Mittendorfer

Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Physikalisches
Schulversuchspraktikum
Motor Generator
(AHS 7. Klasse)
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Übungsdatum: 29.11.2001
Abgabetermin: 06.12.2001
Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335

Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
INHALT............................................................................................................. 3
Lernziele & Voraussetzungen.................................................................... 4
Generator mit Permanentmagnet (a) .......................................................... 5
Generator mit Permanentmagnet (b).......................................................... 6
Außenpolgenerator..................................................................................... 7
Innenpolgenerator ...................................................................................... 8
ANHANG........................................................................................................... 9
Zusatzinformationen – Elektromotoren & Generatoren ............................ 10
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
I N H A L T
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Lernziele
• Wie kommt Wechselstrom zustande
• Wie kann man mit einem Generator Gleichstrom erzeugen
• Bei welcher Rotorstellung wird am meisten „Strom“ erzeugt
• Weshalb wird im „Alltag“ seltenst ein Außenpolgenerator, oft aber ein
Innenpolgenerator verwendet
Voraussetzung
• Magnetfeld
• Lorentz-Kraft-Gesetz
• Induktion
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Generator mit Permanentmagnet (a)
Man benötigt:
• 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
• 1 Tischklemme
• 2 Bürsten
• 1 Paar Scheibenmagnete
• 2 Breite Polschuhe ohne Ansatz
• 1 Zweipolrotor
• 1 Vorgelege mit Handantrieb
• 2 Experimentierkabel
• 1 Amperemeter
Man baut den Versuch wie in der schematischen Abbildung gezeigt auf. Wenn man jetzt an
der Kurbel dreht, wird der Zweipolrotor in dem durch die Scheibenmagneten erzeugten
Magnetfeld bewegt. Die Leiterschleifen werden von den magnetischen Feldlinien
geschnitten und es wird eine
Spannung induziert.
Bei dieser Versuchsanordnung
oszilliert der Strom. Sein Maximum
kann gemessen werden, wenn der
Zweipolrotor wie in der Abbildung in
einer Linie mit den
Permanentmagneten steht. Dreht
man den Rotor um 90 Grad, erreicht
der Strom seinen Nullpunkt. Dreht
man den Roter nochmals um 90
Grad, kann wiederum ein Maximum
gemessen werden. Dieses Mal fließt
der Strom allerdings in die
entgegengesetzte Richtung.
Wenn man mit großer Frequenz die Kurbel antreibt, gelingt es, Ströme bis zu 3 Ampere zu
erreichen.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Generator mit Permanentmagnet (b)
Man benötigt:
• 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
• 1 Tischklemme
• 2 Bürsten
• 1 Paar Scheibenmagnete
• 2 Breite Polschuhe ohne Ansatz
• 1 Zweipolrotor
• 1 Vorgelege mit Handantrieb
• 2 Experimentierkabel
• 1 Amperemeter
Bei diesem Versuch wird die gleiche Versuchsanordnung wie bei „Generator mit
Permanentmagnet (a)“ verwendet. Lediglich die zwei Kohlebürsten werden anders und zwar
am Kollektor, der aus zwei gegeneinander isolierten Ringhälften besteht, angebracht. Wenn
man jetzt das Amperemeter bei sehr langsamem Drehen betrachtet, kann man beobachten,
dass es wiederum zwei Maxima gibt, dieses Mal aber beide in derselben Richtung. Die
zweite Halbphase des Wechselstromes wird also „umgeklappt“. Man nennt diesen Strom
einen pulsierenden Gleichstrom.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Generator mit Elektromagnet (Außenpolgenerator)
Man benötigt:
• 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
• 1 Tischklemme
• 2 Bürsten
• 2 Spulen mit 250 Windungen
• 2 Breite Polschuhe ohne Ansatz
• 1 Zweipolrotor
• 1 Vorgelege mit Handantrieb
• 5 Experimentierkabel
• 1 Amperemeter
• 1 Kleinspannungsstelltransformator
Man baut den Versuch wie in der schematischen Abbildung gezeigt auf. Wenn man die
Kurbel langsam dreht kann man dasselbe wie bei dem Versuch „Generator mit
Permanentmagnet (a)“ beobachten.
Der Versuchsaufbau unterscheidet sich aber darin, dass wir jetzt keine Permanentmagneten
mehr verwenden, sondern anstatt dessen zwei Elektromagnete, die von einem
Gleichspannungstransformator gespeist werden.
Da aber der erzeugte Strom bei diesem Generator (Außenpolgenerator) noch immer über
die Bürsten abgegriffen wird, und diese bei hohen Stromstärken und Spannungen schnell
verschleißen, hat dieser technisch keine große Bedeutung.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Generator mit Elektromagnet (Innenpolgenerator)
Man benötigt:
• 1 Grundbrett mit Bürstenbrücke und zwei Schrauben
• 1 Tischklemme
• 2 Bürsten
• 2 Spulen mit 250 Windungen
• 2 Breite Polschuhe ohne Ansatz
• 1 Zweipolrotor
• 1 Vorgelege mit Handantrieb
• 5 Experimentierkabel
• 1 Amperemeter
• 1 Kleinspannungsstelltransformator
Fortsetzung zu Versuch „Generator mit Elektromagnet (Außenpolgenerator)“
Um diesem Umstand abzuhelfen verwendet man einen Innenpolgenerator bei dem der
Zweipolrotor von einem Gleichstromnetzgerät gespeist wird, und der entstehende Strom bei
den Induktionsspulen abgegriffen wird.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
A N H A N G
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Zusatzinformation - Elektromotoren und Generatoren
Elektromotoren und Generatoren, allgemeine Bezeichnung für elektrische Maschinen, mit
denen sich elektrische Energie in mechanische Energie bzw. umgekehrt mechanische
Energie in elektrische Energie umwandeln lässt. Ein Generator wandelt mit Hilfe
elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrische Energie um. Im
Gegensatz dazu läuft in einem Elektromotor der umgekehrte Prozess ab.
Der Wirkungsweise von Elektromotoren und Generatoren liegen zwei verwandte
physikalische Vorgänge zugrunde. Im Fall des Generators handelt es sich um die
elektromagnetische Induktion, die erstmals Michael Faraday 1831 experimentell
nachweisen konnte. Wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, induziert (erzeugt)
dieser Vorgang eine elektrische Spannung in dem Leiter. Den genau umgekehrten Fall,
dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflusst, konnte André Marie Ampère im
Jahr 1820 erstmals beobachten – Ampère untersuchte dabei die Ablenkung einer
Magnetnadel durch elektrischen Strom. Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem
Magnetfeld und wird dieser zusätzlich von einem elektrischen Strom durchflossen, übt das
Magnetfeld eine mechanische Kraft auf den Leiter aus.
Eine einfache elektrische Maschine ist beispielsweise der so genannte Scheibendynamo
von Faraday. Er besteht im Wesentlichen aus einer Kupferscheibe, die so montiert ist,
dass sich ein Teil der Scheibe von Mittelpunkt bis zum Rand zwischen den Polen eines
Hufeisenmagneten befindet. Wenn die Scheibe in Drehung versetzt wird, entsteht durch
die Wirkung des Magnetfeldes zwischen dem Mittelpunkt und dem Rand der Scheibe ein
elektrischer Strom (siehe Induktion). In diesem Falle arbeitet die Apparatur nach dem
Prinzip eines Generators. Auch der umgekehrte Fall ist mit dem Scheibendynamo möglich.
Dazu legt man zwischen dem Rand und dem Mittelpunkt der Scheibe eine elektrische
Spannung an, wobei sich die Scheibe aufgrund der induzierten Kraft dreht.
Das Magnetfeld eines Dauermagneten reicht nur für den Betrieb eines kleinen Dynamos
(siehe Werner von Siemens) oder Motors aus. Deshalb werden für große Maschinen
Elektromagneten verwendet. Sowohl Motoren als auch Generatoren bestehen aus zwei
grundlegenden Einheiten: zum einen aus dem Elektromagneten mit seinen Spulen und
zum anderen aus dem Anker, der die Leiter trägt. Letztere schneiden das Magnetfeld und
erzeugen praktisch bei einem Generator den induzierten Strom bzw. bei einem Motor den
Antriebsstrom. Der Ankerkern besteht meist aus Weicheisen, um den Leitungsdrähte in
Form einer Spule gewickelt sind.
GLEICHSTROMGENERATOREN
Dreht sich der Anker des Generators zwischen zwei stationären Feldpolen, fließt der
elektrische Strom im Anker einen halbe Umdrehung lang in eine Richtung und eine halbe
Umdrehung lang in die entgegengesetzte Richtung. Um Gleichstrom zu erhalten, ist eine
Vorrichtung außerhalb des Generators erforderlich, welche die Stromrichtung umkehrt und
praktisch nur eine Fließrichtung zulässt. Diese Umkehrung ermöglicht der so genannte
Kollektor (Stromwender oder Kommutator).
In der primitivsten Ausführung besteht der Kollektor eines Gleichstromgenerator aus einem
gespaltenen Metallring, der auf der Welle des Ankers montiert ist. Die beiden Hälften des
Ringes sind voneinander getrennt und bilden die Enden der Ankerspule. Feststehende
Metall- oder Kohlebürsten werden gegen den rotierenden Kollektor gedrückt und stellen
den elektrischen Kontakt der Spule zu den Drähten außerhalb des Generators dar. Bei der
Umdrehung des Ankers haben die Bürsten abwechselnd mit den Hälften des Kollektors
Kontakt. In dem Augenblick, in dem der Strom in der Ankerspule seine Richtung ändert,
tauschen auch die Kollektorhälften ihre Position. Daher fließt in dem Stromkreis, mit dem
der Generator verbunden ist, ein Gleichstrom. Gleichstromgeneratoren werden meist mit
ziemlich niedrigen Spannungen betrieben, um die Funkenbildung zwischen Bürsten und
Kollektor zu vermeiden. Die höchste Spannung, die von solchen Generatoren erzeugt
wird, beträgt meist 1 000 Volt. Heutzutage besitzen Generatoren zur Gleichrichtung
leistungsstärkere Vorrichtungen wie z. B. Diodengleichrichter.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Moderne Gleichstromgeneratoren besitzen trommelförmige Anker mit vielen Wicklungen.
Diese sind mit entsprechenden Segmenten eines Mehrfachkollektors verbunden. In einem
Anker mit nur einer Drahtschleife nimmt der erzeugte Strom leicht zu und ab, je nachdem,
in welchem Teil des Magnetfeldes sich die Schleife bewegt. Ein Kollektor mit vielen
Segmenten verbindet den äußeren Stromkreis immer mit einer Drahtschleife, die sich
durch einen Bereich des Magnetfeldes bewegt. Als Folge bleibt der von den
Ankerwindungen erzeugte Strom praktisch konstant. Die Felder moderner Generatoren
besitzen zur Verstärkung des Magnetfeldes meist vier oder mehr Pole. Kleinere
Zwischenpole gleichen Verzerrungen des Magnetfeldes aus, die durch die magnetische
Wirkung des Ankers verursacht werden.
Gleichstromgeneratoren werden häufig nach der Art der Bereitstellung des Stromes für
das Magnetfeld unterschieden. Das Magnetfeld eines seriell gewickelten Generators steht
in Reihenschaltung mit dem Anker. Ein Nebenschlussgenerator hat ein Feld, das parallel
zum Anker geschaltet ist. So genannte Verbund- oder Doppelschlussgeneratoren haben
einen Teil ihrer Felder in Reihe und einen Teil parallel. Sowohl Nebenschluss- als auch
Verbundgeneratoren haben den Vorteil, bei unterschiedlicher elektrischer Last eine
verhältnismäßig gleichmäßige Spannung zu liefern. Seriell gewickelte Generatoren werden
hauptsächlich zur Erzeugung eines gleichmäßigen Stromes mit schwankender Spannung
eingesetzt. (Zu Reihen- und Parallelschaltung siehe elektrischer Stromkreis)
GLEICHSTROMMOTOREN
Im Großen und Ganzen sind Gleichstrommotoren ähnlich aufgebaut wie
Gleichstromgeneratoren. In einem Gleichstrommotor wird bei Stromfluss durch den Anker
ein Drehmoment erzeugt, das den Anker in Drehbewegung versetzt. Die Funktion des
Kollektors und die Verbindung der Feldspulen des Motors sind genauso wie beim
Generator. Die Drehung des Ankers induziert eine Spannung in den Ankerwicklungen.
Diese induzierte Spannung ist der von außen an den Anker angelegten Spannung
entgegengesetzt und wird daher auch als Gegenspannung bezeichnet. Sie kann bei
schneller laufendem Motor fast so groß werden, wie die angelegte Spannung. In diesem
Fall ist die Stromstärke sehr gering und der Motor läuft mit konstanter Geschwindigkeit. Im
Lastbetrieb wird der Anker langsamer. Als Folge nimmt die Gegenspannung ab und der
Stromfluss durch den Anker zu. Dadurch ist der Motor in der Lage, mehr Leistung
aufzunehmen und mehr mechanische Arbeit zu verrichten.
Weil die Rotationsgeschwindigkeit die Stromstärke im Anker steuert, sind zum Starten
eines Gleichstrommotors spezielle Vorrichtungen erforderlich. Wird bei stillstehendem
Anker die normale Arbeitsspannung angelegt, fließt ein sehr starker Strom, der den
Kollektor und die Ankerwicklungen beschädigen kann. Zur Vermeidung solcher Schäden
wird meist ein Widerstand vor den Anker geschaltet – der so genannte Vorwiderstand.
Dieser reduziert die Stromstärke bis der Motor eine ausreichende Gegenspannung
aufgebaut hat. Während der Beschleunigungsphase wird die Wirkung des
Vorwiderstandes langsam verkleinert. Diese Verringerung kann entweder von Hand oder
automatisch erfolgen.
Die Geschwindigkeit, mit welcher der Gleichstrommotor läuft, hängt von der Stärke des auf
den Anker wirkenden Magnetfeldes und von der Stromstärke im Anker ab. Je stärker das
Magnetfeld, desto geringer die Drehzahl, mit der die Gegenspannung erzeugt wird.
WECHSELSTROMGENERATOREN
Wie oben beschrieben erzeugt ein einfacher Generator ohne Kollektor einen elektrischen
Strom, dessen Richtung sich mit der Drehung des Ankers ändert. Da Wechselstrom
Vorteile bei der Übertragung von elektrischer Energie hat, erzeugen die meisten großen
Generatoren Wechselstrom. Die einfachste Form des Wechselstromgenerators
unterscheidet sich von einem Gleichstromgenerator nur in zwei Punkten: die
Ankerwicklungen enden in durchgehenden Ringen an der Welle des Generators und nicht
an einem Kollektor, und die Feldspulen werden von einer externen Gleichstromquelle und
nicht vom Generator selbst mit Strom versorgt. Langsam laufende
Wechselstromgeneratoren haben bis zu 100 Pole, wodurch ihr Wirkungsgrad gesteigert
wird und die gewünschte Frequenz leichter erzielt werden kann.
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Physikalisches Schulversuchspraktikum Motor Generator
Wechselstromgeneratoren, die von Hochgeschwindigkeitsturbinen angetrieben werden,
sind häufig mit zwei Polen ausgestattet. Die Frequenz des von Wechselstromgeneratoren
erzeugten Stromes ist die Hälfte des Produkts aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der
Umdrehungen des Ankers pro Sekunde.
Vorteilhaft ist die Induktion einer möglichst hohen Spannung. Umlaufende Anker sind für
solche Anwendungen wenig geeignet, da es an den Bürsten zu Funkenbildung kommen
kann und mechanische Defekte zu Kurzschlüssen führen können (siehe auch elektrischer
Stromkreis). Wechselstromgeneratoren haben daher einen feststehenden Anker, in dem
sich ein Rotor mit Feldmagneten dreht.
Der induzierte Strom in Wechselstromgeneratoren steigt abwechselnd auf einen positiven
Spitzenwert, sinkt auf Null, fällt auf einen negativen Spitzenwert und steigt wieder auf Null.
Dieser Wechsel erfolgt, je nach der Frequenz, für die der Generator ausgelegt ist,
mehrmals pro Sekunde. Man bezeichnet so einen Strom als einphasigen Wechselstrom.
Besitzt der Anker zwei Wicklungen, die im rechten Winkel zueinander stehen und zwei
getrennte Anschlüsse haben, werden zwei Wechselströme erzeugt, die jeweils dann ihr
Maximum erreichen, wenn der andere seinen Nulldurchgang hat. Dieser Strom nennt man
auch Zweiphasenwechselstrom. Besitzt der Anker drei Wicklungen, die in einem Winkel
von 120 Grad zueinander stehen, entsteht ein Strom, der einer dreifachen Welle
entspricht. Man erhält den so genannten Dreiphasenwechselstrom – kurz auch als
Drehstrom bezeichnet. Durch weitere Anzahlzunahme der Ankerwicklungen lassen sich
weitere Phasen erzielen.
Der heute am häufigsten verwendete Generator ist der Drehstromgenerator. Er wird
normalerweise für die Erzeugung von elektrischem Strom verwendet. Die von
Wechselstromgeneratoren erzeugten Spannungen betragen üblicherweise bis zu
13 200 Volt.
WECHSELSTROMMOTOREN
Für den Betrieb mit mehrphasigem Wechselstrom gibt es zwei Arten von Motoren:
Drehstromsynchronmotoren und Induktionsmotoren (auch Drehstromasynchronmotoren).
Die Feldmagnete beim Drehstromsynchronmotor sind auf dem Rotor montiert und werden
durch Gleichstrom angeregt. Die Ankerwicklung ist in drei Teile unterteilt und wird, wie der
Name bereits andeutet, mit Drehstrom betrieben. Die wellenförmige Änderung der drei
Ströme im Anker bewirkt eine sich ändernde magnetische Wechselwirkung mit den Polen
der Feldmagnete. Dadurch dreht sich das Feld mit einer konstanten Geschwindigkeit, die
durch die Frequenz des Antriebsstromes bestimmt wird.
In Einsatzgebieten, wo die mechanische Last des Motors sehr groß wird, können jedoch
keine Drehstromsynchronmotoren eingesetzt werden, da der Motor unter Last seine
Drehzahl verringert und „aus dem Tritt kommt”. Läuft der Motor nicht mehr im Einklang mit
der Stromfrequenz, bleibt er stehen. Drehstromsynchronmotoren können auch so
ausgelegt sein, dass sie mit einphasigem Strom laufen. Sie benötigen dann eine
Vorrichtung zur Drehung des Magnetfeldes.
Die einfachste und die verbreitetste Art eines Drehstrommotors ist der Induktionsmotor.
Der Anker (Rotor) eines solchen Motors besteht aus drei feststehenden Spulen und ähnelt
damit dem Anker eines Drehstromsynchronmotors. Der rotierende Teil besteht aus einem
Kern, in den mehrere dicke Leiter eingelagert sind. Diese liegen in einem Kreis um die
Welle parallel zu dieser. Der Drehstrom, der durch die feststehenden Ankerwicklungen
fließt, erzeugt ein sich drehendes Magnetfeld, das wiederum einen Strom in den Leitern
des Rotors erzeugt. Die magnetische Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Feld und
den Strom führenden Leitern des Rotors versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Wenn
sich der Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Magnetfeld dreht, wird im Rotor
kein Strom induziert. Daher sollte der Rotor nicht synchron laufen. Beim Betrieb differieren
die Umdrehungsgeschwindigkeiten von Rotor und Feld um etwa zwei bis fünf Prozent. 1
1 "Elektromotoren und Generatoren."Microsoft® Encarta® Enzyklopädie 2001. © 1993-2000
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