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Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 2.3 Drehfeldmaschinen Dreiphasensysteme für Strom.

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Präsentation zum Thema: "Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 2.3 Drehfeldmaschinen Dreiphasensysteme für Strom."—  Präsentation transkript:

1 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck1 2.3 Drehfeldmaschinen Dreiphasensysteme für Strom und Spannung Dreiphasensystemen weitere gewichtige Argumente für Nutzung von Wechselstrom allgemein in Elektroenergieversorgung durchgesetzt. Zweiphasensystem: gegenüber einfachem Wechselstrom 1.Bei Phasenverschiebung von 180° wird Stromsumme beider Rückleiter Null und Leitermaterial kann gespart werden. 2.Bei Phasenverschiebung von 90° entsteht für 90° räumlich versetzte Magnetspulen magnetisches Drehfeld. | B | = const, Richtung α = ωt. Dreiphasensystem: Kombination beider Möglichkeiten bei gleicher Phasenverschiebung von 120 °. 3.Außerdem zwischen jedem Leiter und Nullpunkt einfacher Wechselstrom. Nullpunkt I L1 I L2 I L3 L1L1 L2L2 L3L3 i L1 i L2 i L3

2 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck2 Symmetrisches Dreiphasensystem besteht aus drei Spannungen mit je 120° (oder 2π/3 ) Zeitverschiebung. u L1 = Û cos(ωt) u L2 = Û cos(ωt 2π/3) u L3 = Û cos(ωt 4π/3) 2π Û L1 cosωt Û L2 cos(ωt-2π/3) Û L3 cos(ωt-4π/3) t U L1 U L2 U L3 2π/3 Weitere Phasen keine zusätzlichen Vorteile. Insbesondere Drehfeldmaschinen waren entscheidend für Dreiphasensysteme. Praxis außer L 1,L 2 und L 3 ein Nullleiter ( N ) für Ausgleichsströme zwischen Nullpunkten. Zusätzlich Schutzleiter ( PE ) (im Normalfall ungenutzt, aber bei Schäden Schutzfunktionen). Fernleitungen in der Regel nur drei Leiter (L1, L2, L3) + ev. Blitzschutzleitern.

3 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck3 Stern- und die Dreieckschaltung N u L1 u L2 u L3 N L1L1 L2L2 L3L3 u L12 u L23 u L31 L1L1 L2L2 L3L3 U L23 L1L1 L2L2 L3L3 U L1 U L2 U L3 U L31 U L12 N Sternschaltung:Last zwischen Leiterspannung und Nullpunkt Dreieckschaltung:Last zwischen zwei Leitern (Der virtuell vorhandene Nullpunkt ist nicht nutzbar). z.B. 230 V und 400 V Lastwiderstände oder Wicklungen für 230 V Sternschaltung an 400 V Dreieckschaltung 230 V Zeigerbild Zusammenhang zwischen Leiter- und verketteten Spannungen. Dreieck L 1 – L 2 – N mit Winkeln 30°, 120° und 30° U L12 = U L1 in einem Dreiphasensystem immer zwei Spannungen U und U

4 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck4 symmetrische Last mit Blindanteil je die gleiche Phasenverschiebung UL1UL1 U L2 I L3 U L31 U L12 U L23 I L1 I L2 φ U L3 Z Z Z L1L1 L2L2 L3L3 i L1 Spannungen zwischen zwei Leitern U L12, U L23 und U L31 immer messbar. Für Leiterspannungen U L1, U L2 und U L3 ist Nullpunkt notwendig. Bei Sternschaltung nur Leiterströme I L1, I L2 und I L3 Bei Dreieckschaltung nur Ströme I L12, I L23 und I L31 U L1 I L12 I L1 UL1UL1 U L2 U L31 U L12 U L23 I L31 I L12 I L23 U L3 φ φ Z Z Z L1L1 L2L2 L3L3 i L31 i L12 i L1 u L31 u L12 Knotenpunkt: i L1 = i L12 i L31 gleiche Spannungen und Last

5 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck5 Leistung unabhängig von der Schaltung nach den gleichen Formeln P Stern = 3 U L I L cosφ = 3 (U LL / ) I L cosφ = U LL I L cosφ Leistung bei symmetrischen Dreiphasensystemen: Sternschaltung (d.h. I Zuleitung = I L ) Dreieckschaltung (d.h. I Zuleitung = I LL ) P Drei = 3 U LL I LL cosφ = U LL I L cosφ (= 3 U L I L cosφ) P Anzeige = U L I L cosφ P = 3 P Anzeige P Anzeige = U LL I L cos(30° φ) = U LL I L cos(30° + φ) = U LL I L cosφ P Anzeige = U LL I L cos(90° + φ) = U LL I L sin(φ) P B = P Anzeige u L23 i L1 L1L1 L2L2 L3L3 W N u L1 i L1 L1L1 L2L2 L3L3 W UL1UL1 U L23 U L12 L1L1 L2L2 L3L3 N I L1 u L12 i L1 L1L1 L2L2 L3L3 W u L13 W Aronschaltung

6 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck6 Für unsymmetrische Last ( verschiedene Z 1, Z 2, Z 3 ) Ströme in Leitern ungleich Ausgleichsstrom bei vorhandenem Nullleiter (nur bei starrer Quelle Ri << Z und mit Nullleiter Spannungen symmetrisch, ohne nicht) Spannungsdifferenz zwischen den Nullpunkten ohne Nullleiter Aronschaltung liefert ohne Nullleiter weiter das richtige Ergebnis. Jedes unsymmetrische System kann zerlegt werden in je ein symmetrisches Mitsystem: u m1 = U m cos(ωt φ m ), u m2 = U m cos(ωt φ m 2π/3) und u m3 = U m cos(ωt φ m 4π/3) symmetrisches Gegensystem: u g1 = U g cos(ωt φ g ), u g2 = U g cos(ωt φ g + 2π/3) und u g3 = U g cos(ωt φ g + 4π/3) Nullsystem: u 01 = u 02 = u 03 = U 0 cos(ωt φ 0 ) Diese symmetrischen Komponenten sind für viele Untersuchungen hilfreich Nullsystem ist für Spannung mit Nullleiter oder für Strom ohne Nullleiter Null.

7 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck7 Das Drehfeld Für ein Drehfeld wird ein symmetrischer Dreiphasenstrom an drei (bzw. p mal drei) gleiche, aber auf einem Zylinder je um 120° versetzt angeordnete Spulenpaare angeschlossen. t0t0 t0t0 Î L1 cosωt Î L2 cos(ωt-2π) Î L3 cos(ωt-4π/3) T t B ges = B 1 (i L1 (t)) + B 2 (i L2 (t)) + B 3 (i L3 (t)) = 1,5 B( Î ) e(ωt) t2t2 t2t2 t5t5 t5t5 t4t4 t4t4 1,5 B( Î ) t1t1 t1t1 t3t3 t3t3 Betrag des Gesamtfeldes |B ges | = 1,5 B( Î ) Richtung zeitproportional α = ωt, also nach Phasenfolge B 1, B 2 und B 3 (gegen Uhrzeiger, positiv). Umgekehrte Phasenfolge Drehrichtung umgekehrt. Magnetische Rückschluss über äußeren Zylinderring Drehfeld Hauptanwendung: Asynchronmaschine, Synchronmaschine. B1B1 i L1 (t) B2B2 i L2 (t) B3B3 i L3 (t)

8 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck8 Î L1 cosωt Î L2 cos(ωt-2π/3) Î L3 cos(ωt-4π/3) t t0t0 t2t2 t4t4 Asynchronmaschine Asynchronmaschinen (ASM) zwei Bauformen:- Schleifringläufer - Kurzschlussläufer Wichtige praktische Anwendungen: Einphasenbetrieb und Spaltmotor. Sonderfall: Wicklung im Drehfeld unbeweglich angebracht ähnlich wie die Sekundärwicklung bei einem Transformator Phasenschiebertransformator Wicklung parallel zu B 1 Für t 0 Drehfeld in Richtung B 1 Relativbewegung Leiter - Feld Uhrzeigerrichtung Kraft nach vorn ( UVW-Regel) Induktion in gezeichnete Richtung Fluss durch Wicklung hat bei t 0 größte zeitliche Änderung u ind = Û Strom gleichphasig zu i L1 (t) Wicklung parallel zu B 2 Strom gleichphasig zu i L2 (t). Wicklung parallel zu B 3 Strom gleichphasig zu i L3 (t). B1B1 B2B2 B3B3 i L3 (t) i L1 (t) i L2 (t) Strom erzeugt jeweils ein Magnetfeld 90° hinterher

9 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck9 Fließt infolge Induktion Läuferstrom, muss er der Ursache – Relativbewegung zwischen Wicklung und Drehfeld – entgegenwirken. Läufer muss sich mit Drehfeld mitdreht. Bei gleicher Geschwindigkeit (synchrone Drehzahl n 0 ) keine Induktion, da magnetische Fluss konstant bleibt. Durch mechanische Belastung des Läufers langsamer – also asynchron. Kurzschlussläufer: rings um Läufer dicke Leiterstäbe in Nuten gegossen, an Stirnseiten mit starken Ring kurzgeschlossen. Schleifringläufer: drei Wicklungen in Nuten angeordnet, über drei Schleifringe zugänglich. M 3~ M 3~ L1L2L3L1L2L3 L1L2L3L1L2L3 Synchrone Drehzahl entspricht Umlauf des Drehfeldes festgelegt durch Netzfrequenz und Polpaarzahl. Abweichung von synchronen Drehzahl Schlupf s

10 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck10 Ersatzschaltung reduzierte Transformatorersatzschaltung Problem: geringere Ausgangsfrequenz ω 2 = ω 0 ω = s ω 0 Ausgangsseite durch s dividieren, so dass jω 2 i 2 /s = jω 0 i 2 wird i1i1 u1u1 i 2 u 2 /s R1R1 X σ1 X σ2 R 2 /s XhXh iμiμ uhuh R Fe i Fe X σ = ω 0 L σ X h = ω 0 M R, L = R, L (w 1 /w 2 ) 2 u 2 = u 2 w 1 /w 2 i 2 = i 2 w 2 /w 1 R 2 /s enthält sowohl Verlustleistung des Drahtes als auch gesamte mechanische Leistung (Reibungsverluste und abgegebene Leistung). n = n 0 (s = 0) R 2 /s = i 2 = 0 P mech = 0 – d.h. Leerlauf Stillstand (durch Bremsen) s = 1 R 2 nur Wicklungsverluste Beim Kurzschlussläufer wird u 2 /s = 0

11 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck11 Zeigerdiagramm bei festem U 1 und konstanten R 1, X σ1, X σ2, X h, R 2 nur noch f(s) Ortskurven (Kreisdiagramm) für den Parameter s Kennlinie Motorstrom I 1 (s) als auch Drehmoments M M (s) U1U1 I 0 = I 1L I 2N I 1N I 2K I 2 I 1K I1I1 s = 0 s = 1 s = s = s Nenn (Leerlauf, M M = 0) (Kurzschluss) Motorbetrieb 0 s 1 Bremsbetrieb s > 1 Generatorbetrieb s < 1 U Xσ2 I1I1 U1U1 U Xσ1 U R1 I 2 IμIμ UhUh ΦhΦh U R2 φ1φ1 I Fe I 0 = I μ +I Fe Gegeben U 1, I 1 und φ 1 R 2 und X σ2 wegen Stromverdrängung in Läuferstäben nicht konstant Kennlinien werden als I 1 = f(n) und M M = f(n) gemessen geometrische Form der Leiterstäbe deutlichen Einfluss auf Anlaufbereich Mit Formeln für M M, cosφ und η aus I 1 (s) (Betrag und Richtung) Kennlinien

12 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck12 n M n K Mot I 1 = f(n) M M = f(n) s Generator Motor Bremsen MKMK n0n0 MKMK s K Mot s = 0 s = 1 s K Gen s > 1 s < 1 n K Gen n < 0 I 1 0 I1I1 lineare Last n = 0 Arbeitspunkt nM |I 1 | = f(M M ) Generator Motor Bremsen n0n0 |I 1 | Kennlinien zu f(M M ) umgeformt η cosφ M Nenn |I 1 | und cosφ exakter als I 1 Betrag mit Vorzeichen Gerade bei n 0 Kennlinien ähnlich der Gleichstromnebenschlussmaschine Nur zwischen Kippmomenten stabilen Betrieb Drehzahlabfall 3 … 5 % Drehzahl fast konstant Asynchronmaschine kann nur im Bereich der Geraden n K Mot < n n 0 für Motorbetrieb und n 0 n < n K Gen für Generatorbetrieb genutzt werden.

13 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck13 Schleifringläufer: Widerstände an Schleifringe R 2 größer I 2, I 1 kleiner weniger steile Gerade bei n 0 n M n0n0 M M = f(n, R S ) RS RS n M n0n0 nNnN Last I1I1 Schleifringläufer: (wie Gleichstromnebenschlussmaschine) schrittweise Läuferwiderstände Anfahren mit kleineren Strömen Kurzschlussläufer: Stern-Dreieck-Umschaltung Ständerseite Anfahren (neben der Geometrie der Kurzschlussstäbe) Veränderung der Drehzahl: die Läuferwiderstände (nur Schleifringläufer), die Größe U der Ständerspannungen die Kreisfrequenz ω der Ständerspannungen nM n0n0 M M = f(n) U1 U1 Last nM n0 n0 M M = f(n)

14 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck14 Vergleich zur Drehzahlregelung: nur Regelung Ständerfrequenz gute Ergebnisse Mit leistungselektronischen Frequenzumrichtern heute realisierbar Läuferwiderstände gute, verlustbehaftete Drehzahlstellung. Ständerspannung kleine Drehzahländerung für Steuerung ungeeignet Ständerfrequenz sehr gute Ergebnisse Heute z.T. auch feldorientierte Regelung Statorstrom ( I, ω, φ ) Aufteilung in zwei Stromkomponenten - drehmomentbildende (analog Ankerstrom GSM) - flussbildende (analog Erregerstrom der GSM) Drehmoment als auch Drehzahl regelbar Bremsbetrieb (Gegenrichtungsbetrieb) relativ hoher Strom, keine ausreichende Wirkung Bremsmotoren Scheibenbremse in Motor integriert Generatorbetrieb teilweise selbstständig während Motorbetrieb Nutzung heute bei Windkraftanlagen nur im Parallelbetrieb zum Netz (Erregung, cosφ )

15 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck15 Umfangreiche Typenreihen Kurzschlussläufer in Standardausführung Bremsmotore Getriebemotore Wirkungsgradvon η = 0,77 bei kleinen Motoren (ca. 1 kW) bis η = 0,92 bei großen (>100 kW) Kühlung in der Regel selbstgekühlte Ausführung(außen Gehäuse umströmende Luft) (selten durchströmende Luft) nur großen Maschinen fremdgekühlt (Gebläse, in Ausnahmen Flüssigkeiten) Einphasenbetrieb des Asynchronmotors N L1L1 i u N L1L1 i u n M n0n0 M M = f(n) eine Phase drei Phasen Ohne zusätzlichen Kondensator kein Anlaufmoment unabhängig von angeschlossener Spannung beide Drehrichtungen

16 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck16 Durch Phasenverschiebung beim Laufen: Wechselfeld elliptisches Drehfeld ca. 60 bis 70 % der Leistung, mehr Motorgeräusche Zusatzkondensator Hilfsphase, die eigenständigen Anlauf ermöglicht n M Umschaltpunkt n0n0 M M = f(n) Infolge Veränderung der Phasenverschiebung bei Betrieb für Anlauf anderer Kondensator als bei Nennbetrieb Anlasskondensator (üblicherweise durch Fliehkraftschalter) abgeschaltet Kondensator kann so dimensioniert werden, dass Anlaufmoment größer als bei vergleichbarem Dreiphasenbetrieb bzw. über dem Kippmoment Motore für Einphasenbetrieb vorgesehen Einphasenmotore mit Hilfswicklungen und entsprechendem Kondensator fast Leistung bzw. Drehmoment eines vergleichbaren Dreiphasenbetriebes

17 Analyse von Antriebsprozessen, deren Steuerung sowie von Prozessen der Energiewandlung Dr. Erich Boeck17 Spaltmotor: die Bauform für Kleinantriebe unter ca. 100 W Hauptfeld zeitverzögertes Zusatzfeld Kurzschlussläufer Kurzschlussringe Gleicht Einphasenbetrieb mit Hilfswicklung Polschuhe an einer Seite mit Spalt und mit Kurzschlussring Induzierte Wirbelströme in Kurzschlussringen zeitverzögertes Zusatzfeld in versetzten Richtungen elliptisches Drehfeld einfache robuste kleine Motore Wirkungsgrad von 15 bis 25 % werden z.B. eingesetzt für Lüfter in Backöfen kleine Wasserpumpen (Aquarien bis Heizungsanlagen) weitere Kleinantriebe (alte Tonbandgeräte)


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