Grundlagen elektromotori

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1 - Grundlagen elektromotorischer Antriebe
Grundlagen
elektromotorischer
Antriebe
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Impressum
An dieser Qualifizierungseinheit haben mitgewirkt
Herausgeber:
IHK für Oberfranken
Bahnhofstr. 23-27
95444 Bayreuth
Inhaltliche Konzeption:
ets GmbH, Halblech
ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth
Produktion/ Umsetzung:
ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth
Redaktionelle Betreuung:
Andrea Nüssel, ihk.online&medien.gmbh
Claudia Hohdorf, ets Halblech
Rechte:
Copyright© ets GmbH, Halblech.
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Impressum.......................................................................................................................................... 2
Firmenvorstellung.............................................................................................................................. 4
Leitfragen............................................................................................................................................ 6
1.0 Kapitelübersicht........................................................................................................................... 7
1.1 Elektromotoren sind Energiewandler............................................................................... 8
1.2 Auswahl eines Antriebsmotors......................................................................................... 9
1.3 Motorleistung und Drehmoment ..................................................................................... 10
1.4 Motorverluste .................................................................................................................... 11
1.5 Wirkungsgrad.................................................................................................................... 12
1.6 Leistungsschild eines Motors ......................................................................................... 13
1.7 Motor und Arbeitsmaschine ............................................................................................ 14
1.8 Isolierstoffklassen ............................................................................................................ 15
1.10 Bauformen....................................................................................................................... 18
Auswahl an Bauformen.......................................................................................................... 19
1.11 Baugrößen....................................................................................................................... 20
1.12 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel....................................................................... 21
2.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 25
2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors .................................................................................. 26
2.1.1 Wicklung eines Motors ................................................................................................. 29
2.2.0 Drehfelddrehzahl ........................................................................................................... 30
2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung ...................................................................................... 31
2.3 Entstehung der Drehbewegung ...................................................................................... 32
2.4 Der Schlupf - ein Maß für die Abweichung der Drehzahl ............................................. 33
2.5 Anschluss eines Drehstrommotors an das Netz........................................................... 34
2.6 Umkehr der Drehrichtung ................................................................................................ 35
2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.................................................................................... 36
2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie ............................................................................................... 37
2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren .............................................................. 38
2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors .................................................................. 39
2.11 Anlassen von Asynchronmotoren ................................................................................ 40
2.12 Stern-Dreieck-Anlassschaltung .................................................................................... 41
2.13 Ständeranlasser mit Widerständen .............................................................................. 42
2.14 KUSA-Schaltung ............................................................................................................. 43
2.15 Der Stromverdrängungsläufer ...................................................................................... 44
2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer......................................................................... 45
2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser.................................................................. 46
2.18 Hochlaufkennlinien eines Schleifringläufermotors .................................................... 47
2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren ................................................................ 48
3.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 52
3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren ................................................................................... 53
3.2 Anker eines Gleichstrommotors ..................................................................................... 57
3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen.......................................................... 58
3.4 Aufgabe der Wicklungen im Gleichstrommotor............................................................ 59
3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren................................................................................ 60
3.6 Drehrichtungsänderung................................................................................................... 61
3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung ............................................................... 62
3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der Nenndrehzahl ........................................................... 63
3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor ............................................................................. 64
3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor .................................................................................. 65
3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor ................................................................................. 66
3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor ................................................................................. 67
Bearbeitung der Fallstudie ............................................................................................................. 68
Ihre Aufgabe:.................................................................................................................................... 77
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Firmenvorstellung
Einführung
Firmenchronik:
Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger
Erfahrung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik.
Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für
die Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark
wachsende Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern reagiert.
Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele
metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren und umsetzen.
Produktgeschichte:
Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma
eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der
Blechbearbeitung.
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Fallstudie
Einführung
In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander vermischt und erwärmt. Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung
beschädigt wurde, soll dieser durch einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden.
Fallstudie
Franz Huber
So, jetzt wird es ernst.
Bernd Wolf
Was meinen Sie damit?
Franz Huber
Wir haben hier einen Kundenauftrag vorliegen.
Auf Grund einer Überlastung wurde der Motor
beschädigt.
Bernd Wolf
Was für einen Motor?
Franz Huber
Ein alter Rührwerkmotor. Am besten schauen wir
uns das mal in der Simulation1 an.
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Leitfragen
Einführung
Diese Leitfragen sollen Ihnen den Einstieg in die Qualifizierungseinheit ermöglichen. Nehmen
Sie sich die Zeit und notieren Sie bitte ganz spontan auf einem Blatt Papier, was Ihnen als Antworten einfällt.
Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden
das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts.
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1.0 Kapitelübersicht
1 Anpassung des Antriebsmotors an die Betriebsbedingungen
Kapitelbezogene Eingangsfragen:
Welche Informationen können dem Leistungsschild eines Elektromotors entnommen werden?
Wie kann ein Elektromotor vor Überlastung geschützt werden?
Themen:
1.1 Elektromotoren sind Energiewandler
1.8__Isolierstoffklassen
1.2 Auswahl eines Antriebsmotors
1.9__Betriebsarten
1.3 Motorleistung und Drehmoment
1.10 Bauformen
1.4 Motorverluste
1.11 Baugrößen
1.5 Wirkungsgrad
1.6 Leistungsschild eines Motors
1.12 Schutzarten elektrischer
____Betriebsmittel
1.7 Motor und Arbeitsmaschine
1.13 Motorschutz
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1.1 Elektromotoren sind Energiewandler
Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Motor treibt eine
Arbeitsmaschine an und wandelt somit elektrische in mechanische Energie um.
Je nach Spannungsart werden in der Praxis Gleich- und Wechselstrommaschinen eingesetzt.
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1.2 Auswahl eines Antriebsmotors
Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine
Betriebsdauer und Schalthäufigkeit
Stromart, Netzspannung und Netzfrequenz
Drehzahl und Drehrichtung
Aufstellungsort und Aufstellungsart
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1.3 Motorleistung und Drehmoment
Der Motor hat das vom Antrieb geforderte Motormoment M mit der gewünschten Drehzahl n zu
liefern.
Der Zusammenhang zwischen mechanischer Leistung, Drehmoment und Drehzahl ergibt sich
aus folgender Formel:
P=M·2·π·n
P = abgegebene mechanische Leistung an der Welle in W
M = abgegebenes Drehmoment in Nm
n = Motordrehzahl in 1/s
Die angegebene Leistung eines Motors ist immer die mechanische Leistung, die der Motor an
der Welle abgibt.
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1.4 Motorverluste
- Reibungsverluste
in den Lagern und an den Bürsten
- Eisenverluste
durch Wirbelströme und Ummagnetisierung
- Erregerverluste
beim Aufbau des Magnetfeldes
- Wicklungsverluste
durch den Stromfluss in den Motorwicklungen
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1.5 Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad η eines Elektromotors ist durch das Verhältnis von abgegebener mechanischer Leistung Pab (P2) zur aufgenommenen elektrischen Leistung Pzu (P1) gegeben.
Merksatz:
Die abgegebene Leistung ist immer kleiner als die zugeführte Leistung.
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1.6 Leistungsschild eines Motors
Die wichtigsten Angaben für den Anwender
sind:
Nennleistung (Bemessungsleistung)
Nennspannung (Bemessungsspannung)
Nennstrom (Bemessungsstrom)
Nenndrehzahl (Bemessungsdrehzahl)
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1.7 Motor und Arbeitsmaschine
Der Antriebsmotor muss in der Lage sein, den Leistungsbedarf der Arbeitsmaschine in jedem
Drehzahlbereich zu decken.
Die Arbeitsmaschine hat ein Widerstandsmoment, das geringer als das Drehmoment des
Motors ist. Der Motor kann gut hochlaufen.
Der Motor kann nicht hochlaufen, da das Widerstandsmoment der Arbeitsmaschine größer, als das Drehmoment des Motors ist.
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1.8 Isolierstoffklassen
Die Isolierstoffe werden nach ihrer Belastbarkeit in sieben verschiedene Klassen eingeteilt.
Isolierstoffklassen
Grenztemperatur
Anwendung
Isolierstoffe
Y
90 °C
Leitungen
Baumwolle, Papier,
Kunstseide, PVC,
Gummi
A
105 °C
Leitungen, Wicklungen
Baumwolle, Kunstseide, Holz Pressspan,
E
120 °C
Baumwoll- und PaWicklungen, Pressteipierschichtverbundle
stoffe,
B
130 °C
Wicklungen, PressteiGlasfaser, Glimmer
le
F
155 °C
Wicklungen
H
180 °C
hitzebeständige Leitungen und Wicklun- geschichtete Glasfagen, Isolierschläuche, ser, Glimmer
Abdeckung
C
> 180 °C
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Glasfaser, Glimmer
hitzefeste Wicklungen, Glas, Porzellan,
Isolatoren
Quarz, Glimmer
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1.9 Betriebsarten
Die wichtigsten Betriebsarten sind Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb und Aussetzbetrieb.
Dauerbetrieb S1
Im Dauerbetrieb S1 kann die Maschine ihre Nennleistung dauerhaft abgeben. Die Erwärmung der Maschine erreicht ihre Endtemperatur, eine Beharrungstemperatur wird erreicht.
Kurzzeitbetrieb S2
Im Kurzzeitbetrieb S2 ist die Einschaltdauer so kurz, dass bei
konstanter Belastung die Beharrungstemperatur nicht erreicht
wird. Die Pausen sind so lang, dass die Maschine sich auf ihre
Ausgangstemperatur abkühlt.
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Aussetzbetrieb S3, S4, S5
Beim Aussetzbetrieb S3, S4 und S5 wechseln konstante Belastung und Stillstand dauernd ab. Die Spieldauer beträgt meistens
10 Minuten. In den Pausen kommt es zu keiner vollkommenen
Abkühlung des Motors auf die Ausgangstemperatur.
Die Einschaltdauer ED wird in % der Spieldauer angegeben.
Normwerte für ED sind 15%, 25%, 40%, 60%.
Eine umfassende Beschreibung der Betriebsarten S1 bis S10 erhalten Sie in einem Tabellenbuch Elektrotechnik oder Mechatronik.
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1.10 Bauformen
Nach DIN IEC 34 wird bezüglich der Bauformen elektrischer Maschinen zwischen
Code I und Code II unterschieden.
Code I:
gültig für Maschinen mit Schildlagern und einem freien Wellenende
Grundkennzeichen IM
Angabe der Betriebslage (3.
Buchstaben)
Angaben über Befestigungsart und Wellenende
(Zahl)
Code II:
Der IEC-Code II gilt für alle umlaufenden elektrischen Maschinen. Er
wird nur angewendet, wenn Code I
nicht ausreicht.
Weitere Auswahl an Bauformen.
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Auswahl an Bauformen
Fußmotoren
alle Baugrößen
Code I (Code II)
Code I (Code II)
IM B3 (IM 1001)
IM B8 (IM 1071)
Welle horizontal
Füße auf dem
Boden
IM B6 (IM 1051)
Welle horizontal
Füße an der
Wand und
links bei Blick
auf Wellenende
IM B7 (IM 1061)
Welle horizontal
Füße an der
Wand und
rechts bei
Blick auf Wellenende
Flanschmotoren,
A-Flansch mit
Durchgangslöchern
alle Baugrößen
IM V5 (IM 1011)
Welle vertikal
nach unten
Füße an der
Wand
IM V6 (IM 1031)
Welle vertikal
nach oben
Füße an der
Wand
Code I (Code II)
Code I (Code II)
IM B5 (IM 3001)
IM B35 (IM 2001)
Welle horizontal
IM V1 (IM 3011)
Welle vertikal
nach unten
IM V3 (IM 3031)
Welle vertikal
nach oben
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Welle horizontal
Füße nach oben
Welle horizontal
Füße auf dem
Boden
IM V15 (IM 2011)
Welle vertikal
nach unten
Füße an der
Wand
IM V36 (IM 2031)
Welle vertikal
nach oben
Füße an der
Wand
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1.11 Baugrößen
Motoren mit gleicher Leistung bei unterschiedlichen Drehzahlen besitzen unterschiedliche
Drehmomente und damit verschiedene Baugrößen.
Motoren mit gleicher
Nennleistung
Nennleistung
2,2 kW
2,2 kW
2,2 kW
Nenndrehzahl
1400 1/min
920 1/min
710 1/min
Nenndrehmoment
15 Nm
23 Nm
30 Nm
Baugröße
100 mm
112 mm
132 mm
Nennleistung
2,2 kW
1,5 kW
1,1 kW
Nenndrehzahl
1400 1/min
920 1/min
690 1/min
Nenndrehmoment
15 Nm
15 Nm
15 Nm
Baugröße
100 mm
100 mm
100 mm
Motoren mit gleichem
Drehmoment
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1.12 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel
Schutzarten für elektrische Maschinen werden nach DIN 40050 durch die Kennbuchstaben IP
und zwei Kennziffern für den Schutzgrad angegeben.
Weitere Erklärungen zu den Schutzarten elektrischer Betriebsmittel finden Sie, in der Tabelle zu den
Schutzarten.
Kennziffer
Berührungsschutz
Fremdkörperschutz
0
kein Schutz
Kein Personenschutz gegen zufälliges
Berühren unter Spannung stehender
oder sich bewegender Teile. Kein Betriebsmittelschutz gegen Eindringen
von festen Körpern.
1
Berührungsschutz gegen Zugang mit
Handrücken > 50 mm Ø
Schutz gegen Fremdkörper > 50 mm Ø
2
Schutz gegen Fremdkörper > 12,5 mm Ø
einem Finger > 12 mm Ø > 80 mm Länge
3
Werkzeug > 2,5 mm Ø
Schutz gegen Fremdkörper > 2,5 mm Ø
4
einem Draht > 1 mm Ø
Schutz gegen Fremdkörper > 1 mm Ø
5
staubgeschützt
6
staubdicht
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1.13 Motorschutz
Um lange Lebensdauer zu gewährleisten und teure Reparaturen zu vermeiden, ist es wichtig,
Motoren immer innerhalb ihrer Nennparameter arbeiten zu lassen. Bei Überschreitung der zulässigen Stromstärke und daraus folgend der Überschreitung der zulässigen Temperaturwerte
müssen Motoren abgeschaltet werden.
Motorstrom
Ursachen eines zu großen Motorstromes2 sind verschieden:
Eine mechanische Überlastung durch die anzutreibende
Arbeitsmaschine hat eine elektrische Überlastung zur Folge. Es fließt bei Nennspannung ein Überlaststrom.
Eine Spannungsabsenkung im Versorgungsnetz führt bei
unverminderter mechanischer Belastung zu einem vergrößerten Strom.
Bei einer Leitungsunterbrechung läuft ein arbeitender
Drehstrommotor meist weiter. Die Stromstärke in den
nicht unterbrochenen Strängen steigt über den Nennwert
an.
Elektrische Fehler im Motor selbst, z.B. Wicklungsschlüsse, führen zu Überstrom.
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In jedem Antrieb kommt dem Motor auch aus sicherheitstechnischer Sicht eine große Bedeutung zu. Ganz wichtig ist es, den Motor vor unzulässig hoher Erwärmung, infolge eines zu großen Motorstromes, zu schützen.
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Schutz durch Motorschutzrelais
Schutz bei Überlastung durch Stromüberwachung
Kein Kurzschlussschutz, daher sind Sicherungen notwendig
Einstellung des Relais3 auf den Motornennstrom
Schutz durch Motorschutzschalter
Mit thermischer Überstromauslösung und magnetischer
Schnellauslösung.
Schutz bei Überlastung und Kurzschluss.
Einstellung des Schalters4 auf den Motorenstrom.
Allpolige Abschaltung und Freiauslösung.
3
Motorschutzrelais überwachen die Wicklungstemperatur indirekt über die Stromaufnahme
des Motors.
4
Motorschutzschalter sind gleichzeitig Schalter und Schutzeinrichtung. Sie dienen dem betriebsmäßigen Ein- und Ausschalten von Motoren. Eigenfeste Motorschutzschalter können
ohne Vorsicherung betrieben werden.
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Motorvollschutz mit Temperaturfühlern
Durch Temperaturfühler5 in der Wicklung zuverlässiger
Schutz.
Motor ist auch bei behinderter Kühlung vollständig geschützt.
Halbleiter-Temperaturfühler wirken auf das Auslösegerät
ein, welches das Motorschütz schaltet.
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Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit
Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motorvollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun
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2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asynchronmotoren
Wie entsteht die Drehbewegung im Motor?
Wie funktioniert das "Stern-Dreieck-Anlassverfahren"?
Themen:
2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors
2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors
2.1.1 Wicklung eines Motors
2.11 Anlassen von Asynchronmotoren
2.2.0 Drehfelddrehzahl
2.12 Stern-Dreieck-Anlassverfahren
2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung
2.13 Ständeranlasser mit Widerständen
2.3 Entstehung der Drehbewegung
2.14 KUSA-Schaltung
2.4 Der Schlupf
2.15 Der Stromverdrängungsläufer
2.5 Anschluss eines Drehstrommotors an das
2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer
Netz
2.6 Änderung der Drehrichtung
2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser
2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
2.18 Hochlaufkennlinien des Schleifringläufermotors
2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie
2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren
2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren
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Rotor und Stator
Der Drehstrom-Asynchronmotor besteht aus einem drehbar gelagerten Teil, dem Läufer oder Rotor, und einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Teil, dem Ständer oder Stator.
Läufer und Ständer bestehen aus einzelnen, voneinander isolierten Blechen zur Vermeidung von Wirbelströmen.
Klemmbrett und Ständerblechpaket
Im Ständerblechpaket ist die dreiphasige Erregerwicklung untergebracht.
Anfang und Ende eines jeden Strangs führen zum Klemmbrett.
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Läuferblechpaket und Luftspalt
Die Welle wird in Wälzlagern so gelagert, dass zwischen dem
Ständer- und dem Läuferblechpaket nur ein schmaler Luftspalt
entsteht.
Lüfter und Welle
Die in der Maschine entstehende Wärme wird über Kühlrippen
und einen Lüfter nach außen geführt.
Das aus dem Motor herausragende Ende der Welle dient zum Antrieb einer Maschine.
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2.1.1 Wicklung eines Motors
Die Wicklung des Kurzschlussläufers besteht aus Leiterstäben, die an den Stirnseiten durch
Ringe kurzgeschlossen sind.
Im Gegensatz zu anderen Motoren benötigt dieser Läufer keine elektrische Verbindung zum
Netz.
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2.2.0 Drehfelddrehzahl
Magnetpole treten immer paarweise auf. Zu einem Nordpol gehört stets ein Südpol. Daher
spricht man von Polpaaren.
Merksatz
Eine Verdoppelung der Polpaarzahl bewirkt eine Halbierung der Drehfelddrehzahl. Eine Verdoppelung der Netzfrequenz bewirkt eine Verdoppelung der Drehfelddrehzahl.
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2.2.1 Drehfelddrehzahl - Gleichung
Die Drehfelddrehzahl wird bestimmt durch die Netzfrequenz und die Polpaarzahl der Drehstromwicklung.
Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich folgende typischen Drehfelddrehzahlen:
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2.3 Entstehung der Drehbewegung
Die Drehrichtung des Läufers stimmt mit der Drehrichtung des Ständerfeldes überein.
Durch den Drehstrom entsteht
in der Ständerwicklung ein
Drehfeld.
Dieses induziert in den Läuferstäben eine Spannung.
Da die Läuferstäbe kurzgeschlossen sind, fließen durch
sie Ströme, die von einem
Magnetfeld umgeben sind.
Durch die Überlagerung der
Magnetfelder wirken auf die
Leiterstäbe Kräfte.
Diese Kräfte verursachen ein
Drehmoment, so dass sich der
Läufer dreht.
Die Drehrichtung des Läufers stimmt
mit der Drehrichtung des Ständerfeldes überein.
Eine Asynchronmaschine kann aus eigener Kraft die
Drehfelddrehzahl nicht erreichen.
Interaktionsfragen
Wodurch wird die Drehung verursacht?
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2.4 Der Schlupf - ein Maß für die Abweichung der Drehzahl
Bei Belastung des Motors nimmt seine Drehzahl n ab und damit der Schlupf s zu.
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2.5 Anschluss eines Drehstrommotors
an das Netz
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2.6 Umkehr der Drehrichtung
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2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
Das Drehmoment eines Elektromotors ist drehzahlabhängig. Der Zusammenhang zwischen
Drehmoment und Drehzahl wird anschaulich durch eine Kennlinie beschrieben.
Das Kippmoment MK ist das größte Drehmoment, das der Motor abgeben kann. Wird der Motor
darüber hinaus belastet, bleibt er stehen.
Das Anzugsmoment MA ist das Drehmoment, das der Motor beim Anlaufen, also aus dem Stillstand heraus abgibt.
Beim Nennmoment MN gibt der Motor bei der Nenndrehzahl nN seine Nennleistung ab.
Das Sattelmoment MS ist das kleinste während des Anlaufens abgegebene Drehmoment.
Beim Nennmoment MN gibt der Motor bei der Nenndrehzahl nN seine Nennleistung ab.
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2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie
Wird der Motor belastet, dann nimmt der Strom ausgehend vom Wert l0 bei Leerlauf immer
mehr zu, während die Drehzahl abnimmt.
Wird der Motor über sein Kippmoment hinaus belastet, dann sinkt die Drehzahl auf Null, der
Motor bleibt stehen und nimmt jetzt den Anlaufstrom lA auf.
Anlaufstrom
Strom bei Kippmoment
Nennstrom
Leerlaufstrom
Drehzahl bei Kippmoment
Nenndrehzahl
Leerlaufdrehzahl
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2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmotoren
lA ~ 4 .... 8 lN
MA ~ 0,5 ..1 MN
Merksatz:
Asynchronmotoren mit Rundstabläufer besitzen trotz hoher Anzugsströme nur ein relativ geringes Anzugsmoment.
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2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors
Bei Belastung fällt die Drehzahl n
nur geringfügig ab.
Der Wirkungsgrad η (eta) und der
Leistungsfaktor cos φ (phi) sind
stark belastungsabhängig. Die
Motoren sind so ausgelegt, dass
bei Nennbetrieb das Produkt aus
eta und cos möglichst groß wird.
Der Motorstrom nimmt bei Belastung stark zu.
Ein Drehstrommotor sollte stets mit Volllast betrieben werden. Ist er für den Antrieb überdimensioniert, arbeitet er mit höheren Verlusten.
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2.11 Anlassen von Asynchronmotoren
In den Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorgungsunternehmen wird
für Drehstrommotoren z.B. ein Grenzwert von 60 A festgelegt.
Der Einschaltstrom kann grundsätzlich durch zwei Verfahren herabgesetzt werden:
1. Herabsetzen der Ständerspannung
Stern-Dreieck-Schaltung
Ständeranlasser
Kusa-Schaltung
2. Vergrößerung des Läuferwiderstandes
Stromveränderungsläufer
Schleifringläufermotor
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2.12 Stern-Dreieck-Anlassschaltung
Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann nur bei solchen Motoren erfolgen, deren Wicklungsstränge für die volle Leiterspannung ausgelegt sind.
Merksatz:
Bei Anlauf in Sternschaltung verkleinern sich Anlaufstrom und Anlaufmoment von Drehstrommotoren auf ein Drittel der Werte des Dreieckbetriebes.
Das Stern-Dreieck-Anlassschaltung eignet sich nicht für Schweranlauf.
Netzschütz
Dreieckschütz
Sternschütz
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2.13 Ständeranlasser mit Widerständen
Beim Anlauf des Motors verringern vorgeschaltete Wirkwiderstände die Spannung an der
Ständerwicklung. Nach dem Hochlaufen werden die Widerstände überbrückt.
Die Herabsetzung des Anlaufstromes ist mit einem starken Abfall des Anlaufmomentes verbunden.
Widerstände
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2.14 KUSA-Schaltung
Fügt man einen Widerstand in die Zuleitung eines Außenleiters zur Ständerwicklung ein, so
wird das Drehmoment herabgesetzt.
Die KUSA-Schaltung verwendet man bei Motoren bis ca. 2 kW, z. B. für Textilmaschinen.
Widerstand
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2.15 Der Stromverdrängungsläufer
Vergrößerte Wirkwiderstände im Läuferkreis des Asynchronmotors verbessern sein Anlaufverhalten. Durch besondere Formgebung der Stäbe des Käfigläufers ist dies erreichbar.
Merksatz:
Stromverdrängungsläufer haben ein größeres Anzugsmoment und einen kleineren Anzugsstrom.
Doppelkäfigläufer
Hochstabläufer
Rundstabläufer
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2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer
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2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlasser
Mit zunehmender Drehzahl werden die Widerstandsgruppen R1, R2 und R3 nacheinander abgeschaltet. Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen. Der
Motor arbeitet dann wie ein Kurzschlussläufer.
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2.18 Hochlaufkennlinien eines Schleifringläufermotors
Das Anzugsmoment kann bei geeigneter Wahl der Anlasswiderstände bis zum Kippmoment
gesteigert werden.
Merksatz:
Schleifringläufermotoren entwickeln ein hohes Anlaufmoment bei kleinem Anlaufstrom. Sie
können unter Last anlaufen.
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Motoren mit getrennten Stän- Motoren mit zwei voneinander unabhängigen Ständerwicklungen
derwicklungen
können mit zwei Drehzahlen betrieben werden, die in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen.
Die Drehzahl von Asynchronmotoren kann durch die Frequenz f
und die Polpaarzahl p beeinflusst werden.Durch Änderung der
Polzahl in der Ständerwicklung lässt sich die Drehzahl grobstufig
verändern.
Die Anschlüsse für die niedrige Drehzahl werden mit 1U, 1V und
1W bezeichnet.
Für die hohe Drehzahl werden die Außenleiter mit den Klemmen
2U, 2V und 2W verbunden.
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Dahlanderschaltung
Bei der Dahlanderschaltung lassen sich mit einer einzigen Wicklung durch Umschalten der Spulengruppen zwei verschiedene
Polpaarzahlen erzeugen.
Merksatz
Bei der Dahlanderschaltung stehen die Drehzahlen immer im Verhältnis 1 : 2 zueinander.
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Frequenzumrichter
Frequenzumrichter stellen eine leistungselektronische Baugruppe
dar, welche aus einem bestehenden Wechselstromnetz gegebener
Frequenz f1, Spannung U1 und Strom l1 ein Wechselstromnetz mit
veränderter Frequenz f2, Spannung U2 und Strom l2 entstehen
lassen kann. Mit diesen Umrichtern sind auch Drehzahlen möglich, die höher als 3000 min¹ sind.
Die Drehfelddrehzahl kann mit Hilfe von Frequenzumrichtern verändert werden.
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3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren
Welche Aufgabe hat der "Kollektor" eines Gleichstrommotors?
Erklären Sie die Schaltung eines Reihenschlussmotors?
Themen:
3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren
3.2 Anker eines Gleichstrommotors
3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen
3.4 Aufgabe der Wicklungen im Gleichstrommotor
3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren
3.6 Drehrichtungsänderung
3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung
3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der Nenndrehzahl
3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor
3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor
3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor
3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor
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Gleichstrommotoren werden als Antriebe dort eingesetzt, wo ein großer Drehzahlstellenbereich, ein hohes Anzugsmoment und eine gute Regelbarkeit gefordert werden.
Erregerwicklung
Der Ständer eines Gleichstrommotors hat ausgeprägte Pole. Die
Polkerne tragen die Erregerwicklung, die mit Gleichspannung
versorgt wird.
Im unteren Leistungsbereich sind Erregerwicklung und Polkerne
durch Dauermagnete ersetzt.
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Anker
Der Läufer trägt die Arbeitswicklung, die auch Ankerwicklung
genannt wird. Sie ist in Nuten eingelegt und mit den Lamellen des
Stromwenders verbunden.
Stromwender
Der Stromwender, auch Kollektor oder Kommutator genannt, überträgt den Strom von den fest stehenden Bürsten auf die sich
drehende Läuferwicklung.
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Klemmbrett
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Die Anfänge und Enden der verschiedenen Motorwicklungen werden auf das Klemmbrett geführt.
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3.2 Anker eines Gleichstrommotors
Betrachten wir uns den Läufer eines Gleichstrommotors noch etwas genauer. Der Läufer oder
Anker besteht aus einer Stahlwelle mit aufgepresstem Blechpaket zur Vermeidung von Wirbelströmen. Die Ankerwicklung besteht aus Teilspulen, die unterschiedlich zusammengeschaltet
werden können.
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Buchstabe
3.3 Anschlussbezeichnungen der Motorwicklungen
Bezeichnung
Beispiele
A
Ankerwicklung
A1 - A2
B
Wendepolwicklung
B1 - B2; 1B1 - 1B2; 2B1 - 2B2
C
Kompensationswicklung
C1 - C2; 1C1 - 1C2; 2C1 - 2C2
D
Erregerwicklung - Reihenschluss
D1 - D2; 1D1 - 1D2; 2D1 - 2D2
E
Erregerwicklung - Nebenschluss
E1 - E2; 1E1 - 1E2; 2E1 - 2E2
F
Erregerwicklung - fremderregt F1 - F2
Nachgestellte Ziffern bezeichnen Anfang bzw. Ende der Anschlüsse, vorangestellte Ziffern unterscheiden verschiedene Teile mit gleicher Funktion (z.B. geteilte Wicklungen).
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3.4 Aufgabe der Wicklungen im
Gleichstrommotor
Ankerwicklung:
Erzeugt das Magnetfeld des Läufers, welches im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld des
Ständers ein Drehmoment entwickelt.
Wendepolwicklung:
Sorgt für eine funkenfreie Stromwendung in der Ankerwicklung und verringert das Bürstenfeuer.
Kompensationswicklung:
Verhindert eine Verzerrung des magnetischen Feldes im Bereich der Hauptpole.
Erregerwicklung – Reihenschluss:
Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet.
Erregerwicklung – Nebenschluss:
Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet.
Erregerwicklung – fremderregt:
Erzeugt das Magnetfeld des Ständers und ist an eine eigene Spannungsquelle angeschlossen.
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3.5 Anlassen von Gleichstrommotoren
Gleichstrommotoren haben einen kleinen Ankerwiderstand. Bei direktem Einschalten
an die volle Netzspannung würde ein Strom fließen, der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt.
Ursache dafür ist, dass im Stillstand noch keine Gegenspannung U0 im Anker induziert
wird.
Deshalb müssen bei größeren Motoren, die Anlasswiderstände in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet werden.
Während des Hochlaufens steigt die Gegenspannung an, die Anlasswiderstände werden bis auf Null verringert.
Durch die moderne Stromrichtertechnik können heute Gleichstrommotoren verlustarm
hochgefahren werden, ohne dass der eingestellte maximale Strom überschritten wird.
(Ersatzschaltbild6 des Ankerstromkreises)
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3.6 Drehrichtungsänderung
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3.7 Drehzahlsteuerung über die Ankerspannung
Bei annähernd gleichbleibendem Ankerstrom kann die Drehzahl proportional zur Ankerspannung gesteuert werden. Die Drehzahl lässt sich damit bis zum Ankerstillstand verringern.
Eine Drehzahlsteuerung durch Veränderung der Ankerspannung sollte nur unterhalb der
Nenndrehzahl erfolgen, da der Motor sonst überlastet und möglicherweise beschädigt wird.
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3.8 Drehzahlsteuerung oberhalb der
Nenndrehzahl
Die Drehzahl verhält sich bei konstanter Ankerspannung zum Erregerstrom annähernd umgekehrt proportional.
Merksatz:
Durch eine Verringerung des Erregerstromes, kann die Motordrehzahl über die Nenndrehzahl
hinaus erhöht werden. Da die Leistung in diesem Drehzahlbereich nicht weiter erhöht werden
kann, nimmt das Drehmoment bei Erhöhung der Drehzahl ab.
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3.9.0 Schaltungen: Fremderregter Motor
Beim fremderregten Motor wird der Erregerstrom von einer unabhängigen Spannungsquelle
geliefert. Motoren mit Dauermagneten an Stelle der Erregerwicklung sind ebenfalls fremderregte Motoren.
Fremderregte Motoren werden für Antriebe verwendet, deren Drehzahl lastunabhängig in großem Umfang gesteuert wird.
Ziehen Sie die Leiterbezeichnungen an die Anschlüsse des Klemmbretts7, so dass sich die Drehrichtung für Linkslauf ergibt.
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3.9.1 Schaltung: Nebenschlussmotor
Beim Nebenschlussmotor liegt die Erregerwicklung parallel zum Anker.
Der Nebenschlussmotor hat bei konstanter Netzspannung dasselbe Betriebsverhalten, wie der
fremderregte Motor. Die Drehzahl fällt bei Belastung jedoch etwas stärker ab, da das Erregerfeld indirekt vom Ankerstrom beeinflusst wird.
Nebenschlussmotoren werden für Antriebe wie fremderregte Motoren verwendet.
Vervollständigen Sie per Drag & Drop den Anschluss an das Klemmbrett8 für Linkslauf.
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3.9.2 Schaltung: Reihenschlussmotor
Beim Reihenschlussmotor ist die Erregerwicklung in Reihe zum Anker geschaltet.
Reihenschlussmotoren haben von allen Motoren das größte Anzugsmoment. Die Stromaufnahme ist beim Anlauf und unter Belastung hoch. Bei Entlastung steigt die Drehzahl sehr stark
an. Im Leerlauf gehen Reihenschlussmotoren durch.
Reihenschlussmotoren werden auf Grund des hohen Anlaufdrehmomentes vor allem für Elektrofahrzeuge und bei Hebezeugen eingesetzt.
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3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor
Der Doppelschlussmotor hat zusätzlich zur Nebenschlusswicklung eine Reihenschlusswicklung. Je nach Auslegung der Wicklungen kann das Betriebsverhalten des Motors mehr zum
Nebenschluss- oder mehr zum Reihenschlussverhalten beeinflusst werden.
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Bearbeitung der Fallstudie
Abschluss Lerneinheit
Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe:
In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander
vermischt und erwärmt.
Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung beschädigt wurde, soll dieser durch
einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden.
Sie erhalten den Auftrag, unter Berücksichtigung der geforderten Daten einen neuen Motor
auszuwählen und zu installieren.
Hinweis:
Öffnen Sie die Dokumentenbox!
Dort finden Sie das Datenblatt zum Motor, welches Sie zur Bearbeitung der Fallstudie brauchen.
Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts.
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Anlagen
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LEITFRAGEN
-
Hinweis:
Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die
Antworten zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen.
Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können
und ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen.
Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben.
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70
Ausbildung zum Mechatroniker
Grundlagen elektromotorischer Antriebe
TA
Trainingsaufgabe 1 zum Themenblock
Auswahl eines Antriebsmotors
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu.
Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 1 im Kapitel Trainingsaufgabe.
Aussagen:
1: Angabe von charakteristischen Daten eines Motors
2: Einteilung von Materialien nach dem Grad ihrer Temperaturbeständigkeit
3: Verlustleistung bedingt durch Ummagnetisierung und Wirbelströme
4: Anpassung des Elektromotors an den Belastungsrhythmus der Arbeitsmaschine
5: Verhältnis der abgegebenen zur aufgenommenen Leistung
6: Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern und Wasser
7: Lagerung und Befestigungsart elektrischer Maschinen
Begriffe:
Schutzart
Bauformen
Eisenverluste
Isolierstoffklassen
Leistungsschild
Betriebsart
Wirkungsgrad
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gema01q01
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TA
Aufbau und Betriebsarten von Asynchronmotoren
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Aussagen:
1: Drehzahlunterschied zwischen synchroner Drehzahl und Drehzahl des Läufers
2: Niedriges Anlaufmoment und hoher Anlaufstrom
3: Anlaufstrom und Anlaufmoment werden auf ein Drittel reduziert.
4: Der Motor läuft sanft und ruckfrei an.
5: Durch eine besondere Form der Läuferstäbe wird das Anlaufverhalten des Käfigläufers
verbessert.
6: Durch Zuschalten von Widerständen in den Läuferkreis wird der Anlaufstrom verringert und
das Anlaufmoment erhöht.
7: Mit nur einer Ständerwicklung lassen sich zwei unterschiedliche Polpaarzahlen erzeugen.
Begriffe:
Dahlanderschaltung
KUSA- Schaltung
Stromverdrängungsläufer
Schleifringläufer
Schlupfdrehzahl
Rundstabläufer
Stern-Dreieck-Anlassschaltung
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gema01q01
74
TA
Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Aussagen:
1: Überträgt den Strom auf die sich drehende Ankerwicklung.
2: Unterschiedliche Spannungsquellen für Anker- und Erregerstromkreis.
3: sorgt für eine funkenfreie Stromwendung in der Ankerwicklung.
4: Erregerwicklung ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet.
5: Drehzahl fällt bei Belastung stark ab.
6: Erzeugt das Magnetfeld des Ständers.
7: Besitzt eine Nebenschluss- und eine Reihenschlusswicklung.
Begriffe:
Nebenschlussmotor
Reihenschlussmotor
Stromwender
Fremderregter Motor
Doppelschlussmotor
Erregerwicklung
Wendepolwicklung
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Bearbeitung der Fallstudie
Name:
Vorname:
Klasse/Kurs:
Datum:
Ihre Aufgabe:
In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter miteinander vermischt und erwärmt. Nachdem der alte Rührwerksmotor auf Grund einer Überlastung
beschädigt wurde, soll dieser durch einen neuen Motor größerer Leistung ersetzt werden.
Sie erhalten den Auftrag, unter Berücksichtigung der geforderten Daten einen neuen Motor
auszuwählen und zu installieren.
(siehe hierzu unten: Vereinfachtes Technologieschema)
Für den Antrieb des Rührwerks ist ein Drehstrom-Käfigläufermotor vorgesehen, der folgende
Leistungsdaten erfüllen muss:
Nennspannung:
400 V
Nennleistung : 2,2 kW
Drehzahlbereich :
ca. 1000 1/min
Begründen Sie, warum ein Drehstrom-Käfigläufermotor für den Rührwerkmotor die
wohl beste Antriebslösung darstellt.
Bestimmen Sie an Hand der beiliegenden Unterlagen (welche Sie in der Dokumentenbox unter “Datenblätter“ finden) für den Betrieb des Motors
-
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die Baugröße des Motors,
die erforderliche Gebrauchskategorie und Baugröße des Schützes sowie
die Baugröße und den Typ des Überlastrelais.
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K1
Y1
M1
M
3~
Y2
Reaktionsbehälter
E1
Y3
K1
M1
E1
Y1
Y2
Y3
Leistungsschütz „Rührwerkmotor“
Rührwerkmotor
Heizung
Magnetventil „Zulauf Y1“
Magnetventil „Zulauf Y2“
Magnetventil „Ablass Y3“
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Motorendatenblatt
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80
gema01q01
81

Grundlagen elektromotori

Transcription

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