Fachrunde 3: Später, teurer, mangelhaft das grundsätzliche ...
Zu 3.2.1 Erregerkreis Zu 3.1 Aufbau und grundsätzliche ... · Vorlesung Elektrische Antriebe...
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Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 1
Zu 3.1 Aufbau und grundsätzliche Wirkungsweise
Bild 3.1: Aufbau der Gleichstrommaschine (graue Bauteile weichmagnetisch)
Bild 3.2: Aufbau und Funktionsweise des Kommutators
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 2
Zu 3.2.1 Erregerkreis
Bild 3.3: Idealisierter Feldverlauf im Luftspalt der Gleichstrommaschine und
Abmessungen H magnetische Feldstärke im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) wf Windungszahl der Erregerwicklung If Erregerstrom Luftspaltlänge 0 Permeabilität des Luftspalts B Induktion im Luftspalt (nur radiale Komponente vorhanden) da Ankerdurchmesser p Polwinkel
p Polteilung ap
d2 p
mit p: Polpaarzahl
p Polbogen p ap
d2
ap Polbedeckung (Quotient aus Polbogen und Polteilung p
ppa
)
Länge des Blechpakets
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 3
Zu 3.2.2 Induzierte Spannung
Bild 3.4: Induktions-, Fluss- und Spannungsverlauf einer Leiterschleife
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 4
Zu 3.3 Ersatzschaltbild
Bild 3.5: Ersatzschaltbild der Gleichstrommaschine
Zu 3.4.1 Berechnung von nichtlinearen Permanentmagnetkreisen
Bild 3.6: Arbeitspunktbestimmung im Permanentmagnetkreis durch Scherung
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 5
Zu 3.4.2 Permanentmagnetmaterialien
Material rB
T
(Remanenz)
CHkA
m
(Koerzitiv-feldstärke)
max
3
B HkJ
m
(Energie-produkt)
max
C
(max. Einsatz-temperatur)
Anisotroper Ferrit 0,36…0,41 170…270 25..32 200…250
SmCo 0,8…1,12 650…820 160…260 250…300
NdFeB 1,0…1,47 790…1100 200…415 100…200
Tabelle 3.1: Eigenschaften von Permanentmagnetmaterialien
Bild 3.7: Entmagnetisierungskennlinien von Permanentmagnetmaterialien
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 6
Zu 3.4.3 Berechnung von permanenterregten Gleichstrommotoren mit Innenläufer
Bild 3.8: Aufbau einer permanenterregten Gleichstrommaschine Luftspaltlänge B Luftspaltinduktion hm Magnethöhe
m relative Permeabilität des Magneten
Br Remanenzinduktion des Magneten (im Arbeitspunkt) da Ankerdurchmesser p Polwinkel p Polteilung axiale Länge des Ankers und der Magnete p Polpaarzahl
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Zu 3.4.4 Ankerrückwirkung, Entmagnetisierung
Bild 3.9: Feldlinienbilder ohne und mit Ankerrückwirkung
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 8
Zu 3.5 Fremderregte Gleichstrommaschine
Bild 3.10: Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine Merkmal: Ua und Uf werden getrennt bereitgestellt. Vereinfachungen zur Ermittlung der Betriebskennlinien: Keine Eisenverluste Keine mechanischen Verluste Betrachtung des stationären Zustands
Gl. (3.5): i pU k n
Gl. (3.6): Ii p akM2
MR: I(3.5), (3.6)
aa i a a p i
p
2 RU U R k n Mk
(3.18)
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 9
Zu 3.5.1 Betrieb mit konstanter Ankerspannung und konstantem Erregerstrom
Bild 3.11: Kennlinie der fremderregten Gleichstrommaschine bei Ua = UaN
und p = pN
Zu 3.5.2 Variation der Ankerspannung
Bild 3.12: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei p = pN
und für - UaN < Ua UaN
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 10
Zu 3.5.3 Variation des Erregerstroms
Bild 3.13: Kennlinien der fremderregten Gleichstrommaschine bei Ua = UaN
und für p pN (Feldschwächung)
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 11
Zu 3.5.4 Betrieb der fremderregten Gleichstrommaschine am Gleichstromsteller
Vorzeichen von Ankerspannung und Erregerstrom Drehrichtung Betrieb als
Vorzeichen von Ankerstrom und Erregerstrom Motor/Generator Richtung Drehmoment
Strom-/Spannungsumkehr mechanische Kontakte oder leistungs-elektronische Stellglieder (Kap. 2)
Variation der Spannung leistungselektronische Stellglieder (Kap. 2) Bei hohen dynamischen Anforderungen an die Drehzahlverstellung: Verstellung der Ankerspannung, da Ankerzeitkonstante
aa
a
LR
i.d.R. kleiner als Erregerzeitkonstante
ff
f
LR
.
Beispiel:
Bild 3.14: Gleichstromstellergespeister Gleichstromantrieb
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 12
Zu 3.6 Nebenschlussmaschine
Bild 3.15: Gleichstrom-Nebenschlussmaschine
Zu 3.7 Reihenschlussmaschine
Bild 3.16: Gleichstrom-Reihenschlussmaschine
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 13
Zu 3.7.1 Reihenschlussmaschine bei konstanter Spannung
Bild 3.17: Kennlinie der Reihenschlussmaschine
Zu 3.7.2 Reihenschlussmaschine bei variabler Spannung
Bild 3.18: Kennlinien der Reihenschlussmaschine für 0 < U UN
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 14
Zu 3.7.3 Besonderheiten beim Betrieb von Reihenschluss-maschinen
Kein generatorischer Betrieb möglich. Leerlauf: Mi = 0 n ; Maschine „geht durch“; bei kleinen Maschinen
genügt jedoch Reibung für stabilen Leerlauf. Stillstand: ISt >> IN ; Blockieren i.d.R. nicht zulässig; für bestimmte Anwendung
sind Wicklungen und Kommutator jedoch für ISt bemessen (z. B. KFZ-Anlasser).
Für ISt > IN tritt im Erregerkreis üblicherweise Sättigung auf MSt . Drehrichtungsumkehr: Umpolen von Ankerwicklung oder Erregerwicklung.
Häufig nur ein Teil der Erregerwicklung im Reihenschluss, ein zweiter Teil im Nebenschluss. Beispiel:
Bild 3.19: Antrieb für Gleichstrombahnen mit Reihenschlussmaschine
und GTO-Tiefsetzsteller
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 15
Zu 3.8 Wechselstromkommutatormaschine Durch Umpolen der Spannung U bei der Reihenschlussmaschine ändern sich weder die Drehrichtung noch die Richtung des Drehmoments. Deshalb kann die Reihenschlussmaschine auch an Wechselspannung betrieben werden. (Die Nebenschlussmaschine eignet sich nicht für den Betrieb an Wechselspannung, da dort Ankerstrom und Erregerstrom infolge unterschiedlicher elektrischer Zeitkonstanten nicht phasengleich bestromt werden und sich dadurch zeitweise eine Richtungsumkehr des Drehmoments ergäbe.) Aber: Drehmomentwelligkeit mit doppelter Speisefrequenz Magnetischer Kreis ist hinsichtlich Sättigung auf den Scheitelwert des Stromes
auszulegen Ausnutzung (im Mittel) geringer als bei Betrieb mit Gleichstrom. Zeitlich veränderliches Erregerfeld induziert im Anker Spannungen; diese erschweren
zusätzlich die Kommutierung im Ankerstromkreis. Zeitlich veränderliches Erregerfeld bedingt geblechte Ausführung des Stators zur
Verringerung von Wirbelströmen. Einsatz früher häufig bei Wechselstrom-Bahnen (Grund für 162/3 Hz). Einsatz heute häufig bei Hausgeräten (kostengünstig herstellbar; mit Phasenanschnittsteuerung leicht drehzahlverstellbar).
Zu 3.9 Stromrichterbedingte Oberschwingungen Gleichstrommaschinen werden z.B. an Gleichstromstellern oder an netzgeführten Stromrichtern betrieben. Die Ausgangsspannung dieser Stellglieder weist neben dem gewünschten Gleichanteil auch Wechselanteile auf. (Siehe hierzu Abschnitt 2.4.1 und Vorlesung LE II.) Diese Wechselanteile sind für den Erregerkreis i.d.R. unkritisch, da infolge der großen Zeitkonstante f eine gute Glättung des Erregerstromes und damit des Erregerfeldes vorliegt. Es erfolgt somit nur ein geringer Einfluss auf das Drehmoment. Für den Ankerkreis sind solche Wechselanteile i.d.R. deutlich kritischer, da infolge der kleinen Zeitkonstante a keine gute Glättung des Ankerstromes vorliegt und damit ein direkter Einfluss auf das Drehmoment eintritt. Schwingungen im Drehmoment können Schwingungen im mechanischen Antriebsstrang anregen und ggf. dort auch zu Resonanzen führen. Wechselanteile im Erreger- oder Ankerstrom führen infolge der elektromagnetischen Kräfte und der resultierenden mechanischen Schwingungen auch zu Geräuschen. Zur Verminderung von solchen Wechselanteilen im Erreger- oder Ankerstrom eignen sich folgende Maßnahmen: Einfügen von Zusatzdrosseln im entsprechenden Stromkreis. (Dadurch wird aber auch
die mögliche Verstellgeschwindigkeit reduziert.) Bei Gleichstromstellern: Erhöhung der Pulsfrequenz. Bei netzgeführten Stromrichtern: Erhöhung der Pulszahl.
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 16
Zu 3.10 Wirkungsgrad beim gleichstromstellergespeisten Gleichstromantrieb
3.10.1 Ein Beispiel
Gleichstrommotor
Daten der GM betrachteter Betriebspunkt Ra = 0,4 Rf = 480
UaN = 600 V Ua = 200 V nN = 2000 1/min n = 572 1/minIaN = 101 A Ia = 100 A MN = 250 Nm M = 250 Nm
UfN = 600 V Uf = 600 V
PmechN = 52,3 kW Pmech = 14,97 kWPVaN = 4080 W PVa = 4000 W PV,sonst.N = 4160 W PV,sonst. = 1030WPVfN = 750 W PVf = 750 W
Verlustleistung GM PVGM = PVa+PVf+PVsonst. = 5780W
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Gleichstromsteller (Tiefsetzsteller)
Größe Betriebspunkt U1 = 600V U2 = 200V a = 1/3 I2 = 100 A Pulsperiodendauer TS = 0,1 ms
Diode Durchlassspannung UD = 1,4 V Durchlassverlustleistung PVDd = UDI2(1-a) = 93W Einschaltverlustenergie ED,EIN = 0,3 mWs Ausschaltverlustenergie ED,AUS = 0,7 mWs Umschaltverlustleistung PVDs = (ED,EIN+ED,AUS)/TS = 10W
IGBT Durchlassspannung UT = 1,7 V Durchlassverlustleistung PVTd = UTI2a = 57W Einschaltverlustenergie ET,EIN = 2 mWs Ausschaltverlustenergie ET,AUS = 2 mWs Umschaltverlustleistung PVTs = (ET,EIN+ET,AUS)/TS = 40W
Verlustleistung GS PVGS = PVDd + PVDs + PVTd + PVTs = 200W
Vorlesung Elektrische Antriebe Kapitel 3 Blatt 18
Wirkungsgrad des gesamten Antriebs:
mech mech
1 mech VGM VGS
P P 14,97 kW71%
P P P P 20,95 kW
.
3.10.2 Allgemeines Vorgehen An einem betrachteten Betriebspunkt der Gleichstrommaschine liegen die elektrischen Größen Ua, Ia und ggf. Uf, If vor. Bei vorgegebener Versorgungsspannung (U1) für den Gleichstromsteller liegt dann der erforderliche Modulationsgrad (a) des Gleichstromstellers fest. (Siehe hierzu Abschnitt 2.4.) Die Pulsfrequenz (1/TS) des Gleichstromstellers ist vorgegeben. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (Ia bzw. If) passenden Durchlassspannungen. (Siehe hierzu Abschnitt 2.1.) Der Modulationsgrad (a) bestimmt zusammen mit den elektrischen Größen die Durchlassverlustleistung. Aus dem Datenblatt der im Gleichstromsteller eingesetzten Leistungshalbleiter ergeben sich die zum jeweiligen Strom (Ia bzw. If) und zur Versorgungsspannung passenden Umschaltverlustenergiemengen. Diese Umschaltverlustenergiemengen bestimmen zusammen mit der Pulsfrequenz die Schaltverlustleistung. Die an der Motorwelle abgegebene mechanische Leistung ist Pmech. Die aus der Versorgungsspannungsquelle aufgenommene elektrische Leistung ist P1.
Der Wirkungsgrad des Antriebs ist mech
1
P
P .