EM2: Gleichstrommaschine
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EM2: Gleichstrommaschine
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FH Stralsund<br />
Fachbereich Elektrotechnik<br />
Praktikum im Fach<br />
Elektrische Maschinen<br />
Versuch EMM 2<br />
<strong>Gleichstrommaschine</strong><br />
Versuchsziel: Kennenlernen des Aufbaus, der Wirkungsweise, des Betriebsverhaltens und der<br />
Kennlinien einer vielseitig einsetzbaren Antriebsmaschine mit Gleichstromeinspeisung.
1. Grundlagen<br />
1.1. Aufbau<br />
2<br />
Ständer. Die <strong>Gleichstrommaschine</strong> besitzt im Ständer meist 4 (kleinere Maschinen auch nur 2, größere<br />
Maschinen ggf. 6) ausgeprägte Hauptpole zur Erzeugung des Polflusses Φ. Bei Kleinmaschinen werden<br />
dafür Permanentmagnete eingesetzt; im Normalfall jedoch dienen dazu spezielle Erregerwicklungen, die<br />
vom Erregerstrom I E durchflossen werden. Zur Realisierung optimaler Feldverhältnisse im Bereich der<br />
Hauptpole und der Pollücken werden bei größeren Maschinen zusätzlich Wendepolwicklungen auf speziellen<br />
Wendepolen (zwischen den Hauptpolen) sowie in den Hauptpolen sogenannte Kompensationswicklungen<br />
vorgesehen. Beide Wicklungen sind mit der Hauptwicklung des Ankers (Läufer) in Reihe<br />
geschaltet und werden vom Ankerstrom I A durchflossen.<br />
Anker. Der Rotor einer <strong>Gleichstrommaschine</strong> wird auch Anker oder Läufer genannt. Er besteht aus einem<br />
Blechpaket welches aus einzelnen Blechen geschichtet ist. Es wird gegen Verdrehung durch eine<br />
Paßfeder gesichert. Der Anker enthält Nuten in denen die Spulen der Ankerwicklung isoliert eingelegt<br />
sind. Die Spulenköpfe außerhalb des Blechpaketes werden mit Bandagen versehen, so daß eine Beschädigung<br />
durch Fliehkräfte verhindert wird. Die Wicklungsenden sind in die Stege des Stromwenders<br />
(Kommutator) eingelötet. Die Wicklung wird aus lackisolierten oder umsponnenen Runddrähten sowie<br />
Flachdrähten hergestellt. Bei eigenbelüfteten Maschinen befindet sich auf der Antriebsseite der Welle<br />
noch ein Lüfterrad.<br />
Kommutator und Bürsten. Damit die stromdurchflossenen Leiter im Ständerfeld fortwährend ein Drehmoment<br />
erzeugen können, muß beim Wechsel des Polbereiches während der Drehung eine Umschaltung<br />
der Stromrichtung im Ankerleiter erfolgen. Dies erreicht man durch den Stromwender, auch Kommutator<br />
oder Kollektor genannt, der aus voneinander isolierten Kupfersegmenten oder Lamellen besteht und fest<br />
mit dem Blechpaket auf der Welle sitzt. Die Stromzufuhr in die Ankerwicklung erfolgt dann über Kohlebürsten,<br />
die mit dem rotierenden Stromwender einen Gleitkontakt geben und die Wicklung zwischen den<br />
Hauptpolen einspeisen. Die Bürsten werden durch Kastenbürstenhalter geführt. Der Abstand der Bürstenhalter<br />
zur Stromwenderfläche soll klein sein, damit ein Verkanten der Bürsten vermieden wird. Der<br />
Bürstendruck beträgt etwa 1,5 ... 2 N/cm 2 .<br />
1.2. Leistungsbereich und Anwendungsgebiete<br />
Der Fertigungsbereich von <strong>Gleichstrommaschine</strong>n reicht von Kleinstmotoren mit Leistungen unter einem<br />
Watt für die Feinwerktechnik bis zu Großmaschinen. Dauermagneterregte Motoren bis ca. 100 W werden<br />
in großer Stückzahl in der Kfz-Elektrik als Scheibenwischer-, Gebläse- und Stellmotoren eingesetzt. Im<br />
Bereich der Servoantriebe bis zu Leistungen von einigen kW gibt es auch eine Reihe spezieller Bauformen<br />
wie Scheibenläufer- und Glockenankermotoren. Auf dem Gebiet der Industrieantriebe sind vor allem<br />
der Einsatz in Werkzeugmaschinen, Förderanlagen, Walzstraßen und als Fahrmotor in Nahverkehrsbahnen<br />
zu erwähnen. Die größten Motoren erreichen bei Spannungen von meist unter 1500 V Leistungen<br />
von über 10000 kW.<br />
Auf Grund der guten dynamischen Eigenschaften wie guter Stell- und Regelmöglichkeiten in Verbindung<br />
mit moderner Stromrichtertechnik, behauptet der Gleichstrommotor auch heute noch einen bedeutenden<br />
Marktanteil im Bereich der drehzahlgeregelten Antriebe.<br />
1.3. Betrieb<br />
Grundsätzlich kann jede <strong>Gleichstrommaschine</strong> sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten, ausschlaggebend<br />
ist die jeweilige Richtung des Energieflusses. Führt man der Ankerwicklung elektrische<br />
Energie zu, so steht an der Welle mechanische Energie zur Verfügung (Motorbetrieb.) Die Richtung läßt<br />
sich umkehren (Generatorbetrieb). Die Erregerwicklung ist an diesem Energieumsatz nicht beteiligt, sie<br />
erzeugt lediglich das notwendige Erregerfeld. Wenn dieser Energieumsatz bei konstanter Drehzahl und<br />
konstantem Drehmoment, also mit konstanter mittlerer Leistung erfolgt, liegt ein stationärer Betriebszustand<br />
vor. Der Übergang von einem stationären Betriebszustand zu einem anderen (z.B. vom Leerlauf<br />
zum Nennbetrieb) erfolgt als elektromechanischer Ausgleichsvorgang.
3<br />
In den Leiterschleifen der Kommutatorwicklung des Läufers wird bei Drehbewegung durch das Polfeld<br />
hindurch eine Wechselspannung induziert, die über den Kommutator (Stromwender) als Gleichspannung<br />
(Mittelwert der gleichgerichteten Wechsel-spannung) abgegriffen werden kann:<br />
Uq = -c⋅Φ⋅ω (1)<br />
U q - induzierte Spannung (zeitlicher Mittelwert)<br />
c - Maschinenkonstante<br />
Φ- Polfluß<br />
ω - Läufer-Winkelgeschwindigkeit; ω = 2πn mit n als Läuferdrehzahl<br />
Ein über die Bürsten und die Kommutatorlamellen der Läuferwicklung zu- oder abgeführter Ankerstrom<br />
I A hat in Verbindung mit dem Polfluß Φ das Drehmoment:<br />
M = c⋅Φ⋅I A<br />
zur Folge. Unter Berücksichtigung des Ankerwiderstandes R A (Summe aller Widerstände im Ankerkreis)<br />
erhält man damit die Spannungsgleichung für den Ankerkreis:<br />
U A = U q - R A I A (Generatorbetrieb) (3a)<br />
U A = U q + R A I A (Motorbetrieb)<br />
(3b)<br />
Durch Einsetzen von (1) und (2) in (3b) ergibt sich für die Drehzahl-Drehmomentenbeziehung eines<br />
Gleichstrommotors:<br />
ω = UA c⋅Φ - RA c2⋅Φ2⋅M (4)<br />
Die Gleichungen (1) und (2) gelten allgemein für <strong>Gleichstrommaschine</strong>n, die Beziehungen (3) und (4)<br />
jedoch nur für stationären Betrieb (Vernachlässigung der Läuferkreisinduktivitäten!). Bild 1 zeigt das stationäre<br />
Ersatzschaltbild der <strong>Gleichstrommaschine</strong>.<br />
Bild 1 Stationäres ESB der <strong>Gleichstrommaschine</strong><br />
1.4. Fremderregte <strong>Gleichstrommaschine</strong><br />
Die größte Bedeutung haben fremderregte <strong>Gleichstrommaschine</strong>n. Sie werden von kleinsten Leistungen,<br />
wie bei thyristorgesteuerten Elektrowerkzeugen, bis zu Großantrieben, Fördermotoren und Walzmotoren<br />
gebaut. Die Erregerwicklung ist bei fremderregten Maschinen vom Ankerkreis elektrisch getrennt und<br />
wird durch eine fremde Stromquelle gespeist. Somit hat man die Möglichkeit, die Drehzahl der Maschi-<br />
(2)
4<br />
ne nach (4) einerseits durch Änderung der Ankerspannung und zum anderen durch Ändern der Erregerspannung<br />
in weiten Grenzen zu verstellen.<br />
Fremderregte <strong>Gleichstrommaschine</strong>n sind ausgezeichnet durch einen konstanten Polfluß Φ, wenn eine<br />
konstante Erregerspannung<br />
U E = I E R E = const. (5)<br />
und damit<br />
Φ = const. (6)<br />
zugrunde gelegt wird. Gleichungen (3) und (4) beschreiben dann eine leicht abfallende Gerade, wenn<br />
beim Generator die Antriebsdrehzahl n und beim Motor die Ankerspannung U A als konstant angesehen<br />
werden (Bild 2).<br />
Bild 2 Kennlinien der fremderregten <strong>Gleichstrommaschine</strong><br />
Für den Motorbetrieb zeigt Gleichung (4) die Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung auf:<br />
Spannungssteuerung: Veränderung der Eingangsspannung U A<br />
Feldsteuerung: Veränderung des Erregerflusses Φ (I E )<br />
Widerstandssteuerung: Veränderung des Ankerwiderstandes R A durch Vorwiderstände<br />
Beim Anlauf einer <strong>Gleichstrommaschine</strong> (motorischer Betrieb) steigt bei Φ = const. die Spannung U q<br />
proportional mit der Drehzahl n an (1). Größere Maschinen können deshalb nicht sofort an die Nennspannung<br />
U N angelegt werden, da nach (3) mit U A =U N<br />
U N = U q + I A ⋅R A = c⋅Φ⋅ω + I A ⋅R A (7)<br />
und bei ω = 2πn = 0<br />
IA = UA = I<br />
R ST (8)<br />
A<br />
mit I ST dem sogenannten Stillstandsstrom ist.
Bei n = 0 gilt für das Drehmoment M<br />
5<br />
M A = c⋅Φ⋅I ST = M ST (9)<br />
Zum Schutz der Maschine und der Schalt- und Schutzeinrichtung soll der Anlaufstrom nicht den 1,5fachen<br />
Nennstrom übersteigen. Deshalb ist für solche Fälle eine Verkleinerung der Ankerspannung mit<br />
folgenden Verfahren möglich:<br />
Anlauf mit Spannungssteuerung<br />
Anlauf mit Widerstandsanlasser<br />
Die aufgezeigten Verfahren unterscheiden sich prinzipiell nicht von den genannten Möglichkeiten der<br />
Drehzahlsteuerung. Aus Gleichung (4) läßt sich ableiten, daß bei Unterbrechung des Erregerfeldes der<br />
Polfluß Φ Null und somit die Drehzahl des Motors theoretisch unendlich wird; der Motor geht durch.<br />
2. Grundlagen/Schwerpunkte<br />
- Aufbau und Klemmenbezeichnungen der <strong>Gleichstrommaschine</strong>n<br />
- Bedeutung und Einsatzgebiete<br />
- Möglichkeiten der Erregung von <strong>Gleichstrommaschine</strong>n<br />
- Schaltbild und Ersatzschaltbild der fremderregten <strong>Gleichstrommaschine</strong><br />
- Kompensations- und Wendepolwicklung<br />
- Kennlinien der <strong>Gleichstrommaschine</strong> als Generator und als Motor<br />
- <strong>Gleichstrommaschine</strong> als Motor: Drehzahlstellung, Bremsen, Anlassen und Drehrichtungsumkehr<br />
3. Kontrollfragen/-aufgaben<br />
3.1 Erläutern Sie den Aufbau und die Wirkungsweise der <strong>Gleichstrommaschine</strong>!<br />
3.2. Beschreiben Sie die Möglichkeiten der Erregerschaltung!<br />
3.3. Was verstehen Sie unter Ankerrückwirkung, durch welche Maßnahmen kann man sie beeinflussen?<br />
3.4. Skizzieren Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien und erläutern Sie Möglichkeiten der<br />
Drehzahlsteuerung (n-M-Kennlinien!) sowie deren Vor- und Nachteile anhand der allgemeinen<br />
Gesetzmäßigkeiten für den motorischen Betrieb!<br />
3.5. Welche Möglichkeiten des Anlassens, der Drehrichtungsumkehr und des Bremsens (n-M-<br />
Kennlinien) gibt es für den fremderregten Gleichstrommotor?<br />
3.6. Beschreiben Sie den Widerstandsanlasser, erläutern Sie anhand von n-M-Kennlinien dessen<br />
Wirkungsweise!<br />
3.7. Was verstehen Sie unter "Durchgehen" des Gleichstrom-Reihenschlußmotors, wie kann es verhindert<br />
werden?<br />
3.8. Nennen Sie typische Einsatzgebiete von <strong>Gleichstrommaschine</strong>n entsprechend ihrer Betriebscharakteristiken!
4. Versuchsdurchführung<br />
4.0. Versuchsaufbau<br />
4.1. Fremderregter Gleichstrommotor am starren Netz .<br />
Die Maschine ist mit Hilfe der angekuppelten Servobremse jeweils bis M = M M = 5 Nm zu belasten!<br />
4.1.1. Betrieb bei variabler Ankerspannung (RV = 0, U M = var, I E = I EN )!<br />
6<br />
1. Stellen Sie einen Erregerstrom von IE = IEN = 0,24 A ein!<br />
2. Stellen Sie eine Ankerspannung von UA = UAN = 220 V ein!<br />
3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks<br />
100 steht (RV = 0 Ω)!<br />
4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(Ua).dcma!<br />
5. Löschen Sie eventuell vorhandene Kurven über: Diagramm → Löschen<br />
6. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: ► und dann auf die danebenstehende<br />
Schaltfläche<br />
7. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: ►<br />
8. Wiederholen Sie den Belastungsvorgang für eine Ankerspannung von UA = 150 V und UA = 80<br />
V!<br />
9. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck!<br />
4.1.2. Betrieb mit variablen Ankervorwiderstand (RV = var, U M = U MN , I E = I EN )<br />
1. Stellen Sie einen Erregerstrom von IE = IEN = 0,24 A ein!<br />
2. Stellen Sie eine Ankerspannung von UA = UAN = 220 V ein!<br />
3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks<br />
100 steht (RV = 0 Ω)!<br />
4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(Rv).dcma!
7<br />
5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: ► und dann auf die danebenstehende<br />
Schaltfläche<br />
6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: ►<br />
7. Wiederholen Sie den Belastungsvorgang für eine Ankervorwiderstandseinstellung von 90 (RV =<br />
3 Ω) und 80 (RV = 7 Ω)!<br />
8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck!<br />
4.1.3. Betrieb bei variablen, geschwächtem Feld (RV = 0, U M = U MN , I E = var)!<br />
1. Stellen Sie einen Erregerstrom von IE = IEN = 0,24 A ein!<br />
2. Stellen Sie eine Ankerspannung von UA = UAN = 220 V ein!<br />
3. Stellen Sie am Ankervorwiderstand den Schleifer so ein, dass an der oberen Kante des Griffstücks<br />
100 steht (RV = 0 Ω)!<br />
4. Starten Sie das Programm ActiveDCMA und laden Sie die Datei: n = f(Ie).dcma!<br />
5. Starten Sie den Belastungsvorgang durch Klick auf: ► und dann auf die danebenstehende<br />
Schaltfläche<br />
6. Beenden Sie nach dem durchgeführten Belastungsvorgang denselben durch Klick auf: ►<br />
7. Sie den Belastungsvorgang für einen Erregerstrom von IE = 0,19 A und IE = 0,15 A!<br />
8. Machen Sie von der erhaltenen Kennlinienschar einen Ausdruck!<br />
9.<br />
5. Versuchsauswertung<br />
5.1. Die Versuchsergebnisse sind schriftlich zu diskutieren!<br />
6. Versuchseinrichtung<br />
Als Untersuchungsobjekt steht eine <strong>Gleichstrommaschine</strong> (GM 1) Typ G-M 90/2-1<br />
U = 220 V<br />
I = 6,2 A<br />
P = 1,0 kW<br />
n = 2100 min -1<br />
Ue = 200 V<br />
Ie = 0,24 A<br />
zur Verfügung.<br />
Die angekuppelte Servomaschine Typ SE 2663-6E<br />
U=390 V<br />
I=9,1 A<br />
P=3,9 kW<br />
n=3455 min -1<br />
M = 10,8 Nm<br />
f = 120 Hz<br />
dient in Verbindung mit einem digitalen Steuergerät dem Antrieb bzw. der Belastung der Versuchsmaschine!<br />
Vorhanden sind weiterhin ein Stellgleichrichter, die erforderlichen Meßgeräte, Widerstände sowie<br />
ein PC mit entsprechender Software usw.
7. Klemmenbezeichnung<br />
Ankerwicklung...............................A1, A2<br />
Reihenschlußwicklung...................D1, D2<br />
Nebeschlußwicklung......................E1, E2<br />
(fremderregt)..................................(F1, F2)<br />
Wendepolwicklung ........................B1, B2<br />
Kompensationswicklung................C1, C2<br />
Positiver Leiter...............................L+<br />
Negativer Leiter .............................L-<br />
8. Literaturverzeichnis<br />
8.1. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Grundlagen, Aufbau und Wirkungsweise<br />
Berlin: Verlag Technik 1989 (6. Auflage)<br />
8.2. Müller, G.: Elektrische Maschinen - Betriebsverhalten rotierender elektrischer Maschinen<br />
Berlin: Verlag Technik 1990 (2. Auflage)<br />
8.3. Philippow, E.: Taschenbuch der Elektrotechnik Bd. 5<br />
Berlin: Verlag Technik 1988 (8. Auflage)<br />
8.4. Fischer, R.: Elektrische Maschinen<br />
München, Wien: Carl Hanser Verlag 1989 (7. Auflage)<br />
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