Elektrische Maschinen

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Kapitel 20

Elektrische Maschinen

Verfasser:

Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe:

August 2009

(2)

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

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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 Die Stromproduktion von morgen 20.8.10 Die Speicher der Zukunft

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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

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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.

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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

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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.

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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

(9)

20.3.3 Reihenschluss

Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.

Schaltungsart Reihenschluss (D)

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

IA ~ M²

M IA

Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie

A1

Beim Hauptschuss- oder Seriemotor sind die Hauptpole in Serie zum Ankerkreis geschaltet, demnach ist das Magnetfeld vom Belastungsstrom abhängig.

(10)

20.3.4 Doppelschluss

Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.

Schaltungsart Doppelschluss (E,D)

Anwendung Nur bei gesteuerten

Antrieben

Bemerkung Beeinflussung der

lastabhängigen Drehzahländerung

A1

A2 M

=

-

- +

Anker +

Wendepole

IA Kompund Feld

Anschluss (Mitkompoundschaltung)

M

Doppelschluss Nebenschluss

n

Durch die Kompoundschaltung verliert die Momentenkenlinie ihre proportionalität zum

Laststrom

A1

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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

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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

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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

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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

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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

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20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren

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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

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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)

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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)

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.

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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.

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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

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5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.3 Drehstromasynchronmotor

Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer

Einphasen-Käfigankermotor mit eingebautem Zentrifugalschalter, aufgebautem Kondensator und aussenventiliert.

Schleifringläufer Drehstrommotor

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5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 2 DREHSTROMASYNCHRONMOTOR

20.5.3.1 Explosionszeichnung eines Drehstromasynchronmotors

(25)

20.5.3.2 Entstehung des Drehfeldes

Die nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen aufbau des Ständers (Stator) eines Drehstrommotors und das Liniendiagramm der Motorströme.

(26)

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.

(27)

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

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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.

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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

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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.

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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

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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

I_N = 6 2, ⋅P₂

P₂ =12, kW η=o,84 cosϕ =o,83 U=1 230x V

I P

N =U

⋅ ⋅

2

η cosϕ I_N =

⋅1200⋅ = 230 0 84 0 83, , I_N =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 I_N =

⋅ 4000⋅ ⋅ = 3 400 0 87 0 82, , I_N =8 09, A

Kompressor Dreiphasiger Asynchronmotor Der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad sind unbekannt

P₂ =4 0, kW U=3 400x V

Faustformel I_N = 2⋅P₂

I_N =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

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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.

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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

^M1

Ursachen 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

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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

(36)

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).

(37)

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

(38)

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]

(39)

5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 10 KENNLINIEN VON DREHSTROMMOTOREN

20.5.10.4 Drehmomentverlauf und Stromverlauf eines Käfigankermotors

Unterschiedliche Materialien im vergleich

(40)

6 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

20.6 Anlassverfahren von Drehstrommotoren 20.6.1 Stern-Dreieck-Anlauf

20.6.1.1 Klemmenbrett

Nachfolgend sollen anhand der Motorklemmenbretter bzw. der der Leistungsschilder die Motoren beurteilt werden, ob diese für Stern-Dreieck-Anlauf geeignet seien.

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

Stern-Dreieck-Anlauf möglich?

Nein!

Begründung:

Der Motor ist nicht für Dreieckspannung 400V ausgelegt.

Typ

3 ~ ^Nr. ¹⁹⁵⁹

400 V 18,9 A

7,5 kW cosϕ 0,77 969 U/min 50 Hz

Isol-Kl. H IP 44 t

Ja!

Begründung:

Der dreiphasige Motor ist für Dreieckspannung 400V

ausgelegt.

Typ Fremderregter Motor

- Nr. 1981

230 V 29 A

5,5 kW cosϕ - 3200 U/min - Hz Err. 400 V 1,0 A

Isol-Kl. F IP 44 t

Nein!

Begründung:

Der Gleichstrommotor ist nicht für Y/ -Anlauf vorgesehen.

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.