Stator elektrischer Maschinen
Hier findest du folgende Inhalte
Formeln
Komponenten elektrischer Maschinen
Vorab eine Mindmap zu den Inhalten dieser Mikro-Lerneinheit
Gehäuse
darin befinden sich die isoliert angebrachten Komponenten der elektrischen Maschine.
Isoliermaterial
um unerwünschten elektrischen Kontakt zu verhindern.
Luftspalt
trennt drehende von statischen mechanischen Komponenten, also den Rotor vom Stator.
Stromzu- bzw. -abfuhr
welche am Stator über Klemmen und am Rotor über Bürsten erfolgt. Damit man die Wicklungen der Maschine schon an den Klemmen erkennen kann, sind genormte Klemmenzeichen üblich:
- A1-A2: Ankerwicklung
- B1-B2: Wendepolwicklung
- C1-C2: Kompensationswicklung
- D1-D2: Reihenschlusswicklung
- E1-E2: Nebenschlusswicklung
- F1-F2: Fremderregte Wicklung
Elektrobleche
sind einseitig isoliert und haben eine Dicke von 0,23 .. 0,6 mm, um Wirbelströme zu unterbinden, sind kaltgewalzte Dynamobleche und werden zu einem Blechpaket zusammengefügt.
Kommutator
dient der Stromwendung (Umpolung) bei
- Gleichstrom und
- Einphasen-Reihenschlussmotoren (Universalmotor)
Schleifringe
stellen eine elektrische Verbindung zwischen den am Stator befestigen Bürsten und somit die Verbindung zum äußeren Netz einerseits und dem sich drehenden Läufer samt seinen Wicklungen andererseits her.
- zum Anker der fremd- oder eigenerregten Gleichstrommaschine, nicht jedoch zur bürstenlosen Gleichstrommaschine (BLDC)
- zum Polrad der Synchronmaschine, sowohl bei Schenkelpol- als auch bei Trommelläufer
- zum Schleifringläufer der Asynchronmaschine, nicht jedoch zum Kurzschlussläufer
Stator bzw. Ständer
ist die feststehende Komponente einer rotierenden Maschine.
Rotor bzw. Läufer
ist die bewegliche Komponente einer rotierenden Maschine.
- Bei einer Gleichstrommaschine ist der Rotor zugleich der Anker.
- Bei einer Synchronmaschine nennt man den Rotor auch Polrad.
Anker
Der Anker ist jener Teil einer elektrischen Maschine, in dessen Wicklung durch relative Drehung gegen ein Erreger-Magnetfeld eine Spannung induziert wird. "Relative" Drehung bedeutet, dass sich entweder
- das Gleich-Feld dreht und die Spulen stillstehen (Anker = Stator der Synchronmaschine). In den Anker werden die 3 Spannungen eines Drehfeldes induziert.
- das Gleich-Feld steht still und die Spule dreht sich (Anker = Rotor der Gleichstrommaschine). In den Anker wird eine Wechselspannung induziert.
Durch den Ankerstrom entsteht eine - unerwünschte - Ankerrückwirkung, d.h. eine Verzerrung des Erregerfeldes.
Ankerspulen liegen von Wechselstrom durchflossen in den Nuten des Läufers
- Gleichstrommaschine
- Einphasen-Reihenschlussmotor (Universalmotor).
Ankerspulen liegen als mehrsträngige Drehfeldwicklung in den Nuten des Ständers
- Bürstenlose Gleichstrommaschine
- Schenkelpol- und Vollpol (Trommelläufer) Synchronmaschine
- Kurzschluss- oder Schleifringläufer Asynchronmaschine
Eisenkern eines Trafos
dieser dient dem Rückschluss vom magnetischen Fluss und setzt sich aus dem geblechten Joch- und den Schenkeln zusammen.
Bei den Schenkeln, welche die Primär- und Sekundärwicklungen tragen, unterscheidet man den
- Einphasen-Kern bzw. – Manteltrafo
- Drehstrom Kern-Trafo bzw. Dreischenkel und Fünfschenkel-Kerntrafo.
Windung - Spule - Wicklung - Strang
Jede Spule kann aus mehreren Windungen bestehen. Jede Spule erfordert 2 Nuten, eine für die Hin- und eine für die Rückleitung. Die einzelnen Spulen werden zu Wicklungen zusammengeschlossen.
Bei Drehstrommaschinen gibt es für jede der 3 Phasen eigene, um elektrische 120° versetzte, Wicklungen, die man Strang nennt. Mit „Strang“ bezeichnet man immer die Größe, die direkt an der Generatorspule anliegt, unabhängig davon ob die Generatorspulen im Stern oder im Dreieck zusammengeschaltet werden. Man kann die 3 Induktionsspulen zu einem Stern oder einem Dreieck zusammenschalten, ohne dass ein Kurzschluss entsteht. Abhängig von Stern- oder Dreieck-Schaltung, unterscheiden sich die Stranggrößen von Strom und Spannung von den Außenleitergrößen. (Wir behandeln diese Zusammenhänge in der Mikro-Lerneinheit "Drehstrom" ausführlich.)
Anzapfungen dienen dazu unterschiedlich hohe Spannungen an einem Strang abzugreifen. Es handelt sich dabei um herausgeführte Zwischenanschlüsse, welche die Anzahl derjenigen Windungen reduziert, in die eine Spannung induziert wird. Beispiel: Regeltrafo.
Erregerwicklung
Wicklung, welche das Erreger- oder Hauptfeld erzeugt.
Ankerwicklung
entsteht durch das elektrische Zusammenschließen der einzelnen in den Ankernuten liegenden Ankerspulen, die ihrerseits aus mehreren Windungen bestehen. Die Ankerwicklung liegt abhängig vom Maschinentyp im Rotor oder im Stator.
Trafowicklungen
bei deren Aufbau man zwischen Zylinder- und Scheibenwicklung unterscheidet.
- Bei der Zylinderwicklung liegt innen die Unterspannung und außen die Oberspannung
- Bei der Scheibenwicklung liegen die Unter- und Oberspannungswicklungen abwechselnd entlang von den Schenkeln verteilt.
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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.
Asynchronmaschinen
Vorab eine Mindmap zu den Inhalten dieser Mikro-Lerneinheit
Asynchronmaschinen (ASM) sind rotierende elektrische Maschinen, in denen der Rotor im Motorbetrieb untersynchron bzw. im Generatorbetrieb übersynchron zum Drehfeld des Stators umläuft.
Zufolge des extrem einfachen mechanischen Aufbaus, seiner Robustheit und des minimalen Wartungsanspruchs, ist der Drehstrom Asynchronmotor - speziell in der Ausführung als Kurzschlussläufer - heute in der Industrie der elektrische Antriebsmotor schlecht hin. Die pro Einheit aufgeführten Leistungen reichen von einigen Watt bis zu mehreren MW.
Stator oder Ständer
Der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine sind praktisch gleich. Beim ständergespeisten Motor
- enthält der Ständer die Primär- oder Erregerwicklung und der Läufer die Sekundärwicklung. Entsprechend bezeichnet man ständerseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 1 und läuferseitige Ströme und Spannungen mit dem Index 2.
- liegt die Primärwicklung an dem speisenden Netz und somit an dessen konstanter Frequenz (z.B.: 50 Hz; 16 2/3 Hz). Daher läuft auch das Erreger-Drehfeld mit dieser konstanten synchronen Drehzahl relativ zum Ständer um.
Bei der Asynchronmaschine erzeugt der Drehstrom, der vom speisenden Netz den Wicklungen im Ständer zugeführt wird, ein von den Ständerwicklungen ausgehendes magnetisches Drehfeld. Zufolge der Lorenzkraft,
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
die somit auf den - auf einer Welle sitzenden - Anker einwirkt, dreht sich dieser. Das so erzeugte mechanische Drehmoment der Welle kann zum Antrieb von industriellen Geräten verwendet werden.
Im Stillstand wirken die dreiphasige Ständerwicklung und die dreiphasige Läuferwicklung wie bei einem Transformator zusammen, wenngleich es auf Grund des beim Trafo nicht vorhandenen Luftspalts von bis zu 1cm zwischen Stator und Läufer zahlenmäßige Unterschiede gibt. Das durch das speisende Feld erzeugte Ständerdrehfeld induziert in der Läuferwicklung eine Spannung. Die im Stillstand des Läufers gemessene Spannung wird als Läuferstillstandsspannung bezeichnet und wird zusammen mit der Ständerspannung auf dem Leistungsschild angegeben:
\({\rm{\Delta 380V - 187A; 1460U/Min; 50Hz; Läufer Y245V - 248A}}\)
Luftspalt
Da Asynchronmaschinen grundsätzlich ohne ausgeprägte Pole hergestellt werden, da also sowohl die Stator- als auch die Rotorwicklung, so es überhaupt eine gibt (Schleifringläufer), in Nuten liegen, ist der Luftspalt über den Umfang konstant. Der Luftspalt wird so klein wie mechanisch möglich ausgeführt.
Läufer
Während der Ständer von Synchron- und Asynchronmaschine praktisch gleich sind, unterscheiden sich die Läufer.
- Bei der Synchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Schenkelpol und
- Trommel- bzw. Turboläufer
zum Einsatz.
- Bei der Asynchronmaschine kommen die Läufer-Bauformen
- Kurzschluss – bzw. Käfigläufer
- Schleifringläufer und
zum Einsatz.
Bei der Synchronmaschine betrachtet man den Polradwinkel, während es bei der Asynchronmaschine zum Schlupf kommt.
Wir betrachten jeweils den Motorbetrieb
- Bei der Synchronmaschine im Motorbetrieb erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Magnetfeld. In diesem muss der Rotor, mit seinem von einem extern stammenden Gleichstrom oder Permanentmagneten erzeugten Läufergleichfeld, mit der synchronen Drehzahl umlaufen. Die beiden Felder drehen mit der gleichen Frequenz und sind gegeneinander lediglich um den Polradwinkel verschoben.
- Beim Asynchronmotor im Motorbetrieb erfolgt keine Erregung, es befinden sich auch keine Permanentmagnete am Rotor, sondern spätestens nach dem Hochlauf werden die Läuferwicklungen sogar kurzgeschlossen.
Ausgehend von den Drehstromwicklungen des Stators erzeugen die drei Strangströme des speisenden Drehstromnetzes ein rotierendes Stator-Magnetfeld. Dieses induziert in den kurzgeschlossenen Läufer Ströme, die ihrerseits ein Läuferdrehfeld bewirken. Auf Grund dieser Induktion nennt man die Asynchronmaschine auch Induktionsmaschine.
Unabhängig von der Läuferdrehzahl laufen das erregende Ständer- und das induzierte Läuferdrehfeld immer gleich schnell um. Die stillstehende ASM verhält sich also wie ein Trafo.
Die beiden Drehfelder bilden ein Drehmoment, welches den Läufer dem Ständerdrehfeld nachlaufen lässt, wodurch der Motor auf Touren kommt. Würde der Läufer exakt die Umlaufzahl von Ständerdrehfeld erreichen, würde mangels Relativbewegung die Induktionswirkung aufhören und es würde kein Drehmoment mehr wirken.
Die Drehzahl des unbelasteten Motors ist daher geringfügig kleiner als die Drehzahl des Erregerfeldes.
Belastet man den hochgelaufenen Motor, so sinkt dessen Drehzahl bei steigendem Drehmoment weiter, es kommt zum Schlupf. D.h. die Drehzahl des Läufers ist dauerhaft kleiner als die Drehzahl des Ständer-Erregerfeldes.
Kurzschluss- bzw. Käfigläufer
Kurzschlussläufer sind billig herzustellen und sind wartungsarm (keine Bürsten), kostengünstig und robust. In den Nuten des Läufers liegen Stäbe, die beiderseits des Blechpakets mit Kurzschlussringen kurzgeschlossen werden. Die Stäbe und die beidseitigen Kurzschlussringe bilden den Käfig, der gleichzeitig das Läuferblechpaket zusammenhält.
Bei Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer hat nur der Stator eine Drehstromwicklung.
Bei der Ausführung als Rundstabläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakets
- runde Stäbe aus Aluminium oder Kupfer.
Bei der Ausführung als Stromverdrängungsläufer, befinden sich in den Nuten des Läuferblechpakts
- ein äußerer Stab aus Messing mit hohem Widerstand für den Anlauf und
- ein innerer Stab aus Kupfer mit niederem Widerstand für den Dauerbetrieb.
Stromverdrängungsläufer haben einen kleinen Anzugstrom aber ein großes Anzugsmoment. Nachteilig ist, dass der Nutquerschnitt ziemlich groß ist, wodurch die Streuung größer ist als beim Rundstabläufer und der Leistungsfaktor bzw. der Wirkungsrad niedriger ausfallen.
Moderne Kurzschlussläufermotoren kommen mit Frequenzumrichter zum Einsatz.
Schleifringläufer
Wenn von dem Netzbetreiber billige Kurzschlussmotoren wegen ihres erhöhten Anzugstroms im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann, nicht zugelassen werden, oder wenn ein besonders hohes Anzugsmoment verlangt wird, oder wenn eine Drehzahlregelung des Motors ohne Frequenzumrichter erforderlich ist, kommen ASM mit Schleifringläufer zum Einsatz.
Bei ASM mit Schleifringläufer haben sowohl der Stator als auch der Läufer eine Drehstromwicklung.
Die Läuferwelle trägt das Blechpaket und an einer Seite vom Blechpaket die drei isoliert auf der Achse sitzenden Schleifringe. Die elektrische Verbindung zu den drei Schleifringen wird durch drei am Stator befestigten Kohlebürsten hergestellt.
In den Nuten des Läuferblechpakets ist die Läuferwicklung untergebracht, die fast immer drei Stränge hat, welche auf der den Schleifringen vis-a-vis gelegenen Seite des Blechpakets meist in Stern, selten in Dreieck geschaltet sind, wobei diese Schaltung innerhalb der Wicklung stattfindet.
Nach dem Anlassen des Motors mittels externer Anlasswiderstände wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen und die Bürsten werden abgehoben. Ein zusätzlicher Kostenfaktor im Vergleich zum Kurzschlussläufer sind die zur Begrenzung des Anlaufstroms erforderlichen Anlasswiderstände.
Motorbetrieb
Die wichtigste Betriebsart der Asynchronmaschine ist die als Drehstrommotor. In einem Elektromotor ist es die Lorenzkraft, die dafür sorgt, dass sich der Anker unter der Einwirkung des, von den Wicklungen im Stator ausgehenden, Magnetfelds dreht.
\(\overrightarrow {{F_L}} = i \cdot \mathop \smallint \limits_0^l \left( {d\vec s \times \vec B} \right) = i \cdot \left( {\vec l \times \vec B} \right)\)
Für den gewöhnlichen Motorbetrieb kommt der untersynchrone Drehzahlbereich, vom
- Stillstand mit n=0 und Schlupf s=1 bis zum
- Synchronismus mit n=ns und Schlupf s=0 in Betracht.
Der Läufer folgt aus dem Stand dem Drehfeld im gleichen Sinn.
Bewegt sich der rotierende Läufer im Grenzfall synchron mit dem von Ständer her magnetisierenden Drehfeld, dann steht die Läuferwicklung relativ zum Drehfeld still. Damit ändert sich die Flussverkettung nicht mehr und die induzierte Spannung ist null. \(\dfrac{{d\Phi }}{{dt}} = 0 \to {U_2} = 0\)
Für beliebige Winkelgeschwindigkeiten des Läufers zwischen Stillstand und synchroner Winkelgeschwindigkeit \(\left( {0 < {\omega _m} < {\omega _s}} \right)\) ist die in die Läuferwicklung induzierte Spannung U2 proportional zur Relativgeschwindigkeit des Läufers gegenüber dem Drehfeld des Stators.
Schlupf
Als Schlupf \(s = \dfrac{{{n_s} - n}}{{{n_s}}} \cdot 100\% \) bezeichnet man den Unterschied zwischen der synchronen Drehzahl ns des Statorfeldes und der tatsächlichen physikalischen Drehzahl des Läufers n.
- Bei der Synchronmaschine dreht sich der Rotor immer synchron zum vom Stator generierten Drehfeld. Die Synchronmaschine hat also im stabilen Betrieb s=0; Der Rotor kann dem Drehfeld lediglich um den Polradwinkel vorlaufen oder nachhinken.
- Eine Asynchronmaschine geht in den motorischen Zustand über, wenn der Läufer zufolge einer externen Belastung mit einer untersynchronen Drehzahl umläuft.
- Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann negativ \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\)
- Eine Asynchronmaschine mit stillstehendem Läufer verhält sich wie ein Trafo, bei dem das Wechselfeld durch ein Drehfeld ersetzt wurde.
Drehzahl der Asynchronmaschine
Die Nenndrehzahl des Drehstrommotors liegt bei etwa 1% .. 6% unterhalb der synchronen Drehzahl, also der des speisenden Netzes. Bei Nenndrehzahl beträgt der Schlupf 3% .. 8%. Ein größerer Schlupf erhöht die induzierte Spannung und damit den Läuferstrom, sowie dessen Frequenz und steigert das abgegebene Drehmoment.
Der dreiphasig gewickelte Schleifringläufer bietet die Möglichkeit die Drehzahl bis auf etwa 75% der Nenndrehzahl herunterzuregeln.
Die Drehmoment- über Drehzahl-Kennlinie kann in der Nähe der synchronen Drehzahl durch eine Gerade dargestellt werden. Die Neigung dieser Geraden kann durch das Zuschalten von Widerständen im Läuferkreis verändert werden, wodurch bei gleichbleibendem Moment eine Drehzahlstellung möglich wird, allerdings zu Lasten des Wirkungsgrads und auf Schleifringläufer beschränkt.
Beim Ausfall einer der drei Netzphasen etwa durch das Auslösen einer Sicherung, läuft der Drehstrommotor als Einphasenmotor weiter, wobei die Gefahr besteht, dass der Motor kippt und stehen bleibt.
Anlauf vom Aynchronmotor
Unabhängig von der Bauform des Läufers kann man unerwünscht hohe Anzugsströme der ASM auch ständerseitig reduzieren.
Man kann den Anzugstrom durch Verminderung der Klemmenspannung herabsetzen, leider reduziert sich damit das Anzugsmoment stark. Die Klemmenspannung kann auf mehrere Arten temporär vermindert werden: Mittels eines Spartrafos oder mittels eines Stern-Dreieck-Umschalters.
Beim Stern-Dreieck-Umschalter läuft die Maschine immer an derselben vorgegebenen Netzspannung (ULL=400V) zunächst in Sternschaltung der Ständerwicklung an, während der Betrieb der Maschine in Dreieckschaltung der Ständerwicklung erfolgt.
Der Anlaufstrom und leider auch das Anlaufmoment betragen in der Sternschaltung nur 1/3 der Werte der Dreieckschaltung. Wenn der Motor in Sternschaltung fast die synchrone Drehzahl erreicht hat, nimmt ihn der Stern-Dreieckschalter kurzzeitig vom Netz und schaltet den Motor dann in Dreieckschaltung wieder ans Netz. Durch das verminderte Anlaufmoment kann der Motor i.a. nicht unter Last hochlaufen, sondern diese muss durch eine Fliehkraftkupplung bei Nenndrehzahl zugeschaltet werden.
Anlasswiderstand
Man kann bei ASM mit Schleifringläufer in Reihe zu den drei Wicklungssträngen des Läufers einen dreiteiligen, regelbaren Widerstand schalten, der beim Anlassen voll eingeschaltet ist, wodurch der Läuferstrom I2 (Sekundärstrom) und auf Grund der Trafowirkung des ASM auch der Primärstrom im Ständer reduziert werden, was sich netzschonend auswirkt.
Dieser Anlasswiderstand befindet ausschließlich im Läuferkreis, er ist mit dem Drehstromsystem nicht in leitender Verbindung. Der Anlasswiderstand setzt aber nicht nur den Anzugstrom herab, sondern er bewirkt auch, zufolge des nun erhöhten ohmschen Widerstands, eine Verminderung der Phasenverschiebung zwischen dem Läuferstrom und dem Drehfeld, die ohne Anlasswiderstände knapp 90° beträgt. Dadurch entsteht eine Vergrößerung des Anzugsmoments bei noch kleiner Drehzahl.
Sobald sich der Läufer in Drehrichtung dreht, wird die Frequenz des Läuferstroms kleiner. (Würde der Läufer synchron mit dem Drehfeld umlaufen, würde die induzierte Wechselspannung zur Gleichspannung werden). Da die Frequenz gemäß \({X_L} = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot L\) in den Blindwiderstand der Läuferwicklung eingeht, bleibt der frequenzunabhängige Wirkwiderstand der Läuferwicklung unverändert. Daher verbessert sich bei höheren Drehzahlen die Lage der Läuferpole zu den Ständerpolen und das Drehmoment nimmt zu. Um die auftretenden Wärmeverluste zu vermeiden, schaltet man die einzelnen Widerstandsstufen des Läuferanlassers nacheinander ab. Der Schleifringläufermotor hat trotz des kleinen Anzugstroms ein großes Anzugsmoment.
Selten vorkommende Ständeranlasser reduzieren zwar auch den Anlaufstrom durch ihren Spannungsabfall, jedoch sinkt das Anzugsmoment quadratisch.
Anzugstrom
Der Nachteil von ASM ist der hohe Anzugstrom im Ständer, der das 8-10-fache des Nennstroms ausmachen kann. Er entsteht, weil der Läufer im ersten Einschaltaugenblick stillsteht, sodass das Ständerdrehfeld mit seiner vollen Periodenzahl von 50Hz induzierend auf die Läuferstäbe einwirkt. Dabei entstehen eine hohe Urspannung und ein hoher Läuferstrom.
Dieser Läuferstrom erzeugt ein Gegenfeld, wodurch das Ständerdrehfeld geschwächt wird und im Ständer ein starker Stromstoß auftritt. Sekundenbruchteile später setzt sich der Läufer in Bewegung und läuft dem Ständerdrehfeld nach. Damit sinkt die Zahl der geschnittenen Feldlinien und damit die Urspannung, sowie Läufer- und Ankerstrom.
Bei Leerlauf erreicht der Läufer fast die synchrone Drehzahl des Statordrehfeldes - der Schlupf ist minimal - wodurch die induzierte Spannung und entsprechend die Ströme sehr gering werden.
Anzugsmoment
Im Einschaltaugenblick wird im stillstehenden Läufer eine Wechselspannung mit vollen 50Hz induziert. Der induktive Widerstand - mit nur kleinem ohmschem Anteil - des Ankers kommt voll zur Geltung, wodurch sich eine Phasenverschiebung von fast 90° zwischen der im Läufer induzierten Spannung und dem sehr hohen Statorstrom ergibt. Lediglich infolge vom ohmschen Widerstand entsteht ein kleines Anzugsdrehmoment.
Mit zunehmender Läuferdrehzahl wird die Phasenlage günstiger und obwohl der Läuferstrom sinkt, steigt das Anzugsmoment. Bei einem Schlupf von ca. 25% hat das Drehmoment sein Maximum. (Im Leerlauf hat es sein Minimum). Bei weiterhin zunehmender Läuferdrehzahl fällt das Drehmoment wieder ab, da es bei einer synchronen Drehzahl zufolge des dann fließenden Gleichstroms im Läufer Null sein müsste.
Generatorbetrieb
Eine Asynchronmaschine geht in den generatorischen Zustand über, wenn der Läufer übersynchron im Verhältnis zum Stator-Drehfeld mechanisch, durch eine Turbine, angetrieben wird. Der Schlupf s ist dann, wie schon weiter oben angegeben, negativ gemäß: \(s = 1 - \dfrac{n}{{{n_s}}}\). Da der Asynchrongenerator keine konstanten 50 Hz liefert, kann er auch nicht direkt in das elektrische Verbundnetz einspeisen.
Ein Asynchrongenerator kann aber seinen Magentisierungsstrom, also die Blindkomponente des Ständerstroms, nicht selbst erzeugen, sondern muss ihn aus dem Netz, in das der Asynchrongenerator seine Leistung einspeist, entnehmen. Das bedingt, dass der Blindstrom für die Erregung von einem im Netz erforderlichen Synchrongeneratoren geliefert werden muss.