Arbeitsblatt: Elektrische Motoren und Generatoren

Motoren und Generatoren Übersicht: 1. Aufbau um laufender Maschinen 2. Generatoren 2.1. Synchrongeneratoren 2.1.1. Generatorenaufbau 3-phasig 2.1.2. Generatorenaufbau 1-phasig 2.2. Asynchrongeneratoren 3. Drehfeld-Motor 3.1. Synchronmotor 3.1.1. Drehstromsynchronmotor 3.1.2. Einphasenmotor 3.2. Asynchronmotor (Induktionsmotoren) 3.2.1. Drehstromasynchronmotor 3.2.2. Einphasenasynchronmotor 4. Stromwendermotor 4.1. Wechselstrom-Universalmotor 4.2. Gleichstrommotor 5. Schrittmotor/Elektronikmotor 6. Anlauf und Betrieb 6.1. Motordaten 6.2. Überlastschutz 6.3. Betriebsarten 6.4. Drehzahlregulierung Kurzschlussläufermotoren 6.5. Anlaufverfahren Kurzschlussläufermotoren 6.6. Bremsbetriebe von Drehstromasynchronmotoren Grundlagen: • Drehfeld entsteht durch Dauermagnet im Mittelpunkt und drei mit Strom durchflossene Spulen, die als Wicklungen in den Nuten des Ständers angebracht sind (120 verschoben) • Jede Spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld Drei Spulen zweipoliges Drehfeld Sechs Spulen vierpoliges Drehfeld • Motoren elektrische Energie in mechanische Arbeit • Generatoren mechanische Antriebskraft in elektrische Energie • Wirkverluste in Form von Energie Eisenverluste Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste Wicklungsverluste Lüfterverluste und Reibungsverluste • Leistungsabgabe P2 aus der Messung von Drehmoment und Drehzahl Drehmoment Strom durch Läuferwicklung erzeugt um Windungen Magnetfeld, das im Ständermagnetfeld eine Kraft bewirkt • Elektrisch aktive Teile umlaufender Maschinen Stator/Ständer und Rotor/Läufer Stator Blechpaket und den am Statorumfang verteilte Wicklungen Rotor • Leistungsschild Hersteller, Art, Bemessungswerte (Spannung, Strom, Leistung für angegebene Betriebsart, wenn keine Betriebsart für Dauerbetrieb), Isolierstoffklasse, Schutzart • Drehsinn Betrachtung auf Wellenende, Uhrzeigersinn Rechtlauf 1. Aufbau umlaufender Maschinen: Hauptkomponenten: Klemmkasten und Klemmbrett: Anschlussklemmen mit Basisschutz Ständerblechpaket: Gehäuse des Ständer, wo die Wicklungen an den Nuten befestigt sind Ständerwicklung: Wicklungen, welche die Spannung induzieren Wälzlager: Stützrad des Rotors (Läufer) Welle: mechanische Vorrichtung, um den Motor zu belasten Lüfter: am Läufer angebracht, um den Motor zu durchlüften Kurzschlussläufer: fängt sich durch die induzierte Spannung zu drehen Drehsinn: Betrachtung der Welle: Rechtslauf in Uhrzeigersinn, Linkslauf gegen Uhrzeigersinn (Vertauschen zweier Polleiter am Klemmbrett) 2. Generatoren: 2.1. Synchrongeneratoren: 2.1.1. Generatorenaufbau 3-phasig: Aufbau: Die Anzahl der Pole (mindestens zwei, weitere geradzahlige Anzahlen möglich) entscheidet über die Frequenz der abgegebenen Spannung bei gegebener Drehzahl. Die Generatorwicklungen sind innen verteilt in mehreren Nuten des hohlzylinderförmigen Stator-Blechpaketes untergebracht. Der Rotor benötigt bei Synchrongeneratoren Stromzuführung über die Schleifringe. Der äußere Mantel des Blechpaketes enthält keine Wicklungen, er dient als Joch bzw. magnetischer Rückschluss, um das magnetische Wechselfeld in den Wicklungen zu konzentrieren. Wirkungsweise: Elektrischen Generatoren wandeln mechanische Leistung in elektrische Leistung um. Die mechanische Leistung wird dem Generator in Form der Drehung einer mechanischen Welle zugeführt. Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft. Im Generator wird der Rotor (auch Läufer genannt) im Inneren des Generators gegenüber dem feststehenden Stator-Gehäuse (auch Ständer genannt) gedreht. Durch das vom Rotor mit einem Dauermagnet oder einem Elektromagnet (Feldspule oder Erregerwicklung genannt) erzeugte, umlaufende magnetische Gleichfeld wird in den Leitern bzw. Leiterwicklungen des Stators durch die Lorentzkraft elektrische Spannung induziert. Die erzeugte elektrische Leistung gleicht der mechanischen Leistung, abzüglich der auftretenden Verluste. Damit folgt die Leistungsgleichung eines elektrischen Generators: Pel Pmech PV Die entnommene Spannung kann über die Größe des Erregerfeldes gesteuert werden, wenn dieses mit einem Elektromagnet (elektrische Erregung, Fremderregung) erzeugt wird. (2.1.2. Asynchrongeneratoren) 3. Drehfeld-Motor: 3.1. Synchronmotor 3.1.1. Drehstrom-Synchronmotor: Der Motor besitzt Statorwicklungen (meist aussen), die ein magnetisches Drehfeld erzeugen bzw. in welcher eine elektrische Spannung induziert wird. Der Rotor (meist innen) trägt zur Felderzeugung entweder Permanentmagnete oder eine Erregerwicklung (mit Gleichspannung versorgt). Beim Synchronmotor ist die Drehzahl des Läufers gleich der Drehzahl des elektromagnetischen Drehfeldes, das heisst, der Läufer rotiert synchron zum Drehfeld. Synchronmotoren sind permanent- oder gleichstromerregte Drehfeldmaschinen, bei denen die Drehzahl gleich der Wechselspannungsfrequenz, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors, ist. Um einen Synchronmotor stufenlos in der Drehzahl regeln zu können, muss ein Frequenzumrichter verwendet werden. Synchronmotoren laufen nicht von allein an, weil das Polrad massenträge ist und nicht gleich der Drehfelddrehzahl folgen kann. Sie müssen mechanisch hochgefahren und synchronisiert werden. Es ist aber auch möglich, diese mittels Frequenzumrichter vom Stillstand langsam auf Nenndrehzahl zu bringen. Eine übererregte Synchronmaschine hat im Netz die Wirkung eines Kondensators, eine untererregte die Wirkung einer Drossel. Die Synchronmaschine wird deshalb auch als Phasenschieber zur Erzeugung von Blindleistung und somit zur Spannungshaltung in Energieverteilungsnetzen eingesetzt. (3.1.2. Einphasenmotor) 3.2. Asynchronmotor (Induktionsmotoren): 3.2.1. Drehstromasynchronmotor: Aufbau: Ständer aus Gehäuse, Ständerblechpaket und Ständerwicklung; Läufer als Käfigläufer (Aluminium- oder Kupferstäbe mit Kurzschlussringe an den Enden der Stäbe) an der Welle angebracht; Ständer- und Läuferblechpaket sind aus einseitig isolierten Elektroblechen geschichtet, um Wirbelstromverluste zu verringern. Wirkungsweise: Beim Einschalten wie Transformator Drehfeld der Ständerwicklung bewirkt eine Flussänderung in den Leiterschlaufen des Läufers im Läufer wird ein Magnetfeld induziert, was ein Drehmoment erzeugt die Läuferdrehzahl ist immer stets kleiner als die Drehfelddrehzahl (asynchron) Differenz Schlupfdrehzahl (3-8%), ist von der Belastung abhängig Der Motor muss asynchron laufen, weil sonst die Flussänderung gleich null, folglich auch die induzierte Spannung und das Magnetfeld, es würde zum stillstand kommen. Anwendung: Sie sind preisgünstig, leicht, wartungsarm und funkstörfrei. Für Werkzeugmaschinen, Hebezeuge, Gebläse, etc. Energieflussdiagramm: Elektrische Energie (Stator) Magnetische Energie Mechanische Energie (Rotor) Elektromagnetsche Energie (Rotor) Käfigläufer: Rundstabläufer, runde Stabquerschnitte beim Einschalten Wirkwiderstand sehr klein, hoher Anzugsstrom, kleiner Anzugsmoment (nicht unter Belastung anlaufen lassen!) Stromverdrängungsläufer: Stromverdrängungsläufer haben ein grosses Anzugsmoment und einen kleinen Anzugsstrom. Zwei runde Stabquerschnitte, durch die der vom Ständerdrehfeld induzierte Läuferstrom fliesst, zur Erhöhung des Läuferwirkwiderstandes beim Einschalten. Der magnetische Streufluss, welcher vom Wechselstrom erzeugt wird, ist um den unteren Stab grösser, weil er sich dort im Eisenpaket schliessen kann. Der Strom wird dadurch in Richtung Luftspalt, also zum Läuferaussenrand verdrängt. Stromverdrängungsläufer haben einen etwas kleineren Leistungsfaktor und Wirkungsgrad. Reluktanzmotor: Käfigläufer hat an seinem Umfang gleich viele Aussparungen wie der Motor Pole hat Feldlinien des Ständerdrehfeldes verlaufen weitgehend durch das Läuferblech Läufer bekommt ausgeprägte Pole und läuft dadurch synchron. Reluktanzmotoren laufen als Kurzschlussläufer an und arbeiten als Synchronmotoren weiter. Wegen Aussparungen sind Luftspalt und Streuung gross kleiner Wirkleistungsfaktor (kleiner Wirkungsgrad) und brauchen mehr Strom bei gleicher Leistung wie Asynchronmotoren. Anwendung: Spinnereimaschinen, etc. Ma Anzugsmoment Ms Sattelmoment kleinste Motormoment nach dem Anlauf Mk Kippmoment grösstes Drehmoment Mn Bemessungsmoment Polumschaltbarer Motor: Polzahländerung bei Kurzschlussläufer Änderung der Drehfelddrehzahl und der Läuferdrehzahl. Zwei getrennte Ständerwicklungen mit verschiedenen Polzahlen zwei verschiedene Läuferdrehzahlen. Bei der Dahlanderschaltung ist jeder Strang der Ständerwicklung in zwei Wicklungen unterteilt. Durch Umschaltung dieser Spulengruppen aus der Reihenschaltung in die Parallelschaltung wird die entstehende Polzahl halbiert, dadurch verdoppelt sich die Drehfeldzahl. Die gebräuchlichste Dahlanderschaltung ist die Dreieck- Doppelstern- Schaltung. Linearmotoren: Bei Linearmotoren wird die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen (Stator, auch Induktor genannt) auf einer ebenen Strecke angeordnet. Der Läufer, der im Drehstrommotor rotiert, wird beim Linearmotor von dem längs bewegten Magnetfeld (Wanderfeld) über die Fahrstrecke gezogen. Schleifringläufermotoren: gleicher Aufbau wie Kurzschlussläufermotoren, jedoch ist die Läuferwicklung an drei Schleifringe angeschlossen. Die drei Schleifringe können nur durch die Kohlebürsten in Verbindung kommen. Die Drehzahl von Schleifringmotoren wird durch die Widerstände (Kohlenbürsten) im Läuferkreis gesteuert. 3.2.2. Einphasenasynchronmotor: Kondensatormotor: Er besitzt einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer), in dem durch ein vom Stator erzeugtes elliptisches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Im Unterschied zu mit Drehstrom gespeisten Asynchronmotoren läuft der Kondensatormotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom. Die Phasenverschiebung beträgt hie 90 anstatt 120. Da die zur Erzeugung eines Drehfeldes erforderlichen mindestens zwei phasenverschobenen Spannungen am Wechselstromnetz nicht zur Verfügung stehen, muss eine so genannte Hilfsphase erzeugt werden: Eine der beiden Statorwicklungen wird direkt aus dem Wechselstromnetz versorgt, während zur zweiten Wicklung ein Kondensator in Reihe geschaltet wird. Dieser bewirkt die Phasenverschiebung der Spannung an der zweiten Wicklung. Das auf diese Weise erzeugte Drehfeld ist zwar ausreichend um den Läufer zu bewegen, es ist allerdings auch belastungsabhängig und führt zu einem geringen Anlaufmoment (Verbesserung durch Anlaufkondensator). Spaltpolmotor: Beim Spaltpolmotor sind die Magnetpole in einen Hauptpol und in einen Spaltpol aufgeteilt. Der Spaltpol ist von einer Kurzschlusswicklung umfasst, in welcher Spannungen induziert werden, die wiederum Ströme zufolge haben. Die Hauptwicklung wird an ein Einphasenwechselstromnetz angeschlossen. Dadurch entsteht das magnetische Wechselfeld, welches sich in das Hauptpolfeld und in das Spaltpolfeld aufteilt. Das Spaltpolfeld induziert in der Kurzschlusswicklung eine Spannung, wodurch der Kurzschlussstrom entsteht. Dieser Strom baut das Hilfsfeld auf. Dieses Hilfsfeld eilt dem Hauptfeld nach. Aus dem Hauptfeld und dem Hilfsfeld resultiert ein elliptisches Drehfeld. Der Käfigläufer wird vom Drehfeld mitgenommen. Die Drehbewegung ist immer vom Hauptpol Richtung Spaltpol. Um das Drehfeld runder zu gestalten, sind die Spaltpole zuweilen ihrerseits noch einmal geteilt, wobei mit einer zweiten Kurzschlusswindung eine zusätzliche Phasenverschiebung erzeugt wird. Die Drehrichtung eines Spaltpolmotors kann nur durch die Konstruktion geändert werden. Das auf diese Weise erzeugte Drehfeld ist zwar ausreichend, um den Läufer zu bewegen, es ist allerdings auch belastungsabhängig und führt zu einem gegenüber Drehstrommotoren geringeren Anlaufdrehmoment. Der Wirkungsgrad eines Spaltpolmotors ist gegenüber demjenigen eines gleichstarken Drehstrom-Asynchronmotors oder eines Kondensatormotors aufgrund der ohmschen Verluste in den Kurzschlusswindungen deutlich geringer. Diesen Nachteil vermeidet man bei einigen Motoren (z.B. in Kühlschrank-Kompressoren) dadurch, dass man die Kurzschlusswicklung nach Anlauf abschaltet. Spaltpolmotoren sind preiswerter als Drehstrom- oder Kondensatormotoren. Sie haben oft nur eine Statorwicklung, benötigen keinen teuren, evtl. unzuverlässigen Kondensator und sind daher robust und langlebig. 4. Stromwendermotor 4.1. Wechselstrom-Universalmotor Werden bei einem Gleichstrommotor das Ständer- und das Läuferfeld gleichzeitig umgepolt, so bleiben Drehrichtung und Drehmoment erhalten. Wenn die Stromrichtung also keinen Einfluss auf die Drehrichtung hat, so kann man diese Motoren auch mit Wechselstrom speisen. Allerdings müssen dann wegen der Wechselfelder nicht nur der Anker, sondern auch der Ständer aus isolierten Blechen geschichtet werden, um Wirbelströme zu vermeiden, während dieser bei einem Gleichstrommotor aus massiven Eisen bestehen können. Solche Motoren mit geblechtem Stator nennt man Universalmotoren. Es sind vom Prinzip her Reihenschlussmotoren, die meist fest mit einem Getriebe und einem Lüfter verbunden sind, um eine Selbstzerstörung durch überhöhte Drehzahl zu vermeiden. Die in Handwerkzeugen und Haushaltsgeräten verwendeten Universalmotoren sind für eine Netzspannung von 230 bei 50 Hz ausgelegt. Gebaut werden sie mit Leistungen bis zu ca. 3 kW. Durch den bei Wechselspannungsbetrieb auftretenden Blindstromanteil und die höhere induzierte Ankerspannung muss man Massnahmen vorsehen um bei Gleichspannungs- und Wechselspannungsbetrieb die gleiche Drehzahl im Nennpunkt zu erreichen. Diese Drehzahlstellung ist möglich durch verschiedene Maßnahmen: Gleichstromzusatzwicklung Wicklungsanzapfung Vorwiderstand Parallelwiderstand Barkhausenschaltung (Wiederstand als Potentiometer) Universalmotoren haben eine hohe Drehzahl (meist zwischen 20.000 und 30.000 U/min), weshalb sie sehr klein gebaut werden können. Durch entsprechende Getriebe werden die Drehzahlen dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst. Ihr Anlaufdrehmoment ist sehr hoch, die Drehzahl aber stark lastabhängig (Reihenschlusscharakteristik). Die Drehzahl lässt sich leicht mittels elektronischer Schaltungen (Phasenanschnittsteuerung) verstellen. Da Universalmotoren wie alle Gleichstrommotoren einen Kollektor und Kohlebürsten haben, die beim Laufen Funkstörungen erzeugen, müssen sie mit Entstörgliedern aus Kondensatoren und Induktivitäten bestückt werden; oft dient die Erregerwicklung selbst als Entstördrossel sie ist dann aufgeteilt beidseitig zum Anker in Serie geschaltet. Universalmotoren sind im Betrieb sehr laut und die Kohlen verschleissen schnell, weshalb man sie für oft und lange laufende Geräte wie z. B. Kühlgeräte nicht verwendet. (4.2. Gleichstrommotor) 5. Schrittmotor/Elektronikmotor Schrittmotor: Gleichstromwicklungen, die sich im Stator eines Motors befinden, können durch Gleichstromimpulse wechselnder Polarität angesteuert werden. Ändert sich die Stromrichtung in den einzelnen Wicklungen, werden sie umgepolt. Erfolgt die Umpolung nacheinander in einer Richtung, so entsteht ein Drehfeld, das seine Lage abhängig von der Impulsgeschwindigkeit schrittweise oder mit einer festliegenden, gleich bleibenden Drehgeschwindigkeit ändert. Der Läufer besitzt einen Permanentmagneten, welcher sich Erregerwicklung nach der Polarität des Ständerfeldes richtet. Unipolarbetrieb: jede Erregerwicklung besteht aus zwei Spulen. Bipolarbetrieb: jede Erregerwicklung besteht aus einer Spule. Drehsinnänderung durch die Änderung der Reihenfolge der Stromimpulse. Schrittmotoren werden meist mit elektronischen Steuerschaltern betrieben, weil mechanische Schalter einer grossen Abnutzung unterliegen bei den grossen Schaltenergien. Um sehr kleine Schritte des Läufers zu erzielen benötigt man einen vielpoligen Läufer. Elektronikmotor: Beim Elektronikmotor besteht die Ständerwicklung aus mindestens drei räumlich versetzten Spulen, die nacheinander an Gleichspannung gelegt werden. Dadurch springen bei jedem Schaltvorgang die Pole im Läufer weiter Drehfeld. Das Magnetfeld des Läufers wirkt sich auf die am Ständerblech angebrachten Fühler (Feldplatten) aus, welche dann mithilfe von Transistoren die drehfeldbildenden Ständerspulen ein- und ausschaltet. 6. Anlauf und Betrieb: 6.1 Motordaten Bemessungsleistung abgegeben Leistung (P2) Cos (Leistungsfaktor) Verhältnis Wirkleistung zu Scheinleistung (Wirkungsgrad) Faktor zwischen zugeführte und abgegebene Leistung 6.2 Überlastschutz Ab 0,5kW muss ein Motorschutz realisiert werden. Wenn ein Motor den 1,5fachen Nennstrom aufnimmt, muss eine Auslösung nach Minimum 1 Minute stattfinden. Direkter Motorschutz: Indirekter Motorschutz: 6.3 Betriebsarten Dauerbetrieb Kurzzeitbetrieb Aussetzbetrieb Ununterbrochener Betrieb 6.4 Drehzahlregulierung Kurzschlussläufermotoren Drehzahl ist abhängig von den Polpaaren und der Frequenz. Steuerung der Drehzahl durch Frequenzänderung: Eine stufenlose und verlustarme Frequenzsteuerung der Asynchronmotoren ist mit Frequenzumrichter mit automatischer Spannungsanpassung möglich. Drehfelddrehzahl verändert sich durch Frequenzänderung. Ist die Frequenz zu hoch für den Motor, wird er warm. Wird die Spannung nicht auch verändert, so steigt der Strom. Steuerung der Drehzahl durch Polumschaltung: basiert auf dem Prinzip der polumschaltbaren Dahlanderschaltung. Durch mehrere elektrisch voneinander getrennte Wicklungen lassen sich mehrere Nenndrehzahlen realisieren. Ist relativ teuer. Steuerung der Drehzahl durch Schlupfänderung: Der Schlupf kann verändert werden durch die angelegte Ständerspannung oder den Widerstand im Läuferkreis. Die Ständerspannung kann mit vorgeschalteten Stellwiderständen oder mit einem Stelltransformator vermindert werden. Dabei fliesst ein grösserer Läuferstrom, welcher schädlich ist und durch Wirkwiderstände unterbunden werden muss (wie beim Schleifringmotor). Heutzutage wird nur noch die Steuerung der Drehzahl durch Frequenzänderung angewendet. 6.5 Anlaufverfahren Kurzschlussläufermotoren Beginn des Anlaufens hohe Anzugsströme für Motoren mit hohen Leistungen (5,2kVA Scheinleistung) braucht Anlassverfahren, damit das Netz nicht gestört wird Ständeranlassverfahren (Läuferanlassverfahren auch mit Widerstände): Herabsetzen des Anzugsstromes durch verringern der Ständerspannung. Anlassen mit halber Bemessungsspannung nur ein Viertel des Anzugsmomentes (nur im Leerlauf oder mit abgesetzter Last!) Wirkwiderstände in Motorenzuleitung zur Herabsetzung des Anlaufstromes Wärmeverluste, auch mit Drosselspulen möglich verschlechtert Wirkleistungsfaktor im Netz KUSA-Schaltung: nur ein Wirkwiderstand in der Zuleitung, jedoch nur bei kleinen Motoren. Stern-Dreieck: Motoren die in der Dreieckschaltung laufen, laufen in Stern an, so wird ihre Strangspannung um den Faktor 3 verringert Strom in der Zuleitung sinkt um ein Drittel und auch die Motorenleistung. Anlauf nur im Leerlauf oder mit geringem Drehmoment. Wird am häufigsten verwendet. Anlasstransformatoren: Spartransformatoren setzen die Motorspannung herab und somit auch den Anlaufstrom, werden meist für Hochspannungsmotoren oder bei Motoren mit höherer Leistung verwendet. Elektronische Sanftanlaufgeräte: Anlaufschaltung mit z.B. Thyristoren in der Motorenzuleitung zur Herabsetzung der Spannung. Ist im Gegensatz zu Stern-Dreieck-Verfahren stufenlos. 6.6 Bremsbetriebe von Drehstromasynchronmotoren Verlustbremsung Mechanische Bremsung (Brems-Lüftmagnet) Gegenstrombremsung Gleichstrombremsung Nutzbremsung Generatorische Bremsung (übersynchrone Bremsung) Bremskraft durch Feder. Bremsung durch Drehfeldänderung, Abschaltung bei Stillstand, sonst umgekehrte Richtung. Ständerwicklung wird an kleiner Gleichspannung gesetzt. Das Magnetfeld wird gestört, der induzierte Läuferstrom bremst.