20 Elektrische Maschinen - ibn.chibn.ch/HomePageSchule/Schule/GIBZ/20_Elektrische_Maschinen/20... · EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 3 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5. September 2009

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK

5. September 2009 www.ibn.ch

Version 3

Kapitel 20

Elektrische Maschinen

Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe: September 2009

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 2 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN


Version 3

Inhaltsverzeichnis

20 ELEKTRISCHE MASCHINEN

20.1 Motor und Generatorprinzip

20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule

20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen

20.1.3 Anschluss von Motor und Generator

20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren

20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen

20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors

20.3.2 Nebenschluss

20.3.3 Reihenschluss

20.3.4 Doppelschluss

20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen

20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren

20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas

20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren

20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren

20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren

20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung

20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen

20.5.1 Entstehung der Drehfelddrehzahl 20.5.2 Entstehung des Drehfeldes am Motor 20.5.3 Synchron- und Asynchrondrehzahl am Motor 20.5.4 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie

20.5.5 Schädliche Einflüsse von Motoren

20.5.6 Einphasenwechselstrommotoren

20.5.7 Drehstromasynchronmotor 20.5.8 Schaltung der Drehstromständerwicklungen

20.5.9 Drehrichtung von Drehstrommotoren

20.5.10 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren

20.5.11 Bemessung Drehstrommotoren

20.6 Schutz von Drehstrommotoren

20.7 Schalten von Drehstrommotoren

20.8 Anlassverfahren von Drehstrommotoren

20.8.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.2 Anlassverfahren mit Drossel 20.8.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung

20.8.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen

20.8.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser 20.8.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo

20.8.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung



Version 3

20.9 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren

20.9.1 Berechnung der Synchrondrehzahl 20.9.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl 20.9.3 Schema einer Polumschaltung

20.9.4 Dalanderschaltung

20.10 Kraftwerke

20.10.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion

20.10.2 Funktionsweise eines Generators

20.10.3 Kernkraftwerk

20.10.4 Wasserkraftwerk

20.10.5 Windkraftwerk

20.10.6 Solarkraftwerk

20.10.7 Biomassekraftwerk

20.10.8 Geothermiekraftwerk

20.10.9 Gezeitenkraftwerk

20.10.10 Die Stromproduktion von morgen

20.10.11 Die Speicher der Zukunft



Version 3

20 Elektrische Maschinen

20.1 Motor und Generatorprinzip

20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule Ausschalten des Spulenstromes Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?

Einschalten des Spulenstromes Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?

Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein. Die Kraftrichtung im Kupferring ist einzuzeichnen.

Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein. Die Kraftrichtung im Kupferring ist einzuzeichnen.

Bewegung des Ringes Anziehung Bewegung des Ringes Abstossung

20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen Zeichnen Sie den Fedlinienverlauf (GRÜN) und die Drehrichtung der Leiterschleife ein.

N

S

Zeichnen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) und Stromrichtung der Leiterschleife für die vorgegebene Drehrichtung ein.

N

S

Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?

Motor

Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?

Generator

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 5 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 1 MOTOR- UND GENERATORPRINZIP


Version 3

20.1.3 Anschluss von Motor und Generator Motor Verbinden Sie die Spannungsquelle mit dem Rotor so, dass sich die Leiterschleife rechts dreht. Es sind vorher noch die Magnetpole des Stators festzulegen. Zeichnen Sie die Stromrichtung in der Leiterschleife ein. Bezeichnen Sie die Pole des Ständerfeldes.

Generator Tragen Sie die Drehrichtung der Leiterschleife ein, wenn der Generatorstrom in der eingezeichneten Richtung fliesst. Bezeichnen Sie vorher noch die Pole des Ständerfeldes.

Die verwendeten Regeln und resultierenden Formeln sind so genau wie notwendig aber so genau wie möglich aufzuschreiben!



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20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren

Motoren

Wechselstromotoren Gleichstrommotoren

Dreiphasen-Wechselstrom

Einphasen-

Wechselstrom

Syn

chro

nm

asch

ine

Asy

nch

ron

mas

chin

en (

Ku

rzsc

hlu

sslä

ufe

r)

S

chle

ifri

ng

läu

fer

Po

lum

sch

altb

are

Mo

tore

n

Lin

earm

oto

r

Un

iver

salm

asch

ine

Ko

nd

ensa

torm

oto

r

Sch

ritt

mo

tor

Rei

hen

sch

luss

mas

chin

e

Neb

ensc

hlu

ssm

asch

ine

Do

pp

elsc

hlu

ssm

oto

r

Ver

bu

nd

mas

chin

e

Co

mp

ou

nd

mo

tor

Fre

md

erre

gte

Mas

chin

e

Sch

eben

läu

fer

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 7 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN


Version 3

20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen

20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors Für die Bestellung von Ersatzteilen ist es wixhtig, deren genaue Bezeichnung anzugeben.



Version 3

20.3.2 Nebenschluss Nachfolgend sind die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.

Schaltungsart Nebenschluss (E)

Drehrichtung Rechts

Anwendung Regelungsaufgaben

A1

A2

M

=

Feld

Anker

IA

UA

Anschluss

M

n

Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie

UA=konst

M

IA

Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie

A1

Anschluss Klemmenbrett



Version 3

20.3.3 Reihenschluss Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.

Schaltungsart Reihenschluss (D)

Drehrichtung Rechts

Anwendung Traktionsaufgaben

Bemerkung Besitzt ein grosses

Anzugsmoment

A1

A2

M

=

Anker

Feld IA

Anschluss (Laststrom und Erregerstrom

sind gleich goss)

nU

M~

M

n


IA ~ M2

M

IA

Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie

A1


Beim Hauptschuss- oder Seriemotor sind die Hauptpole in Serie zum Ankerkreis geschaltet, demnach ist das Magnetfeld vom Belastungsstrom abhängig.



Version 3

20.3.4 Doppelschluss Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.

Schaltungsart Doppelschluss (E,D)

Drehrichtung Rechts

Anwendung Nur bei gesteuerten

Antrieben

Bemerkung Beeinflussung der

lastabhängigen

Drehzahländerung

A1

A2

M

=

-

-

+

Anker

+

Wendepole

IA FeldKompund

Anschluss (Mitkompoundschaltung)

M

Doppelschluss

Nebenschlussn


Durch die Kompoundschaltung verliert die Momentenkenlinie ihre proportionalität zum

Laststrom

A1




Version 3

20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen

Beschreibung

Kennbuchstaben Bemerkung

Anker, Ankerwicklung A1 – A2 Anker

Wendepolwicklung B1 - B2 einteilig

Kompensationswicklung (Compound) C1 – C2 einteilig

Reihenschlusswicklung D1 – D2 Hauptschlusserregerwicklung

Nebenschlusswicklung (Selbsterregung) E1 – E2 Nebenschlusseregerwicklung

Fremderregter Motor F1 – F2 einteilig Erregerwicklung

Hilfswicklung H1 – H2 in der Längsachse

Hilfswicklung J1 – J2 in der Querachse



Version 3

20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren Das Problem des hohen Anlaufstromes von Gleichstrommotoren und deren Drehzahlsteuerung wird durch den Einsatz eines Anlassers bzw. Feldanlassers gelöst. Anlasser Feldstellanlasser

Der Unterschied und die Gemeinsamkeiten sind nachfolgend dargestellt.

Beschreibung der Verwendung Anlasser Feldstellanlasser

Reihenschlussmotor Ja Ja

Nebenschlussmotor Ja Ja

Doppelschlussmotor Ja Ja

Fremderregter Motor Ja Ja

Geeignet zum Anlassen Ja Ja

Geeignet zur Dehzahlsteuerung Ja Ja

Drehzahlsteuerung über der Nenndrehzahl Nein Ja

Drehzahlsteuerung unter der Nenndrehzahl Ja Ja

Betriebsdauer Kurzfristig Dauernd



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20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas

Nebenschluss ohne Wendepole

A1

A2

M

=

+ -

Nebenschluss ohne Wendepole

A1

A2

M

=

+ -

A1

Linkslauf

A1

Rechtslauf

Nebenschluss mit Wendepole

A1

A2

M

=

+ -

Nebenschluss mit Wendepole

A1

A2

M

=

+ -

A1

Linkslauf

A1

Rechts

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 14 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN


Version 3

Reihenschluss

ohne Wendepole

A1

A2

M

=

+-

Reihenschluss ohne Wendepole

A1

A2

M

=

+-

A1

Linkslauf

A1

Rechtslauf

Reihenschluss mit Wendepole

A1

A2

M

=

+-

Reihenschluss mit Wendepole

A1

A2

M

=

+-

A1

Linkslauf

A1

Rechts



Version 3

Doppelschluss

ohne Wendepole mit Drehzahlregelung

A1

A2

M

=

+ -

Doppelschluss ohne Wendepole

mit Anlaufstrombegrenzung

A1

A2

M

=

+ -

A1

Linkslauf

A1

Rechtslauf

Doppelschluss mit Wendepole, Drehzahlregelung und

Anlaufstrombegrenzung

A1

A2

M

=

+ -

Doppelschluss mit Wendepole

und Drehzahlregelung

A1

A2

M

=

+ -

A1

Linkslauf

A1

Rechts



Version 3

20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren



Version 3

20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren

Motorenart

Drehzahlkennlinie

Drehmoment Anlaufstrom Anwendung Begründung

Reihenschlussmotor (Seriemotor)

Grosses Anlaufmoment

fi

ARR

UI

+=

Widerstände in Serie

Elektro-Fahrzeuge Akkuschrauber

Hohes Anlaufdrehmoment, einfache Drehzahlsteuerung

Nebenschlussmotor

Relativ konstant

fi

AR

U

R

UI +=

Widerstände parallel

Werkzeug- Maschinen

Fremderregter Motor, Drehzahl relativ konstant bei vollem Drehmoment

i

AR

UI =

Seilbahn, Kran Geringe Drezahländerung

bei Laständerung, Drehzahlsteuerung über Erregerfeldstrom oder

Ankerspannung

M

Doppelschluss

Nebenschlussn

Doppelschlussmotor

Zwischen Reihen- und Nebenschlussmotor

fsfsi

AR

U

RR

UI +

+=

Stanzen, Walzwerk- Maschinen

Wird fast nicht

mehr eingesetzt!



Version 3

20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren Zusammenfassung Es wird die Anlaßzeit und die erforderliche Wärmekapazität des Anlaßwiderstandes für Nebenschluß- und Hauptschlußmotoren berechnet. Bei den letzteren wird Proportionalität zwischen Kraftfluß und Strom vorausgesetzt, um den Unterschied gegen den Nebenschlußmotor deutlicher zu machen. Die Untersuchungen werden für Stufenanlasser durchgeführt und durch Grenzübergang die entsprechenden Größen für stetiges Anlassen bestimmt. In Zahlenbeispielen wird der Unterschied im Verhalten der beiden Motoren gezeigt und die Größenordnung der Anlaßzeit und der Kapazität berechnet. Für die letztere wird außerdem ein Vergleich der abgeleiteten Formel mit der sonst üblichen gezogen. Ferner werden die beim Anlassen auftretenden Energiemengen graphisch dargestellt, berechnet und miteinander verglichen. Schließlich wird der Anlaßwirkungsgrad abgeleitet und für verschiedene Fälle zahlenmäßig berechnet.

Reihenschlussmotor

(interne Verschaltung)



Version 3

20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung Bemerkungen Die Ward-Leonard Schaltung ermöglicht eine feinstufige und verlustarme Drehzahlregulierung für Gleichstrom-Motoren mit hohem Drehmoment. Vorteile Die Drehzahl und die Leistung können feinstufig im Bereich von 1:20 bie 1:100 reguliert werden. Keine Anlasswiderstände sind notwendig. Somit wird auch keine Energie unnötig vernichtet. Der Erregerstrom, mit dem die Maschinen reguliert werden, beträgt lediglich ca. 2 - 5% des Wirkleistungs-Stromes. Im Weiteren ist die Möglichkeit der Nutzbremsung zu ewähnen. Nachteil Zum Betreiben des GL-Motors, muss Gleichstromenergie aufgebaut werden, entweder mittels eines rotierenden oder eines statischen Umformers. Anwendung Antriebe von Seilbahnen, Aufzügen, Papiermaschinen, in Walzwerken und Kranen.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 20 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN


Version 3

20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen

20.5.1 Entstehung der Drehfelddrehzahl Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl lautet wir folgt: Wenn sich in einem Stator mit Drehstromwicklung ein Magnetfeld dreht, wird in dieser Wicklung ein Drehstrom erzeugt. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl, damit die geforderte Netzfrequenz entsteht, lautet wir folgt:

p

fnN

60⋅=

Nn Notwendige Drehzahl Generator,

Drehfeld- bzw. Netzdrehzahl ][min1−

p Polpaarzahl ][−

Einige der derzeit größten Synchrongeneratoren im Brasilianischen Kraftwerk Itaipu besitzt eine Nennleistung von 700 MW und ist so groß (d = 16m), dass in seinem Stator ein Orchester Platz findet.

20.5.2 Entstehung des Drehfeldes am Motor Die nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen aufbau des Ständers (Stator) eines Drehstrommotors und das Liniendiagramm der Motorströme.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 21 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN 6 EINPHASENWECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

20.5.3 Synchron- und Asynchrondrehzahl am Motor

Synchrondrehzahl Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld. Besteht der Rotor aus einem Dauermagneten oder aus Elektromagneten läuft der Rotor mit synchroner Drehzahl zur Netzdrehzahl.

p

fn

601

⋅=

Asynchrondrehzahl Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschlussläufern und werden überwiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl ist oben berechnet worden. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt berechnet:

−=

%

snn %

10011

Snnn +=1

Sn Schlupfdrehzahl ][min1−



Version 3

Aufgabe Berechnen Sie den Schlupf und die Schlupfdrehzahl aus dem abgebildeten Klemmenbrett! Typ

3 ~ Mot Nr. 1981

��380 V 2 A 1 kW cosϕ 0,85

1450 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t



Version 3

20.5.4 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie

%M

aM

kM%M

aM

kM

1n

300

200

100c

dM

bM

b

a

100%50%

nMM

Die Kennlinie )n(fM = ist vom Motortyp und von der Ausführung des Rotors abhängig.

gM Gegenmoment der Maschine ]Nm[

a Erforderliches Antriebsmoment einer unbelastet anlaufenden Drehmaschine

b Erforderliches Antriebsmoment eines anlaufenden Kompressors

bM Beschleunigungsmoment ]Nm[

dM Durchzug- oder Sattelmoment ]Nm[

kM Höchstdrehmoment oder Kippsmoment ]Nm[

aM Anzugsmoment ]Nm[

%M Drehmoment in % des Nenndrehmoments ]Nm[

1n Drehfelddrehzahl bzw,

Leerlaufdrehzahl min]/[1 n Betriebsdrehzahl min]/[1

20.5.4.1 Nutenbild des Doppelkäfigankers

Unterschiedliche Nutenformen im Vergleich

20.5.4.2 Drehmomentkennlinie von verschiedenen Käfigankerausführungen

1n1n

nM Nenndrehmoment ]Nm[



Version 3

20.5.4.3 Drehmomentverlauf und Stromverlauf eines Käfigankermotors Unterschiedliche Materialien im vergleich

20.5.5 Schädliche Einflüsse von Motoren Alle elektrischen Betriebsmittel müssen so ausgewählt werden, dass sie keine nachteiligen Einflüsse auf andere Betriebsmittel verursachen oder die Stromversorgung in normalem Betrieb, einschliesslich Schaltvorgänge, beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang sind Kenngrössen, die einen Einfluss haben können: • Leistungsfaktor; • Einschalt- oder Anlaufstrom; • unsymmetrische Last; • Oberschwingungen und • transiente Überspannungen, die durch Betriebsmittel in der Anlage erzeugt

werden.

NIN 1.3.3.4.1



Version 3

20.5.6 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.6.1 Universalmotor Der Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors, dessen Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er auf Grund der hohen Drehzahlen einen kleinen Bauraum benötigt und ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt. Seine Drehzahl und Leistung kann über Phasenanschnitt verstellt werden. Diese Motoren werden heute mit Leistungen bis 2300 W produziert.

Um Asynchronmotoren an einphasigen Wechselstrom selbstständig anlaufen zu lassen, benötigen sie ein selbsterzeugtes Drehfeld (zum Hauptfeld phasenverschobenes Feld). Dies geschieht durch einen Kondensator oder eine Kurzschlusswicklung (Spaltpolmotor). In beiden Fällen können die Hilfsphasen nach dem Anlauf abschaltbar sein (von Hand, mit einem Zeitrelais, mit einem Magnetschalter mit einem Bimetallschalter oder mit einem Fliehkraftschalter der an der Belüftungsseite des Motors auf der Welle befestigt ist und bei Nenndrehzahl den Anlaufkondensator ausschaltet.



Version 3

20.5.6.2 Kondensatormotor Der Kondensatormotor ist ein Elektromotor und zählt zu den Asynchronmotoren. Wie diese besitzt er 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. Beim Kondensatormotor wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und eine Hilfswicklung über einen Kondensator in Reihe ans Netz geschaltet. Es entsteht ein elliptisches Drehfeld, das zwar zum Anlaufen des Motors ausreicht, die Laufruhe aber beeinträchtigt. Für höhere Anlaufmomente werden Anlaufkondensatoren (oft unipolare Elektrolytkondensatoren) verwendet, die bei Nenndrehzahl zum Beispiel durch einen Fliehkraft- oder Magnetschalter wieder vom Stromkreis getrennt werden müssen.



Version 3

20.5.6.3 Steinmetzschaltung Die Steinmetzschaltung, benannt nach Charles P. Steinmetz, ist eine elektrische Schaltung, mit der Drehstrom-Asynchronmotoren für den Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz angepasst werden können. Die Schaltung wird nur bei kleineren Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer bis 2 kW angewendet. Auch Drehstromasynchronmaschinen können am einphasigen Netz betrieben werden, wenn sie mit Kondensatoren beschaltet werden (siehe Steinmetzschaltung).

kW

FPC

µ70⋅≈

Dreieckschaltung

Sternschaltung

Halbsternschaltung

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 28 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 7 DREHSTROMWECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

20.5.7 Drehstromasynchronmotor

Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer Einphasen-Käfigankermotor mit eingebautem Zentrifugalschalter, aufgebautem Kondensator und aussenventiliert.

Schleifringläufer Drehstrommotor

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 29 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 7 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR


Version 3

20.5.7.1 Explosionszeichnung eines Drehstromasynchronmotors



Version 3

20.5.7.2 Aufbau des Läufers

Welle

Blechpakete

Stäbe

Kurzschlussringe

Zahnradübersetzung

Klemmenbrett

Lüftung

Lagerung

1

42 3

5

8

6

7

7

Der Läufer besteht aus der Welle, dem Blechpaket, den Stäben in den Nuten des Blechpaketes und den Kurzschlussringen.



Version 3

20.5.7.3 Käfigaufbau Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Woher kommt die Bezeichnung Käfigläufer oder Kurzschlussläufer?

- vom Aussehen der Läufer (Käfig)

- die Leiterstäbe sind kurzgeschlossen 2. Warum sind die Läuferstäbe schräg gestellt?

Damit das Drehmoment von der Läuferstellung unabhängig ist

3. Begründen Sie, warum der Käfigläufer als besonders verschleissarm gilt.

Er hat keine elektrische Verschleissteile wie Bürsten, Bürsten-

Halterung und Verbindungselemente.

Bild eines Käfigläufers

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 32 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 8 SCHALTUNGEN dREHSTROMSTÄNDERWICKLUNGEN


Version 3

20.5.8 Schaltung der Drehstromständerwicklungen

20.5.8.1 Sternschaltung

L1 L2 L3

U2

V1 W1U1

V2W2

Drehstrommotoren werden an die aussenleiter L1,L2,L3 angeschlossen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wicklungsstränge miteinander zu verbinden. • Die Dreieckschaltung • Die sternschaltung

20.5.8.2 Dreieckschaltung

L1 L2 L3

U2

V1 W1U1

V2W2

Merke Die Betriebsschaltung eines Drehstrommotors kann die Stern- oder Dreieckschaltung sein, bei Stern-Dreieck-Anlauf muss es die Betriebsspannung die Dreieckschaltung sein. Die Betriebsspannung eines Drehstrommotors ist die Aussenleiterspannung des Netzes.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 33 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 3 SCHALTUNG DER DREHSTROMSTÄNDERWICKLUNGEN


Version 3

20.5.8.3 Betriebsschaltung von Drehstrommotoren Die Betriebsschaltung ist auf dem Leistungsschild des Motors angegeben.

Typ

3 ~ Mot Nr. 1981

��380 V 2 A 1 kW cosϕ 0,85


20.5.8.4 Gebräuchliche Betriebsschaltungen

Wicklungsausführung Maximale Nennspannung der Wicklung

[V]

Mit Käfigläufer

bei 50 Hz

für direktes Einschalten ohne Schleifringläufer

für Y/� Anlauf

geeignet?

220 � 380 Y

220 � 220 � 380 Y

nein

230 � 400 Y

230 � 230 � 400 Y

nein

380 Y 380 �

380 � 690 Y 380 �

ja

400 Y 400 �

400 � 690 Y 400 �

ja

500 Y 500 �

500 � 866 Y 500 �

ja

380/660 Y 380 � 380 � 660 Y

ja

400 �/690 Y 400 � 400 � 690 Y

ja

660 Y 660 �

660 � 660 Y 660 �

ja

690 Y 690 �

690 � 690 Y 690 �

ja

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 34 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 9 DREHRICHTUNG DREHSTROMMOTOREN


Version 3

20.5.9 Drehrichtung von Drehstrommotoren

Sternschaltung Nr. 1

Der Drehstrommotoren soll für beide Drehrichtungen in Sternschaltung angeschlossen werden.

V1U1 W1

W2 U2 V2

L1

Aufgabe Zeichnen Sie die notwendigen Brücken in die zwei dargestellten Motorklemmenbretter ein. Vervollständigen Sie die Leiterbezeichnungen, bei Nr. 1 für Linksdrehung und bei Zweiten Klemmenbrett für Rechtsdrehung.

Sternschaltung Nr. 2

V1U1 W1

W2 U2 V2

L1

Drehfeldanzeiger

Mit dem abgebildeten Messgerät lässt sich die Phasenfolge der Aussenleiter schnell und einfach feststellen.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 35 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 10 SPANNUNGSUMSCHALTBARE MOTOREN


Version 3

20.5.10 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren Drehstrommotoren, die in Netzen mit verschiedenen Spannungen (z.B. 220 V, 380 V, 440 V) und mit konstanter Leistung betrieben werden können, haben unterteilte Wicklungsstränge. Die beiden Stranghälften können wahlweise in Reihe (Serie) oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden. In den nachfolgenden Schaltungen sind die Verbindungen in den Klemmenbrettern zu ergänzen und die Schaltungen sind zu bezeichnen.

Wicklung Nenn-

spannung Motorenklemmenbrett

Schaltungs-bezeichnung

U5

U2

U1

U6

V1V2

V5V6

W1

W2

W5

W6

230 V

V1U2

U1

V2 W1

W2

W5

W6U5

U6V5

V6

Dreieck

U1

U2

U5

U6

V1

V2

V5

V6

W1

W2W5

W6

400 V

V1U2

U1

V2 W1

W2

W5

W6U5

U6V5

V6

Stern

U1

U2

U5

U6

V1

V2V5

V6

W1

W2W5

W6

690V

V1U2

U1

V2 W1

W2

W5

W6U5

U6V5

V6

Stern

U1

U2

U5

U6

V1V2V5V6

W1

W2

W5

W6

400 V

V1U2

U1

V2 W1

W2

W5

W6U5

U6V5

V6

Dreieck

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 36 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 11 BEMESSUNG DREHSTROMMOTOREN


Version 3

20.5.11 Bemessung Drehstrommotoren Der Motorschutzschalter muss auf den Nennstrom (thermischen Auslösestrom) des zu schützenden Motores eingestellt werden. Für die Bestimmung des Motor-Nennstromes (IN) können folgende Berechnungsgrundlagen verwendet werden.

Beispiel Beschreibung Technische Daten

Berechnungs-Grundlage

Ventilator

Einphasiger Asynchronmotor Faustformel I P

N= ⋅6 2 2,

P kW2 12= ,

η = o,84 cos ,ϕ = o 83 U x V= 1 230

IP

UN=

⋅ ⋅

2

η ϕcos

IN

=⋅ ⋅

=1200

230 0 84 0 83, ,I AN

= 7 48,

Pumpe

Dreiphasiger Asynchronmotor

P kW2 4 0= ,

η = o,87 cos ,ϕ = o 82 U x V= 3 400

IP

UN

=⋅ ⋅ ⋅

2

3 η ϕcos

IN

=⋅ ⋅ ⋅

=4000

3 400 0 87 0 82, ,I AN

= 8 09,

Kompressor

Dreiphasiger Asynchronmotor Der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad sind unbekannt

P kW2 4 0= ,

U x V= 3 400 Faustformel I PN

= ⋅2 2

I AN

= ⋅ =2 4 8

Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des Ständers (oder "Stators") in einen entsprechend geformten Eisenkern gebettet werden. Die Permeabilität des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und Drehmomente. Für die praktische Ausführung werden die Eisenkern-Querschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Dies geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen. Die Wicklungs-Nuten im Rotor-Eisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.

Dreiphasen

Asynchron-Motor

Typ

3 ~ Nr. 1961

Y400 V 12,9 A 5,5 kW cosϕ 0,75


Leistungsschild

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 37 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 6 SCHUTZ VON WECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

20.6 Schutz von Drehstrommotoren Motorschutzschalter werden vor allem für dreiphasige Drehstrommotoren hergestellt. Bei dieser Ausführung des Motorschutzes erfolgt eine ODER-verknüpfte Auslösung durch Überwachung der Ströme in den drei Zuleitungen (stromabhängige Schutzeinrichtung). Die Überwachung kann thermisch-mechanisch (Bimetall), thermisch-elektronisch (PTC) oder elektronisch (Strommessung) realisiert sein. Drehstrommotoren sollten nur über geeignete Motorschutzschalter oder Motorschutzrelais an das Stromnetz angeschlossen werden, um Schäden • durch Überlast oder • Ausfall eines Außenleiters zu vermeiden. Eingestellt wird diese Art von Motorschutz in der Regel immer nach dem Motorbemessungsstrom IN. Das Wiedereinschalten nach erfolgter Auslösung kann entweder automatisch oder durch Drücken einer Entsperrtaste manuell erfolgen. Typ

3 ~ Nr. 1961

Y400 V 18,5 A 8,5 kW cosϕ 0,82


Symbol

Motorschutzschalter

Motorschutzschalter

Für die Vorsicherung von Motorschutzschaltern sind die Angaben des Herstellers massgebend. Liegen keine Angaben vor, so können die folgenden Faustformeln verwendet werden.

Direktanlauf Y-∆∆∆∆-Anlauf

IFlink ≈≈≈≈3xIN IFlink ≈≈≈≈2xIN

ITräg ≈≈≈≈2xIN ITräg ≈≈≈≈1,5xIN Motoren (Asynchron mit Käfiganker) nehmen bei Direktanlauf etwa einen 5 bis 10 mal

grösseren Strom auf als im Betrieb.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 38 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 6 SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN


Version 3

Die Vorsicherung muss deshalb grösser gewählt werden als der Motorennennstrom. Typ

3 ~ Nr. 1961

400 V 9,2 A 4,6 kW cosϕ 0,82


Nennstrom I2 =

I2 = 9,2 A

Direktanlauf I1 = 2xI2

I1 = 18,4 A (20 A)

A1 = 2,5 mm2

A2 = 1,5 mm2 Die Querschnitte sind nach NIN 5.2.3.1 zu bestimmen.

25 I1

I2

F1

Motorschutz-schalter

12,5 A 9 A

11 A

3-Phasen Wechselstrom-Motor

Direktanlauf 4,6kW

880,=η

A1

A2

F2

3 M1

Ursachen für die Überlastung:

1. Hohe Umgebungstemperatur

2. Motor überlastet, Motor blockiert

3. Lager defekt

4. Defekt einer Sicherung bei Drehstrommotoren

kann zur Überlastung der noch wirksamen

Wicklungen führen

5. Lange Anlaufzeit oder Bremsung

Isolationsklassen der Wicklungen

Isolations-

klasse

max. Motor-

temperatur

max. Umgebungs

- temperatur

Y 90°C 40°C

A 105°C 40°C

E 120°C 40°C

B 130°C 40°C

F 155°C 40°C

H 180°C 60°C

C >180°C 60°C

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 39 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 6 SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN


Version 3

Für den Schutz gegen zu hohe Wicklungstemperaturen eines Motors sind Überlast-Schutzeinrichtungen, welche die Wicklungstemperatur direkt erfassen, besonders gut geeignet. Es sind dies Kalt- oder Heissleiter oder Bimetallschalter, welche in die Motorwicklungen integriert sind. Diese Vorrichtungen schützen den Motor nicht nur bei mechanischer Überlastung, sondern auch bei zu hohen Umgebungstemperaturen, ungenügender Ventilation usw. Bei bestimmten Motoren z. B. bei Kollektormotoren mit Bürstenregulierung, bei Motoren mit langer Anlaufzeit, bei Motoren, die in kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet werden, ist die in die Wicklungen integrierte Überlast-Schutzeinrichtung die einzige Möglichkeit des Motorschutzes. Motoren, bei denen eine mechanische Überlastung eine mehr oder weniger proportionale Erhöhung des Stromes in den Zuleitungen zum Motor zur Folge hat, können durch dem Motor vorgeschaltete Überlast-Schutzeinrichtungen geschützt werden. Diese müssen so beschaffen sein, dass sie einen Überstrom vom 1,2-fachen ihres Bemessungsauslösestroms innerhalb einer Stunde abschalten. Motorschutzschalter und Schütze in Kombination mit einer Überlast-Schutzeinrichtung entsprechen dieser Forderung. Der eingestellte Bemessungsauslösestrom der Überlast-Schutzeinrichtung darf nicht grösser sein als der Bemessungsstrom des zu schützenden Motors. Als blockierfest gilt ein Motor dann, wenn er sich bei blockiertem Rotor nicht gefährlich erwärmt und der in diesem Zustand aufgenommene Strom auch nicht zu einer Überlastung der Leiter in der Zuleitung führt. Für blockierfeste Motoren sind keine besonderen Massnahmen gegen Überlastung gefordert. Es ist aber zu beachten, dass der Bemessungsstrom der vorgeschalteten Überstrom-Schutzeinrichtung, die auf dem Motor angegeben ist, eingehalten wird. Angabe auf dem Motor Fig. 4.3.3.3.1.2.3

max. _____ A

NIN 4.3.3.3.3

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 40 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 7 SCHALTEN VON DREHSTROMMOTOREN


Version 3

20.7 Schalten von Drehstrommotoren

Motorschutzschalter mit Einstellbereich 1,25 – 4 A

AC 1 Lastschalter, nicht induktive

Belastungen, Widerstandsöfen

AC 2 Schleifringläufermotoren mit begrenzten Anlaufstrom, YD- Anlauf (kleinere und mittlere

Motorleistungen) AC 3

Direkte Einschaltungen von Kurzschlussläufermotoren, YD-

Anlauf (grössere Motorleistungen)

AC 4 Extremlast, Tippen, Reversieren,

Gegenstrombremsen von Kurzschlussläufern

AC5 AC-5a Schalten von

Gasentladungslampen. AC-5b Schalten von Glühlampen.

AC6 AC-6a Schalten von

Transformatoren. AC-6b Schalten von

Kondensatorbatterien. AC7

AC-7a Schwach induktive Lasten von Haushaltsgeräten und ähnliche

Anwendungen. AC-7b Motoren von Haushaltsgeräten.

AC8 AC-8a Schalten von hermetisch

gekapselten Kühlkompressormotoren mit manueller Rücksetzung der

Überlastauslöser. AC-8b Schalten von hermetisch

gekapselten Kühlkompressormotoren mit

automatischer Rücksetzung der Überlastauslöser.

AC11

Elektromagnete z.B. für Spannzeuge oder Hubmagnete

AC12 Steuerung von ohmschen Lasten

und induktiven Lasten bei Trennung durch Optokoppler.

AC13 Steuerung von Halbleiter-Lasten

bei Trennung durch Transformatoren.

AC14 Steuerung von kleinen

elektromagnetischen Lasten (< 72 VA).

AC15 Steuerung von

elektromagnetischen Lasten (> 72 VA).

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 41 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 7 SCHALTEN VON WECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

Auswahlkriterien für schaltende Betriebsmittel: - Nennstrom der Hauptkontakte - eventuelle Einschaltströme - Anzug- und Halteleistung - Anzahl und Art der

Hilfskontakte - geforderte Lebensdauer - Steuerspannung - Frequenz

Das Schütz

Zum Schutz der Leiter, vor der Kurzschlussenergie, müssen Leitungsschutzschalter der Strombegrenzungsklasse 3 eingesetzt werden. 1 Lichtbogenlöschung nach 10 ms 2 Lichtbogen wird vor dem Nulldurchgang

gelöscht 3 Schnelle Löschung des Lichtbogens vor

dem Nulldurchgang

Der Leitungsschutzschalter

1. Schraubkopf aus Porzellan (KII)

2. Sicherungssockel

3. Passschraube

4. Gewindering

5. Fusskontakt

6. Anschlussklemme

7. Abgangsklemme

8. Schmelzsicherung

9. Fenster

10. Gehäuse aus Aminoplast

Die Schmelzsicherung DII

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 42 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN 1 STERN-DREIECK-ANLAUF


Version 3

20.8 Anlassverfahren von Drehstrommotoren 20.8.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.1.1 Klemmenbrett Nachfolgend sollen anhand der Motorklemmenbretter bzw. der der Leistungsschilder die Motoren beurteilt werden, ob diese für Stern-Dreieck-Anlauf geeignet seien. Typ

3 ~ Nr. 1961

Y400 V 12,9 A 5,5 kW cosϕ 0,75


Stern-Dreieck-Anlauf möglich?

Nein! Begründung:

Der Motor ist nicht für Dreieckspannung 400V ausgelegt.

Typ

3 ~ Nr. 1959

��400 V 18,9 A 7,5 kW cosϕ 0,77

969 U/min 50 Hz Isol-Kl. H IP 44 t


Ja! Begründung:

Der dreiphasige Motor ist für Dreieckspannung 400V ausgelegt.

Typ Fremderregter Motor

- Nr. 1981

230 V 29 A 5,5 kW cosϕ -

3200 U/min - Hz Err. 400 V 1,0 A

Isol-Kl. F IP 44 t


Nein! Begründung:

Der Gleichstrommotor ist nicht für Y/��-Anlauf vorgesehen.

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.



Version 3

20.8.1.2 Ungünstiger Stern-Dreieck-Anlauf Das nebenstehende Diagramm zeigt einen Fall, für den der Stern-Dreieck-Anlauf unzweckmässig ist.

1. Begründen Sie genau, warum der Stern-

Dreieck-Anlauf hier ungünstig ist.

Die Drehmomentkennlinie des

Motors schneidet die Last-

kennlinie; hier muss spätestens

ins �� umgeschaltet werden,

da der Motor sonst im Y über-

Lastet wird. Durch die Umschal-

tung erhöht sich aber der Motor-

strom von 100% (IN) auf 300% (3·IN)

und daher ist der Y/��-Anlauf

ungünstig. 2. Wie lautet Ihr Lösungsvorschlag?

Motor mit grösserem MY ver-

wenden.

Das Motordrehmoment sollte in

jedem Augenblick das 1,2-fache

des Lastmomentes sein.

MM > 1,2·ML r



Version 3

20.8.1.3 Steuerung bei Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.1.3.1 Hauptstromkreis

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 45 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN 1 STERN-DREIECK-ANLAUF 3 STEUERUNG BEI STERN-DREIECK-ANLAUF


Version 3

20.8.1.3.2 Steuerstromkreis

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 46 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN


Version 3

20.8.2 Anlassverfahren mit Drossel Neben dem Stern-Dreieck-Anlaufverfahren gibt es noch weitere Anlassverfahren für Drehstrommotoren. Diese Verfahren sind nachfolgend dargestellt.

Leistung Bis zu einer Leistung von

15 kW anwendbar.

Vorteile Anlaufstrombegrenzung

Nachteile Relativ teuer

Anwendung Maschinen mit geringem

Anzugsdrehmoment

Schaltung

3M

Beschreibung Nach dem Hochlauf wird die Spule überbrückt.



Version 3

20.8.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung

Leistung Bis zu einer Leistung von ca.

2,2 kW anwendbar.

Vorteile Verringertes Drehmoment

Nachteile Stromanstieg in den Phasen

L1 und L3

Anwendung Textilmaschinen

Schaltung

3M

Beschreibung



Version 3

20.8.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen


15 kW anwendbar.

Vorteile Geringener Aufwand

Nachteile Starke Widerstandserwärmung

Anwendung Maschinen mit kleinem

Anzugsdrehmoment

Schaltung

3M

Beschreibung Beim Anlassen sind die drei Widerstände in Serie geschaltet.

Nach dem Hochlauf werden die Widerstände kurz geschlossen.



Version 3

20.8.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser


15 kW anwendbar.

Vorteile Kleiner Anlaufstrom, grosses

Anlaufdehmoment

Nachteile

Anwendung Grosse Antriebsmotoren

Schaltung

3M

K L M

Beschreibung Die Widerstände reduzieren im Hochlauf den Zuleitungsstrom.

Das Drehmoment ist dabei nicht reduziert. Die Drehzahl kann

dabei auch noch beeinflusst werden.



Version 3

20.8.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo


15 kW anwendbar.

Vorteile Anlaufstrom (IA), Anlaufdreh-

moment (MA), steuerbar über

die Spannung (U)

Nachteile Aufwendig und teuer

Anwendung Hochspannungsmororen

z.B. 10 kV

Schaltung

3M

Beschreibung Verkleinerung der Motorspannung und damit Beeinflussung

des Zuleitungsstromes.



Version 3

20.8.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher (in der Regel ein Asynchronmotor) betrieben.

Diese elektronischen Geräte begrenzen den Anlaufstrom im unbelasteten oder belasteten Hochlauf auf den 2,5 bis 4,5 fachen Nennstrom.

Mit einem Frequenzumrichter kann die Statorspannung und Frequenz des Asynchronmotors stufenlos verändert werden. Dadurch wird aus dem Standardmotor ein drehzahlveränderliches Antriebssystem. Mit einem Rotorlagegeber, dem Errechnen der Magnetisierung und dem Einprägen der entsprechenden Statorströme (Vektorregelung) hat ein Asynchronmotor die Eigenschaften eines Servoantriebes.

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 52 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

20.9 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren

20.9.1 Berechnung der Synchrondrehzahl Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld. Besteht der Rotor aus einem Dauermagneten oder aus Elektromagneten läuft der Rotor mit synchroner Drehzahl zur Netz-drehzahl. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl lautet wir folgt:

p

fn

601

⋅=

20.9.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl Asynchronmotoren werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie ständig mit derselben Drehzahl laufen können. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl wurde schon berechnet. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt berechnet:

%M

aM

kM%M

aM

kM

n

300

200

100c

dM

bM

b

a

100%50%

nMM

Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschluss-läufern und werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt dargestellt:

−=

%

snn %

10011

n Nenndrehzahl ][min1−

1n Synchrondrehzahl ][min1−

%s Schlupf [%]

Sn Schlupfdrehzahl ][min1−

nnnS −= 1

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 53 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN


Version 3

20.9.3 Schema einer Polumschaltung Nachfolgen ist ein Schema für die Polumschaltung zu ergänzen:

PE

L1 L2 L3 N

0 III

L1

L2

L3

PE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Q1

X1

U1

PE

U1

U2

V1 W1

V1

V2

W1

W2

U5 V5 W5

U5

U6

V5

V6

W5

W6

M1

8P 2P

F1

EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 54 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 3 SCHEMA DER POLUMSCHALTUNG


Version 3

Beantworten Sie die Fragen zum Schema der Vorderseite. 1. In welcher Schalterstellung ist die niedrige Drehzahl eingeschaltet?

Schalterstellung „I“ 2. Wie gross ist in diesem Fall die Drehzahl?

n=750 U/min 3. In welcher Schalterstellung ist die hohe Drehzahl eingeschaltet?

Schalterstellung „II“ 4. Wie gross ist diese Drehzahl?

n=3000 U/min

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 55 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 4 DALANDERSCHALTUNG


Version 3

20.9.4 Dalanderschaltung

20.9.4.1 Klemmenbrett der Dalanderschaltung

1U

2U1V

2V

1W

2W

Schaltung für die niedrige Drehzahl

1UL1

L2

L3

1V

1W

2U

2V

2W

Motor-klemmenbrett

1U

2U

1V

2V

1W

2W

Schaltung für die hohe Drehzahl

1UL1

L2

L3

1V

1W

2U

2V

2W

Motor-klemmenbrett



Version 3

20.9.4.2 Hauptstromkreis der Dalanderschaltung



Version 3

20.9.4.3 Steuerstromkreis der Dalanderschaltung

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 58 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 10 KRAFTWERKE


Version 3

20.10 Kraftwerke

20.10.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion

Es ist Aufgabe des Bundesamtes für Energie (BFE), die Voraussetzungen zu einer sicheren Energieversorgung zu schaffen, und sich für eine effiziente Energienutzung, die Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien sowie die Senkung der Treibhausgasemmissionen einzusetzen.

1 Wasserkraftwerk 2 Windkraftwerk 3 Atomkraftwerk 4 Solarkraftwerk 5 Biomassekraftwerk 6 Geothermie 7 Kohlekraftwerk 8 Dezentraler Speicher (Zukunft) 9 Gezeitenenergie

20.10.2 Funktionsweise eines Generators Die Funktionsweise eines Generators wird in der Dreiphasentechnik genauer erklärt.

Wichtig zu wissen ist, dass mit den verschiedenen Energiene wie : Kernenergie, Wasserkraft, Windenergie, Solarenerie, Biomasse und Geothermie immer ein elektrischer Generator betrieben wird, der die vorhandene Energie in elektrische Energie umwandelt. Bei der Umwandlung wir ein Dreiphasenwechselstrom erzeugt. Links: Prinzipieller Aufbau eines zweipoligen Generators

NU1 NU2 NU3

12U 23U31U

NU1 NU2 NU3

12U 23U31U

Die Phasenspannungen sind mit den entsprechenden Farben nachzuzeichnen. Die aufgeführten Farben sind auch gleich den Aussenleiterferben.

NU1 Phasenspannung 1 (braun)

NU2 Phasenspannung 1 (schwarz)

NU3 Phasenspannung 1 (grau)

Die Verketteten Spannungen sind gemäss den nachfolgenden Farben nachzuzeichnen.

12U Verkettete Spannung (grün)

23U Phasenspannung 1 (violett)

31U Phasenspannung 1 (orange)

Links: Liniendiagramme eines zweipoligen Generators



Version 3

20.10.3 Kernkraftwerk Die Kernkraftwerke kommen immer mehr unter Druck, da die Entsorgung der radioaktven Abfälle nicht klar gelösst ist und das Restrisiko der Bevölkerung auch eine gewisse Sorge bereitet.

Der definitive Ausstieg aus dieser Technik erfordert die Bereitstellung anderer Energien und den rationelleren Einsatz der heute verwendeten Betriebsmittel. Die grösste Herausforderung ist wohl die Speicherbarkeit der erneuerbaren Energien. Die neuen Energien fallen meist dann an, wenn sie nicht gebraucht werden. Der Transport der Energien zu den Verbrauchern wird die zweite Hürde sein, die wir sofort angehen müssen.

Prinzipschaltbild eines Atomkraftwerkes

1 Reaktordruckbehälter

2 Brennelemente

3 Steuerstäbe

6 Heisser Dampf

8 Hochdruckturbine

9 Niederdruckturbine

10 Generator

11 Erregermaschine

12 Kondensator

13 Kühlwasser

Wie funktioniert ein Atom-Kraftwerk?

Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt:

Die Wärme, die bei der Kernspaltung (2) entsteht,

wird auf ein Kühlmedium – meist Wasser – übertragen,

wodurch dieses erwärmt wird.

Direkt im Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger

entsteht Wasserdampf, der eine Dampfturbine (8,9) antreibt.

Die Dampfturbine treibt einen Generator (10) an.

Dieser Generator muss zuerst noch erregt (11) werden, damit

das Magnetfeld des Rotors in den Stator eine Spannung

induzieren kann.

Welchen Zweck haben Steuerstäbe in einem Reaktor?

Mit den Steuerstäben (3) kann die Kernreaktion gesteuert bzw.

abgeschaltet werden.

Hochdruck- und

Niederdruckturbine (8,9)

Generator (10) mit

Erregermaschine (11)

AKW Nein?

Haben wir

Alternativen?



Version 3

20.10.4 Wasserkraftwerk

Speicherkraftwerke nutzen Wasser aus einem Stausee zur Stromproduktion. Um das Wasser zu stauen, müssen Talsperren (Staumauern, Staudämme) errichtet werden. Die Energie, die sich aus einem Wasserkraftwerk gewinnen lässt, ist abhängig von der Wassermenge und der Fallhöhe des Wassers. Speicherkraftwerke können schnell in Betrieb genommen und wieder abgestellt werden und sie lassen sich schnell an den Strombedarf anpassen. Sie werden hauptsächlich zur Deckung des schwankenden Spitzenstrombedarfs eingesetzt.

Pelton-Turbine Kaplan-Turbine Francis-Turbine

Grosse Höhen

Rohrturbine kleine Höhen

Mittlere Höhen



Version 3

20.10.5 Windkraftwerk

Wenn die Windgeschwindigkeit beispielsweise 2 m/s erreicht, startet der Computer die Windrichtungsnachführung und dreht die Anlage in den Wind. Der Wind drückt auf die Blätter. Das aerodynamische Profil der Blätter erzeugt auf der einen Seite einen Überdruck und auf der anderen Seite einen Unterdruck. Dabei wird die Energie des Windes auf die Blätter übertragen und der Rotor beginnt sich zu drehen. Der Rotor ist über die Antriebswelle mit einem mehrstufigen Getriebe verbunden. Das Getriebe passt die Drehzahl des Rotors an die Generatordrehzahl an. Wenn der Generator schnell genug läuft, um Strom erzeugen zu können, wird er auf das Netz geschaltet und der erzeugte Strom in das Energieversorgungsnetz eingespeist. Je nach Anlagentyp erreichen die Anlagen bei Windgeschwindigkeiten zwischen 11 m/s und 15 m/s ihre Nennleistung. Bei Windgeschwindigkeiten von 25 m/s oder mehr aktiviert die Computersteuerung das Hydrauliksystem, das die aerodynamische Bremse auslöst.



Version 3

20.10.6 Solarkraftwerk Der photovoltaische Effekt in Solarzellen bewirkt die Umwandlung des Lichtes in elektrischen Strom – im Gegensatz zu solarthermischen Anlagen, deren Sonnenkollektoren das Licht in Wärme umwandeln. Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie basiert auf den besonderen Eigenschaften von so genannten Halbleitern, die durch zugeführte Energie (Wärme oder Licht) freie Ladungsträger erzeugen. Um aus diesen Ladungen einen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig. Trifft das Licht der Sonne auf eine Photovoltaikzelle, werden Ladungsträger frei und ein elektrischer Strom fließt. Hierbei handelt es sich um Gleichstrom. Dieser kann entweder direkt von einem Verbraucher benutzt oder über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist werden. Die Spannung einer einzelnen Zelle ist für die meisten Fälle der Stromversorgung zu niedrig, so dass mehrere Zellen zu Modulen zusammengeschaltet werden. Im kleinen Rahmen sind uns Photovoltaikanlagen beispielsweise durch Taschenrechner oder Parkuhren bekannt.



Version 3

20.10.7 Biomassekraftwerk In einem Biomassekraftwerk (BMKW) wird elektrische Energie durch die Verbrennung von Biomasse erzeugt. Weiterhin gibt es auch sogenannte Biomasseheizkraftwerke, die zusätzlich zu der erzeugten elektrischen Energie auch die entstehende Wärme bereitstellen. Wird nur Wärme erzeugt, spricht man von einem Biomasseheizkraftwerk (BMHW).

Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) werden unter Luftabschluss feucht gelagert. Zugegebene Bakterienkulturen beginnen nun, die abbaubaren Moleküle (Fette, Proteine, Kohlenhydrate) zu zersetzen und stellen infolgedessen den sogenannten Biodiesel her. Bei diesem Prozess kann man auch von einer Art Vergärung sprechen. Das entstandene Biogas wird schließlich in diversen Blockheizkraftwerken (BHK) in elektrische und Wärmeenergie umgewandelt.

Ein großer Vorteil dieser Kraftwerke ist die Nutzung der entstehenden Wärme. Diese Wärme kann über Rohrsysteme weitergeleitet werden, um sie so zum Heizen zu nutzen. Weiterhin sind Brennstoffe wie Holz, Stroh oder Getreide in großen Mengen vorhanden und wachsen nach. Ein Nachteil ist, wie bei vielen Kraftwerken, der CO2 Ausstoß der durch den Transport, die Aufbereitung und Verbrennung zustande kommt. Aus Gülle und/oder nachwachsenden Rohstoffen entstehen in einem Biogasblockheizkraftwerk (Biogas-BHKW) Strom und nutzbare Wärme. Gülle wird zu geruchsarmem Flüssigdünger vergoren.



Version 3

20.10.8 Geothermiekraftwerk Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft, des Grundwassers oder des Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Eine Erdwärmesonde entzieht dem Boden Wärme. Der Erdboden hat das ganze Jahr über die gleiche Temperatur. Jahreszeitliche Schwankungen können bei Tiefen ab ca. 10 Meter nicht mehr wahrgenommen werden. Aus diesem Grund ist die vertikale Erdwärmesonde ein idealer Energielieferant für die Wärmepumpe, erreicht sie doch bei einer optimalen Anlageplanung immer einen hohen Wirkungsgrad, auch wenn die Außentemperatur tief ist. Gegenüber Luftwärmepumpen bedeutet dies einen signifikant geringeren Stromverbrauch. Dies hilft bei der rationellen Nutzung unserer Energieressourcen und leistet nebst der Luftreinhaltung einen weiteren Beitrag an der Umwelt. Der gleichmäßige Betrieb verlängert die Lebensdauer der Aggregate und setzt die Störanfälligkeit herab. Damit zählt dieses System zu den betriebssichersten Heizanlagen.

Prinzipien der Geothermie

Erdkollektoren Tiefenbohrung Grundwasser



Version 3

20.10.9 Gezeitenkraftwerk Ein Gezeitenkraftwerk ist eine spezielle Bauart des klassichen Wasserkraftwerks, welche die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut schöpft. Bei ausreichend hohem Tidenhub (Differenz zwischen Hoch-und Niedrigwasserstand) können die Gezeiten in abgesperrten Buchten nämlich als durchaus effiziente Energiequelle genutzt werden. Trotzdem gibt es bis heute noch keine marktreife Stromerzeugungs-Technologie in diesem Bereich. Das weltweit grösste Gezeitenkraftwerk mit einer Gesamtleistung von 240 MW befindet sich an der Mündung des französischen Flusses La Rance bei Saint-Malo. Diese im Jahre 1966 errichtete Anlage ist jedoch extrem korrosionsanfällig und das hat gravierrende negative Auswirkungen auf das Ökosystem des Flusses. Zudem gibt es weltweit nur wenige Standorte, die für ein Gezeitenkraftwerk dieser Art geeignet wären, denn jenes ist nur sinnvoll, wenn der Tidenhub mehr als 6 m beträgt. Ein britisch-deutsches Projekt will diesen Problemen mit einer Anlage entgegenkommen, welche nicht den Tidenhub, sondern die durch Gezeiten verursachte Meeresströmung nutzt, eine Art "Unterwasser-Windkraftanlage". Die Pilotenanlage eines solchen neuartigen Gezeitenkraftwerks wurde bereits vor der Südwestküste Grossbritanniens installiert. Die Meeresströmungen geben hierbei ihre Bewegungsenergie direkt an aufgeständerte Turbinen mit angeschlossenem Generator ab, so dass kontinuierlich und berechenbar Strom erzeugt werden kann. Desweiteren sind bei der freistehenden Anlage kaum Auswirkungen auf Tiere und Pflanzen zu erwarten. Allein in Europa sind bereits über 100 Standorte bekannt, die sich für eine solche Energiegewinnung eignen würden. Eine von der EU in Auftrag gegebene Studie hat ergeben, dass wenn alle möglichen Standorte mit diesen Gezeitenkraftwerken versehen werden würden, dies eine Energieerzeugung von etwa 12’500 MW ergeben könnte.

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20.10.10 Die Stromproduktion von morgen

Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst?

So wünschenswert die Nutzung möglichst vieler regenerativer Energiequellen auch ist, so schwer lässt sich ihre „Liefer-Zuverlässigkeit“ berechnen. Nicht nur die Anlagenbetreiber, auch die Betreiber der Netze können nur selten genau abschätzen, wann die Stromernte genau stattfindet und wie groß sie ausfällt. Nicht immer bläst der Wind, nicht immer scheint die Sonne und nicht immer fließt genügend Wasser erst durch Bäche und dann durch Turbinen. Stürmt es dagegen, brennt wochenlang die Sonne vom Himmel oder schwellen nach tagelangen Regenfällen die Wassermengen an, wird plötzlich sehr viel Energie produziert – Energie, die zu diesem Zeitpunkt vermutlich niemand braucht.

Für eine hohe Netzstabilität, wie sie für die Versorgung einer Industrienation unerlässlich ist, sind dies denkbar ungünstige Voraussetzungen. Um die Stabilität des Netzes zu gewährleisten, müssen die ohnehin ständig schwankende Stromnachfrage und das noch viel stärker schwankende Angebot an regenerativen Energien permanent gesteuert und ausgeglichen werden. Auf der Anbieterseite sind daher äußerst anpassungsfähige Netzführungssysteme gefordert, die aktuellste Daten zur Leistung der Netzinstallation, zum Lastfluss und zur Nachfrage bereitstellt. Auf der Nachfrageseite müssen für den Verbraucher finanzielle Anreize geschaffen werden, damit er genau zum richtigen Zeitpunkt die bereitgestellte Energie auch abnimmt. Dieses Anreizsystem wird ähnlich aussehen wie das etwa bei Fluggesellschaften: Auf stark frequentierten Strecken und zu Hauptreisezeiten sind die Preise höher, in Nebenzeiten dagegen locken Sondertarife.

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Smart Meter Ist viel Energie im Netz, bieten die Versorger den Strom also günstig an, bei Engpässen dagegen verlangen sie höhere Preise. Mit einer intelligenten Kommunikations- und IT-Technik könnte der Verbraucher diese Mengen- und Preisschwankungen für sich nutzen: Entweder er bekommt über das Smart Grid eine Information, dass Strom gerade besonders billig ist. In diesem Fall kann er darüber entscheiden, ob er ein energieintensives Gerät einschalten möchte oder nicht.

SmartGrid Oder das Gerät, eine Waschmaschine beispielsweise, setzt sich dank intelligenter Technik bei einem bestimmten Strompreis selbst in Gang – in einer windigen Herbstnacht etwa, in der die Windkraftanlagen an den Küsten oder in den Mittelgebirgen auf Hochtouren laufen. Damit dies funktioniert, müssen Stromerzeuger, Leitungsbetreiber und Verbraucher durch den aktuellster Daten viel enger miteinander vernetzt werden als bisher. Derart intelligente Netze, so genannte Smart Grids, sind nur durch die Verwendung von Echtzeitdaten und damit den Einsatz hochleistungsfähiger IT- und Automationssysteme zu realisieren. Eine Revolution werden Smart Grids jedoch nicht sein, eher eine konsequente Evolution. Zahlreiche Produkte und Systeme, wie sie für den Aufbau eines intelligenten Netzes benötigt werden, gibt es bereits und haben sich vielfach bewährt: Systeme etwa zur Überwachung, Steuerung und Datenerfassung (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition). Systeme für die Überwachung der Stromübertragung über größere Entfernungen (WAMS, Wide Area Monitoring Systems). Oder flexible Drehstrom-Übertragungssysteme (Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS). Diese gewachsenen und bewährten Systeme werden zusammen mit weiteren, ebenfalls sehr komplexen Technologien Schritt für Schritt zu Netzwerken weiterentwickelt. Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst? Oft ist von Smart Metering die Rede, wenn es darum geht, erneuerbare und dezentrale Energien in unsere Stromversorgung einzubinden. Die gesetzliche Verpflichtung eines flächendeckenden Rollouts von intelligenten Zählern ist ein wichtiger Treiber für den Ausbau einer Smart-Grid-Kommunikationsinfrastruktur. Demgegenüber steht die Möglichkeit, eine Kommunikationsinfrastruktur zunächst auch mit dem primären Zweck aufzubauen, die Einspeisung dezentral erzeugter Energie in Niederspannungsnetze effektiv zu erfassen. Der flächendeckende Rollout intelligenter Zähler kann dann auch erst in einem späteren Stadium erfolgen. Ein Energieversorger kann zum Beispiel UMTS oder Breitband-Powerline nutzen, um breitbandige IP-Datenübertragung zu realisieren. So entsteht eine universelle Infrastruktur, die bestehenden und zukünftigen Kommunikationsanforderungen im Bereich Smart Grid und Smart Metering genügt. Rollout = Austausch, Markteinführung

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 68 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 10 KRAFTWERKE 11 DIE SPEICHER DER ZUKUNFT


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20.10.11 Die Speicher der Zukunft Die dezentrale installation von Speichern wird für die Energiewende von entscheidender Bedeutung sein. Ohne diese Speicher können die neuen dezentralen Generatoren des Stromnetzes, wie: Wind, Wasser und Solar - ihre Energie nicht effizient ins Netz einspeisen. Diese anfallende Energie muss nämlich zwischengespeichert werden, wenn sie nicht gerade gebraucht wird. Jedes Dorf müsste einen solchen Speicher für ihre Bürger installieren und damit ein bischen Energiewende selber mitbestimmen. ABB hat nun zusammen mit den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) eine Batterie mit einer Leistung von 1 MW in Dietikon installiert. Damit ist sie die grösste und erste dieser Art in der Schweiz. Sie kann Energie bis 500 kWh speichern und ins Mittelspannungs-Verteilnetz einspeisen, respektive von dort beziehen. In der Anlage integriert ist ein Umrichter, der über effiziente Leistungshalbleitertechnologie den Wechselstrom aus dem Netz in den Gleichstrom für die Batterie umwandelt und umgekehrt. Ein Transformator sorgt für die Umwandlung von Mittel- auf Niederspannung und umgekehrt. Die Batterie ist mit entsprechenden Steuerungssystemen und Schutztechnik ausgestattet.

In der Batterie werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet, wie sie auch in Handys oder Elektroautos im Einsatz sind. Die rund 10‘000 Lithium-Ionen-Zellen wandeln die elektrische Energie bei der Aufnahme in chemische Energie mit einem Wirkungsgrad von rund 95 Prozent um. Damit ist diese Technologie ideal für ein Speichersystem, weil sie eine hohe Energiedichte und Dynamik aufweist und gleichzeitig wenig Platz beansprucht.

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20 Elektrische Maschinen - ibn.chibn.ch/HomePageSchule/Schule/GIBZ/20_Elektrische_Maschinen/20... · EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 3 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5. September 2009