Dahlander-Schaltung [Bearbeiten] Dahlanderschaltung für niedrige und hohe Drehzahl (Dreieck und Doppelstern)Mit der Dahlanderschaltung kann die Polzahl der Asynchronmaschine (polumschaltbare Motoren) im Verhältnis 1:2 erhöht und somit deren Drehzahl im Verhältnis 2:1 verändert werden. Typische Anwendungen sind: Drehmaschinen mit 2 Grunddrehzahlen: langsam- oder schnelllaufend. 2-stufiger Lüfterantrieb für Gebäudelüftung Die Dahlander-Schaltung bietet bei Asynchronmaschinen in Käfigläuferausführung die Möglichkeit der Polumschaltung und damit der Drehzahlumschaltung. Polumschaltbare Motoren [Bearbeiten] Es ist denkbar, auf einer Welle zwei komplett getrennte Motoren anzuordnen. Elegant ist es dann, wenn diese Motoren in einem Gehäuse sind. Dann können auch beide Motoren einen gemeinsamen Rotor (Käfig) haben. Die Statorwicklungen werden jedoch doppelt ausgeführt. Stator eins ist für die niedrige Drehzahl ausgelegt. Stator zwei ist für die vier- oder sechsfache Drehzahl ausgelegt. Ein Drehzahlverhältnis von eins zu zwei wird meist mit der oben beschriebenen Dahlanderschaltung realisiert.
KUSA-Schaltung [Bearbeiten] Nicht immer geht es darum, den Einschaltstrom herabzusetzen. In manchen Fällen geht es auch darum, dass ein zu hohes Anzugsmoment, bei direkter Einschaltung, sich störend auf die Anlage auswirkt. Die sogenannte KUSA-Schaltung (Kurzschlußläufer-Sanftanlauf) ist eine Schaltung zum Anlassen von Drehstrommotoren mit Käfigläufer, bei ca. der Hälfte des Nenndrehmomentes. Bei der KUSA-Schaltung wird in den Laststromkreis des Drehstrommotors in einem Außenleiter ein Vorwiderstand geschaltet, der nach einer einstellbaren Zeit oder manuell mittels Kontaktes kurzgeschlossen wird. Es ist oft zweckmäßig, den Vorwiderstand anzuzapfen, um verschiedene Beträge das Anlaufmomentes einstellen zu können. Diese Anlaufart kommt nur bei Leerlauf oder geringem Gegenmoment in Betracht.
Vor- und Nachteile [Bearbeiten] Mit dem Siegeszug der Drehstromwechselrichter werden heute nahezu ausschließlich nur noch Kurzschluss-Käfigläufermotoren (engl. squirrel cage induction motor) benötigt. Dieser Ausführungsart verdankt der Asynchronmotor seine Bezeichnung als „Arbeitspferd“ der elektrischen Antriebstechnik. Kombiniert mit einem entsprechend gesteuerten Frequenzumrichter ist er auch in der Lage, gegen große Gegenmomente von Arbeitsmaschinen anzulaufen. Die Frequenzumformerbaugruppen übernehmen derzeit zunehmend auch die Aufgabe des Motorschutzes. Außerdem werden Motoren mit angebautem Frequenzumformer angeboten. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand. Vorteile
lange Lebensdauer, wartungsarm, kein Bürstenverschleiß beim Kurzschlussläufer, (typischer mittlerer Ausfallabstand 20.000 Std.) kurzzeitig stark überlastbar (bis größer 2x Nennmoment) nahezu konstante Drehzahl, kein „Durchgehen“ im Leerlauf einsetzbar im Ex-Bereich (explosionsgefährdeter Bereich), da keine Bürsten oder Schleifringe (Vermeidung des Bürstenfeuers - Funkenbildung) „selbstständiger“ Anlauf möglich vergleichsweise geringe Herstellungskosten der Läufer ist spannungslos und kann auch in Flüssigkeiten, Gasen oder im Vakuum laufen. (Beispiel: Umwälzpumpe) Anlauf gegen hohe Gegenmomente ohne Hilfsmittel (auch abhängig von Läuferbauform) sehr robuste Ausführung, Medienverträglichkeit des Aktivteils (Öl, Gase, etc.) hohe Drehzahltauglichkeit, daher bei Betrieb mit Wechselrichter hohe Leistungsausbeute hoher Wirkungsgrad im Feldschwächbereich Nachteile
Drehzahlveränderung nur bei Sonderbauformen mit Polumschaltung oder mit zusätzlichem Frequenzumrichter möglich insbesondere bei kleinen Ausführungen ca. 20 bis 30 % mehr Volumen pro Drehmoment gegenüber permanent – magnetisierten Synchronmotoren 3 Außenleiter zur Versorgung notwendig (ersatzweise Frequenzumrichter oder Betriebskondensator (Kondensatormotor) bei Einphasenwechselstrom möglich) kleinerer Wirkungsgrad im Vergleich zur permanent magnetisierten Synchronmaschine bei hoher Momentausnutzung komplexe theoretische Verfahren zur Berechnung (im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen) geringes Anlaufmoment, außer bei Verwendung eines Frequenzumrichters mit Hochlaufsteuerung Schritt- bzw. Servomotoren haben bei Positionieraufgaben Vorteile und sind im Vergleich leichter Normen und Kategorien [Bearbeiten] In der Europäischen Gemeinschaft ist die EN 60034 „Drehende elektrische Maschinen“ zu beachten. Normmotoren Genormte Anbaumaße werden für Deutschland mit den Normen DIN 42673, 42676 und 42677 vorgegeben. Der Leistungsbereich bis ca. 200 kW gehört den NiederspannungsNormmotoren. Im Bereich der Normmotoren, für die die großen Hersteller Listen mit technischen Daten veröffentlichen, sind die Motoren nach Drehmomentklassen eingeordnet. Üblicherweise können diese Motoren gegen das 2-fache Nennmoment anlaufen. Für die Konstruktion ist die Achshöhe ein Richtmaß. Der Normmotorenbereich beginnt bei der AH56 und reicht bis zur AH315 (ca. 200 kW). Oberhalb der AH 315 beginnt mit der AH 355 der Transnormmotorenbereich. Sonderbauformen Außenläufer mit Stator innen, Rotor außen Linearmotor mit flacher „abgerollter“ Geometrie Stator in linearer Rohrform zur Förderung von flüssigen Metallen in einem Rohr Läufer als Aluminiumzylinder oder -scheibe im Luftspalt (Ferrarismotor) Motoren für den explosionsgefährdeten Bereich Asynchrongenerator [Bearbeiten] Im Generatorbetrieb rotiert der Läufer schneller als das Magnetfeld und speist so Energie in das Netz ein. Es gibt drei verschiedene Asynchronmaschinen, die als Generator eingesetzt werden. Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer: Asynchrongenerator
Asynchronmaschine mit Schleifringläufer: Doppelt gespeiste Asynchronmaschine Asynchronmaschine mit zwei Statoren: Kaskadenmaschine Alle drei Generatortypen werden in dezentralen Kraftwerken eingesetzt. Idealisierte Betrachtung / Ersatzschaltbild [Bearbeiten] Zum Verständnis der Vorgänge einer Drehzahlregelung ist die Betrachtung des Ersatzschaltbilds der Asynchronmaschine unumgänglich. Das Ersatzschaltbild zeigt eine zur Maschine elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Frequenzumrichter sieht. Auf der linken Seite ist die Ständerwicklung dargestellt, sie besteht aus Rs (Kupferwiderstand und äquivalenter Serienwiderstand der Ummagnetisierungsverluste) und dem Blindwiderstand ihrer Induktivität Xs bei asynchronem Lauf. Rechts ist der Läufer oder Rotor dargestellt: die Induktivität Xr repräsentiert die bei stillstehendem Motor erscheinende Induktivität, sie ergibt sich aus den am stehenden Kurzschlusskäfig vorbeilaufenden Magnetfeldlinien. Der Wirkwiderstand Rr setzt sich zusammen aus dem äquivalenten Wert der von der Maschine abgegebenen Wirkleistung; dieser Wert verändert sich mit der Veränderung des Drehmoments bzw. der Belastung der Maschine. Er ist im Leerlauf der Maschine sehr groß. dem entsprechend dem Quadrat der Stator-Windungszahl herauftransformierten ohmschen Widerstand des Kurzschlusskäfigs; der Kurzschlusskäfig besteht aus einzelnen, im Eisen eingebetteten Windungen, meist aus Aluminium. Im Leerlauf besteht das Ersatzschaltbild des Asynchronmotors im Wesentlichen also aus Rs und Xs, weshalb eine solche Maschine fast nur Blindleistung aufnimmt. Der im Leerlauf aufgenommene Strom ist oft ähnlich hoch wie der Nennstrom, die Maschine hat aufgrund der Kupfer- und Ummagnetisierungsverluste bei Leerlauf oft bereits über die Hälfte der Verlustleistung bei Nennbelastung. Mit zunehmender Belastung steigt der Wirkstrom durch Rr und damit im Kurzschlusskäfig an. Der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung verringert sich von nahezu 90° auf kleinere Werte. Bei hochmagnetisierten Asynchronmotoren findet mit ansteigendem Drehmoment sogar zunächst oft ein Rückgang des Gesamtstroms statt, welcher erst später mit steigendem Drehmoment dann wieder bis zum Nennstrom ansteigt. Von der Asynchronmaschine wird also mit Xs ein Blindstrom aufgenommen, welcher für die Magnetisierung der Maschine sorgt. Im Gegensatz zur Synchronmaschine muss die magnetische Durchflutung in der Asynchronmaschine erst durch den Blindstrom in der Ständerwicklung aufgebaut werden. Der belastungsabhängige Wirkstrom erzeugt einen Spannungsabfall im Käfig-Anteil des Rr, aber nur einen unwesentlich höheren Spannungsabfall in Rs. Folglich steigen die Verluste bei zunehmender Belastung im Läufer schneller an als im Stator. Der Kupferwiderstand Rs und der „Kupfer“-Widerstand vom Käfigläufer-Anteil von Rr verursachen mit dem Quadrat der Stromaufnahme steigende Verluste, daher sinkt der Wirkungsgrad der Maschine mit steigender Belastung ab. Hinzu kommt deren Temperaturabhängigkeit, weshalb die Effizienz der warmen Maschine noch etwas sinkt. Im Umrichterbetrieb wird bei immer kleiner werdender Frequenz der Blindwiderstand Xs
ebenfalls immer kleiner. Bei Einhaltung des Nennstromes muss daher die vom Frequenzumrichter gelieferte Spannung sinken. Damit wird das Verhältnis des Spannungsteilers Rs zu Xs immer ungünstiger und Rs führt zu relativ zur verfügbaren Motorleistung steigenden Verlusten. Bei Dauerbetrieb kann dabei nur annähernd das Nenndrehmoment erzeugt werden, da die Kühlung von Läufer und Stator nicht ausreichend gegeben ist. Bei höheren als der Nenndrehzahl bzw. Nennfrequenz darf ein Asynchronmotor dagegen - unter Berücksichtigung der Isolation - an höheren Spannungen arbeiten und ist effektiver. Moderne Frequenzumrichter können Rs /Rr selbst messen und sind damit in der Lage, sich selbst automatisch für einen beliebigen angeschlossenen Motor zu konfigurieren und ihn so vor Überlastung zu schützen. Ein Haltemoment oder Drehzahlen nahe Null können mit einer Vektorregelung erreicht werden. Auch hier fehlt Kühlung, da das Lüfterrad am Läufer dann diesen selbst, die herausragenden Statorwicklungen und den Luftspalt nicht mehr kühlt. Komplexes Zeigermodell des Asynchronmotors mit Käfigläufer [Bearbeiten] Das Modell unterliegt der Voraussetzung eines rotationssymetrischen Aufbaus der Maschine sowie dem Fehlen einer Streufeldreluktanz. Um diese kann das Modell erweitert werden. Sie wird hier jedoch (zunächst) nicht berücksichtigt, um das Modell möglichst einfach und verständlich zu halten. Gleiches gilt für die Windungszahl der Ständerwicklung. Hierbei werden die Einträge eines Vektors (x,y) in der Rotationsebene als komplexe Zahl x+iy dargestellt. Das Feld Φ sowie die Speisespannung U1 sowie der Statorstrom I1 sind die rotierenden Zeigergrößen des Ständers, I2 ist der Zeiger des Läuferstroms. Angeschlossen an die drei Phasen des Elektrizitätsnetzes kann der Zeiger U1 als dargestellt werden. (Dreiecksschaltung) Die Maschengleichung des Ständerkreises lautet unter Berücksichtigung des Induktionsgesetzes: . Da der Läufer vorwärts rotiert „sieht“ er das Magnetfeld rückwärts rotieren. . Somit ergibt sich die Maschengleichung des Läuferkreises in mitrotierenden Koordinaten: . Das Magnetfeld ist Ergebnis von Läufer- und Ständerstrom multipliziert mit der Hauptfeldreluktanz X: Φ = X(I1 + I2'exp(jγ)). Ersetzt man I2' durch I2 = I2'exp(iγ) ergibt sich das Gleichungssystem mit den Unbekannten Φ,I1 und I2.
Φ = X(I1 + I2). Berücksichtigt man Streufeldreluktanzen in Form der Induktivitäten L1 und L2 sowie die Windungszahl n des Ständers erhält man sehr ähnliche Gleichungen:
Φ = X(nI1 + I2). Das erzeugte Drehmoment ergibt sich aus dem Kreuzprodukt von Φ und Läuferstrom. Hier wird das analog zum Zeigermodell in Komplexzahlenrechnung dargestellt. MMotor = Im(ΦI2 * ) (* für I_2 konjungiert komplex) Wicklungsanordnung [Bearbeiten] Spulengruppe [Bearbeiten] Aus Platzgründen werden im Regelfall nicht alle Windungen einer Spule in einer Nut konzentriert, sondern in mehreren nebeneinander liegenden Nuten verteilt. Außerdem sorgt diese Maßnahme für eine Glättung des Erregerfelds. Durch diese Verteilung verringert sich die Spannungsamplitude, was durch den Zonenfaktor berücksichtigt wird.
Sehnungsfaktor [Bearbeiten] Als Sehnung wird bei einer Mehrschichtwicklung die Verschiebung der Wicklungslagen bezeichnet. Diese Verschiebung bewirkt eine Glättung der Erregerkurve und damit eine Reduzierung der Oberwellen der induzierten Spannung. Durch die Sehnung verringert sich die induzierte Spannungsamplitude, was durch den Sehnungsfaktor berücksichtigt wird. Er berechnet sich zu
Wicklungsfaktor [Bearbeiten] Das Produkt aus Sehnungs- und Zonenfaktor wird als Wicklungsfaktor bezeichnet. Kennwerte/Kennlinien [Bearbeiten] Die Begriffe Nennleistung, Nenndrehzahl und Nenndrehmoment ergeben sich aus den Angaben zum zugehörigen Typenschild. In diesem Zusammenhang wird auch von den Auslegungswerten gesprochen. Das Nennmoment ist in der Regel nicht auf dem Typenschild vermerkt. Es kann aus nachstehender Formel errechnet werden. Siehe auch Leistung bei Technischen Anwendungen.
Leistung P in Kilowatt (kW) Drehzahl n in Umdrehungen je Minute (min -1) Drehmoment M in Newtonmeter (Nm) 9550 ist ein gerundeter Zahlenwert Die zugehörige Synchrondrehzahl (oder Drehfelddrehzahl) liegt immer knapp über der Nenndrehzahl, die sich aus ergibt. Drehzahl n in Umdrehungen je Minute (min -1) Netzfrequenz f in Hertz oder (-1) (auf dem Typenschild angegeben) Polpaarzahl p (immer ganzzahlig) Bei 50 Hertz ergeben sich so Werte von 3000, 1500 oder 750 Umdrehungen pro Minute mit den Polpaarzahlen 1, 2 oder 4. Leistungsschild einer Drehstrom-Asynchronmaschine im Kraftwerk Berlin-Moabit.Das gezeigte Beispiel für ein Typenschild bezieht sich auf einen Motor, der nur für den Sternbetrieb geplant ist. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz und einer Nennleistung von 5000 kW und einer Nenndrehzahl von 1480 U/min ergibt sich: Polpaarzahl = 2 Synchrondrehzahl = 1500 U/min Nenndrehmoment ungefähr 32,3 kNm Kennlinienbeispiel [Bearbeiten] KennlinieDas nebenstehende Bild zeigt den typischen Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl. Im Dreiecksbetrieb hat der Motor im Vergleich zum Sternbetrieb etwa das dreifache Anzugsmoment. Die Betriebspunkte B1 oder B2 liegen jenseits des Kippmomentes K1 oder K2. Mit P ist (als Beispiel) die Kurve für das erforderliche Drehmoment einer Kreiselpumpe eingezeichnet. Es kommt darauf an, dass der Drehzahlbereich von Null bis zum Kipppunkt möglichst schnell durchfahren wird, denn in diesem Bereich hat der Motor einen schlechten Wirkungsgrad und erwärmt sich dementsprechend. Die (kritische) Anlaufzeit hängt von der Trägheit der Arbeitsmaschine und von dem Verhältnis der Anfahrmomente ab. Das Beispiel zeigt auch, dass hier ein Dreiecksbetrieb nicht notwendig ist, denn die Betriebspunkte B1 und B2 liegen dicht beieinander. Die Pumpe würde allenfalls 3 bis 5 Prozent mehr fördern. Bezogen auf den Querschnitt des Zuleitungskabels kann der Dreiecksbetrieb dennoch sinnvoll sein, denn die Stromstärke ist um den Faktor 1,7 geringer. In dem Beispiel ist das antreibende Drehmoment (Stern) im Anfahrbereich etwa 2 bis 4 mal
größer als das erforderliche Moment der Pumpe. Die Differenz ist der beschleunigende Anteil. Daher könnte hier ein Anlauf der Pumpe mit offenen Schieber erfolgen. Technischer Standard ist der Anlauf einer Pumpe mit geschlossenem Schieber. Dann ist das erforderliche Moment erheblich kleiner und der kritische Anlaufbereich wird schnellstmöglich durchfahren. Lüfter mit langen Flügeln (z.B. in einem Kühlturm) haben ein großes Massenträgheitsmoment. Ferner ist der Anlauf nur unter Last möglich. Dadurch ergeben sich lange Anlaufzeiten und die Planung Motor - Lüfter erfordert regelmäßig eine sorgfältige Auslegung. Anwendungsbeispiele [Bearbeiten] Leistungsschild einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine im Kraftwerk BerlinMoabit.Kleinleistungsmotoren Pumpenantriebe in allen Industriebereichen Kompressoren (z. B. Kältemittelkompressoren für kleinere Kühlräume) Ventilatoren für alle Industriebereiche Antriebe für Flurförderzeuge Mittelleistungsmotoren Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren für alle Industriebereiche Pressenantriebe (Schwungrad-, Spindel-, Exzenter-) Extruderantriebe Traktionsantriebe für Autos und Busse (Elektro- oder Hybridfahrzeuge) Werkzeugmaschinenantriebe (z. B. Hauptspindelantriebe) Hilfsantriebe auf Schiffen, Lokomotiven etc. Hochleistungsmotoren Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren für alle Industriebereiche Kraftwerkshilfsantriebe Traktionsantriebe für Bahnen Seil/Kettenzugantrieb Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke [Bearbeiten] EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn für elektrische Maschinen DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen EN 60034-6 Kühlarten, drehende elektrische Maschinen Literatur [Bearbeiten] Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9 Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-80855002-3 Andreas Kremser: Elektrische Maschinen und Antriebe, Grundlagen, Motoren und
Anwendungen. 2. Auflage, Teubner Verlag, Stuttgart, 2004, ISBN 3-519-16188-5 Detlev Roseburg: Elektrische Maschinen und Antriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 1999, ISBN 3-446-21004-0 Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9 Siehe auch [Bearbeiten] Drehstrom-Kollektormotor Drehzahlregelung Stromverdrängungsläufer Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Drehstrom-Asynchronmaschine“ Kategorie: ElektromotorAnsichten ArtikelDiskussionSeite bearbeitenVersionen/AutorenPersönliche Werkzeuge AnmeldenSuche Navigation Hauptseite Über Wikipedia Themenportale Von A bis Z Zufälliger Artikel Mitmachen Hilfe Autorenportal Letzte Änderungen Kontakt Spenden Buch erstellen Wikiseite hinzufügen Hilfe zu Büchern Werkzeuge Links auf diese Seite Änderungen an verlinkten Seiten Spezialseiten Druckversion Permanentlink PDF-Version Seite zitieren Andere Sprachen العربية Български Česky Dansk English Español فارسی Suomi Français Galego Hrvatski
Italiano 日本語 한국어 Nederlands Polski Português Русский Srpskohrvatski / Српскохрватски Slovenčina Српски / Srpski Svenska Українська