Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr. Ing. J. Roth-Stielow
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Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow
Vorlesung Elektrische Energietechnik II Arbeitsblatt zu Kapitel 3
Blatt 1 Universität Stuttgart
Gleichstrommaschine 3.1 Einführung 3.1.1 Anwendung und Einsatz − Erhältlich für alle Leistungsklassen vom Miniaturmotor bis hin zu höchsten Leistungen (z. B. Walzwerksantrieb bei Nippon Steel Oita, Japan: 16,5 MW). − Aufgrund der guten Regelbarkeit und der relativ leicht beeinflussbaren Kennlinie in der „klassischen“ Antriebstechnik für drehzahlveränderliche und geregelte Antriebe geeignet (Aufzüge, Werkzeugmaschinen); in älteren Anlagen noch vorhanden, heutzutage jedoch zunehmend von umrichter- gespeisten Drehstrommaschinen verdrängt. − In einer für Wechselstrom geeigneten Ausführung (sog. Universalmaschine) überragende Bedeutung bei Kleinantrieben (Haushaltsgeräte) sowie als Traktionsantriebe in Elektrolokomotiven älterer Bauart. − Zahlreiche Anwendungen im Kfz.
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Blatt 2 3.1.2 Prinzip Bild 3-1 − Feststehender
mit der felderzeugenden Erregerwicklung , durchflossen vom Erregerstrom I e (alternativ: Permanentmagnet) − Rotierender
, durchflossen vom momentbildenden Ankerstrom I a
− Kommutator (Stromwender) zur Gewährleistung der korrekten Stromrichtung in den einzelnen Ankerstäben I a I e Erregerwicklung Rotor Kommutator Stator
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Blatt 3 mithilfe des Erregerstromes I e durch die Erregerwicklung wird ein magnetisches Feld erzeugt (
φ ), das die Maschine vollständig durchsetzt ↓
die vom
Ankerstrom I a durchflossenen Leiter in den Ankernuten erfahren diesem
, diese
Kräfte führen zur Ausbildung des Drehmoments
↓ während der Rotation des Ankers sorgt der Kommutator dafür, dass die Ankerströme in den einzelnen Nuten stets die für die Momentbildung richtige Richtung aufweisen
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Blatt 4 3.1.3 Ziel und Vorgehen der Vorlesung Die vollständige mathematische Beschreibung der idealisierten Gleichstrom- maschine (Vernachlässigung von Sättigungserscheinungen) erfolgt in mehreren Schritten: 1. Im
des Ständers rotiert der leerlaufende, d. h. nicht angeschlos- sene, stromlose Anker der Maschine. In den Ankerwicklungen werden Spannungen induziert, die beispielsweise an den Bürsten messbar sind (3.2). 2. Der
stromdurchflossene Anker rotiert ohne ständerseitiges Magnetfeld . Für
diesen Betriebszustand können wichtige elektrische Eigenschaften des Ankerkreises angegeben werden (3.3). 3. Erst bei gleichzeitig
und
ständerseitigem Magnetfeld (Kombination von 1. und 2.) kommt es zur Momentbildung und damit zur Leistungsabgabe an der Welle. → Überlagerung von 1. und 2. ermöglicht die Herleitung von Ersatzschaltbild und
Betriebskennlinien
(3.2, 3.3 und 3.4).
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Blatt 5 zu 3.2: Die Bildung der Leerlaufgleichspannung
Bild 3-2
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Blatt 6
Bild 3-3
Bild 3-4
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Blatt 7 Bisher: Flussführung durch Luft zur Erzeugung der magnetischen Induktion ist eine sehr hohe Durchflutung erforderlich (2.3). Jetzt: Flussführung durch Eisenkörper (mit hohem magn. Leitwert ch):
Bild 3-5 Flussführung... ...außerhalb des Ankers: Polschuhe und Verbindungsschenkel, der die Erregerspule trägt (oder einen Permanentmagnet enthält) (= Stator). ...innerhalb des Ankers: Eisenkörper i.d.R. als tragende Konstruktion für die Ankerwicklung bzw. Ankerstäbe. Der Eisenkörper rotiert; dies beeinflusst sein Vermögen zur Flussführung nicht, wenn die Ausbildung von Wirbelströmen verhindert wird (siehe später). ...zwischen Stator und Anker: Luftspalt; aus mechanischen Gründen (Rotation) erforderlich.
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Blatt 8
• Feldlinien stehen senkrecht (Richtung der magn. Induktion) auf der Oberfläche von Anker und Polschuh. • Der Betrag der magn. Induktion unter dem Polschuh ist ortsabhängig, und zwar vom Zentrum (Maximum) nach außen hin abnehmend. Verlauf ui(α) ändert sich gegenüber der Anordnung aus 3.2.1
(Bild 3-4 bei homogenem B-Feld):
Bild 3-6
i ˆu , i U
sind einerseits proportional Ω, andererseits proportional einer die Stärke der magnetischen Induktion beschreibenden Größe, z.B. Bmax oder dem ...
• Nutzfluss (siehe 2.3.3.4): Polschuh h e e A B dA N Φ =
Θ = ⋅ I (3-8)
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Blatt 9 zu 3.3: Das Elektrische Verhalten des Ankerkreises
Bild 3-7
• Bei feiner Nutteilung (hohe Nutenzahl, kleine Werte von ε) ist das Ankerquerfeld unabhängig von der augenblicklichen Stellung des Ankers. • Für
a const.
= I werden längs des Weges x C die in Stäben der linken Ankerhälfte induzierten Spannungen durch die in Stäben der rechten Ankerhälfte induzierten Spannungen kompensiert. • Für y
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Blatt 10 zu 3.5: Kennlinien
Bild 3-8
Fremd- erregung Permanent- erregung Nebenschluss- erregung Reihenschluss- erregung
Bild 3-9
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Blatt 11 0 i M Ω stN M N Ω l N φ N 1,2
φ = ⋅ φ
N 0,8
φ = ⋅ φ
0 i M Ω stN
M N Ω l N U N U 1,2 U
= ⋅ N U 0,8 U = ⋅ Konstante Erregung ( N φ = φ ) Variation der Ankerspannung U
Bild 3-10
Variation der Erregung φ Konstante Ankerspannung ( N U U
= )
Bild 3-11
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Blatt 12 0 i M Ω stN M N Ω l N U N U 1,2 U
= ⋅ N U 0,8 U
= ⋅ N φ N 1,2 φ = ⋅ φ
N 0,8
φ = ⋅ φ
Nebenschlusserregung Variation der Spannung U ( e U
φ )
Bild 3-12
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Blatt 13 3.6 Praktische Ausführungen von Gleichstrommaschinen 3.6.1 Anzahl der Polpaare (p)
Bisheriges Beispiel:
p = 1
(1 Polpaar, 2-polige Maschine)
Bild 3-13
Weiteres Beispiel:
p = 2
(2 Polpaare, 4-polige Maschine)
Übliche Polpaarzahlen: p = 2, p = 3
Bild 3-14
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Blatt 14 3.6.2 Wicklungsprinzipien (für die Ankerwicklung) „Abgewickelte Darstellung“ von Ankerwicklungen (Beispiele):
a) Eingängige, ungekreuzte Schleifenwicklung
Bild 3-15
Bild 3-16
c) Zweigängige Treppen-Wellenwicklung (Richter, Elektr. Maschinen, Bd. 1)
Bild 3-17
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Blatt 15 3.6.3 Wicklungsausführungen (für die Ankerwicklung): Stabwicklung: Jeder Ankerleiter ist am Anfang „a“ direkt mit dem Kommutator verbunden. In jeder Ankernut liegt nur ein Ober- und ein Unterstab („Windungszahl 1“) Spulenwicklung: Zwischen zwei Anschlusspunkten am Kommutator liegt eine „Spule“ von (dünnen) Ankerdrähten (Windungszahl > 1) 3.6.4 Kommutator, Stromwender Die sich mit der Ankerwicklung drehenden Kontaktsegmente heißen Kollektor, Stromwender oder
Kommutator .
Die Spannung zwischen je zwei benachbarten Kommutatorsegmenten darf 20V ... 40V nicht überschreiten, sonst besteht die Gefahr der Lichtbogenbildung, im Extremfall entsteht ein „Rundfeuer“.
Bild 3-18
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Blatt 16 3.6.5 Ankerrückwirkung Das Hauptfeld wird durch das Ankerquerfeld unter einer Hälfte des Pols verstärkt, unter der anderen Hälfte geschwächt. Bei Auftreten von Eisensättigung wird die Schwächung des Hauptfeldes unter der einen Polhälfte nicht mehr vollständig durch die Verstärkung unter der anderen Polhälfte ausgeglichen, der Haupt-(Nutz-)fluss wird kleiner: „Feldschwächung infolge Ankerrückwirkung und Eisensättigung“ Abhilfe in diesem Fall schafft die ... 3.6.6 Kompensationswicklung Ankerdurchflutung und resultierendes Ankerquerfeld sind bei konstantem Anker- strom zeitlich und örtlich praktisch konstant. Die Verzerrung des Hauptfeldes durch das Ankerquerfeld kann also durch ein gleichfalls stillstehendes „Spiegel- bild“ zur Ankerdurchflutung vermieden werden. Dieses „Spiegelbild“ wird durch die
Kompensationswicklung erzeugt.
Bild 3-19
Die Kompensationswicklung hebt nur den an der Drehmomentbildung unbeteiligten Ankerquerfluss auf, nicht den für die Drehmomentbildung ursächlichen Hauptfluss!
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Blatt 17 3.6.7 Stromwendung Während der Rotation des Ankers muss die Stromrichtung in den querliegenden (gerade kommutierenden) Spulen bzw. Windungen umgekehrt werden:
Bild 3-20
Induktivität aufweisen, ist für die Änderung der Stromrichtung in der quer- liegenden (gerade kommutierenden) Ankerspule eine Wendespannung
erforderlich. Möglichkeiten zur Bereitstellung der Wendespannung: a) Ohne besondere Maßnahmen: Es bildet sich an der ablaufenden Kante der Bürste ein Lichtbogen aus, an dem die Wendespannung abfällt.
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Blatt 18 b) Durch Verdrehung der Bürsten aus der „neutralen“ Zone wird in der gerade kommutierenden Spule eine Spannung induziert:
Bild 3-21
c) Zusätzliche Wendepole erzeugen einen Fluss, der in der gerade kommutierenden Spule eine Spannung induziert:
Bild 3-22
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Blatt 19 Ω R e L e i a (t) u e (t) u(t) R a L a m i (t)
u i (t) φ (t)
u I,II
(t) 3.6.8 Universalmaschine Eine Gleichstrom-Reihenschlussmaschine kann prinzipiell auch mit Wechselstrom betrieben werden, da hier der feldbildende Erregerstrom mit dem drehmoment- bildenden Ankerstrom identisch ist. Das sich ausbildende Drehmoment hat damit eine eindeutige Richtung, unabhängig vom momentanen Vorzeichen des Stromes. Die Drehrichtung der Maschine wird ausschließlich von ihrem Aufbau (Wickelsinn, Verschaltung) bestimmt.
Bild 3-23
Nebenschlussmaschinen können wegen der stark unterschiedlichen Induk- tivität von Anker- und Erregerkreis im Allgemeinen nicht mit Wechselstrom betrieben werden (Phasenverschiebung zwischen Erreger- und Ankerstrom führt zu Gegenmomenten). Eine solche mit Wechselstrom betriebene Gleichstrom-Reihenschlussmaschine
bezeichnet man als Universalmaschine Anwendungsbeispiele: Haushaltsgeräte, Elektrolokomotiven älterer Bauart
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Blatt 20 Das grundsätzliche Verhalten entspricht dem der Gleichstromreihenschluss- maschine (Kennlinie, Anlaufpunkt, Leerlaufdrehzahl).
Besondere Eigenschaften: 1. Das Drehmoment der Maschine pulsiert mit der doppelten Frequenz des Maschinenstromes: Ankerstrom: a a i (t) i cos( t) = ⋅
ω
Erregerfluss: (3 10)
e e e e (t)
c i (t) N c i cos( t) N − φ
⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ω ⋅
Resultierendes Drehmoment ( a e i i i = = , Reihenschluss): (3 24)
2 2 1 i e e 2 m (t)
K c N (i cos( t)) K c N i
(1 cos(2 t)) − = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
ω = ⋅ ⋅
⋅ ⋅ + ω
Arithmetischer Mittelwert des Drehmoments: 2 1 i e 2 M K c N i
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
2. In der gerade kommutierenden, quer liegenden Spule der Ankerwicklung wird eine von der Änderung des Erregerfeldes herrührende und drehzahlunabhängige Spannung
induziert. Sie muss zur Selbstinduktionsspannung während der Stromänderung in dieser Spule addiert werden und erschwert zusätzlich die Kommutierung. → Wendepole bei größeren Maschinen unbedingt notwendig. Problem: Diese transformatorisch induzierte Spannung durch das Wechselfeld tritt unabhängig von der Drehzahl des Rotors auf. Bei stehender (bzw. langsam drehender) Maschine kann sie
durch das Wendepolfeld aufgehoben werden.
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Blatt 21 Bild 3-24
3. Der Stator der Maschine muss zur Verringerung von Wirbelstromverlusten in jedem Fall geblecht werden (Wechselfluss φ(t) induziert Wirbelströme im Eisen). 4. Die Maschine als Wechselstromzweipol weist einen Leistungsfaktor cos φ < 1 auf. Dieser verändert sich mit den Feldverhältnissen. → Durch Einbau von Kompensationswicklungen zur Aufhebung des Anker- querfeldes kann der cos φ verbessert werden. Von den quer liegenden Windungen aufgespannte Fläche φ (t)
Ω m i (t) i a (t) Hauptpol Erregerpol Wendepol Download 126 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
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