Möglichkeiten der Drehzahlverstellung6

erlaubter Bereich verbotener Bereich,Ankerstrom zu groß

Bild 6: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines fremderregten Gleichstrommotors

Die Speisung einer fremderregten Gleichstrommaschine er folgt aus zwei Quellen. Eine Quelle für den Ankerkreis und eine für den Erregerkreis. Das Verstellen einer Größe (Anker- oder Erregerspannung) ist dadurch unabhängig von der anderen möglich. Allerdings kann ein Verstellen der Ankerspannung durch die damit verbundenen hohen Ströme schwierig werden. Im Bild 6 sehen Sie die Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie eines fremderregten Gleichstrom-motors.

Innerhalb bestimmter Grenzen ist eine Drehzahlverstellung ohne Schaden für die Maschine möglich. Die Stellmöglich-keiten sind allein durch den zulässigen Ankerstrom – vor-gegeben durch Leitungsquerschnitte im Anker und Ausle-gung des Kommutators – beschränkt.

Innerhalb dieses Bereiches kann durch Änderung der Anker spannung jede Betriebsdrehzahl eingestellt werden. In Zusammenhang mit einer Last, die z. B. eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie wie eine Fräsmaschine hat, erge-ben sich beliebig viele einstellbare Betriebsdrehzahlen.

Bild 7 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der Drehzahl vom Drehmoment bei verschiedenen Ankerspannungen und damit die Möglichkeiten einer Drehzahlverstellung mittels der Ankerspannung.

Bild 7: Drehzahlverstellung eines Antriebsmotors über die An-kerspannung

wendung solcher Getriebe erfolgt derzeit hauptsächlich im Automobil bau.

Aufgabe 2:Warum wird bei unserer Holzfräsmaschine kein Getriebe mit stufenloser Übersetzung verwendet?

Elektrische Maschinen und ihre 3. Drehzahlstellmöglichkeiten

Jede elektrische Maschine lässt sich in ihrer Drehzahl auch ohne Getriebe stufenlos verstellen. Besonders vorteilhaft in dieser Beziehung sind elektrische Antriebe, die durch ihre Drehzahlverstellmöglichkeiten ein Zwischengetriebe vollkommen ersetzen (Direktantriebe). Sie finden Anwen-dung in Bahn- und Fahrzeugantrieben.

Welche Größen verstellt werden müssen, um eine andere Drehzahl zu erhalten, und mit welchem Aufwand das ver-bunden ist, soll im Folgenden geklärt werden. Die wich-tigsten und technisch sinnvollsten Eingriffsmöglichkeiten zur Drehzahlverstellung sind in Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Eingriffsmöglichkeiten zur Drehzahlverstellung elektri-scher Maschinen

Gleichstrommaschinen3.1

Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, die Drehzahl einer Gleichstrommaschine zu beeinflussen:

Verstellen der Ankerspannung –

Verstellen der Erregerspannung –

Anhand einer fremderregten Gleichstrommaschine sollen diese Möglichkeiten und deren Folgen gezeigt werden. Die folgenden Erklärungen beziehen sich auf Bild 6.

Möglichkeiten der Drehzahlverstellung 7

nung auf Werte unterhalb der angegebenen Nennspan-nung erhöht sich die Drehzahl über die Nenndrehzahl der Maschine.

Bild 8 zeigt das Drehzahl-Drehmomentverhalten für ver-schiedene Werte der Erregerspannung. Die Verringerung dieser Spannung hat entsprechend ein abgesunkenes Erregerfeld zur Folge – man spricht dann von einer Feld-schwächung. Die Maschinendrehzahlen verhalten sich dabei umgekehrt proportional zur Erregerspannung.

Bild 8: Drehzahl-Drehmomentverhalten bei Feldschwächung

Die Leerlaufdrehzahl lässt sich nach folgender Formel be -rechnen:

n01n02

= UE2

UE1

Auch hier lässt sich eine neue Betriebsdrehzahl anhand der Schnittpunkte mit einer Lastkennlinie ermitteln. Bei zu nehmender Feldschwächung nimmt die Drehzahl zu. In der Praxis kommen Drehzahlerhöhungen bis zum vierfa-chen der Nenndrehzahl vor, die auftretenden Fliehkräfte bilden dabei eine Grenze, die nicht überschritten werden darf.

Aufgabe 4:Der Gleichstrommotor aus Bild 8 hat eine Leerlauf-drehzahl von n0 = 3 000 min-1 bei einer Erregernenn-spannung von 220 V. Das Lastmoment des Fräsers beträgt 30 Nm.

a) Tragen Sie in Bild 8 den Arbeitspunkt AP1 ein und lesen Sie die dazugehörige Drehzahl n1 ab.

b) Zur Erhöhung der Drehzahl wird die Erregerspan-nung auf 60 % der Nennspannung, also auf 132 V eingestellt. Tragen Sie im Bild 8 den neuen Arbeitspunkt AP2 ein und lesen Sie die Drehzahl n2 ab.

Die Drehzahlen ergeben sich durch die Schnittpunkte von Last- und Antriebskennlinie. Aus Bild 7, → S. 6 wird klar, dass eine Drehzahlverstellung über die Ankerspannung jederzeit durchführbar ist. Durch Veränderung der Anker-spannung zwischen 0 und 100 % der Ankernennspannung kann so die Drehzahl zwischen 0 und 100 % der Nenn-drehzahl eingestellt werden.

Für die Leerlaufdrehzahl n0 ist die Abhängigkeit besonders einfach: n0 ist der Ankerspannung UA proportional.

N0 ~ UA → n01n02

= UA1

UA2

n01: Leerlaufdrehzahl bei Ankerspannung UA1

n02: Leerlaufdrehzahl bei Ankerspannung UA2

UA1: Ankerspannung 1UA1: Ankerspannung 2

Aufgabe 3:Der Gleichstrommotor aus Bild 7, → S. 6 hat eine Leer -laufdrehzahl n0 = 3 000 min-1 bei einer Ankernenn-spannung von 440 V. Das Lastmoment des Fräsers ist drehzahlunabhängig und beträgt 25 Nm.

a) Tragen Sie im Bild 7, → S. 6 den Arbeitspunkt AP1 im Nennbetrieb ein und lesen Sie die Drehzahl n1 ab.

b) Zur Senkung der Drehzahl wird die Ankerspannung auf 80 % des Nennwertes, also auf 352 V einge-stellt. Tragen Sie im Bild 7, → S. 6 den Ar beits punkt AP2 ein und lesen Sie die neue Drehzahl n2 ab.

c) Lesen Sie im Bild 7, → S. 6 die Leerlaufdrehzahl n02 ab. Berechnen Sie mit der gegebenen Formel zur Kontrolle die Leerlaufdrehzahl n02.

Mit der Ankerspannung lässt sich praktisch jede Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl einstellen. Eine Beschränkung gibt es nur dann, wenn die Maschinenkühlung durch ein am Anker befestigtes Lüfterrad erfolgt. Dann darf eine Mindestdrehzahl nicht unterschritten werden, um die erforderliche Kühlung sicherzustellen.

Die andere Eingriffsmöglichkeit liegt in der Verstellung der Erregerspannung. Beim Absenken der Erregerspan-

Möglichkeiten der Drehzahlverstellung8

nen aufgebaut sind. Die rotierenden Teile (Läufer) sind dadurch sehr viel robuster und langlebiger. In Zusammen-hang mit einer Leistungselektronik zur Drehzahlverstel-lung werden Drehstrommotoren bis in Leistungsbereiche von mehreren MW (Walzmotoren, Schiffshauptantriebe usw.) eingesetzt.

Man unterscheidet bei den Drehstrommotoren zwei Ty-pen, die Asynchronmotoren und die Synchronmotoren.

Am häufigsten kommt der Asynchronmotor als Antriebs-maschine vor, z. B. auch als Antrieb für unsere Fräsma-schine.

Die Möglichkeiten zur Drehzahlverstellung sind

Änderung der Polpaarzahl, –

Änderung des Läuferwiderstandes, –

Änderung der Frequenz. –

Diese Eingriffsmöglichkeiten erlauben eine Drehzahlver-stellung nicht nur für kurze Zeit, sondern auch für den Dauerbetrieb. Bei der Änderung des Läuferwiderstands wird in der Praxis eine verlustarme (elektronische) Me-thode angewendet, die einen Dauerbetrieb bei hohen Wirkungsgraden möglich macht.

Voraussetzung für die Funktion der Asynchronmaschine für Drehstrom ist ein umlaufendes Magnetfeld (Drehfeld) im Inneren der Statorbohrung. Dieses Drehfeld verur-sacht beim Überstreichen des Läufers Induktionsströme, die in Wechselwirkung mit dem Drehfeld Kräfte erzeu-gen. Die Geschwindigkeit (Drehzahl), mit der das Dreh-feld im Inneren der Maschine rotiert, berechnet sich nach der Formel:

n0 = 60 x fp

mit p als Polpaarzahl und f als Frequenz.

Die mechanische Drehzahl einer Asynchronmaschine wird je nach Belastung um etwa 3 bis 10 % unter der rechne-risch ermittelten Drehzahl n0 liegen.

Diese Drehzahldifferenz wird als Schlupf bezeichnet und ist das Unterscheidungsmerkmal zur Synchronmaschine. Deren Schlupf ist 0, das heißt, mechanische Drehzahl und Drehfelddrehzahl sind immer gleich.

Drehzahlverstellung durch Polzahländerung3.2.1

Die Methode der Drehzahlverstellung durch Polzahlände-rung wird hauptsächlich bei Kleinmotoren in Haushaltsge-räten angewendet.

Auf diese Weise wird z. B. die Drehzahländerung in Wasch-maschinen beim Umschalten vom Waschgang auf den Schleudergang vorgenommen, also von einer verhältnis-mäßig kleinen auf eine verhältnismäßig große Drehzahl.

c) Auf welchen Wert steigt die Drehzahl im Fall b), wenn der Fräser aus dem Holz gefahren wird, der Motor näherungsweise im Leerlauf dreht? Kont-rollieren Sie den Wert anhand einer Rechnung.

Insgesamt ergibt sich ein Drehzahlstellbereich für eine fremderregte Gleichstrommaschine wie in Bild 9 darge-stellt. Die jeweiligen Obergrenzen werden durch den zulässigen Ankerstrom und die höchstzulässige Drehzahl vorgegeben.

Ankerstromstellbereich

Feldstromstellbereich

Dre

hm

om

ent

M (

Nm

)

Drehzahl n (min-1)

Bild 9: Gesamter Drehzahlstellbereich einer fremderregten Gleichstrommaschine

Der Vorteil von Gleichstrommaschinen liegt darin, dass es genügend Möglichkeiten gibt, eine Drehzahlverstellung in großen Bereichen vorzunehmen. Ein besonderer Vor-teil liegt in der Tatsache, dass durch Feldschwächung auch Drehzahlen erreicht werden können, die größer als die Nenndrehzahl sind.

Die Höhe der Nenndrehzahl ist durch die Konstruktion der Maschine festgelegt. Es sind Maschinen für Drehzah-len von einigen 100 min-1 bis hin zu 15 000 min-1 erhält-lich. Diese Maschinen lassen sich alle in ihrer Drehzahl durch die beschriebenen Maßnahmen verstellen.

Drehstrommotoren – Asynchronmotoren3.2

Drehstrommotoren werden in großen Stückzahlen her-gestellt und finden in allen Bereichen der Antriebstech-nik Anwendung. Sie verdrängen die Gleichstrommaschi-nen mehr und mehr, da sie ohne den störanfälligen und wartungsintensiven Kommutator der Gleichstrommaschi-