Spulenanordnung des Stators

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Drehstrommotoren. Spulenanordnung des Stators - PowerPoint PPT Presentation

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  • Spulenanordnung des StatorsDie Wirkung der drei Spulen lsst sich vervielfachen, indem sie jeweils paarig gegenberliegend und in grerer Zahl ber den Umfang des Statorkrpers verteilt werden. Wird jedes Spulenpaar direkt von dem Dreiphasenstrom mit der Netzfrequenz f gespeist, so ergibt sich dabei keine Drehzahlvernderung. Werden jedoch jeweils mehrere Spulenpaare fr jede der drei Stromphasen hintereinandergeschaltet und jeweils gleichmig ber den Statorumfang verteilt, so wird dadurch die Drehzahl n des resultierenden Statormagnetfeldes entsprechend der beteiligten Spulenpaarzahl p verkleinert.

    Diese Manahme wird durchgefhrt, wenn niedrige Drehzahlen und ein besonders ruhiger und gleichmiger Lauf mit groen Lasten gefordert sind. Eine Erhhung der standardmigen Drehzahl fr einpolige Drehstrommaschinen ist nur durch Erhhung der Frequenz oder durch den Einsatz von Getrieben mglich.

    Drehstrommotoren

  • Beispiel: Bei einem Motor mit pro Phase vier hintereinandergeschalteten und ber den Stator verteilten Spulenpaaren ist bei einer Stromfrequenz von 50 Hz die Umdrehungszahl n in gngigen Maeinheiten:Drehstrommotoren

  • Wechsel- und Drehstrommotoren

    Bei Wechselstrom kann auch auf einen Kommutator verzichtet werden, wenn die Umdrehungszahl im Rhythmus des Wechselstromes erfolgt; das dann mit umlaufende Magnetfeld des Rotors wird dann:durch vom Erregerfeld induzierte Strme in einer Kurzschluss-wicklung (Asynchronmotor)durch Magnetisierung eines Eisenkernes mit Polen (Reluktanzmotor, Schrittmotor)durch Dauermagnete (Schrittmotor, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, Synchronmotor)durch einen elektrisch erregten Lufer (siehe Synchronmaschine)erzeugt.

  • Wechsel- und DrehstrommotorenSolche Motoren besitzen daher kein oder ein geringes Anlaufmoment; sie bentigen eine Anlaufhilfe, knnen jedoch mit Wechselstrom mit mehr als nur einer Phase auch selbst starten:Drehstrommotoren werden mit Drehstrom betrieben, der aus drei um 120 phasenverschobenen Wechselspannungen besteht und so ein Drehfeld erzeugt.Kondensator- und Spaltpolmotoren erzeugen sich aus einem einphasigen Wechselstrom selbst eine Hilfsphase (ein Drehfeld) zum Anlauf.Schritt- und Reluktanzmotoren werden mit frequenzvernderlichem Wechselstrom und/oder mit mehreren Phasen betrieben, damit sie im Tritt bleiben bzw. keine Schrittverluste auftreten.Synchronmotoren bentigen eine Starthilfe oder schaukeln/schwingen sich von selbst in Tritt.

  • SynchronmaschineDie Synchronmaschine erhielt ihren Namen durch die Betriebs-eigenschaft, dass ihr Lufer exakt mit der durch die Netzfrequenz vorgegebene Drehzahl synchron umluft. Fr den Betrieb ist unbedingt ein Erregerfeld notwendig. Bevor eine Synchronmaschine ans Netz geschaltet wird, muss sie mit dem Netz synchronisiert werden. Um einen Synchronmotor stufenlos in der Drehzahl regeln zu knnen, wird Leistungselektronik, wie z.B. Frequenzumrichter, verwendet. Ein Drehgeber (Strichgeber, Resolver) misst stndig die Luferstellung. Daraus ermittelt die Steuerungselektronik die tatschliche Drehzahl. Bei Belastung luft der Lufer des Synchronmotors dem Drehfeld im Winkel geringfgig hinterher (Polradwinkel). Synchronmaschinen knnen Blindleistung aufnehmen oder abgeben, dadurch kann die Maschine zudem zur Blindleistungskompensation verwendet werden.

  • SynchronmaschineAnwendung

    Hauptanwendungen der Synchronmaschinen sind die Wechsel- und Drehstrom-Generatoren in den Kraftwerken. Fast die gesamte konventionelle elektrische Energieerzeugung geschieht mit Synchrongeneratoren. Auch die Lichtmaschinen in Autos sind berwiegend Synchrongeneratoren mit nachgeschaltetem Dreiphasengleichrichter. Ein besonders einfacher Synchrongenerator mit Permanentmagnet-Erregung ist der Fahrraddynamo. Jede Synchronmaschine kann im Prinzip sowohl als Synchrongenerator als auch als Synchronmotor laufen.

  • SynchronmaschineVorteile:

    hoher Wirkungsgrad geringes Massentrgheitsmoment wartungsarm (wenn Erregung ohne Schleifringe) Drehzahl von Belastung unabhngig bei Permanentmagnet-Erregung keine elektrische Leistung fr Erregung notwendig Relativ groer Luftspalt mglich Blindleistungssteuerung mglich

    Nachteile:

    Magnetmaterial teuer fr Permanentmagnet-Erregung hoher Regelaufwand luft nicht selbststndig hoch

  • AsynchronmaschineBei der Asynchronmaschine bestehen die Spulen im Rotor (Lufer) aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen. Fr den Asynchronmotor findet daher auch die Bezeichnung Kurzschlusslufermotor Verwendung. Durch das sich ndernde Magnetfeld des Stators wird in den kurzgeschlossenen Leiterschleifen des Rotors ein Stromfluss und ein daraus resultierendes Magnetfeld induziert, das dem verursachenden Magnetfeld entgegen gerichtet ist. Die resultierenden Krfte ben ein Drehmoment auf den Rotor aus. Lsst man das Statorfeld rotieren, 'schleppt' dieses den Rotor aufgrund oben beschriebener Wirkung mit. Zwangslufig muss sich der Rotor geringfgig langsamer drehen als das Statordrehfeld (Schlupf), damit das dem Induktionsgesetz zugrunde liegende Prinzip, nmlich die Vernderung des Magnetfeldes pro Zeit, erfllt bleibt. Bei Gleichlauf von Rotor und Drehfeld findet keine Induktion mehr statt, das bertragbare Drehmoment ist Null.

  • Asynchronmaschine

    Der niedrige Wert gilt fr 2-polige, der hhere Wert fr 8-polige Elektromotoren

  • AsynchronmaschineAnders ausgedrckt: Voraussetzung ist, dass der Rotor geringfgig langsamer drehen muss als das Statordrehfeld, damit sich das Magnetfeld innerhalb des mitdrehenden Rotors stndig ndert, was wiederum die Voraussetzung fr die Induktion von elektrischer Spannung in den Rotorleitern ist. Eine Ausnahme stellt der Reluktanzmotor dar, dessen Lufer synchrone Drehzahl erreicht.

    Durch die Anwendung eines Frequenzumrichters, teilweise schon im Gehuse integriert, kann die Drehzahl fast wie bei Universalmotoren variiert werden

  • Asynchronmaschine

  • AsynchronmaschineAnwendungsbeispiele

    Kleinleistungsmotoren

    Pumpenantriebe in allen Industriebereichen Kompressoren (z. B. Kltemittelkompressoren fr kleinere Khlrume) Ventilatoren fr alle Industriebereiche Antriebe fr Flurfrderzeuge

    Mittelleistungsmotoren

    Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren fr alle Industriebereiche Pressenantriebe (Schwungrad-, Spindel-, Exzenter-) Extruderantriebe Traktionsantriebe fr Autos und Busse (Elektro- oder Hybridfahrzeuge) Werkzeugmaschinenantriebe (z. B. Hauptspindelantriebe) Hilfsantriebe auf Schiffen, Lokomotiven etc.

  • AsynchronmaschineAnwendungsbeispiele

    Hochleistungsmotoren

    Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren fr alle Industriebereiche Kraftwerkshilfsantriebe Traktionsantriebe fr Bahnen Seil/Kettenzugantrieb

  • AsynchronmaschineDas nebenstehende Bild zeigt den typischen Drehmomenten-verlauf in Abhngigkeit von der Drehzahl. Im Dreiecksbetrieb hat der Motor im Vergleich zum Sternbetrieb etwa das dreifache Anzugsmoment. Die Betriebspunkte B1 oder B2 liegen jenseits des Kippmomentes K1 oder K2.

  • AsynchronmaschineCharakteristischer Drehmomentenverlauf von Kurzschlusslufermotoren

  • AsynchronmaschineVor- und Nachteile

    Mit dem Siegeszug der Spannungsumformer werden heute nahezu ausschlielich Kurzschluss-Kfiglufermotoren (engl. squirrel cage induction motor) bentigt. Dieser Ausfhrungsart verdankt der Asynchronmotor seine Bezeichnung als Arbeitspferd der elektrischen Antriebstechnik. Kombiniert mit einem entsprechend gesteuerten Frequenzumrichter ist er auch in der Lage, gegen groe Gegenmomente von Arbeitsmaschinen anzulaufen. Die Frequenzumrichterbaugruppen bernehmen derzeit zunehmend auch die Aufgabe des Motorschutzes. Auerdem werden Motoren mit angebautem Frequenzumrichter angeboten. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand.

  • AsynchronmaschineVorteile

    lange Lebensdauer, wartungsarm, kein Brstenverschlei beim Kurzschlusslufer (typischer mittlerer Ausfallabstand 20.000 Stunden) kurzzeitig stark berlastbar (bis grer 2 Nennmoment) nahezu konstante Drehzahl, kein Durchgehen im Leerlauf einsetzbar im Ex-Bereich (explosionsgefhrdeter Bereich), da keine Brsten oder Schleifringe (Vermeidung des Brstenfeuers, etc. selbststndiger Anlauf mglich vergleichsweise geringe Herstellungskosten der Lufer ist spannungslos und kann auch in Flssigkeiten, Gasen oder im Vakuum laufen. (Beispiel: Umwlzpumpe) Anlauf gegen hohe Gegenmomente ohne Hilfsmittel (auch abhngig von Luferbauform) sehr robuste Ausfhrung, Medienvertrglichkeit des Aktivteils hohe Drehzahltauglichkeit, daher bei Betrieb mit Spannungsumformer hohe Leistungsausbeute hoher Wirkungsgrad im Feldschwchbereich

  • AsynchronmaschineNachteile

    Drehzahlvernderung nur bei Sonderbauformen mit Polumschaltung oder mit zustzlichem Frequenzumrichter mglich insbesondere bei kleinen Ausfhrungen ca. 20 bis 30 % mehr Volumen pro Drehmoment gegenber permanent magnetisierten Synchronmotoren 3 Auenleiter zur Versorgung notwendig (ersatzweise Frequenzum-richter oder Betriebskondensator (Kondensatormotor) bei Einphasen-wechselstrom mglich) kleinerer Wirkungsgrad im Vergleich zur permanent magnetisierten Synchronmaschine bei hoher Momentausnutzung komplexe theoretische Verfahren zur Berechnung (im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen) geringes Anlaufmoment, auer bei Verwendung eines Frequenzumrichters mit Hochlaufsteuerung Schritt- bzw. Servomotoren haben bei Positionieraufgaben Vorteile und sind im Vergleich leichter

  • Einphasen-Wechselstrommotoren

    Einphasen-Wechselstrommotoren werden fr kleine Leistungen bis etwa 5 kW gebaut. Sie werden einphasig an ein Wechselstromnetz angeschlossen. Die gebruchlichste Betriebsspannung hierfr ist 230V. Ein einphasiger Anschluss an ein Drehstromnetz ist ebenfalls mglich. Die Betriebsspannung entspricht dann der Sternspannung(Strangspannung U).Durch das einphas

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