Stromwendermaschinen für Wechsel- und Drehstrom PDF

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Stromwendermaschinen für Wechsel- und Drehstrom Zusammenfassung...

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Stromwendermaschinen für Wechsel- und Drehstrom Stromwendermaschinen für den direkten Anschluss an das Wechsel- oder Drehstromnetz erhalten ständerseitig entweder eine konzentrierte Erregerspule oder eine Drehstromwicklung. Der Läufer trägt immer einen Stromwender mit einem Kohlebürstensatz und die zugehörige Zweischichtwicklung. Diese Maschinentypen kombinieren damit den Vorteil des direkten Anschlusses an das versorgende Wechsel- oder Drehstromnetz mit einer einfachen, verlustfreien Drehzahleinstellung. Je nach Bauart genügt dazu ein mechanischer Eingriff an einem Stelltransformator oder die Betätigung eines Handrades am verdrehbaren Kohlebürstensatz. Die Technik ist damit sehr einfach und im Prinzip ohne moderne Regelelektronik. Die Maschinen selbst sind allerdings in ihrer Ausführung aufwändig und teuer. Von den nachstehend aufgeführten Bauarten werden die beiden ersten heute nicht mehr gefertigt und auch der Bahnmotor ist nur noch auslaufend in älteren E-Loks im Einsatz. Sehr große Stückzahlen erreicht dagegen der Universalmotor als Antrieb in E-Werkzeugen und Hausgeräten. Bauarten. Von schon seit Jahrzehnten nicht mehr eingesetzten Maschinen wie z. B. dem Repulsionsmotor – ein Wechselstrommotor mit kurzgeschlossenem Stromwender-Bürstensatz – abgesehen, gilt nachstehende Auflistung: 1. Ständergespeister Drehstrom-Stromwendermotor Die Maschine hat nach Bild 7.1 im Ständer eine Drehstromwicklung 1 und im Läufer eine Stromwenderwicklung mit Drehstrombürstensatz 2. Über einen Stelltransformator 3 kann der Läuferwicklung eine einstellbare Regelspannung zugeführt werden, wobei der Stromwender als Frequenzwandler zwischen dem 50-Hz-Netz und der schlupffrequenten Läuferwicklung wirkt. Die Anordnung ist damit ein mechanischer Vorläufer des doppeltgespeisten Schleifringläufermotors nach Abschnitt 5.5.5 mit einem IGBT-Umrichter zwischen Läufer und Netz. Die Drehzahl kann je nach Größe und Phasenlage der zugeführten Spannung unter- oder übersynchron eingestellt werden.

Bild 7.1 Schaltung des ständergespeisten Drehstrom-Nebenschlussmotors 1 Drehstrom-Ständerwicklung 2 Läufer mit Stromwenderwicklung und Drehstrombürstensatz 3 Stelltransformator

Bild 7.2 Schaltung der läufergespeisten Drehstrom-Nebenschlussmaschine

2. Läufergespeister Drehstrom-Stromwendermotor Bei dieser zweiten Bauform besitzt der Ständer ebenfalls eine Drehstromwicklung 3, die jedoch als Sekundärwicklung arbeitet. Der Läufer trägt zwei Wicklungen, eine Drehstromwicklung 1, die über Schleifringe an das Netz angeschlossen ist, und eine Stromwenderwicklung 2. Ihr wird über einen Doppelbürstensatz die Regelspannung entnommen und der Ständerwicklung zugeführt. Ein Bürstensatz ist verstellbar, so dass über die Größe und Phasenlage der abgegriffenen Spannung wieder die Drehzahl geändert werden kann. Beide Maschinentypen wurden bis zu Leistungen von einigen 100 kW für drehzahlgesteu erte Antriebe ohne große Anforderungen an Dynamik und Einstellgenauigkeit eingesetzt. 3. Wechselstrom-Bahnmotor Der Aufbau dieses Motortyps, der über viele Jahrzehnte der alleinige Fahrantrieb für Vollbahnen war, entspricht dem eines Gleichstrom-Reihenschlussmotors (Bild 7.3) mit geblechtem Komplettschnitt im Ständer für eine Hauptpol-, Wendepol- und Kompensationswicklung (Bild 7.4). Inzwischen ist dieser Motortyp, der häufig zehnpolig bei Leistungen von über 700 kW gefertigt wurde, fast vollständig durch umrichtergespeiste Drehstrom maschinen ersetzt.

Bild 7.3 Schaltbild eines EinphasenReihenschlussmotors WK Wendepol- und Kompensationswicklung E Erregerwicklung

Bild 7.4 Ständerblechschnitt eines Einphasen-Reihenschlussmotors 1 Hauptpol mit Nuten für die Kompensations-wicklung 2 Wendepol 3 Nuten für die Erreger- und Wendepolwicklung

Historisch interessant ist, dass die nachstehend beim Universalmotor besprochenen Probleme der Stromwendung bei Wechselstrombetrieb zu der bahneigenen Sonderfrequenz 16 ⅔ Hz geführt haben. Es war in den frühen Zeiten der Bahnelektrifizierung nicht mög lich, bei 50 Hz Wechselstrom Motoren mit Leistungen von einigen hundert kW ohne unzu lässiges Bürstenfeuer am Stromwender zu fertigen. Diese Probleme verringern sich proportional mit kleinerer Betriebsfrequenz. 4. Universalmotor Er ist wie der obige Bahnmotor eine Stromwendermaschine mit Reihenschlusswicklung, jedoch mit vereinfachtem Aufbau. Der Motor wird mit Leistungen bis etwa 3000 W in großen Stückzahlen gefertigt und im Abschnitt 7.2 ausführlich behandelt.

Universalmotoren Aufbau und Einsatz Bauform. Universalmotoren sind nach ihrer Schaltung Reihenschlussmaschinen mit Stromwenderanker, die sowohl am Gleichstrom- wie am Wechselstromnetz – also universell – betrieben werden können. Sie erhalten einen Komplettschnitt nach Bild 7.5, bei preiswerten Ausführungen auch in der unsymmetrischen Form. Universalmotoren wer- den in sehr großer Stückzahl pro Jahr vor allem für Elektrowerkzeuge aller Art aber auch Hausgeräte (Staubsauger, Waschmaschinen) gefertigt. Der Leistungsbereich liegt etwa zwischen 1 W bis 3 kW bei Drehzahlen bis ca. 20 000 min −1. Diese hohen Werte ergeben nach Abschnitt 1.1.4 ein kleines Bauvolumen und damit geringe Leistungsgewichte von unter 2 kg/W, was für die Handhabung wichtig ist.

Bild 7.5 Blechschnitte von Universalmotoren a) Symmetrischer Schnitt für zwei Erregerspulen 1 Ständer mit Erregerwicklung

2 Läufer b) Unsymmetrischer Schnitt mit einer Erreger- spule

Funkstörung. Die Reihenschaltung der Erregerwicklung erfolgt in der Regel nach Bild 7.6 a symmetrisch zum Anker, da auf diese Weise zusammen mit einem Entstörkonden sator C in Y-Ausführung ein LC-Tiefpass für hochfrequente Störspannungen US0 gebildet wird. Diese entstehen durch das Bürstenfeuer an den Kontaktstellen von StromwenderKohle und sind nach VDE 08750 entsprechend dem zulässigen Störspannungspegel zu begrenzen (Bild 7.6 b).

a)

Bild 7.6 Funkstörung durch Kohlekontakt a) Schaltung des Entstörkondensators C b) LC-Tiefpass zur Minderung der Funkstörspannung US0

7.2.2 Ersatzschaltung und Zeigerdiagramm Ersatzschaltbild. Da durch die Maschine Wechselstrom fließt, ist außer dem ohmschen Wicklungswiderstand R der gesamte Blindwiderstand X = XEh + XEs + XA des Kreises zu beachten. Es bedeuten dabei XEh und XEs die Haupt- und die Streureaktanz der Erregerwicklung und XA der Blindwiderstand der Ankerwicklung. Konzentriert man die Wicklungswiderstände vor der Maschine, so entsteht für den Universalmotor die einfache Ersatzschaltung nach Bild 7.7. Sie vernachlässigt die geringe Rückwirkung des Stromes in der von den Kohlebürsten kurzgeschlossenen, kommutierenden Ankerspule, die voll mit dem Erregerfeld F verkettet ist. Infolge der magnetischen Sättigung ist der Blindwider- stand X, vor allem durch den Hauptanteil XEh, nicht konstant, sondern sinkt mit wachsen- dem Belastungsstrom.

Bild 7.7 Ersatzschaltbild des Universalmotors

Da die Achse der Ankerwicklung senkrecht zu der des Erregerwechselfeldes F steht, kann in den Windungen NA keine transformatorische Spannung entstehen, sondern nur wie bei der Gleichstrommaschine eine durch die Läuferdrehung induzierte Quellenspannung Uq. Diese hat, da sie nach uq = B ⋅ l ⋅ v an die augenblicklich vorhandene Flussdichte B gebunden ist, die Phasenlage des Erregerfeldes. Dagegen wäre eine transformatorisch erzeugte Spannung 90° zeitlich verschoben. Wie bei der Gleichstrommaschine nach Gl. (2.19 a) ist der Scheitelwert der induzierten Ankerspannung U qmax = 4⋅ NA ⋅ p ⋅n Φ Sie besitzt wegen des sinusförmigen Verlaufs des Erregerflusses mit der Amplitude F den Effektivwert 1 ⋅U U q = 2 q max Uq=

2 ⋅2 ⋅ NA ⋅ p ⋅ n Φ

(7.1)

Der Erregerfluss ist nach Φ = Λ⋅ΘE und ΘE = N E ⋅ 2 ⋅ I direkt vom Belastungsstrom I abhängig, sofern man die Sättigung des magnetischen Kreises und damit die Änderung des Leitwertes L durch einen mittleren konstanten Wert ersetzt. Setzt man obige Beziehungen in Gl. (7.1) ein, so ergibt sich für die im Anker induzierte Spannung die einfache Gleichung U q = cR ⋅n ⋅ I

(7.2)

wobei eine Maschinenkonstante c R = 4p ⋅ N A ⋅ NE ⋅Λ eingeführt ist. Zeigerdiagramm. Für die Ersatzschaltung gilt die Spannungsgleichung U

=U q + I (R + j X)

(7.3)

die nach Gl. (7.2) in U

=I ⋅(R + c R ⋅ n + jX)

(7.4)

umgeformt werden kann. Aus dieser Beziehung lässt sich das Zeigerdiagramm nach Bild 7.8 für einen beliebigen Belastungsstrom I angeben. Aus dem rechtwinkligen Spannungsdreieck ergibt sich, wenn man durch den Strom I teilt, eine Beziehung für den Phasenwinkel j mit

Bild 7.8 Zeigerdiagramm des Universalmotors

X

tanj =

R + c R ⋅n

(7.5)

so dass der Leistungsfaktor umso günstiger wird, je höher die Bemessungsdrehzahl nN gewählt ist. Im gleichen Sinne wirkt beim klassischen Bahnmotor die mit 16 ⅔ Hz vermin derte Frequenz, die den Blindwiderstand X gegenüber einem 50-Hz-Betrieb drittelt. Stromortskurve. Aus Gl. (7.4) erhält man für den Stromzeiger U

I=

R + c R ⋅n + jX also eine Beziehung mit einem komplexen Widerstand und der Drehzahl n als reelle Variable. Wie mit Gl. (5.28) für die Asynchronmaschine ergibt sich damit auch für den Universalmotor für I = f(n) als Ortskurve mit Bild 7.9 ein Kreis. Jedem Stromzeiger kann über die Konstruktion nach Gl. (7.5) mit einem gewählten Widerstandsmaßstab eine feste Drehzahl zugeordnet werden. Die Senkrechte in Bild 7.9 mit der Variablen cR ⋅ n übernimmt die Aufgabe der Schlupfgeraden im Kreisdiagramm der Asynchronmaschine.

Bild 7.9 Stromortskurve des Universalmotors

Der Kreis tangiert wegen I = 0 bei n → ∞ den Spannungszeiger U und hat den Durchmesserstrom I max = −j

U

X

bei R + c R ⋅n = 0

Im Gegensatz zur Asynchronmaschine ist allerdings die untere Kreishälfte nicht für eine Nutzbremsung mit Generatorbetrieb in das öffentliche Netz nutzbar. Es lässt sich zeigen, dass sich aus Maschine und Netz mit dem Widerstand ZN = RN + jXN ein Reihenschwingkreis bildet, der sich ab einer bestimmten Drehzahl nach der Bedingung X + XN = 0 selbsterregt. Enthält XN Kondensatoren, so ergibt die Resonanzbedingung eine netzfremde Frequenz, bei Fehlen von Kondensatoren im Netz eine Gleichstromerregung. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie. Das Drehmoment des Motors kann über die Abgabeleistung P2 bestimmt werden. Berücksichtigt man nur die Stromwärmeverluste PCu, so gilt für die Abgabeleistung P2 nach Bild 7.8 P2 = U ⋅ I ⋅ cosj − I 2 ⋅ R = (Uq +U R )I − U R ⋅ I P2 = Uq ⋅ I Mit Gl. (7.2) entsteht daraus P = c ⋅n ⋅ I 2 2

(7.6)

R

Damit wird das Drehmoment M=

P2 2π ⋅ n

= cR ⋅ I

2

(7.7)

2π

Aus Gl. (7.7) ergibt sich bei einem Stromverlauf nach i = Drehmoment

2 ⋅ I ⋅sin wt für das momentane

2 M = 2 M ⋅ sin w t = M ⋅ 1 −cos2w t

(

t

)

Das Drehmoment eines Universalmotors schwankt also mit doppelter Netzfrequenz um den Mittelwert M. Der Wechselanteil mit der Amplitude des Nutzmomentes erzeugt in der Maschine kleine Drehschwingungen, was sich vor allem in Geräuschen bemerkbar macht (Bild 7.10).

Bild 7.10 Drehmomentverlauf beim Universalmotor

Aus Gl. (7.7) lassen sich die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien berechnen. Zunächst ist nach Gl. (7.4)

2 I =

U

(R +

2

2 2 cR ⋅n ) + X

und damit

M=

cR

2π

⋅

U

2

(7.8)

( R + c R ⋅n)2 + X2

Löst man die Gleichung nach der Drehzahl n auf, so ergibt sich

U

2

n=

X −

2π ⋅ c R ⋅ M

cR

2

R −

(7.9)

cR

Vergleicht man die obige Gleichung mit der des Gleichstrom-Reihenschlussmotors nach Abschnitt 2.3.2, so stimmt sie mit dann X = 0 und der dortigen Gl. (2.46) überein.

Verfahren der Drehzahländerung Zur stufenlosen Drehzahländerung bestehen mit  Absenken der Klemmenspannung,  Schwächung des Erregerfeldes,  Zuschalten von ohmschen Widerständen die vom Gleichstromreihenschlussmotor bekannten Möglichkeiten. Die Feldschwächung erfolgt z. B. bei Haushaltsgeräten (Rührer) über eine Anzapfung der Erregerwicklung mittels Stufenschalter S (Bild 7.11). Der Einsatz von Vorwiderständen kann in der Technik der Barkhausen-Schaltung verwirklicht werden, mit der sich auch die Leerlaufdrehzahl wesentlich herabsetzen lässt. Es ist dies der Wirkung des Ankerparallelwiderstandes Rp (Bild 7.12) zuzuschreiben, der auch bei fehlendem Ankerstrom im Leerlauf eine Felderregung ermöglicht. Die Kombination Vor- und Parallelwiderstand Rv und Rp ergibt das Kennlinienfeld von Bild 7.13 mit einem Stellbereich von 1 bis 2.

Bild 7.11 Feldschwächung durch Bild 7.12 Barkhausen-Schaltung zur Wicklungsanzapfungen Drehzahlsteuerung

Bild 7.13 Drehzahlkennlinien bei BarkhausenSchaltung

Bild 7.14 Drehzahlkennlinien bei verminderter Spannung und Feldschwächung

Das wichtigste Verfahren ist die Absenkung der Betriebsspannung und zwar in der Regel, wie nachstehend erläutert, durch eine Triacsteuerung. Spannungsabsenkung und Feldschwächung ergeben zusammen das Kennlinienfeld nach Bild 7.14. Bei U ≤ UN liegen die Hyperbeln unterhalb, bei F ≤ FN oberhalb der ungesteuerten Kennlinie. Triacsteuerung. Die Veränderung der Motorspannung erfolgt meist über eine Phasenanschnittsteuerung wie bei den bekannten Dimmerschaltungen. Als Stellglied dient bei diesen kleinen Leistungen immer ein Triac. Dieses Halbleiterbauteil wirkt wie zwei gegenparallel geschaltete Thyristoren, besitzt aber zur Zündung in beiden Halbschwingungen nur eine Steuerelektrode. Auf diese Weise lassen sich einfache Steuerschaltungen auf- bauen, die bereits für kleine Antriebe in Haushalt und Gewerbe wirtschaftlich eingesetzt werden können. Die einfachste Möglichkeit einer derartigen Schaltung zeigt Bild 7.15. Dem Wechselstromthyristor ist ein RC-Zweig parallel geschaltet, an dessen Mitte die -Steuerelektrode über eine spezielle Zünddiode Z angeschlossen ist. Dieses Halbleiterelement weist bei Erreichen einer bestimmten Spannung beliebiger Polarität, z. B. ± 35 V, eine negative Widerstandscharakteristik auf. Überschreitet nun die Kondensatorspan- nung uC diese Kippspannung der Zünddiode, so liefert sie einen Stromimpuls, der den Wechselstromthyristor zündet. Die Netzspannung wird damit bis zum nächsten Nulldurchgang des Stromes an die Motorklemmen gelegt (Bild 7.16). In der negativen Halbschwingung erfolgt die Zündung ebenso. Der Zündwinkel a ist durch das Potentiometer Rp, mit dem die Amplitude und Phasenlage der Kondensatorspannung variiert werden können, einstellbar. Entsprechend ändert sich die Aufteilung der am Motor und Triac liegenden Spannungsflächen und damit der Effektivwert UM der Motorspannung.

Bild 7.15 Drehzahlsteuerung eines Universalmotors durch eine Triacschaltung T Triac Z Diac (Zünddiode)

Bild 7.16 Strom- und Spannungsdiagramm bei Triacsteuerung nach Bild 7.15

Rp Steuerpotentiometer

Ukipp Kippspannung der Zünddiode (35 V)

Stromwendung Stromwende- und Wendefeldspannung. Wie bei der Gleichstrommaschine wird der Strom der Ankerstäbe beim Passieren der neutralen Zone kommutiert. Die betreffende von der Bürste kurzgeschlossene Spule mit dem Strom Ik umfasst zu diesem Zeitpunkt den vollen Erregerfluss (Bild 7.17), der beim Wechselstrommotor mit der Frequenz f1 pulsiert. Ist die Windungszahl einer Spule Ns, so wird nach dem Induktionsgesetz durch den Erregerfluss Ft = F sin wt die so genannte Transformationsspannung utr = Ns ⋅

d Φt d t

Bild 7.17 Zur Bestimmung der Stromwendung a) Verkettung der kommutierenden Spule mit dem Hauptfeld b) Richtungspfeile in der kurzgeschlossenen Spule

mit dem Effektivwert U tr = 4,44⋅ f1 ⋅ N s Φ

(7.10)

entstehen. Im Unterschied zur „Gleichstromkommutierung“ wird die Stromwendung im Wechselfeld somit zusätzlich erschwert. Wie dort entsteh en 1. die Stromwende- oder Reaktanzspannung ur ∼ Lk ⋅ dik /dt ∼ Lk ⋅ ik ⋅ n, verursacht durch den Richtungswechsel des kommutierenden Spulenstromes ik ∼ I. Sie wirkt nach dem Lenz’schen Gesetz der Stromänderung entgegen und ist mit

U r=

−c r ⋅ n ⋅ I

(7.11)

wie bei der Gleichstrommaschine der Drehzahl und dem Ankerstrom proportional. 2. die Wendefeldspannung nach uw ∼ Bw ⋅ l ⋅ v durch die Bewegung der Spulenstäbe im Luftspaltfeld der Flussdichte Bw. Im Unterschied zur Gleichstrommaschine höherer Leistung wird diese nicht durch Wendepole in der Pollücke, sondern entweder durch eine Bürstenverschiebung (Bild 7.18 a) oder durch ungleiche Verbindungen zum Stromwender (Schaltverschiebung, Bild 7.18 b) erreicht. In beiden Fällen gelangt die kommutierende Ankerspule mit ihren Leitern in den Bereich des Feldes des nächsten Poles mit der dortigen für die Kompensation von Ur erforderlichen Flussdichte Bw. Da diese wegen der Reihenschaltung von Anker und Errregerwicklung proportional zum Motorstrom I ist, gilt wie bei einer Gleichstrommaschine

Bild 7.18 Kompensation der Stromwendespannung bei Universalmotoren durch a) Bürstenverschiebung b) Schaltverschiebung U w=

c w ⋅n ⋅ I

(7.12)

In Bild 7.18 sind beide Varianten für eine Maschine mit Kohlebürsten auf Mitte Erregerpol gezeigt. Ohne Verschiebung kommutiert die Spule mit den Seiten 1 – 9 in der neutralen Zone. Bei einer Bürstenverschiebung entgegen der Drehrichtung (Bild 7.18 a) erfolgt der Kurzschluss für die Spule 2 – 10, die mit ihren Seiten noch innerhalb des Erregerfeldes liegt. In ihr wird daher mit gleicher Polarität wie durch ein Wendepolfeld eine Bewegungsspannung induziert, welche die Stromwendespannung aufhebt. Die unsymmetrische Gestaltung der Schaltverbindungen in Bild 7.18 b hat dieselbe Wirkung. Die Bürstenverschiebung hat bezüglich ihrer Wirkung auf die Stromwendung nicht die Qualität einer Ausführung der Maschine mit Wendepolen. Da für die Stromwendespannung Ur ∼ n ⋅ I gilt, für die Bewegungsspannung im Erregerfeld dagegen Ub ∼ n ⋅ BL, wird die gewünschte Kompensation nach Ur + Ub = 0 nur bei einer linearen Zuordnung BL ∼ FL ∼ I erreicht. Diese ist jedoch wegen der magnetischen Sättigung nicht vorhanden, so dass man sich auf eine Kompensation z. B. bei Volllast beschränken muss.

Die oben beschriebene feste Bürsten- oder auch Schaltverschiebung verlangt natürlich eine vorgegebene Drehrichtung. Werden mit Rechts- und Linkslauf beide Drehrichtungen verlangt, so sind beide Verfahren nicht anwendbar. In diesen Falle wird entweder auf eine Kompensation der Stromwendespannung verzichtet – mit dem Nachteil stärkeren Bürstenfeuers – oder eine mechanische Bürstenverstellung für beide Drehrichtungen vorgesehen. Transformationsspannung. Wie schon mit Gl. (7.10) gezeigt, wirkt beim Universalmotor in der kommutierenden Ankerspule zusätzlich eine durch das Erregerwechselfeld F transformatorisch induzierte dritte Spannung Utr. Wegen utr ∼ dFt /dt ∼ di /dt lässt sich ihre zeitliche Lage zum Strom auch durch die Gleichung U tr = j

⋅ctr ⋅ f 1 ⋅ I

(7.13)

angeben, d. h. sie eilt dem Ankerstrom 90° vor. Gl. (7.13) sagt aus, dass die Tranformationsspannung Utr gegenüber der Stromwendespannung um 90° phasenverschoben ist (Bild 7.19) und zudem drehzahlunabhängig ist. Sie kann daher durch keins der Verfahren nach Bild 7.18 aufgehoben werden.

Bild 7.19 Zeigerdiagramm der Spannungen in der kurzgeschlossenen Ankerspule

Auf Grund der Transformationsspannung Utr zeigen Universalmotoren grundsätzlich Bürstenfeuer, das wegen des normalerweise zumindest bei E-Werkzeugen gegebenen Kurzzeitbetriebs in Kauf genommen werden kann. Utr steigt proportional mit der Netzfrequenz f1, was wie schon erwähnt der Gru...