Doppelschlussmaschine
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Formeln
Gleichstrommaschine
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Stator bzw. Ständer
ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine. Der Stator der Gleichstrommaschine besteht aus (geblechtem) Stahl und setzt sich aus dem Jochring und den Hauptpolen zusammen.
Jochring
dient als Rückschluss für den magnetischen Fluss. Am Innenumfang des Jochrings befinden sich entweder
- die Haupt- oder Erregerpole, oder alternativ
- Permanentmagnete
von denen, die zum Aufbau des Erregerfeldes, erforderliche Durchflutung ausgeht.
Erregerwicklung
Ein Hauptpol setzt sich aus einem Polkern und einem Polschuh zusammen. Die Erregerwicklung sitzt am Polkern. Die Erregerwicklung kann auf folgende Arten mit Erregerstrom, der natürlich ein Gleichstrom ist und ein Erreger-Gleichfeld erzeugt, gespeist werden:
- Fremderregt, mittels einer separaten Gleichstrom-Spannungsquelle
- Eigenerregt, bei Maschinen, die über einen Restmagnetismus zum Anlauf verfügen, man unterscheidet
- Nebenschluss: Die Erregerwicklung liegt parallel zur Ankerwicklung
- Hauptschlss: Die Erregerwicklung liegt in Serie zur Ankerwicklung und wird somit vom Ankerstrom durchflossen
- Doppelschluss: Die Maschine besitzt eine Nebenschluss- und eine Hauptschlusswicklung.
Pollücken
In den Pollücken, zwischen den Hauptpolen, befinden sich meistens Wendepole, die in Serie zum Anker geschaltet sind.
Polpaarzahl
Leistungsstärkere Maschinen haben nicht nur 2 Hauptpole, sondern verteilt am Ankerumfang p Polpaare, wobei „p“ die Polpaarzahl ist.
- Je Polpaar schleift eine Plus- und eine Minusbürste am Kommutatorumfang entlang, wobei gleichnamige Bürsten miteinander verbunden sind. Die Bürsten befinden sich in der geometrisch neutralen Zone.
Lager, zur Aufnahme des Ankers
An den Stirnseiten des Ständers sind Lager befestigt, in denen sich der Anker drehen kann.
Bürsten
Am Stator der Gleichstrommaschine sind Halter so angebracht, dass Kohlebürsten mit verstellbarem Druck auf der Umfangsfläche des Stromwenders gleiten können. Die Bürsten stehen in der Mitte zwischen zwei ungleichnamigen Magnetpolen.
Wendepole
Um die Ankerrückwirkung im Bereich zwischen den Polen aufzuheben, gibt es bei Gleichstrommaschinen ab 1 kW Leistung, die Wendepole, die sich mittig zwischen den am Stator befestigten Hauptpolen, in der sogenannten Pollücke, befinden. Die Wendepole tragen eine mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltete Wendepolwicklung. Eine zu stark bemessene Wendepolwicklung führt zu Frühwendung oder Überkommutierung. Im Motorbetrieb führt dies zu einer Feldschwächung, der zufolge die Drehzahl steigt, was zu Lasten der Stabilität des Motors geht.
Kompensationswicklung
Gleichstrommaschinen ab 100 kW haben in den Hauptpolschuhen, unmittelbar gegenüber dem Anker, noch eine Kompensationswicklung zwecks Unterdrückung der Ankerrückwirkung im Bereich direkt unter den Polschuhen. Diese Kompensationswicklung ist wie auch die Wendepolwicklung in Serie zum Anker geschaltet.
Die vollendetste Form der Gleichstrommaschine ist also jene mit einer Kompensationswicklung und Wendepolen. Die Kompensationswicklung unterdrückt die Luftspaltfeldverzerrung unter den Polschuhen und die Wendepole heben das Ankerquerfeld in der geometrisch neutralen Zone auf und erzeugen überdies ein für eine gute Stromwendung notwendiges Wendefeld.
Anker, zugleich Läufer
Der Anker besteht aus geschichteten zylinderförmigen Dynamoblechen. In dessen Außenumfang liegen in Nuten eingebettet, die Ankerspulen. Am Ende des Ankers sitzt der Kommutator als Stromwender. Der Anker ist jene Wicklung einer elektrischen Maschine, in die vom Erregerfeld eine Spannung induziert wird. Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes.
Jede Spule ist jeweils am Anfang und am Ende an eine separate Stromwenderlamelle des Kommutators durch Hartlöten angeschlossen. Als Teil des Ankers dreht sich der Kommutator samt seinen Lamellen und den damit fest verbundenen Spulen.
Kommutierung
Stromwendung ist bei bürstenbehafteten Gleichstrommaschinen erforderlich, damit der Stromfluss im sich drehenden Anker so umgeschaltet wird, dass das Ankerfeld den Rotor beständig in dieselbe Richtung antreibt. Der Verlauf, der in der Ankerwicklung induzierten Spannung und somit auch des Stroms eines Gleichstromgenerators ist \( + \to 0 \to - \to 0 \to + \) und somit eine Wechselspannung! Diese Wechselspannung in der Ankerwicklung wird durch Kommutator und Bürsten mechanisch gleichgerichtet. Um eine möglichst glatte Spannung im Generatorbetrieb zu erzielen, bringt man auf dem Anker möglichst viele Spulen an. Ihrer Anzahl ist jedoch durch die Lamellenbreite des Kommutators eine Grenze gesetzt.
Als Kommutierungszeit bezeichnet man jene Zeit, die der Strom zur Richtungsumkehr hat, also während die Bürste die Spule kurzschließt. Sie ergibt sich aus dem Quotienten von Bürstenbreite und Kommutatorumfangsgeschwindigkeit. Falls zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schlitz zwischen benachbarten Kommutatorstegen den Bereich der Bürste verlässt, der Strom noch nicht vollständig kommutiert ist, wird dies nun durch einen Lichtbogen zwischen ablaufender Bürstenkante und Kommutatorsegment erzwungen, wodurch die Gefahr eines Bürstenrundfeuers entsteht.
Windung, Spule und Wicklung
Jede Ankerspule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden aber nicht nur an deren Anfang und Ende je an eine Kommutatorlamelle angeschlossen, sondern zudem spulenseitig zu Wicklungen zusammengeschlossen.
Man unterscheidet zwischen Trommel-, Schleifen- und Wellenwicklung.
- Bei der Schleifenwicklung wird das Ende einer Spule mit dem Anfang der unmittelbar benachbarten Spule verbunden. D.h. das Ende der einen Spule und der Anfang der benachbarten Spule teilen sich ein und dieselbe Stromwenderlamelle. Bei der Schleifenwicklung liegt eine Spule zwischen benachbarten Stromwenderlamellen.
- Bei der Wellenwicklung wird das Ende einer Spule mit dem Anfang jener Spule verbunden, die sich gleichliegend unter dem nächsten Polpaar befindet. So wird durch nur p Spulen, mit p = Polpaarzahl, ein kompletter Ankerumlauf zurückgelegt. Das Ende der p-ten Spule darf aber nicht mit mit jener Stromwenderlamelle zusammentreffen, an die der Anfang der ersten Spule angeschlossen wurde, da es sonst es einen Kurzschluss gibt, sondern muss um eine Lamelle versetzt sein. Bei der Wellenwicklung liegen p Spule zwischen benachbarten Stromwenderlamellen.
Ankerrückwirkung
Der Ankerstrom erzeugt ein – unerwünschtes – Ankerfeld, dessen Achse senkrecht zur Hauptfeldrichtung liegt. Daher spricht man auch von einem Ankerquerfeld bzw. von Ankerrückwirkung, da durch die Überlagerung des Ankerquerfeldes, mit dem Erregerfeld der Hauptpole, eine Feldverzerrung entsteht. (Gegenmaßnahme: Kompensationswicklung)
Durch die Überlagerung vom Ankerquerfeld mit dem Erregerfeld wird das aus den beiden Feldern resultierende Hauptfeld
- an auflaufenden Polkante verstärkt, wodurch es, zufolge magnetischer Sättigung, zu einer Feldschwächung gegenüber Leerlauf kommt.
- an der ablaufenden Polkante geschwächt, wodurch es ebenfalls zu einer Feldschwächung gegenüber Leerlauf kommt.
Neutrale Zone und Bürstenverschiebung
Die neutrale Zone befindet sich dort, wo der Geschwindigkeitsvektor v der umlaufenden Ankerschleife parallel zur magnetischen Flussdichte B des Luftspaltfeldes ist, da dann keine Urspannung induziert wird, da das Kreuzprodukt zweier paralleler Vektoren Null ist.
\({e_{ib,12}} = \mathop \smallint \limits_1^2 {E_b}\,ds = \mathop \smallint \limits_1^2 \left( {\vec v \times \vec B} \right)\,\,ds\)
Zufolge der Ankerrückwirkung kommt es zu einer Verschiebung der neutralen Zone, also von jenem Wicklungsteil des Ankers, in dem keine Spannung induziert wird und wo die Bürsten stehen müssen, damit es zu keinem Bürstenfeuer kommt. Übersteigt die Spannung 35 V, zwischen benachbarten Stegen des Stromwenders, so kann es sogar zu Rundfeuer kommen, also zu einem Lichtbogen zwischen Bürsten unterschiedlicher Polarität, wodurch das Netz kurzgeschlossen wird. (Gegenmaßnahme: Wendepole)
Bei Maschinen ohne Wendepole ist deshalb eine Bürstenverschiebung erforderlich, um die Bürsten wieder in die neutrale Zone zu bringen. Leider entspricht einer bestimmten Last auch eine bestimmte Bürstenstellung, sodass die Stromwendung bei geringer Last beschleunigt und bei größerer Last verzögert wird. Eine Bürstenverschiebung eignet sich daher nicht für Maschinen mit veränderlicher Belastung.
Beim Generator muss man die Bürsten in Drehrichtung und beim Motor gegen die Drehrichtung des Ankers verschieben. Dies kann zu falschen Bürstenstellungen beim Reversierbetrieb führen.
Eine Gleichstrommaschine kann ohne Umbau als Motor oder als Generator betrieben werden.
Gleichstrommaschine als Motor
Im Motorbetrieb wird der Gleichstrommaschine ein Ankerstrom über die feststehenden Bürsten und die Kollektorlamellen zugeführt. Wenn zeitgleich ein magnetischer Fluss der Hauptpole am Stator vorhanden ist, d.h. wenn die Hauptpolspulen (=Feldspulen) von einem Erregerstrom durchflossen werden, so entsteht durch den in der Ankerwicklung fließenden Strom eine Lorentzkraft, der zufolge sich der Rotor gemäß der Rechte-Hand-Regel dreht. Der aus Bürsten und Kollektor bestehende Stromwender sorgt dafür, dass die umlaufenden Ankerwicklungen den Strom so zugeführt bekommen, dass ein größtmögliches Drehmoment entsteht.
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiterdraht in einem Magnetfeld, so ist die Höhe der Lorentzkraft FL proportional zur Stromstärke i die durch den Leiter fließt, zur Länge s des stromdurchflossenen Leiters und zur magnetischen Flussdichte B, welche die Stärke des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt im Luftspalt und in eine bestimmte Richtung beschreibt.
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
Gleichstrommaschine als Generator
Im Generatorbetrieb wird dem Läufer Rotationsenergie von einer gekuppelten (Wasser- / Dampf-) Turbine zugeführt, wodurch der Anker mechanisch gedreht wird. Die in den Ankernuten befindlichen Spulen schneidet beim Rotieren die von den auf dem Ständer sitzenden Hauptpolen erzeugten Feldlinien des Erregerfeldes, wodurch in den Ankerspulen eine Wechselspannung induziert wird.
Durch den Einsatz eines Kommutators kann aus dieser Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung erzeugt werden.
Schaltet man die einzelnen Ankerspulen hingegen zu Ankerwicklungen zusammen, werden die Schwankungen der induzierten Gleichspannung geringer.
Bewegungsinduktion eib - Spule bewegt sich
Durch die Bewegung der Ankerspule in einem konstanten Erreger-Magnetfeld B wird, zufolge der auf die beweglichen Ladungsträger des Leiters ausgeübte Lorentzkraft, eine Urspannung induziert. Das Linienintegral zwischen 2 Klemmen einer Leiterschleife heißt „induzierte Urspannung zufolge der Bewegung“. Sie entsteht, wenn das Magnetfeld B konstant bleibt, und sich darin eine Spule bewegt
\({e_{ib,12}} = \mathop \smallint \limits_1^2 {E_b}\,ds = \mathop \smallint \limits_1^2 \left( {\vec v \times \vec B} \right)\,\,ds\)
Man unterscheidet Gleichstrommaschinen dadurch, wie der Strom durch die Anker- und die Hauptpolwicklung fließt.
Reihenschlussmaschine
Bei einer Reihenschluss- oder Hauptschlussmaschine sind die Anker- und die Hauptpolwicklung in Serie geschaltet. D.h. derselbe Strom fließt zuerst durch die Ankerwicklung und danach durch die Hauptpolwicklung. Die Reihenschlussmaschine hat als Generator die entgegengesetzte Drehrichtung zum Motorbetrieb. Damit beim Reversierbetrieb die Drehrichtung beibehalten wird, muss die Maschine umgeklemmt werden. Reihenschlussmaschinen haben ein hohes Anlaufmoment und eignen sich daher z.B. für Elektrolokomotiven.
Die Erregerwicklung der Reihenschlussmaschine darf im Gegensatz zur Nebenschlussmaschine nicht hochohmig sein, da derselbe Strom auch durch die Ankerwicklung fließt. Die Erregerwicklung der Reihenschlussmaschine besteht aus wenigen Windungen mit großem Drahtquerschnitt.
Bei einem Reihenschlussmotor sind Nutzbremsungen (Rekuperation) nicht möglich, da sich bei unveränderter Schaltung die Stromrichtung in der Anker- und in der Erregerwicklung auf Grund der Serienschaltung zeitgleich umkehrt. Daher haben Reihenschlussmaschinen im Motor- und im Generatorbetrieb entgegengesetzte Drehrichtungen. Um die Drehrichtung beizubehalten, müsste man die Erregerwicklung umklemmen.
Nebenschlussmaschine
Bei einer Nebenschlussmaschine sind die Anker- und die Hauptpolwicklung parallelgeschaltet, wodurch unterschiedlich hohe Ströme durch die Anker- bzw. Hauptpolwicklung fließen. Bei der Nebenschlussmaschine werden die Anker- und die Erregerwicklung durch eine einzige Spannungsquelle versorgt. Zufolge der Parallelschaltung ist die Ankerspannung gleich hoch wie die Erregerspannung. Die Nebenschlussmaschine hat als Motor und als Generator den gleichen Drehsinn.
Die Erregerwicklung der Nebenschlussmaschine besteht aus vielen Windungen dünnen Drahtes.
Nebenschlussmaschinen eignen sich speziell für Anwendungen mit konstanter Drehzahl, die nahezu Lastunabhängig ist. Leider nimmt die Drehzahl und die Stromaufnahme beim Zusammenbrechen des Erregerfeldes dramatisch zu und die Maschine neigt zum Durchgehen.
\(n = \frac{{U - \left( {{R_{A,V}} + {R_A}} \right) \cdot {I_A}}}{{{k_1} \cdot \Phi }}\)
Mit n als Drehzahl, U als Klemmenspannung, mit RA,V + RA als Ankerwiderstand, mit IA als Ankerstrom, k1 als Motorkonstante und Phi als magnetischen Fluss.
Die Drehzahlregelung kann auf zwei Arten erfolgen:
- Über einen Vorwiderstand RA,V der Ankerwicklung, was den Ankerstrom verringert, was zu einer Verringerung von Drehzahl und Drehmoment führt. Dies Form der Regelung ist einfach aber auf Grund des hohen Ankerstroms stark verlustbehaftet.
- Über den Vorwiderstand RF,V der Erregerwicklung, wodurch der magnetische Fluss verringert wird, was ebenfalls zu einer Verringerung der Drehzahl führt. Diese Form der Regelung ist komplexer, aber effizienter als die Regelung über den Ankervorwiderstand.
Das Drehmoment \({M_i} = {k_2} \cdot {I_A} \cdot \Phi \) des Nebenschlussmotors ist proportional zum Ankerstrom, da der magnetischen Fluss konstant ist, weil der Erregerkreis unabhängig vom Ankerkreis ist . k2 ist eine konstruktionsabhängige Konstante.
Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Nebenschlussmotors ist eine Hyperbel. Bei kleiner Ankerstromstärke ist das Drehmoment gering, aber die Drehzahl ist hoch. Bei großer Ankerstromstärke ist das Drehmoment groß, aber die Drehzahl ist gering.
Die beiden unterschiedlichen Maschinenkonstanten k1 in der Formel für die Drehzahl n bzw. k2 in der Formel für das Drehmoment M werden durch Messungen an dem Motor bestimmt. Dazu wird der Motor mit einem bestimmten Ankerstrom betrieben und die Drehzahl und der magnetische Fluss werden jeweils gemessen.
Wird ein Nebenschlussmotor im gleichen Umlaufsinne, in dem er zuvor als Motor lief, mit einer so großen Drehzahl von außen angetrieben, sodass seine induzierte Spannung Ui größer als die Klemmenspannung U wird, so geht er – ohne dass an der Schaltung etwas geändert werden müsste – in den Generatorzustand über. D.h eine Nebenschlussmaschine kann ohne Schaltungsänderung bei gleichem Drehsinn als Motor und als Generator betrieben werden. Rekuperation ist also möglich, denn in diesem Fall liefert er Energie zurück und kann daher für Nutzbremsungen verwendet werden.
Fremderregte Maschine
Wenn die Nebenschussmaschine an einem starren Netz hängt, die Klemmenspannung also unabhängig vom gezogenen Strom ist, ist ihr Betriebsverhalten dem der fremderregten Maschine ident.
Bei der fremderregten Maschine handelt es sich um eine Nebenschlussmaschine, bei der Anker- und Hauptpolwicklung durch Ströme aus voneinander unabhängigen Spannungsquellen durchflossen werden. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie ist im Falle des fremderregten Gleichstrommotors eine Gerade.
Traktionsmotore als Antriebe für Schienenfahrzeuge
- Gleichstrom-Reihenschlussmotoren sind, wegen ihrer guten Regelbarkeit und dem hohen Anfahrdrehmoment, ideale Antriebe für Schienenfahrzeuge.
- Bei Straßenbahnen und U-Bahnen erfolgt die Speisung direkt über 3 kV Gleichstrom. Dieser wird in Gleichrichterstationen entlang der Strecke aus Drehstrom, welcher aus Umspannwerken des Verteilnetzes zugeführt wird, gewonnen.
- Bei Fernzügen ist es wirtschaftlicher das Bahnstromnetz als Einphasen-Wechselstrom-Netz zu betreiben. Im DACH-Raum sowie in Norwegen und Schweden hat man sich für 16,7 Hz bei 15 kV Fahrdraht-Spannung entschieden. Die Lokomotive führt dabei eine Stelltransformator mit.
- Der Einsatz von Leistungselektronik ermöglicht heute den Einsatz von umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen und somit den Wegfall von verschleißbehafteten bürstenbasierten mechanischen Kommutatoren. Heute werden der Leistungsteil, der Steuerteil und die elektronisch kommutierte Maschine als Einheit hergestellt, die es zudem ermöglicht zwischen Netzen mit 16,7 Hz und solchen mit 50 Hz (Frankreich,...) ohne Lokomotivenwechsel zu verkehren.
Gleichstrom-Verbundmotoren
Beim Gleichstrom-Verbundmotor (auch Doppelschluss- oder Compoundmotor) wird ein Teil der Hauptpolwicklung wie bei der Reihenschlussmaschine in Serie zur Ankerwicklung und der andere Teil der Hauptpolwicklung wie bei der Nebenschlussmaschine parallel zur Ankerwicklung geschaltet. Diese Kombination verleiht dem Verbundmotor folgende Eigenschaften:
- Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und somit ein gutes Anlaufverhalten auf Grund der Reihenschlusswicklung
- Stetige Drehzahlregelung da durch die Nebenschlusswicklung die Drehzahl des Motors stufenlos geregelt werden kann.
Gleichstrom Verbundmotoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen erforderlich sind, z. B. in Aufzügen, Kränen und Elektrofahrzeugen.
Bürstenlose Gleichstrommaschine - BLDC Maschinen (Brushles Direct Current)
Heute kommen zunehmend bürstenlos kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz, deren Aufbau mehr einer selbstgeführten Synchronmaschine als einer konventionellen Gleichstrommaschine entspricht.
Wir vergleichen die BLDC-Maschine nachfolgend mit einer Gleichstrommaschine, die über einen Kommutator verfügt.
- Im Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors befinden sich Permanentmagnete (und nicht im Stator).
- Im Stator befindet sich in Nuten eine dreiphasige Drehstrom-Erregerwicklung, die elektronisch so angesteuert wird, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht (und nicht ein Gleichfeld).
- Eine Dreiphasen BLCD-Maschine hat 3 Erregerspulen am Stator und 3 Pole, die von den Permanentmagneten am Rotor stammen.
- Das Drehmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem Erregerfeld ausgehend vom Stator und dem Feld der Permanentmagneten im Rotor.
- Der Betriebsstrom fließt in den in Nuten befindlichen Drehstromwicklungen im Stator (und nicht im Rotor).
- Eine Elektronik überwacht die Position der sich mit dem Rotor drehenden Permanentmagnete mittels eines Positionsgebers (z.B. 3 Hall-Sensoren) und schaltet die Stromrichtung in den Erregerwicklungen im Stator so um, dass ein umlaufendes Drehfeld entsteht, und ein Drehmoment auf den Rotor einwirkt.
- Statt einer Kommutierung des Ankerstroms im Läufer findet also eine leistungselektronische Schaltung der Stromrichtung in den Erregerwicklungen des Stators statt. Die Drehzahlregelung einer BLDC-Maschine erfolgt durch die Regelung der Spannung bzw. der Frequenz in den Erregerwicklungen.
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