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Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 1

Zu 3.1 Aufbau und grundsätzliche Wirkungsweise

Bild 3.1: Aufbau der Gleichstrommaschine (graue Bauteile weichmagnetisch)

Bild 3.2: Aufbau und Funktionsweise des Kommutators


Zu 3.2.1 Erregerkreis

Bild 3.3: Idealisierter Feldverlauf im Luftspalt der Gleichstrommaschine und

Abmessungen H magnetische Feldstärke im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) wf Windungszahl der Erregerwicklung If Erregerstrom Luftspaltlänge 0 Permeabilität des Luftspalts B Induktion im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) da Ankerdurchmesser p Polwinkel

p Polteilung ap

d2 p

mit p: Polpaarzahl

p Polbogen p ap

d2

ap Polbedeckung (Quotient aus Polbogen und Polteilung p

ppa

)

Länge des Blechpakets


Zu 3.2.2 Induzierte Spannung

Bild 3.4: Induktions-, Fluss- und Spannungsverlauf einer Leiterschleife


Zu 3.3 Ersatzschaltbild

Bild 3.5: Ersatzschaltbild der Gleichstrommaschine

Zu 3.4.1 Berechnung von nichtlinearen Permanentmagnetkreisen

Bild 3.6: Arbeitspunktbestimmung im Permanentmagnetkreis durch Scherung


Zu 3.4.2 Permanentmagnetmaterialien

Material rB

T

(Remanenz)

CHkA

m

(Koerzitiv-feldstärke)

max

3

B HkJ

m

(Energie-produkt)

max

C

(max. Einsatz-temperatur)

Anisotroper Ferrit 0,36…0,41 170…270 25..32 200…250

SmCo 0,8…1,12 650…820 160…260 250…300

NdFeB 1,0…1,47 790…1100 200…415 100…200

Tabelle 3.1: Eigenschaften von Permanentmagnetmaterialien

Bild 3.7: Entmagnetisierungskennlinien von Permanentmagnetmaterialien


Zu 3.4.3 Berechnung von permanenterregten Gleichstrommotoren mit Innenläufer

Bild 3.8: Aufbau einer permanenterregten Gleichstrommaschine Luftspaltlänge B Luftspaltinduktion hm Magnethöhe

m relative Permeabilität des Magneten

Br Remanenzinduktion des Magneten (im Arbeitspunkt) da Ankerdurchmesser p Polwinkel p Polteilung axiale Länge des Ankers und der Magnete p Polpaarzahl


Zu 3.4.4 Ankerrückwirkung, Entmagnetisierung

Bild 3.9: Feldlinienbilder ohne und mit Ankerrückwirkung


Zu 3.5 Fremderregte Gleichstrommaschine

Bild 3.10: Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine Merkmal: Ua und Uf werden getrennt bereitgestellt. Vereinfachungen zur Ermittlung der Betriebskennlinien: Keine Eisenverluste Keine mechanischen Verluste Betrachtung des stationären Zustands

Gl. (3.5): i pU k n

Gl. (3.6): Ii p akM2

MR: I(3.5), (3.6)

aa i a a p i

p

2 RU U R k n Mk

(3.18)


Zu 3.5.1 Betrieb mit konstanter Ankerspannung und konstantem Erregerstrom

Bild 3.11: Kennlinie der fremderregten Gleichstrommaschine bei Ua = UaN

und p = pN

Zu 3.5.2 Variation der Ankerspannung

Bild 3.12: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei p = pN

und für - UaN < Ua UaN


Zu 3.5.3 Variation des Erregerstroms

Bild 3.13: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei Ua = UaN

und für p pN (Feldschwächung)


Zu 3.5.4 Betrieb der fremderregten Gleichstrommaschine am Gleichstromsteller

Vorzeichen von Ankerspannung und Erregerstrom Drehrichtung Betrieb als

Vorzeichen von Ankerstrom und Erregerstrom Motor/Generator Richtung Drehmoment

Strom-/Spannungsumkehr mechanische Kontakte oder leistungs-elektronische Stellglieder (Kap. 2)

Variation der Spannung leistungselektronische Stellglieder (Kap. 2) Bei hohen dynamischen Anforderungen an die Drehzahlverstellung: Verstellung der Ankerspannung, da Ankerzeitkonstante

aa

a

LR

i.d.R. kleiner als Erregerzeitkonstante

ff

f

LR

.

Beispiel:

Bild 3.14: Gleichstromstellergespeister Gleichstromantrieb


Zu 3.6 Nebenschlussmaschine

Bild 3.15: Gleichstrom-Nebenschlussmaschine

Zu 3.7 Reihenschlussmaschine

Bild 3.16: Gleichstrom-Reihenschlussmaschine


Zu 3.7.1 Reihenschlussmaschine bei konstanter Spannung

Bild 3.17: Kennlinie der Reihenschlussmaschine

Zu 3.7.2 Reihenschlussmaschine bei variabler Spannung

Bild 3.18: Kennlinien der Reihenschlussmaschine für 0 < U UN


Zu 3.7.3 Besonderheiten beim Betrieb von Reihenschluss-maschinen

Kein generatorischer Betrieb möglich. Leerlauf: Mi = 0 n ; Maschine „geht durch“; bei kleinen Maschinen

genügt jedoch Reibung für stabilen Leerlauf. Stillstand: ISt >> IN ; Blockieren i.d.R. nicht zulässig; für bestimmte Anwendung

sind Wicklungen und Kommutator jedoch für ISt bemessen (z. B. KFZ-Anlasser).

Für ISt > IN tritt im Erregerkreis üblicherweise Sättigung auf MSt . Drehrichtungsumkehr: Umpolen von Ankerwicklung oder Erregerwicklung.

Häufig nur ein Teil der Erregerwicklung im Reihenschluss, ein zweiter Teil im Nebenschluss. Beispiel:

Bild 3.19: Antrieb für Gleichstrombahnen mit Reihenschlussmaschine

und GTO-Tiefsetzsteller


Zu 3.8 Wechselstromkommutatormaschine Durch Umpolen der Spannung U bei der Reihenschlussmaschine ändern sich weder die Drehrichtung noch die Richtung des Drehmoments. Deshalb kann die Reihenschlussmaschine auch an Wechselspannung betrieben werden. (Die Nebenschlussmaschine eignet sich nicht für den Betrieb an Wechselspannung, da dort Ankerstrom und Erregerstrom infolge unterschiedlicher elektrischer Zeitkonstanten nicht phasengleich bestromt werden und sich dadurch zeitweise eine Richtungsumkehr des Drehmoments ergäbe.) Aber: Drehmomentwelligkeit mit doppelter Speisefrequenz Magnetischer Kreis ist hinsichtlich Sättigung auf den Scheitelwert des Stromes

auszulegen Ausnutzung (im Mittel) geringer als bei Betrieb mit Gleichstrom. Zeitlich veränderliches Erregerfeld induziert im Anker Spannungen; diese erschweren

zusätzlich die Kommutierung im Ankerstromkreis. Zeitlich veränderliches Erregerfeld bedingt geblechte Ausführung des Stators zur

Verringerung von Wirbelströmen. Einsatz früher häufig bei Wechselstrom-Bahnen (Grund für 162/3 Hz). Einsatz heute häufig bei Hausgeräten (kostengünstig herstellbar; mit Phasenanschnittsteuerung leicht drehzahlverstellbar).

Zu 3.9 Stromrichterbedingte Oberschwingungen Gleichstrommaschinen werden z.B. an Gleichstromstellern oder an netzgeführten Stromrichtern betrieben. Die Ausgangsspannung dieser Stellglieder weist neben dem gewünschten Gleichanteil auch Wechselanteile auf. (Siehe hierzu Abschnitt 2.4.1 und Vorlesung LE II.) Diese Wechselanteile sind für den Erregerkreis i.d.R. unkritisch, da infolge der großen Zeitkonstante f eine gute Glättung des Erregerstromes und damit des Erregerfeldes vorliegt. Es erfolgt somit nur ein geringer Einfluss auf das Drehmoment. Für den Ankerkreis sind solche Wechselanteile i.d.R. deutlich kritischer, da infolge der kleinen Zeitkonstante a keine gute Glättung des Ankerstromes vorliegt und damit ein direkter Einfluss auf das Drehmoment eintritt. Schwingungen im Drehmoment können Schwingungen im mechanischen Antriebsstrang anregen und ggf. dort auch zu Resonanzen führen. Wechselanteile im Erreger- oder Ankerstrom führen infolge der elektromagnetischen Kräfte und der resultierenden mechanischen Schwingungen auch zu Geräuschen. Zur Verminderung von solchen Wechselanteilen im Erreger- oder Ankerstrom eignen sich folgende Maßnahmen: Einfügen von Zusatzdrosseln im entsprechenden Stromkreis. (Dadurch wird aber auch

die mögliche Verstellgeschwindigkeit reduziert.) Bei Gleichstromstellern: Erhöhung der Pulsfrequenz. Bei netzgeführten Stromrichtern: Erhöhung der Pulszahl.


Zu 3.10 Wirkungsgrad beim gleichstromstellergespeisten Gleichstromantrieb

3.10.1 Ein Beispiel

Gleichstrommotor

Daten der GM betrachteter Betriebspunkt Ra = 0,4 Rf = 480

UaN = 600 V Ua = 200 V nN = 2000 1/min n = 572 1/minIaN = 101 A Ia = 100 A MN = 250 Nm M = 250 Nm

UfN = 600 V Uf = 600 V

PmechN = 52,3 kW Pmech = 14,97 kWPVaN = 4080 W PVa = 4000 W PV,sonst.N = 4160 W PV,sonst. = 1030WPVfN = 750 W PVf = 750 W

Verlustleistung GM PVGM = PVa+PVf+PVsonst. = 5780W


Gleichstromsteller (Tiefsetzsteller)

Größe Betriebspunkt U1 = 600V U2 = 200V a = 1/3 I2 = 100 A Pulsperiodendauer TS = 0,1 ms

Diode Durchlassspannung UD = 1,4 V Durchlassverlustleistung PVDd = UDI2(1-a) = 93W Einschaltverlustenergie ED,EIN = 0,3 mWs Ausschaltverlustenergie ED,AUS = 0,7 mWs Umschaltverlustleistung PVDs = (ED,EIN+ED,AUS)/TS = 10W

IGBT Durchlassspannung UT = 1,7 V Durchlassverlustleistung PVTd = UTI2a = 57W Einschaltverlustenergie ET,EIN = 2 mWs Ausschaltverlustenergie ET,AUS = 2 mWs Umschaltverlustleistung PVTs = (ET,EIN+ET,AUS)/TS = 40W

Verlustleistung GS PVGS = PVDd + PVDs + PVTd + PVTs = 200W


Wirkungsgrad des gesamten Antriebs:

mech mech

1 mech VGM VGS

P P 14,97 kW71%

P P P P 20,95 kW

.

3.10.2 Allgemeines Vorgehen An einem betrachteten Betriebspunkt der Gleichstrommaschine liegen die elektrischen Größen Ua, Ia und ggf. Uf, If vor. Bei vorgegebener Versorgungsspannung (U1) für den Gleichstromsteller liegt dann der erforderliche Modulationsgrad (a) des Gleichstromstellers fest. (Siehe hierzu Abschnitt 2.4.) Die Pulsfrequenz (1/TS) des Gleichstromstellers ist vorgegeben. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (Ia bzw. If) passenden Durchlassspannungen. (Siehe hierzu Abschnitt 2.1.) Der Modulationsgrad (a) bestimmt zusammen mit den elektrischen Größen die Durchlassverlustleistung. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (Ia bzw. If) und zur Versorgungsspannung passenden Umschaltverlustenergiemengen. Diese Umschaltverlustenergiemengen bestimmen zusammen mit der Pulsfrequenz die Schaltverlustleistung. Die an der Motorwelle abgegebene mechanische Leistung ist Pmech. Die aus der Versorgungsspannungsquelle aufgenommene elektrische Leistung ist P1.

Der Wirkungsgrad des Antriebs ist mech

1

P

P .

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