1
U
1


   Ra  


n(M)-Kennlinie: n 
2k 2
2k 2 L  I a
 2 k 2 L M e 2k2 L
Die Drehzahl des Reihenschlussmotors sinkt hyperbolisch mit der Belastung Me auf den
Wert Null beim Anfahren.
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Flusskennlinie und ihre Linearisierung
  L  I a
  L  I a
I aN
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I f  Ia
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Bedeutung des Reihenschlussmotors
 Reihenschluss-Motor darf nicht vollständig entlastet werden,
da bei Ms = 0 der Motor auf sehr hohe Drehzahl beschleunigt (“Durchgehen”)
und zerstört wird.
 Starke Drehzahlabnahme mit steigender Belastung = “weiche Kennlinie”
 Einsatzgebiete: Traktion (Eisenbahn: z. B. Italien 3 kV, DC-Netz), ältere Elektroautos
a) Niedrige Drehzahlen (“Anfahren”): hohes Drehmoment = gute Beschleunigung
b) Rad-Fahrweg-Kontakt (Rollwiderstand) und Luftwiderstand belasten den Antrieb stets.
Beim Durchdrehen der Räder (“Schleudern”) bei nassem Fahrweg:
Überdrehzahlschutz nötig!
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Drehzahlverstellung beim Reihenschlussmotor
1) Anfahren am Batterienetz: Anlasser!
2) Drehzahlverstellung durch Feldschwächung mit Shunt-Widerstand:
Parallelwiderstand Rsh zur Feldwicklung (Shuntwiderstand):
Verringerung des Stroms If durch die Feldwicklung = Flussverringerung =
= Drehzahlanstieg
I f R f  I sh Rsh  ( I a  I f ) Rsh 
If
Rsh

 1
I a Rsh  R f
Ra  0 :
„Scherung“:
0A

1
SA
Verbraucher-Zählpfeilsystem !
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Tandembetrieb auf einer Achse: Gleiche Drehzahl n
Nebenschluss
ungeregelt
n
Gleiches n
Reihenschluss
ungeregelt
n
Motor B
Motor B
Motor A
Motor A
Motor A und B leicht
unterschiedlich
angenommen!
0
0
M
M
M
A
B
0
0
M
M M
A
B
•
Nebenschluss: Bei kleinen Unterschieden in der n(M)-Kurve große Unterschiede in der
Motorbelastung: Motor B überbelastet! Schlechte Lastaufteilung ! Regelung nötig !
•
Reihenschluss: Bei kleinen Unterschieden in der n(M)-Kurve kleine Unterschiede in der
Motorbelastung: Motor B nicht überlastet! Gute Lastaufteilung !
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Traktionsantrieb
Drehgestell
Radsatz A
v
B
nRad,A
nRad,B
v  d Rad , AnRad , A  d Rad ,BnRad ,B
v  d RadnRad
nRad , A
nRad ,B

d Rad ,B
d Rad , A
Drehzahl unterschiedlich auf unterschiedlichen Achsen A und B bei unterschiedlicher
Radabnutzung ( = unterschiedliche Raddurchmesser)!
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Energiewandlung • FB 18
Traktionsantrieb: Lastaufteilung bei gleicher Geschwindigkeit v
Nebenschluss
ungeregelt
n
Reihenschluss
ungeregelt
n
nA
nB
nA
nB
Motor A
Motor B
0
0
Motor A
Motor B
M
M
M
A
B
0
0
M
M M
A
B
•
Motoren A, B seien identisch, aber auf unterschiedlichen Achsen. Unterschiedliche
Radabnutzung: Bei gleicher Geschwindigkeit unterschiedliche Drehzahl nA und nB!
•
Nebenschluss: Motor B überbelastet! Schlechte Lastaufteilung !
Reihenschluss: Motor B nicht überlastet! Gute Lastaufteilung !
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Prinzip der Wechselstrom-Kommutatormaschine
•
Erregerwicklung und Ankerwicklung in REIHE geschaltet (Reihenschluss-Motor)
am Einphasen-Wechselstromnetz (Einphasen-Reihenschlussmotor).
•
Erregerstrom = Ankerstrom ia = Wechselstrom mit Frequenz f. Ankerstrom erregt
Hauptfluss , daher pulsiert  im Takt mit ia:  und ia polen sich gleichzeitig um.
•
Drehmoment hat daher wegen M e ~   ia  ( )  (ia ) stets dieselbe Richtung,
pulsiert aber mit doppelter Frequenz 2f.
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Pulsierendes Moment der Wechselstrom-Kommutatormaschine
•
Betrieb am Einphasen-Netz: Ankerstrom ist Wechselstrom mit Netzfrequenz.
ia (t )  Iˆa sin( 2  f  t )
•

 (t )  ˆ  sin(2  f  t )
Ankerwicklung und Feldwicklung in Serie geschaltet (Reihenschluss). Ankerstrom ist auch
Erregerstrom für Fluss  ~ ia. Beide wechseln gleichzeitig ihre Polarität mit f und erzeugen
ein positives, aber mit 2f PULSIERENDES Moment (z. B.: f = 50 Hz, 2f = 100 Hz!).
M e (t )  k2 (t )ia (t )  k2ˆ sin(2ft )  Iˆa sin(2ft )  M e (t )  k ˆ  Iˆa  (1  cos(2  2 f  t )) / 2
M e (t )  k2
ˆ
2
I a,eff  (1  cos(2  2 f  t ))
I a,eff  Iˆa / 2
•
NUR der Moment-Mittelwert Mav kann genutzt werden
•
Thermisch zulässige AC-Leistung ist nur 70% = 1/2 der DC-Leistung.
M av  k2ˆI a,eff / 2
- Gleiche Stromwärme: I a, DC
 I a,eff
- Gleiche Eisensättigung:  DC  ˆ
M DC / M av  (  I a,DC ) /(ˆ  I a,eff / 2 )  2
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Transformatorische Funkenspannung
kommutierende
kommutierende
vC
„Funken“
Hauptfluss ist
Wechselfluss
 (t )  ˆ  sin(2  f  t )
Wechselfluss induziert in kommutierende Spule transformatorische Funkenspannung:
u (t )   N  d (t ) / dt   N  2  f ˆ  cos(2  f  t )
Tr
c
c
Diese zündet zusätzliche „Funken“ an der ablaufenden Bürstenkante!
Fazit:
Wechselstrom-Kommutatormaschine hat mehr Bürstenfeuer als Gleichstrommaschine!
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Wechselstrom-Kommutatormotor-Kennlinie
 Einsatz mit Einphasen-Wechselstrom:
DC-Betrieb:
- Traktion bei 16.7 Hz:
z. B. Deutsche Bahn: Statt 50 Hz ist f = 16.7 Hz zur
Verringerung der transformatorischen Funkenspannung
- Haushaltsgeräte bei 50 Hz:
Universalmotor:
Föhn, Bohrmaschine, Staubsauger:
nmax = ca. 40000/min, ...
n

U  I a Ra
1 U
  Ra 

2k 2
2k 2 L  I a

AC-Betrieb: zusätzlich
I a  Ra  I a  ( Ra  jLa  f )
Drehzahlverstellung:
DC:
Verstellung der Ankerwechselspannung U
a)
Bahn: Stelltransformator mit Anzapfungen
b)
Haushaltsgeräte: Phasenanschnitt über TriacSchaltung!
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AC: I a ,max 
Ua
Ra2  (La  f ) 2
Kleinmotor:
Anfahren ohne Anlasser möglich!
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Triac-Schaltung zur Ansteuerung kleiner
Wechselstrom-Kommutatormaschinen
  2  f Netz
a)
Zwei antiparallele Thyristoren (Steuerwinkel )
b)
Alternativ: Ein Triac (= bidirektionaler Halbleiter-Schalter)
versorgen mit der Ausgangsspannung u2 als Wechselspannung mit Phasenanschnitt.
Durch die fehlende „Spannungs-Zeit-Fläche“ erhält der Motor im Mittel weniger Spannung:
Deshalb sinkt seine Drehzahl.
Nachteil: Wechselstrom ist nicht mehr sinusförmig, aber infolge der Glättung durch die
Motorinduktivität „sinusförmiger“ als die Spannung u2.
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Universalmotor
•
Kleiner, zweipoliger Motor für hohe Drehzahlen
(typisch bis 40 000 /min),
•
Billigausführung für Massenproduktion
•
Keine Wendepole, daher Bürstenfeuer
ABER:
nur geringe Betriebsstundenzahl in Haushaltsgeräten
•
Betrieb am Haushalts-Einphasen-Netz 230V 
Ankerstrom ist Wechselstrom mit Netzfrequenz
(z. B. f = 50 Hz).
Quelle:
R. Fischer, hanser-Verlag
•
Ankerwicklung und Feldwicklung in Serie geschaltet (Reihenschluss).
•
Ankerstrom ist auch Erregerstrom für den Fluss  ~ ia.
•
Ankerstrom und Hauptfluss wechseln gleichzeitig ihre Polarität mit f (z. B. 50Hz) 
erzeugen positives, aber mit 2f (z. B. 2x50 = 100 Hz) PULSIERENDES Drehmoment
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
- Gleichstrommaschine erlaubt Generator- und Motorbetrieb
- Fremderregte Schaltung; Nebenschluss-Schaltung; Reihenschluss-Schaltung
- Verbundschaltung (Kompoundschaltung) = Nebenschluss und Hilfs-Reihenschluss:
Generatorbetrieb:
Hilfs-RS kompensiert Spannungsabnahme –IaRa, so dass U(Ia)  konst. für 0  Ia  IN
(siehe Skript)
- Reihenschluss-Schaltung auch bei Wechselstrom einsetzbar
(z. B. Universalmotor)
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Drehzahlveränderbarer fremderregter
Gleichstromantrieb
U  I a Ra
I a Ra
Ra
U
n


 n0 
 Ia
k1 ( I f ) k1 k1
k1
 Fremderregter Gleichstrommotor:
Drehzahlveränderung durch
a) Spannungsänderung U (U = Ua: Ankerspannung)
b) Feldschwächung  (über Uf: verminderte Erregerspannung)
c) Widerstandserhöhung R + Ra (über Vorwiderstand R)
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Fremderregter Gleichstrommotor:
Drehzahlveränderung durch Spannungsänderung U
n
U  I a Ra
I R
R
U

 a a  n0  a  I a
k1  ( I f ) k1  k1 
k1 
Leerlaufdrehzahl n0 geändert, n(Ia)-Kennlinie parallel verschoben
n

n01

n02
0
"Ankerstellbereich":
0 < n < nN entspricht 0 < U < Umax = UN bei  = max = konst.
U1
U2 < U1

Ia2= U2/Ra
0

n03
U3 < U2
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Ia1= U1/Ra

Ia
Negative Spannung U3:
Drehzahlumkehr
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Fremderregter Gleichstrommotor:
Drehzahlveränderung durch Feldschwächung 
U  I a Ra
I a Ra
Ra
U
n


 n0 
 Ia
k1 ( I f ) k1 k1
k1
Leerlaufdrehzahl n0 geändert, Neigung von n(Ia) wird größer, wenn  sinkt.
n
n02
n 
2 < 1
1 U1
01
0
"Feldschwächbereich":
nN < n < nmax entspricht max >  > min bei U = Umax = UN = konst.
Ia1= U1/Ra

Ia
0
-1 U1
-n01
U1

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Negativer Fluss -1:
Drehzahlumkehr
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Fremderregter Gleichstrommotor:
Drehzahlveränderung durch Widerstandserhöhung R + Ra
n
U  I a Ra
I R
R R
U

 a a  n  n0  a
 Ia
k1 ( I f ) k1 k1
k1
Leerlaufdrehzahl n0 konstant, Neigung von n(Ia) wird größer mit steigendem R,
z. B. Anfahren mit "Anlasser"
(sonst nicht verwendet, da Verluste im Widerstand R)
Ra1 = Ra + R1
n
n0

Ra1
U
0
0
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U
Ra2 = Ra + R2
R2 > R1
Ra2 > Ra1

Ia2= U/Ra2
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Ia1= U/Ra1

Ia
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Thyristor-Stromrichtergespeister Gleichstromantrieb
 Erzeugung einer variablen Ankerspannung aus dem Drehstromnetz L1, L2, L3
durch Gleichrichtung als Gleichspannung Ud für den Gleichstromantrieb
Gesteuerter Drehstrom-Brücken-Gleichrichter B6C:
Anker-Spannungsverlauf
 Schaltung für eine Stromrichtung Ia > 0
fNetz
 Für Stromumkehr Ia <
Stromrichter nötig.
0 ist zweiter antiparalleler
/   t
Ia
0
0
Veränderung der Ankerspannung über den Zündzeitpunkt (Zündwinkel ):
"Zündwinkel"     t ,   2f Netz U d  U d ,max cos  , U d ,max 
U Netz  400V
2U Netz  (3 /  )
U d ,max  560V
  0 : max. Spannung,   90 : Spannung ist Null,   180 : max. negative Spannung
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(B6C)A(B6C)- Zwei antiparallele Thyristorbrücken
Für Stromumkehr ist ein zweiter
antiparalleler Stromrichter nötig.
U d  U  0,  0
Ia  0
U 0
Ia
0
U d  U  0,  0
Ia  0
0
U 0
Ia  0
Ia  0
antiparalleler Stromrichter
- Nachteil des Thyristor-Stromrichters B6C: Gleichspannung und -Strom haben
Welligkeit mit 6-facher Netzfrequenz: z.B.: bei 50 Hz: 6  50  300Hz
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Einquadranten-Transistor-Gleichstromsteller
 Gleichstromsteller (Chopper): Aus konstanter Gleichspannung (Batterie,
Diodengleichrichter, ua  U Batt ) wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) eine
gepulste Spannung ua mit veränderbarem Mittelwert Ud erzeugt
Gepulste Ankerspannung ua
ia,ss
UBatt
Welliger Ankerstrom ia
UBatt
Mittlere Gleichspannung Ud
0
0
 Freilaufdiode erforderlich, da auf Grund der Zeitkonstanten Ta = La/Ra nach dem
Abschalten des Transistors der Ankerstrom weiter fließen will.
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Stromwelligkeit beim Transistor-Gleichstromsteller
 Mittlere Gleichspannung Ud ~ k:
k  Ud / U Batt  Ton / T
 Hohe Transistorschaltfrequenz (z. B. fP = 2 kHz)  kleine Stromwelligkeit ia,ss !
Stromwelligkeit maximal bei Aussteuergrad k = 0.5
Ra  0 : ia, ss  U Batt  (1  k )  k /( f P La )
ia , ss
ia , ss,max
UBatt
Ud
U Batt
U Batt

4 f P La
Ud
1.0
0
0
0
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0.5
1.0
k
0
0.5
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1.0
k
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ia
Vier-Quadranten-Transistor-Gleichstromsteller

UBatt
If > 0
UBatt
1
T2
ia > 0
ua > 0
ia < 0
ua < 0
Einquadranten-Steller: ia > 0, ua > 0
M > 0, n > 0
T3
T4
U d  ua  k1  n
Vierquadranten-Steller:
2. Quadrant
1. Quadrant
T1-T4: ia > 0,
M  k2  ia
3. Quadrant
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4. Quadrant
T2-T3: ia < 0
ia > 0, ia < 0
ua > 0, ua < 0
M > 0, M < 0
n>0n<0
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WARD-LEONARD-Maschinensatz (-Umformer)
 Vorteile:
keine Netzverzerrung
keine Steuerblindleistung
Tf = Lf/Rf
n ~ U ~ I fG
nASM
 Drehstrom-Asynchronmotor am Drehstromnetz (Drehzahl nASM) treibt Steuergenerator
 Steuergenerator fremderregt: Erregerstrom IfG z. B. aus Batterie
 Steuergenerator erzeugt über IfG variabel einstellbare Ankerspannung U
 U-gespeister GS-Motor kann drehzahlveränderbar betrieben werden: n ~ U ~ IfG
 Nachteile:
a) drei Mal die Nenn-Maschinenleistung installiert (teuer!)
b) drei Mal Verluste, z. B. Wirkungsgrad je Maschine 90 %: gesamt 0.93 = 0.73 = 73 %.
c) geringe Dynamik: U-Änderung langsam, da Feldzeitkonstante Tf = Lf /Rf groß
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Vierquadranten-Gleichstromantrieb
 Drehzahlumkehr durch
(A) Umpolen der Ankerspannung von +U auf –U oder
(B) Umpolen des Flusses  auf -.
(A) schneller als (B), da Anker-Zeitkonstante Ta = La/Ra
deutlich kleiner als Feld-Zeitkonstante Tf = Lf/Rf .
nmax
2
1
3
4
 Betriebsgrenzen:
maximale Drehzahl nmax, maximaler Ankerstrom Ia,max
Ia,max
-Ia,max
-nmax
Vierquadrantenbetrieb: (Verbraucher-Zählpfeilsystem)
2. Quadrant:
n > 0, M < 0: U > 0, Ia < 0
GENERATOR
3. Quadrant:
n < 0, M < 0: U < 0, Ia < 0
MOTOR
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1. Quadrant:
n > 0, M > 0: U > 0, Ia > 0
MOTOR
4. Quadrant:
n < 0, M > 0: U < 0, Ia > 0
GENERATOR
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Vierquadranten-GS-Antrieb mit Feldschwächung
2
1. Quadrant
1
1
Ia,max = konst.
0
Mmax
0
Ia,max = konst.
-Ia,max= konst.
3
Ia,max = konst.
Vier Quadranten
4
Ankerstellbereich:
Verändern der Ankerspannung
Ua  n(Ia)-Kennlinien parallel
verschoben = Drehzahlveränderung
(Fluss ist konstant).
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Feldschwächbereich:
Bei maximaler Ankerspannung UaN: weitere
Drehzahlerhöhung durch Feldschwächung.
Bei konstantem Ankerstrom sinkt das Drehmoment.
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10/147
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Vierquadranten-Gleichstrom-Betrieb
Ankerstellbereich: Verändern der Ankerspannung U, Fluss  =  N = konst.
U  Ui  I a Ra , Ui  k1n0 N
M e  k2 N  I a ~ I a
 n0  U /( k1 N )  n : n ~ U
 M max ~ I a,max (z.B. I a,max  2 I N )
Feldschwächbereich: Ankerspannung U = Umax = UaN = konst., Fluss  verringert
U  U max  konst.(z.B. : UaN ) n0 N  UaN /( k1 N )
n0 / n0 N   N /   ~ 1 / n0  1 / n
M max ( I a,max )  k2 I a,max ~ 1 / n
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 ~ 1/ n
M max ~ 1 / n
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Vier-Quadrantenbetrieb am Stromrichter
ax
•
n(M)-Kennlinie:
U
M e Ra
n

k1 k1k2 2
•
Weil über Stromrichter U = Ud variabel ist, wird
Drehzahl über variables Ud verändert zwischen
+Ud,max und -Ud,max.
•
Bei -Ud kehrt sich die Drehzahl um
(Drehrichtungswechsel).
•
Drehzahl n0 = Ud,max/(k1) kann erhöht werden,
wenn  verringert wird (Feldschwächung).
Es nimmt aber Mmax ab.
M max  k2  I a,max  wenn  
ax
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Stromrichtergespeiste FE Gleichstrommaschine vs.
Umrichtergespeiste Asynchronmaschine
Asynchronmaschine
Gleichstrommaschine
ax
0
0
•
Ähnliche Kennlinienscharen bei Asynchron- und FE-Gleichstrommaschine.
•
Asynchronmaschine kann dynamischer als Gleichstrommaschine geregelt werden
(ASM mit „feldorientierter Regelung“, ASM hat geringeres Trägheitsmoment)
•
Asynchronmaschine ist robuster, erlaubt:
höhere Drehzahlen, höheren Wirkungsgrad, geringere Massen
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Energiewandlung • FB 18
Fremderregter Gleichstromantrieb: Grenzkennlinien (1)
IN
N
PN
UN
MN
Reaktanzspannungsgrenze
Ankerstellbereich
uR,max= 10 V
Feldschwächbereich
n < nN : n über Ankerspannung Ua ~ n erhöhen
n > nN : Für n-Erhöhung muss Fluss  ~ 1/n geschwächt werden.
n > nR : Reaktanzspannung uR ~ Ia,max.n zu hoch = zu starkes „Bürstenfeuer" trotz
Wendepole  uR = 10 V begrenzt durch Ankerstromverringerung Ia,max ~ 1/n
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Fremderregter Gleichstromantrieb: Grenzkennlinien (2)
- Grenzkennlinien = Maximalwerte der Betriebsparameter
z. B.: Mmax(n)-Grenzkennlinie = Einhüllende der M(n)-Kennlinienschar
  1 : P  U  I a  2  n  M
Ankerstellbereich:
   max   N
M max  k2 N I a,max ~ I a,max
Pmax  U  I a,max ~ n  I a,max ~ n
Pmax  2  n  M max ~ n
Feldschwächbereich:
 ~ 1/ n
Pmax
M max ~ I a,max / n
 U max  I a,max  konst.
Pmax  2  n  M max ~ n  (1 / n)  konst.
Reaktanzspannungsgrenze: I a ,max ~ 1 / n
M max  k2  I a,max ~ (1 / n)  (1 / n)  1 / n2
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Pmax  U max  I a,max ~ 1 / n
Pmax  2  n  M max ~ n  (1 / n2 ) ~ 1 / n
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10/152
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Energiewandlung • FB 18
Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
- Fremderregter und Nebenschluss-erregter Gleichstrommotor
- Drehzahlveränderung über Ankerspannung (Grunddrehzahlbereich)
oder Hauptflussänderung (Feldschwächbereich)
- Fluss-Schwächung für hohe Drehzahlen
- Ankerspannung über Thyristor-Stromrichter oder Transistor-Chopper verändert
- Ein- oder Vierquadrantenbetrieb
- Prüffeld: WARD-LEONARD-Umformer fallweise im Einsatz
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Elektrische Maschinen und Antriebe
10. Gleichstromantriebe
10.1
Die Funktionsweise der Gleichstrommaschine
10.2
Ankerwicklungen
10.3
Induzierte Spannung und elektromagnetisches Drehmoment
10.4
Ankerrückwirkung und Kompensationswicklung
10.5
Kommutierung des Ankerstroms und die Funktion der Wendepole
10.6
Generator- und Motorschaltungen der Gleichstrommaschine
10.7
Der drehzahlveränderbare Gleichstromantrieb
10.8
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
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Energiewandlung • FB 18
Kleinmotoren
Einsatzbereiche der Kleinmotoren:
Automobil
35,1%
Haushalt
Industrie
12,3%
11,5%
Pumpen/Kompressoren
9,8%
Heiz/Klimatechnik
9,7%
Bürogeräte
5,9%
Tragbare Werkzeuge
5,1%
Medizintechnik
5,1%
Sonstige
5,5%
Quelle: Frost & Sullivan
Gleichstrommaschinen dominieren im KleinmotorSektor (z. B. Automobilanwendung) oder als
Universalmotor
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Quelle: Faulhaber
Permanenterregte zweipolige
Gleichstrom-Kleinmotoren für
Präzisionsantriebe der Feinwerktechnik
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Leistungsgrenzen großer Gleichstrommaschine
 Die je Maschineneinheit baubare Leistung (“Einheitsleistung”) ist durch den Kommutator
auf ca. 10 … 12 MW begrenzt.
Quelle: Fa. Brenner,
Bürstadt
Grenzen:
- Fliehkraftbegrenzung, sonst Deformation des Kommutators, Bürsten “hüpfen”  starke Abnützung
- Kommutierung: Reaktanzspannung uR < 10 V dauernd, < 20 V stoßweise, sonst starkes
Bürstenfeuer trotz Wendepole,
- Bürstenstromdichte: dauernd Jb < 12 A/cm2, < 20 A/cm2 stoßweise, sonst Ausglühen der Bürsten,
- Segmentspannungsgrenze: im Mittel Us,av < 20 V,
lokale Segmentspannung ohne Kompensationswicklung < 35 V, sonst Überschlag („Rundfeuer“)!
 Bei ungeregeltem Betrieb: Stabilitätsgrenze: fremderregter GS-Motor darf i. A. nur im Bereich der
n(M)-Kennlinie mit negativer Steigung betrieben werden
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Walzwerksantrieb: Stromrichtergespeister FE-Gleichstrommotor vs.
Umrichtergespeister Vollpol-Synchronmotor
Synchronmaschine
Gleichstrommaschine
Quelle: Siemens AG,
Deutschland
Nennleistung:
10.9 MW,
58.5 … 112.5/min
Nennleistung:
12 MW
•
Synchronmaschine kann dynamischer als Gleichstrommaschine geregelt werden
(„feldorientierte Regelung“, geringeres Trägheitsmoment).
•
Synchronmaschine ist robuster: höhere Drehzahlen &Wirkungsgrad, geringere Massen, wartungsärmer.
•
Keine Tandembauweise bei Synchronmaschinen nötig, um hohes MN zu erreichen !
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Gleichstrommaschinen - Ausblick
 Große Gleichstrommotoren werden durch
a) stromrichtergespeiste Synchronmotoren (z. Zt. bis 100 MW)
und
b) Asynchronmotoren (z. Zt. bis ca. 40 MW) abgelöst.
 Auch im unteren Leistungsbereich Ablöse des stromrichtergespeisten
Gleichstromantriebs durch den wartungsärmeren
Käfigläuferasynchronmotor mit Umrichterspeisung
und ggf. feldorientierter Regelung.
 Im Kleinmotorenbereich (Automobilanwendung) aber hohe Stückzahlen bei
DC-Motoren 12 V / 24 V.
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Elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung:
Leistungsgrenzen der Gleichstrommaschine
- Kommutator begrenzt Leistung pro Maschine wegen Spannung und Strom
- Drehzahlbegrenzung durch Kommutator (Fliehkraft, Bürstenkontakt)
- Leistungen je Maschine meist < 10 MW
- Große Einsatzbereich der Gleichstrommaschine als Kleinmotor
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Industrielle E-Antriebe – Überblick
Festdrehzahlantrieb
Drehzahlveränderbarer Antrieb
Drehstrom
Gleichstrom
Netzspeisung
Stromrichter
Umrichter
Umrichter
KäfigläuferAsynchronmotor
fremderregter
Gleichstrom-M.
KäfigläuferAsynchronm.
PermanentmagnetSynchronmotor
Ungeregelt
einfache
Kaskadenregel.
feldorientierte
Regelung
feldorientierte
Regelung
Wirkungsgrad: gut
mittel
gut
sehr gut
Sehr robust
Wartung
robust
robust
Genormte Größen
Motor: billig
kein Umrichter
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Drehstrom
herstellerspezifische Ausführungen
sehr teuer
Umrichter: billig
billig…teuer
teurer
teuer
teurer
groß
kompakt
sehr kompakt
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That´s all, folks !
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