Kapitel 20
Elektrische Maschinen
Verfasser:
Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn
055 - 654 12 87
Ausgabe:
August 2009
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
Inhaltsverzeichnis
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 20.1 Motor und Generatorprinzip
20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule 20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen 20.1.3 Anschluss von Motor und Generator 20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren 20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen
20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors 20.3.2 Nebenschluss
20.3.3 Reihenschluss 20.3.4 Doppelschluss
20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen 20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren
20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas 20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren 20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren 20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren
20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung 20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen
20.5.1 Schädliche Einflüsse von Motoren 20.5.2 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.3 Drehstromasynchronmotor
20.5.4 Schaltung der Drehstromständerwicklungen 20.5.5 Drehrichtung von Drehstrommotoren
20.5.6 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren 20.5.7 Bemessung Drehstrommotoren
20.5.8 Schutz von Drehstrommotoren 20.5.9 Schalten von Drehstrommotoren 20.5.10 Kennlinien von Drehstrommotoren 20.6 Anlassverfahren von Drehstrommotoren
20.6.1 Stern-Dreieck-Anlauf
20.6.2 Anlassverfahren mit Drossel
20.6.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung 20.6.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen 20.6.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser 20.6.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo
20.6.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung 20.7 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren
20.7.1 Berechnung der Synchrondrehzahl 20.7.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl 20.7.3 Schema einer Polumschaltung 20.7.4 Dalanderschaltung
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.8 Kraftwerke
20.8.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion 20.8.2 Funktionsweise eines Generators
20.8.3 Kernkraftwerk 20.8.4 Wasserkraftwerk 20.8.5 Windkraftwerk 20.8.6 Solarkraftwerk 20.8.7 Biomassekraftwerk 20.8.8 Geothermiekraftwerk 20.8.9 Gezeitenkraftwerk
20.8.10 Die Stromproduktion von morgen 20.8.11 Die Speicher der Zukunft
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20 Elektrische Maschinen
20.1 Motor und Generatorprinzip
20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule
Ausschalten des Spulenstromes
Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird.
Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?
Einschalten des Spulenstromes
Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird.
Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?
Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den
Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein. Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein.
Bewegung des Ringes Anziehung Bewegung des Ringes Abstossung
20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen
Zeichnen Sie den Fedlinienverlauf (GRÜN) und die Drehrichtung der Leiterschleife ein.
N
S
Zeichnen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) und Stromrichtung der Leiterschleife für die vorgegebene Drehrichtung ein.
N S
Um welche Art von elektrischer Maschine
handelt es sich hierbei? Motor
Um welche Art von elektrischer Maschine
handelt es sich hierbei? Generator
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 1 MOTOR- UND GENERATORPRINZIP
20.1.3 Anschluss von Motor und Generator
Motor
Verbinden Sie die Spannungsquelle mit dem Rotor so, dass sich die Leiterschleife rechts dreht. Es sind vorher noch die Magnetpole des Stators festzulegen.
Zeichnen Sie die Stromrichtung in der Leiterschleife ein.
Bezeichnen Sie die Pole des Ständerfeldes.
Generator
Tragen Sie die Drehrichtung der Leiterschleife ein, wenn der Generatorstrom in der eingezeichneten Richtung fliesst.
Bezeichnen Sie vorher noch die Pole des Ständerfeldes.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren
Motoren
Wechselstromotoren Gleichstrommotoren
Dreiphasen- Wechselstrom
Einphasen- Wechselstrom
Synchronmaschine Asynchronmaschine Linearmotor Universalmaschine Kondensatormotor Schrittmotor Reihenschlussmaschine Nebenschlussmaschine Doppelschlussmotor Verbundmaschine Compoundmotor Fremderregte Maschine
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN
20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen
20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors
Für die Bestellung von Ersatzteilen ist es wixhtig, deren genaue Bezeichnung anzugeben.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN
20.3.2 Nebenschluss
Nachfolgend sind die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Nebenschluss (E)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Regelungsaufgaben
A1
A2 M
=
Feld
Anker IA
UA
Anschluss
M n
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
UA=konst
M IA
Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie
A1
Anschluss Klemmenbrett
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN
20.3.3 Reihenschluss
Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Reihenschluss (D)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Traktionsaufgaben
Bemerkung Besitzt ein grosses
Anzugsmoment
A1
A2 M
=
Anker Feld IA
Anschluss (Laststrom und Erregerstrom
sind gleich goss)
n U
M
~
M n
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
IA ~ M2
M IA
Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie
A1
Anschluss Klemmenbrett
Beim Hauptschuss- oder Seriemotor sind die Hauptpole in Serie zum Ankerkreis geschaltet, demnach ist das Magnetfeld vom Belastungsstrom abhängig.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN
20.3.4 Doppelschluss
Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Doppelschluss (E,D)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Nur bei gesteuerten
Antrieben
Bemerkung Beeinflussung der
lastabhängigen Drehzahländerung
A1
A2 M
=
-
- +
Anker +
Wendepole
IA Kompund Feld
Anschluss (Mitkompoundschaltung)
M
Doppelschluss Nebenschluss
n
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
Durch die Kompoundschaltung verliert die Momentenkenlinie ihre proportionalität zum
Laststrom
A1
Anschluss Klemmenbrett
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
3 GLEICHSTROMMOTOREN GRUNDLAGEN
20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen
Beschreibung Kennbuchstaben Bemerkung
Anker, Ankerwicklung A1 – A2 Anker
Wendepolwicklung B1 - B2 einteilig
Kompensationswicklung (Compound) C1 – C2 einteilig
Reihenschlusswicklung D1 – D2 Hauptschlusserregerwicklung Nebenschlusswicklung (Selbsterregung) E1 – E2 Nebenschlusseregerwicklung
Fremderregter Motor F1 – F2 einteilig Erregerwicklung
Hilfswicklung H1 – H2 in der Längsachse
Hilfswicklung J1 – J2 in der Querachse
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren
Das Problem des hohen Anlaufstromes von Gleichstrommotoren und deren Drehzahlsteuerung wird durch den Einsatz eines Anlassers bzw. Feldanlassers gelöst.
Anlasser Feldstellanlasser
Der Unterschied und die Gemeinsamkeiten sind nachfolgend dargestellt.
Beschreibung der Verwendung Anlasser Feldstellanlasser
Reihenschlussmotor Ja Ja
Nebenschlussmotor Ja Ja
Doppelschlussmotor Ja Ja
Fremderregter Motor Ja Ja
Geeignet zum Anlassen Ja Ja
Geeignet zur Dehzahlsteuerung Ja Ja
Drehzahlsteuerung über der Nenndrehzahl Nein Ja
Drehzahlsteuerung unter der Nenndrehzahl Ja Ja
Betriebsdauer Kurzfristig Dauernd
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas
Nebenschluss ohne Wendepole
A1
A2 M
= + -
Nebenschluss ohne Wendepole
A1
A2 M
= + -
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf
Nebenschluss mit Wendepole
A1
A2 M
= + -
Nebenschluss mit Wendepole
A1
A2 M
= + -
A1 A1
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
Reihenschluss ohne Wendepole
A1
A2 M
= + -
Reihenschluss ohne Wendepole
A1
A2 M
= + -
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf Reihenschluss
mit Wendepole
A1
A2 M
= + -
Reihenschluss mit Wendepole
A1
A2 M
= + -
A1
Linkslauf
A1
Rechts
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
Doppelschluss ohne Wendepole mit Drehzahlregelung
A1
A2 M
= + -
Doppelschluss ohne Wendepole mit Anlaufstrombegrenzung
A1
A2 M
= + -
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf Doppelschluss
mit Wendepole, Drehzahlregelung und Anlaufstrombegrenzung
A1
A2 M
= + -
Doppelschluss mit Wendepole und Drehzahlregelung
A1
A2 M
= + -
A1
Linkslauf
A1
Rechts
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren
Motorenart Drehzahlkennlinie
Drehmoment Anlaufstrom Anwendung
Begründung
Reihenschlussmotor
(Seriemotor) Grosses Anlaufmoment
f i
A R R
I U
= +
Widerstände in Serie
Elektro- Fahrzeuge Akkuschrauber
Hohes Anlaufdrehmoment,
einfache Drehzahlsteuerung
Nebenschlussmotor Relativ konstant
f i
A R
U R I = U +
Widerstände parallel
Werkzeugmaschinen
Fremderregter Motor Relativ konstant i
A R
I = U
Seilbahn, Kran Geringe Drezahländerung bei
Laständerung, Drehzahlsteuerung über
Erregerfeldstrom oder Ankerspannung
Doppelschlussmotor Zwischen Reihen- und
Nebenschlussmotor i fs fs
A R
U R R
I U +
= +
Stanzen, Walzwerkmaschinen
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren
Zusammenfassung
Es wird die Anlaßzeit und die erforderliche Wärmekapazität des Anlaßwiderstandes für Nebenschluß- und Hauptschlußmotoren berechnet. Bei den letzteren wird Proportionalität zwischen Kraftfluß und Strom vorausgesetzt, um den Unterschied gegen den
Nebenschlußmotor deutlicher zu machen. Die Untersuchungen werden für Stufenanlasser durchgeführt und durch Grenzübergang die
entsprechenden Größen für stetiges Anlassen bestimmt. In Zahlenbeispielen wird der Unterschied im Verhalten der beiden Motoren gezeigt und die Größenordnung der Anlaßzeit und der Kapazität berechnet. Für die letztere wird außerdem ein Vergleich der abgeleiteten Formel mit der sonst üblichen gezogen. Ferner werden die beim Anlassen auftretenden Energiemengen graphisch dargestellt, berechnet und miteinander verglichen. Schließlich wird der
Anlaßwirkungsgrad abgeleitet und für verschiedene Fälle zahlenmäßig berechnet.
Reihenschlussmotor (interne Verschaltung)
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
4 GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN
20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung
Bemerkungen
Die Ward-Leonard Schaltung ermöglicht eine feinstufige und verlustarme Drehzahlregulierung für Gleichstrom-Motoren mit hohem Drehmoment.
Vorteile
Die Drehzahl und die Leistung können feinstufig im Bereich von 1:20 bie 1:100 reguliert werden.
Keine Anlasswiderstände sind notwendig. Somit wird auch keine Energie unnötig vernichtet. Der Erregerstrom, mit dem die Maschinen reguliert werden, beträgt lediglich ca. 2 - 5% des Wirkleistungs- Stromes. Im Weiteren ist die Möglichkeit der Nutzbremsung zu ewähnen.
Nachteil
Zum Betreiben des GL-Motors, muss Gleichstromenergie aufgebaut werden, entweder mittels eines rotierenden oder eines statischen Umformers.
Anwendung
Antriebe von Seilbahnen, Aufzügen, Papiermaschinen, in Walzwerken und Kranen.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen
20.5.1 Schädliche Einflüsse von Motoren
Alle elektrischen Betriebsmittel müssen so ausgewählt werden, dass sie keine nachteiligen Einflüsse auf andere Betriebsmittel verursachen oder die
Stromversorgung in normalem Betrieb, einschliesslich Schaltvorgänge, beeinträchtigen.
In diesem Zusammenhang sind Kenngrössen, die einen Einfluss haben können:
• Leistungsfaktor;
• Einschalt- oder Anlaufstrom;
• unsymmetrische Last;
• Oberschwingungen und
• transiente Überspannungen, die durch Betriebsmittel in der Anlage erzeugt werden.
NIN 1.3.3.4.1
20.5.2 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.2.1 Universalmotor
Der Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors, dessen Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er auf Grund der hohen Drehzahlen einen kleinen Bauraum benötigt und ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt. Seine Drehzahl und Leistung kann über
Phasenanschnitt verstellt werden. Diese Motoren werden heute mit Leistungen bis 2300 W
produziert.
Um Asynchronmotoren an einphasigen
Wechselstrom selbstständig anlaufen zu lassen, benötigen sie ein selbsterzeugtes Drehfeld (zum Hauptfeld phasenverschobenes Feld). Dies geschieht durch einen Kondensator oder eine Kurzschlusswicklung (Spaltpolmotor). In beiden Fällen können die Hilfsphasen nach dem Anlauf abschaltbar sein (von Hand, mit einem Zeitrelais, mit einem Magnetschalter mit einem
Bimetallschalter oder mit einem Fliehkraftschalter der an der Belüftungsseite des Motors auf der Welle befestigt ist und bei Nenndrehzahl den Anlaufkondensator ausschaltet.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 1 EINPHASENWECHSELSTROMMOTOR
20.5.2.2 Kondensatormotor
Der Kondensatormotor ist ein Elektromotor und zählt zu den Asynchronmotoren. Wie diese besitzt er einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer), in dem durch ein vom Stator erzeugtes elliptisches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Im Unterschied zu mit Drehstrom gespeisten Asynchronmotoren läuft der Kondensatormotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom.
Beim Kondensatormotor wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und eine Hilfswicklung über einen Kondensator in Reihe ans Netz geschaltet. Es entsteht ein elliptisches Drehfeld, das zwar zum Anlaufen des Motors ausreicht, die Laufruhe aber beeinträchtigt. Für höhere Anlaufmomente werden
Anlaufkondensatoren (oft unipolare
Elektrolytkondensatoren) verwendet, die bei Nenndrehzahl zum Beispiel durch einen Fliehkraft- oder Magnetschalter wieder vom Stromkreis getrennt werden müssen.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 1 EINPHASENWECHSELSTROMMOTOR
20.5.2.3 Steinmetzschaltung
Die Steinmetzschaltung, benannt nach Charles P. Steinmetz, ist eine elektrische Schaltung, mit der Drehstrom-Asynchronmotoren für den Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz angepasst werden können. Die Schaltung wird nur bei kleineren Drehstrom-Asynchronmaschinen mit
Kurzschlussläufer bis 2 kW angewendet.
Auch Drehstromasynchronmaschinen können am einphasigen Netz betrieben werden, wenn sie mit Kondensatoren beschaltet werden (siehe
Steinmetzschaltung).
kW P F C 70µ
⋅
≈ Dreieckschaltung
Sternschaltung Halbsternschaltung
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.3 Drehstromasynchronmotor
Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
Einphasen-Käfigankermotor mit eingebautem Zentrifugalschalter, aufgebautem Kondensator und aussenventiliert.
Schleifringläufer Drehstrommotor
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 2 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR
20.5.3.1 Explosionszeichnung eines Drehstromasynchronmotors
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 2 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR
20.5.3.2 Entstehung des Drehfeldes
Die nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen aufbau des Ständers (Stator) eines Drehstrommotors und das Liniendiagramm der Motorströme.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 2 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR
20.5.3.3 Aufbau des Läufers
Welle
Blechpakete Stäbe
Kurzschlussringe Zahnradübersetzung Klemmenbrett
Lüftung Lagerung
1 4
2 3
5
8
6
7 7
Der Läufer besteht aus der Welle, dem Blechpaket, den Stäben in den Nuten des Blechpaketes und den Kurzschlussringen.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 2 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR
20.5.3.4 Käfigaufbau Beantworten Sie folgende Fragen:
1. Woher kommt die Bezeichnung Käfigläufer oder Kurzschlussläufer?
- vom Aussehen der Läufer (Käfig) - die Leiterstäbe sind kurzgeschlossen
2. Warum sind die Läuferstäbe schräg gestellt?
Damit das Drehmoment von der Läuferstellung unabhängig ist
3. Begründen Sie, warum der Käfigläufer als besonders verschleissarm gilt.
Er hat keine elektrische Verschleissteile wie Bürsten, Bürsten- Halterung und Verbindungselemente.
Bild eines Käfigläufers
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.4 Schaltung der Drehstromständerwicklungen
20.5.4.1 Sternschaltung
L1 L2 L3
U2
V1 W1
U1
V2 W2
Drehstrommotoren werden an die aussenleiter L1,L2,L3 angeschlossen.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wicklungsstränge miteinander zu verbinden.
• Die Dreieckschaltung
• Die sternschaltung
20.5.4.2 Dreieckschaltung
L1 L2 L3
U2
V1 W1
U1
V2 W2
Merke
Die Betriebsschaltung eines Drehstrommotors kann die Stern- oder Dreieckschaltung sein, bei Stern-Dreieck-Anlauf muss es die Betriebsspannung die Dreieckschaltung sein.
Die Betriebsspannung eines Drehstrommotors ist die Aussenleiterspannung des Netzes.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
3 SCHALTUNG DER DREHSTROMSTÄNDERWICKLUNGEN
20.5.4.3 Betriebsschaltung von Drehstrommotoren Die Betriebsschaltung ist auf dem
Leistungsschild des Motors angegeben. Typ
3 ~ Mot Nr. 1981
380 V 2 A
1 kW cosϕ 0,85 1450 U/min 50 Hz
Isol-Kl. B IP 44 t
20.5.4.4 Gebräuchliche Betriebsschaltungen
Wicklungsausführung Maximale Nennspannung
der Wicklung [V]
Mit Käfigläufer
bei 50 Hz
für direktes Einschalten ohne
Schleifringläufer
für Y/
Anlauf geeignet?
220
380 Y 220 220
380 Y nein
230
400 Y 230 230
400 Y nein
380 Y
380 380 690 Y
380 ja
400 Y
400 400 690 Y
400 ja
500 Y
500 500 866 Y
500 ja
380/660 Y 380 380
660 Y ja
400 /690 Y 400 400
690 Y ja
660 Y
660 660 660 Y
660 ja
690 Y
690 690 690 Y
690 ja
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.5 Drehrichtung von Drehstrommotoren Sternschaltung
Nr. 1
Der Drehstrommotoren soll für beide Drehrichtungen in Sternschaltung angeschlossen werden.
V1
U1 W1
W2 U2 V2
L1 Aufgabe
Zeichnen Sie die notwendigen Brücken in die zwei dargestellten Motorklemmenbretter ein.
Vervollständigen Sie die Leiterbezeichnungen, bei Nr. 1 für Linksdrehung und bei Zweiten Klemmenbrett für Rechtsdrehung.
Sternschaltung Nr. 2
V1
U1 W1
W2 U2 V2
L1
Drehfeldanzeiger
Mit dem abgebildeten Messgerät lässt sich die Phasenfolge der Aussenleiter schnell und einfach feststellen.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.6 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren
Drehstrommotoren, die in Netzen mit verschiedenen Spannungen (z.B. 220 V, 380 V, 440 V) und mit konstanter Leistung betrieben werden können, haben unterteilte Wicklungsstränge.
Die beiden Stranghälften können wahlweise in Reihe (Serie) oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden.
In den nachfolgenden Schaltungen sind die Verbindungen in den Klemmenbrettern zu ergänzen und die Schaltungen sind zu bezeichnen.
Wicklung Nenn-
spannung Motorenklemmenbrett Schaltungs- bezeichnung
U5
U2 U1
U6 V1 V2
V5 V6 W1
W2 W5
W6
230 V U2 V1
U1
V2 W1
W2
W5 U5 W6
U6 V5
V6
Dreieck
U1
U2 U5
U6
V1 V2
V5 V6 W1
W5 W2 W6
400 V U2 V1
U1
V2 W1
W2
W5
W6 U5
U6 V5
V6
Stern
U1
U2 U5
U6
V1 V5V2
V6
W1
W2W5 W6
690V U2 V1
U1
V2 W1
W2
W5 U5 W6
U6 V5
V6
Stern
U1
U2 W2 U5
W5 W6
400 V U2 V1
U1
W2 W6
U5
U6
V5 Dreieck
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.7 Bemessung Drehstrommotoren
Der Motorschutzschalter muss auf den Nennstrom (thermischen Auslösestrom) des zu schützenden Motores eingestellt werden. Für die Bestimmung des Motor-Nennstromes (IN) können folgende Berechnungsgrundlagen verwendet werden.
Beispiel Beschreibung Technische
Daten
Berechnungs- Grundlage Ventilator Einphasiger Asynchronmotor
Faustformel
IN = 6 2, ⋅P2
P2 =12, kW η=o,84 cosϕ =o,83 U=1 230x V
I P
N =U
⋅ ⋅
2
η cosϕ IN =
⋅1200⋅ = 230 0 84 0 83, , IN =7 48, A
Pumpe Dreiphasiger Asynchronmotor P2 =4 0, kW η=o,87 cosϕ =o,82 U=3 400x V
I P
N = U
⋅ ⋅ ⋅
2
3 η cosϕ IN =
⋅ 4000⋅ ⋅ = 3 400 0 87 0 82, , IN =8 09, A
Kompressor Dreiphasiger Asynchronmotor Der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad sind unbekannt
P2 =4 0, kW U=3 400x V
Faustformel IN = 2⋅P2
IN =2 4 8⋅ = A
Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des Ständers (oder "Stators") in einen entsprechend geformten Eisenkern gebettet werden. Die Permeabilität des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und Drehmomente.
Für die praktische Ausführung werden die Eisenkern-Querschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Dies geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen.
Die Wicklungs-Nuten im Rotor-Eisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so
ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.
Dreiphasen Asynchron-Motor
Typ
3 ~ Nr. 1961
Y400 V 12,9 A
5,5 kW cosϕ 0,75 1480 U/min 50 Hz
Isol-Kl. B IP 44 t
Leistungsschild
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.8 Schutz von Drehstrommotoren
Motorschutzschalter werden vor allem für dreiphasige Drehstrommotoren hergestellt. Bei dieser Ausführung des Motorschutzes erfolgt eine ODER-verknüpfte Auslösung durch Überwachung der Ströme in den drei Zuleitungen (stromabhängige Schutzeinrichtung). Die Überwachung kann thermisch-mechanisch (Bimetall), thermisch-elektronisch (PTC) oder elektronisch
(Strommessung) realisiert sein.
Drehstrommotoren sollten nur über geeignete Motorschutzschalter oder Motorschutzrelais an das Stromnetz angeschlossen werden, um Schäden
• durch Überlast oder
• Ausfall eines Außenleiters zu vermeiden.
Eingestellt wird diese Art von Motorschutz in der Regel immer nach dem Motorbemessungsstrom IN. Das Wiedereinschalten nach erfolgter Auslösung kann entweder automatisch oder durch Drücken einer Entsperrtaste manuell erfolgen.
Typ
3 ~ Nr. 1961
Y400 V 18,5 A
8,5 kW cosϕ 0,82 1460 U/min 50 Hz
Isol-Kl. B IP 44 t
Symbol Motorschutzschalter
Motorschutzschalter
Für die Vorsicherung von Motorschutzschaltern sind die Angaben des Herstellers massgebend. Liegen keine Angaben vor, so können die folgenden Faustformeln verwendet werden.
Direktanlauf Y-∆∆∆∆-Anlauf
IFlink ≈≈≈≈3xIN IFlink ≈≈2xI≈≈ N
ITräg ≈≈≈≈2xIN ITräg ≈≈1,5xI≈≈ N
Motoren (Asynchron mit Käfiganker) nehmen bei Direktanlauf etwa einen 5 bis 10 mal grösseren Strom auf als im Betrieb.
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 8 SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN
Die Vorsicherung muss deshalb grösser gewählt werden als der Motorennennstrom.
Typ
3 ~ Nr. 1961
400 V 9,2 A
4,6 kW cosϕ 0,82 1460 U/min 50 Hz
Isol-Kl. B IP 44 t
Nennstrom I2 = 2xP I2 = 9,2 A
Direktanlauf I1 = 2xI2
I1 = 18,4 A (20 A)
A1 = 2,5 mm2 A2 = 1,5 mm2
Die Querschnitte sind nach NIN 5.2.3.1 zu bestimmen.
25
I1
I2
F1
Motorschutz- schalter
12,5 A 9 A
11 A
3-Phasen Wechselstrom-Motor
Direktanlauf 4,6kW
0,88 η=
A1
A2
F2
3
M1Ursachen für die Überlastung:
1. Hohe Umgebungstemperatur
2. Motor überlastet, Motor blockiert
3. Lager defekt
4. Defekt einer Sicherung bei Drehstrommotoren kann zur Überlastung der noch wirksamen Wicklungen führen
5. Lange Anlaufzeit oder Bremsung
Isolationsklassen der Wicklungen
Isolations klasse -
max.
Motor- temperatu
r
max.
Umgebungs temperatur -
Y 90°C 40°C
A 105°C 40°C
E 120°C 40°C
B 130°C 40°C
F 155°C 40°C
H 180°C 60°C
C >180°C 60°C
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 8 SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN
Für den Schutz gegen zu hohe Wicklungstemperaturen eines Motors sind Überlast-Schutzeinrichtungen, welche die Wicklungstemperatur direkt erfassen, besonders gut geeignet. Es sind dies Kalt- oder Heissleiter oder Bimetallschalter, welche in die Motorwicklungen integriert sind.
Diese Vorrichtungen schützen den Motor nicht nur bei mechanischer Überlastung, sondern auch bei zu hohen Umgebungstemperaturen, ungenügender Ventilation usw.
Bei bestimmten Motoren z. B. bei Kollektormotoren mit Bürstenregulierung, bei Motoren mit langer Anlaufzeit, bei Motoren, die in kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet werden, ist die in die Wicklungen integrierte
Überlast-Schutzeinrichtung die einzige Möglichkeit des Motorschutzes.
Motoren, bei denen eine mechanische Überlastung eine mehr oder weniger proportionale Erhöhung des Stromes in den Zuleitungen zum Motor zur Folge hat, können durch dem Motor vorgeschaltete Überlast- Schutzeinrichtungen geschützt werden. Diese müssen so beschaffen sein, dass sie einen Überstrom vom 1,2-fachen ihres
Bemessungsauslösestroms innerhalb einer Stunde abschalten.
Motorschutzschalter und Schütze in Kombination mit einer Überlast- Schutzeinrichtung entsprechen dieser Forderung. Der eingestellte Bemessungsauslösestrom der Überlast-Schutzeinrichtung darf nicht grösser sein als der Bemessungsstrom des zu schützenden Motors.
Als blockierfest gilt ein Motor dann, wenn er sich bei blockiertem Rotor nicht gefährlich erwärmt und der in diesem Zustand aufgenommene Strom auch nicht zu einer Überlastung der Leiter in der Zuleitung führt. Für
blockierfeste Motoren sind keine besonderen Massnahmen gegen Überlastung gefordert. Es ist aber zu beachten, dass der
Bemessungsstrom der vorgeschalteten Überstrom-Schutzeinrichtung, die auf dem Motor angegeben ist, eingehalten wird.
Angabe auf dem Motor Fig. 4.3.3.3.1.2.3
max. _____ A
NIN 4.3.3.3.3
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.9 Schalten von Drehstrommotoren
Motorschutzschalter mit Einstellbereich 1,25 – 4 A
AC 1
Lastschalter, nicht induktive Belastungen, Widerstandsöfen
AC 2
Schleifringläufermotoren mit begrenzten Anlaufstrom, YD-
Anlauf (kleinere und mittlere Motorleistungen) AC 3
Direkte Einschaltungen von Kurzschlussläufermotoren, YD- Anlauf (grössere Motorleistungen)
AC 4
Extremlast, Tippen, Reversieren, Gegenstrombremsen von
Kurzschlussläufern AC5
AC-5a Schalten von Gasentladungslampen.
AC-5b Schalten von Glühlampen.
AC6 AC-6a Schalten von
Transformatoren.
AC-6b Schalten von Kondensatorbatterien.
AC7
AC-7a Schwach induktive Lasten von Haushaltsgeräten und ähnliche
Anwendungen.
AC-7b Motoren von Haushaltsgeräten.
AC8
AC-8a Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit manueller Rücksetzung der
Überlastauslöser.
AC-8b Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit automatischer Rücksetzung der
Überlastauslöser.
AC11 Elektromagnete z.B. für Spannzeuge oder Hubmagnete
AC12
Steuerung von ohmschen Lasten und induktiven Lasten bei Trennung durch Optokoppler.
AC13
Steuerung von Halbleiter-Lasten bei Trennung durch
Transformatoren.
AC14 Steuerung von kleinen elektromagnetischen Lasten
(< 72 VA).
AC15 Steuerung von elektromagnetischen
Lasten (> 72 VA).
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 9 SCHALTEN VON DREHSTROMMOTOREN
Auswahlkriterien für schaltende Betriebsmittel:
- Nennstrom der Hauptkontakte - eventuelle Einschaltströme - Anzug- und Halteleistung - Anzahl und Art der
Hilfskontakte
- geforderte Lebensdauer - Steuerspannung
- Frequenz
Das Schütz
Zum Schutz der Leiter, vor der Kurzschlussenergie, müssen Leitungsschutzschalter der
Strombegrenzungsklasse 3 eingesetzt werden.
1 Lichtbogenlöschung nach 10 ms 2 Lichtbogen wird vor dem Nulldurchgang
gelöscht
3 Schnelle Löschung des Lichtbogens vor dem Nulldurchgang
Der Leitungsschutzschalter
1. Schraubkopf aus Porzellan (KII) 2. Sicherungssockel
3. Passschraube 4. Gewindering 5. Fusskontakt 6. Anschlussklemme 7. Abgangsklemme 8. Schmelzsicherung 9. Fenster
10. Gehäuse aus Aminoplast
Die Schmelzsicherung DII
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN
20.5.10 Kennlinien von Drehstrommotoren
20.5.10.1 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie M%
Ma
Mk
M%
Ma
Mk
n1
300
200
100 c
Md
Mb
b
a
50% 100%
Mn
M
Die Kennlinie M = f(n) ist vom Motortyp und von der Ausführung des Rotors abhängig.
Mg Gegenmoment der Maschine [Nm] a Erforderliches Antriebsmoment einer
unbelastet anlaufenden Drehmaschine b Erforderliches Antriebsmoment eines
anlaufenden Kompressors
Mb Beschleunigungsmoment [Nm]
Md Durchzug- oder Sattelmoment [Nm]
Mk Höchstdrehmoment oder
Kippsmoment [Nm]
Ma Anzugsmoment [Nm] M% Drehmoment in % des Nenndrehmoments
[Nm]
n1 Drehfelddrehzahl bzw,
Leerlaufdrehzahl [1/min]
n Betriebsdrehzahl [1/min]
20.5.10.2 Nutenbild des Doppelkäfigankers
Unterschiedliche Nutenformen im Vergleich
20.5.10.3 Drehmomentkennlinie von verschiedenen
Käfigankerausführungen
n11
n
Mn Nenndrehmoment [Nm]
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 10 KENNLINIEN VON DREHSTROMMOTOREN
20.5.10.4 Drehmomentverlauf und Stromverlauf eines Käfigankermotors
Unterschiedliche Materialien im vergleich