MST Kap. 3

Welche Anforderungen beeinflussen die Auswahl eines elektrischen Antriebs?

Betriebsart (Dauerbetrieb oder Aussetzbetrieb).

Veränderung der Belastung und Laufrichtung.

Anlauf unter Last.

Ortsfester oder ortsveränderlicher Einsatz.

Regelbarkeit.

Wirkungsgrad.

Betriebsweise und Benutzungshäufigkeit der Arbeitsmaschine.

Wann kann ein Elektromotor eine Arbeitsmaschine beschleunigen?

Wenn das vom Motor erzeugte Drehmoment größer als das Lastmoment der Arbeitsmaschine ist.

• Motormoment größer als Lastmoment: positives Beschleunigungsmoment.

• Motormoment kleiner als Lastmoment: negatives Beschleunigungsmoment, der Antrieb fährt nicht an.

+ Bild

Welche wesentlichen Eigenschaften zeichnen elektrische Antriebe aus?

Hohe Wirtschaftlichkeit.

Stete Betriebsbereitschaft.

Überlastbarkeit.

Gute Steuerfähigkeit.

Geringes Motorgewicht im Verhältnis zur entnehmbaren Leistung.

Umweltfreundlichkeit durch Geräuscharmut und Emissionslosigkeit.

Welche drei Strom- beziehungsweise Spannungsarten sind für die Maschinensystemtechnik relevant?

Gleichspannung beziehungsweise Gleichstrom.

Wechselspannung beziehungsweise Wechselstrom.

Dreiphasen-Wechselspannung beziehungsweise Drehstrom.

Was charakterisiert Gleichspannung, Wechselspannung und Dreiphasen-Wechselspannung?

Gleichspannung
- Sie ist über die Zeit konstant.
- Sie besitzt keinen periodischen Anteil.
- Spitzen- und Effektivspannung sind identisch.

Wechselspannung
- Sie hat eine sinusförmige Form.
- Sie wird durch Amplitude und Frequenz charakterisiert.
- Als Amplitude wird üblicherweise die Effektivspannung angegeben.

Wechselspannung und Dreiphasen-Wechselspannung
- Sie besteht aus drei einzelnen Spannungen, deren Phasen jeweils um 120° gegeneinander verschoben sind.
- Die drei Phasen können einen gemeinsamen Rückleiter (Nulleiter) verwenden.
- Bei gleichmäßiger Belastung heben sich die Ströme gegenseitig auf.
- Dadurch kann auf den Nulleiter verzichtet werden. Es entsteht ein Dreileiternetz.

Wie ist ein leistungselektronisches Gerät grundsätzlich aufgebaut?

Signalverarbeitende Elektronik: Verarbeitet Steuerbefehle.

Stellglied (Stromrichter): Beeinflusst die elektrische Energieversorgung.

Verbraucher: Beispielsweise eine elektrische Maschine.

Regelkreis: Rückmeldungen ermöglichen die Anpassung der Steuerung.

Welche Arten von Stromrichtern werden unterschieden?

Gleichrichter
Gleichstromumrichter
Wechselrichter
Wechselstromumrichter

+ Bild

Welche Halbleiterelemente werden in der Leistungselektronik eingesetzt?

Dioden: Für den ungesteuerten Betrieb.

Thyristoren: Für den gesteuerten Betrieb.

Transistoren: Bipolare Transistoren und zunehmend Feldeffekttransistoren (FET).

IGBT: Transistoren mit FET-Ansteuerung.

Wie funktioniert ein Direktumrichter? Welche Nachteile gibt es?

Er schaltet die Netzwechselspannung mithilfe geschalteter Stromventile direkt auf den Motor.

Durch die geeignete Auswahl der jeweils durchgeschalteten Phase lässt sich die Ausgangsspannung einer Sinuskurve oder einer konstanten Gleichspannung annähern.

- Geringe Qualität der Ausgangsspannung.
- Stark nichtsinusförmige Belastung des Versorgungsnetzes.

Deshalb werden moderne Umrichter als Zwischenkreisumrichter ausgeführt.

Wie funktioniert ein Zwischenkreisumrichter?
Welche Arten gibt es?
Wie funktioniert die Impulsumrichtung?

Er wandelt eine konstante Eingangsspannung und Frequenz in eine variable Ausgangsspannung und Frequenz um.
Er besteht grundsätzlich aus: Netzseitigem Gleichrichter, Zwischenkreis, Motorseitigem Wechselrichter.

I-Umrichter: Der Zwischenkreis führt einen eingeprägten Strom.
U-Umrichter: Der Zwischenkreis führt eine eingeprägte Spannung.

Der motorseitige Wechselrichter schaltet den Stromfluss ein und aus. Durch die Aneinanderreihung vieler kurzer Impulse entsteht eine gewünschte Ausgangsspannungsform. Die Spannungsform wird über die Impulsfrequenz und Impulslänge beeinflusst.

Welche zusätzlichen Möglichkeiten bieten moderne Stromrichter für elektrische Antriebe?

Geführter Hochlauf innerhalb einer vorgegebenen Zeit.

Drehmomentsteuerung.

Stromsteuerung.

Elektronischer Überlastschutz.

Anpassung des Antriebs an den jeweiligen Anwendungsfall.

Welche Stromrichter werden bei elektrischen Antrieben eingesetzt?

siehe Bild

Wie ist ein Gleichstrommotor grundsätzlich aufgebaut?

Ständer (Stator): Enthält die Hauptpole mit der Erregerwicklung.

Läufer (Rotor/Anker): Enthält die aus einzelnen Spulen bestehende Ankerwicklung.

Kommutator: Auch Stromwender oder Kollektor genannt; mit den Enden der Ankerwicklung verbunden.

Bürsten: Stellen den elektrischen Kontakt zum Kommutator her.

Wie entsteht das Drehmoment in einem Gleichstrommotor?

1. Die Erregerwicklung erzeugt ein feststehendes Ständermagnetfeld.

2. Durch den Strom in der Ankerwicklung entsteht ein Ankermagnetfeld.

3. Beide Magnetfelder erzeugen eine Kraftwirkung auf den drehbaren Anker.

4. Dadurch entsteht eine Drehbewegung der Welle.

Welche Aufgabe haben Wendepol- und Kompensationswicklungen?

Sie verbessern die Kommutierung und ermöglichen einen funkenfreien Betrieb des Kommutators.

Wendepolwicklung: Wird bei größeren Gleichstrommaschinen zwischen den Hauptpolen eingebaut, um Kommutierungsschwierigkeiten und Bürstenfeuer zu vermeiden.

Kompensationswicklung: Wird bei großen Maschinen zusätzlich in den Polschuhen der Hauptpole untergebracht, insbesondere bei starken Belastungsstößen.

Beide Wicklungen werden vom Ankerstrom durchflossen und sind mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltet.

Wie funktioniert ein Drehstrom-Asynchronmotor?

1. Die Ständerwicklung erzeugt ein umlaufendes Magnetfeld (Drehfeld).

2. Dieses Drehfeld induziert eine Spannung in der Läuferwicklung.

3. Dadurch fließt ein Läuferstrom.

4. Das Magnetfeld des Läuferstroms wirkt mit dem Ständerdrehfeld zusammen.

5. Es entsteht ein Drehmoment, das den Läufer in Bewegung versetzt.

Warum wird der Drehstrommotor als Asynchronmotor bezeichnet?

Weil die Betriebsdrehzahl des Läufers nicht mit der Drehfelddrehzahl übereinstimmt. Der Läufer bleibt stets hinter dem Ständerdrehfeld zurück. Diese Differenz wird als Schlupf bezeichnet.

Drehfelddrehzahl (Synchrondrehzahl): Geschwindigkeit, mit der das magnetische Ständerdrehfeld umläuft.
Betriebsdrehzahl: Tatsächliche Drehzahl des Läufers.

Siehe Bild

Welche zwei grundlegenden Bauarten von Drehstrom-Asynchronmotoren gibt es?

Käfigläufermotor (Kurzschlussläufer): Der Läufer besitzt einen kurzgeschlossenen Käfig ohne elektrische Anschlussmöglichkeit von außen.

Schleifringläufermotor: Der Läufer besitzt eine Drehstromwicklung, deren Anschlüsse über Schleifringe und Bürsten nach außen geführt werden.

Welche Eigenschaften zeichnen den Drehstrom-Käfigläufermotor aus?

Einfacher mechanischer Aufbau.

Robuste Bauweise.

Günstiger Preis.

Keine elektrische Anschlussmöglichkeit am Läufer von außen.

Am häufigsten eingesetzter Antrieb.

Wie ist ein Drehstrom-Schleifringläufermotor aufgebaut?

• Im Läufer befindet sich eine Drehstromwicklung ähnlich der Ständerwicklung.

• Die drei Wicklungsstränge sind im Läufer sternförmig verbunden.

• Die anderen Wicklungsenden sind über drei Schleifringe und Bürsten nach außen geführt.

• Über die Schleifringe können externe Widerstände angeschlossen werden.

Nach dem Hochlauf werden die Läuferanschlüsse im normalen Betrieb kurzgeschlossen. Die Wirkungsweise entspricht dann der eines Kurzschlussläufermotors.

Welchen Vorteil bietet der Schleifringläufer gegenüber dem Käfigläufer?

Warum benötigen Asynchronmotoren besondere Anlaufverfahren?

Während des Hochlaufs kann der Anlaufstrom ein Vielfaches des Nennstroms erreichen.

Hohe Anlaufströme:

• Verursachen störende Spannungseinbrüche im Versorgungsnetz.

• Führen zu hohen Verlusten in der Maschine.

• Können durch eine Erhöhung des Läuferwiderstands oder eine Verringerung der Ständerspannung reduziert werden.

Wovon hängen die Höhe und Dauer des Anlaufstroms ab?

Die Höhe des Anlaufstroms wird durch die Spannung und die Widerstände der Maschine bestimmt.

Sie ist unabhängig von der Belastung der Arbeitsmaschine.

Die Dauer der hohen Stromaufnahme hängt von der Schwere des Anlaufs und damit von der Anlaufzeit ab.

Welche grundlegenden Anlaufverfahren für Asynchronmotoren werden unterschieden?

Direktanlauf am Netz.

Anlauf mit Widerständen beim Schleifringläufer.

Stern-Dreieck-Anlauf.

Sanftanlaufgerät.

Frequenzumrichter.

Welche Eigenschaften hat der Direktanlauf am Netz?

Hohes Anzugsmoment.

Sehr hoher Anlaufstrom.

Hohe Anlaufverluste sowohl im Stator als auch im Rotor.

Wie funktioniert die Stern-Dreieck-Anlaufschaltung und wann wird sie eingesetzt?

Beim Anlauf wird der Motor in Sternschaltung betrieben. Dadurch werden Anlaufstrom und Anzugsmoment jeweils auf ein Drittel gegenüber dem Direktanlauf reduziert.

Sie eignet sich deshalb nur für leichte Anlaufbedingungen, bei denen ein geringes Anzugsmoment ausreicht.

Wie ermöglicht ein Frequenzumrichter die Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors?

Er verändert die Frequenz der Motorspannung. Dadurch kann der Motor über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden, anstatt ausschließlich mit der festen Netzfrequenz.

Die erreichbare Kennlinie wird durch die maximal zulässigen Ströme und Spannungen des Motors und Umrichters begrenzt.

Was versteht man beim frequenzgeregelten Antrieb unter Konstantmoment- und Konstantleistungsbereich?

Konstantmomentbereich: Das Drehmoment wird durch den maximal zulässigen Motorstrom begrenzt.

Konstantleistungsbereich: Die verfügbare Spannung begrenzt den Betrieb. Der Motor befindet sich im Feldschwächebereich.

Wie kann mit einem Frequenzumrichter ein kontrollierter Beschleunigungsvorgang erreicht werden?

Durch gezielte Gestaltung der Motorkennlinie kann beispielsweise eine konstante oder eine ruckbegrenzte Beschleunigung erzeugt werden.

Voraussetzung ist, dass das Motormoment über dem Lastmoment liegt, damit ein positives Beschleunigungsmoment entsteht.

Wie funktioniert ein Stromverdrängungsläufer?

Durch spezielle Nut- und Stabformen im Kurzschlussläufer entstehen Streufeldlinien. Während des Anlaufs fließt der Strom dadurch vorwiegend im äußeren Teil der Läuferstäbe.

Vorteile:

• Erhöhtes Anzugsmoment.

• Verringerter Anlaufstrom.

Welche weiteren Möglichkeiten zur Beeinflussung des Anlaufverhaltens gibt es?

• Veränderung der Motorspannung: Über einen Anlasstransformator oder Drehstromsteller.

• Zusätzliche Massenträgheitsmomente: Beispielsweise durch einen Graugusslüfter. Dadurch werden Anlaufbeschleunigung und Bremsverzögerung reduziert.

• Polumschaltung: Ermöglicht eine Veränderung der Drehzahl durch Umschaltung der Polzahl.

Bei zusätzlichen Massenträgheitsmomenten muss die zulässige Schalthäufigkeit überprüft werden.

Wie wird die Drehrichtung eines Drehstrom-Asynchronmotors umgekehrt?

Durch Vertauschen zweier beliebiger Spannungsphasen am Ständer. Dadurch ändert sich die Drehrichtung des magnetischen Drehfelds und somit die Drehrichtung des Motors.

Welche grundsätzlichen Möglichkeiten zur Drehzahlsteuerung von Asynchronmotoren gibt es?

Veränderung des Schlupfs bei konstanter Drehfelddrehzahl.

Veränderung der Drehfelddrehzahl durch Anpassung der Netzfrequenz.

Veränderung der Drehfelddrehzahl durch Umschaltung der Polpaarzahl.

Wie funktioniert die Drehzahlsteuerung durch Veränderung der Ständerspannung?

Wie funktioniert die Drehzahlsteuerung durch Läuferwiderstände?

Wie funktioniert die Drehzahlsteuerung durch Läufergegenspannung?

Das Drehmoment verändert sich proportional zum Quadrat der Ständerspannung.

Eine Verringerung der Spannung reduziert das verfügbare Motordrehmoment.

Abhängig vom Lastmoment ergeben sich unterschiedliche Betriebspunkte.

Beim Schleifringläufer werden zusätzliche Widerstände in den Läuferstromkreis geschaltet.

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie wird zu höheren Schlupfwerten verschoben.

Die Drehzahl kann dadurch reduziert werden.

Die Wirkungsweise ähnelt der Verwendung von Anlasswiderständen, ist jedoch für den Dauerbetrieb ausgelegt.

Bei Schleifringläufern wird eine der Läuferquellenspannung entgegengerichtete Spannung angelegt. Diese muss hinsichtlich Phasenlage und Frequenz angepasst sein.

Dadurch ist eine nahezu verlustlose Drehzahlsteuerung auch bei großen Leistungen möglich.

Welche Vorteile bietet ein Frequenzumrichter bei der Drehzahlsteuerung?

Die Motordrehzahl kann über einen weiten Bereich verändert werden.

Der Motor ist nicht mehr auf die feste 50-Hz-Kennlinie beschränkt.

Die möglichen Betriebspunkte werden durch die maximal zulässigen Ströme und Spannungen begrenzt.

Wie funktioniert die Drehzahlsteuerung durch Polumschaltung?

Durch Umschalten der Polpaarzahl der Ständerwicklung wird die Drehfelddrehzahl verändert. Dadurch kann die Drehzahl des Motors stufenweise angepasst werden.

• Besonders geeignet für Käfigläufermotoren.

• Schleifringläufer sind aufgrund ihrer Wicklungsauslegung im Allgemeinen nicht dafür geeignet.

• Besonders sinnvoll bei Antrieben mit hohen Anlaufarbeiten und großen Trägheitsmassen.

Wie funktioniert generatorisches Bremsen bei einem Asynchronmotor?

Beim generatorischen Bremsen wird der Motor von der Arbeitsmaschine über seine Synchrondrehzahl hinaus angetrieben.

• Der Motor arbeitet im übersynchronen Betrieb.

• Er funktioniert als Asynchrongenerator.

• Elektrische Energie wird in das Drehstromnetz zurückgespeist.

• Eine Änderung der elektrischen Schaltung ist nicht erforderlich.

Wie verändert sich das Bremsverhalten bei einem polumschaltbaren Motor?

Durch Umschalten der Polpaarzahl kann die Synchrondrehzahl verändert werden. Dadurch lässt sich ein generatorischer Bremsbetrieb erzeugen.

Welche Besonderheit bietet generatorisches Bremsen mit einem Frequenzumrichter?

Der Frequenzumrichter ermöglicht die Rückspeisung der beim Bremsen erzeugten elektrischen Energie. Die Bremswirkung kann durch gezielte Veränderung der Frequenz und der Motorkennlinie beeinflusst werden.

Was ist ein Linearmotor und welche Bauarten gibt es?

Ein Linearmotor erzeugt eine translatorische statt einer rotatorischen Bewegung.

Unterschieden werden:

• Drehstromlinearmotoren.

• Gleichstromlinearmotoren.

Die Gleichstromausführung hat laut Skript bisher keine praktische Bedeutung erlangt.

Wie funktioniert ein Drehstromlinearmotor?

1. Die Drehstromwicklung im Ständer erzeugt ein wanderndes Magnetfeld.

2. Dieses induziert Ströme in der Kurzschlusswicklung des Linearläufers.

3. Die Wechselwirkung der Magnetfelder erzeugt eine Kraft.

4. Diese Kraft bewegt den Läufer translatorisch.

Welche zwei grundsätzlichen Anordnungen gibt es bei Linearmotoren?

• Kurzständeranordnung: Der Ständer (Induktorkamm) besitzt eine begrenzte Länge, während die Reaktionsschiene nahezu unbegrenzt lang sein kann.

• Kurzläuferanordnung: Der Induktor ist praktisch unbegrenzt lang, während der Läufer eine begrenzte Länge besitzt.

Beide Anordnungen können einseitig oder doppelseitig ausgeführt werden.

Was ist ein Synchronmotor und wodurch unterscheidet er sich vom Asynchronmotor?

Beim Synchronmotor drehen sich Ständer- und Läuferfeld mit derselben Drehzahl.

• Die Läuferdrehzahl entspricht der Drehfelddrehzahl.

• Es besteht eine magnetische Bindung zwischen Ständer- und Läuferfeld.

• Im Gegensatz zum Asynchronmotor tritt im normalen Motorbetrieb kein Schlupf auf.

Wie ist ein Drehstrom-Synchronmotor aufgebaut?

Ständer: Entspricht grundsätzlich dem Ständer eines Asynchronmotors und besitzt eine Drehstromwicklung.

Läufer: Besitzt eine mit Gleichstrom gespeiste Erregerwicklung.

Alternative Erregung: Bei kleineren Leistungen können Permanentmagnete eingesetzt werden.

Wie funktioniert ein Synchronmotor im Leerlauf und unter Last?

Leerlauf: Das Läuferfeld richtet sich am Ständerdrehfeld aus und wird synchron mitgenommen.

Unter Last: Der Läufer bleibt gegenüber dem Ständerdrehfeld um einen bestimmten Winkel zurück, dreht sich aber weiterhin synchron.

Mit zunehmender Belastung vergrößert sich dieser Winkel.

Was versteht man unter Kippen beziehungsweise Außertrittfallen eines Synchronmotors?

Wird der Synchronmotor zu stark belastet, kann die magnetische Bindung zwischen Ständer- und Läuferfeld abreißen.

• Der Läufer kann dem Drehfeld nicht mehr synchron folgen.

• Das elektromagnetische Drehmoment wechselt seine Richtung.

• Im Mittel entsteht kein wirksames Drehmoment mehr.

• Der Motor kommt schließlich zum Stillstand.

Wie wird ein Synchronmotor gestartet?

Da der stillstehende Läufer dem rotierenden Ständerdrehfeld zunächst nicht folgen kann, sind besondere Anlaufmaßnahmen erforderlich.

Das übliche Verfahren:

1. Der Motor läuft mithilfe einer zusätzlichen Käfigwicklung zunächst asynchron an.

2. Bei nicht permanenterregten Motoren bleibt die Läufererregung während des Hochlaufs ausgeschaltet.

3. In der Nähe der Synchrondrehzahl wird die Läufererregung zugeschaltet.

4. Der Läufer wird in den Synchronlauf gezogen.

Weitere Verfahren sind die Frequenzumrichtersteuerung und das Anwerfen mithilfe eines Anlaufmotors.

Welche Eigenschaften zeichnen Servomotoren aus?

Sehr hohe Dynamik.

Sehr kurze Beschleunigungs- und Bremszeiten.

Schnelle Änderung der Drehrichtung.

Geringe rotierende Massen und kleine Trägheitsradien.

Einsatz zusammen mit geeigneter Steuerungs- und Regelelektronik.

Laut Skript können sie innerhalb weniger Millisekunden aus dem Stillstand auf Nenndrehzahl beschleunigen.

Welche Bauarten von Servomotoren gibt es?

• Scheibenläufermotoren: Axiale Feldführung.

• Lang- beziehungsweise Schlankläufermotoren: Radiale Feldführung.

Beide Bauformen gibt es als Gleichstrom- und Drehstrommotoren

Wie erhalten Drehstrom-Asynchronmotoren ihre Servoeigenschaften?

Durch konstruktive Optimierung auf:

• Ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment der rotierenden Teile.

• Einen geringen Einbauquerschnitt bezogen auf das verfügbare Nennmoment.

Welche Funktion haben integrierte Messgeber bei Servomotoren?

Rotorlaufgeber und Tachogenerator erfassen Informationen über die Lage und Geschwindigkeit des Rotors.

Diese Informationen werden über eine Auswertungselektronik an die Drehzahlregelung oder den Servoumrichter zurückgemeldet.

Welche Bereiche werden durch die Normen für elektrische Maschinen geregelt?

Bemessung und Betriebsverhalten.

Schutzarten.

Bauformen.

Standardisierte Abmessungen und Leistungen von Drehstrom-Asynchronmotoren.

Toleranzen und Prüfungen.

Welche neun Nennbetriebsarten werden nach DIN EN 60034-1 unterschieden?

Was zeigen die grafischen Darstellungen der Betriebsarten S1 bis S9?

S1: Dauerbetrieb.

S2: Kurzzeitbetrieb.

S3: Aussetzbetrieb.

S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs.

S5: Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung.

S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung.

S7: Durchlaufbetrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung.

S8: Durchlaufbetrieb mit periodischer Drehzahländerung.

S9: Betrieb mit nichtperiodischen Last- und Drehzahländerungen.

Wo werden Betriebsart und Einschaltdauer eines Motors angegeben?

In den technischen Unterlagen der Motorhersteller und auf dem Leistungsschild der Maschine.

Ist keine Betriebsart angegeben, wird der Motor für Dauerbetrieb (S1) ausgelegt.

Nach welchen zwei Gesichtspunkten erfolgt die Auslegung von Elektromotoren?

Wärmetechnische Auslegung

Der Motor muss so dimensioniert werden, dass die zulässige Temperatur in den Wicklungen während des Betriebs nicht überschritten wird.

Entscheidende Einflussgrößen sind:

• Nennleistung.

• Relative Einschaltdauer. (beschreibt den prozentualen Anteil der gesamten Dauer eines Arbeitsspiels, während dessen der Motor tatsächlich eingeschaltet ist)

• Betriebsart.

Auslegung nach Lastmoment

Die Anlaufleistung beschreibt die erforderliche Leistung während des Hochlaufs eines Antriebs.

Während des Anlaufs muss der Motor nicht nur das Lastmoment überwinden, sondern zusätzlich das für die Beschleunigung notwendige Drehmoment aufbringen.

Was ist der Unterschied zwischen Dauerbetrieb und Aussetzbetrieb?

• Dauerbetrieb: Der Motor läuft ununterbrochen. Die Beharrungstemperatur beziehungsweise Grenztemperatur wird nahezu erreicht.

• Aussetzbetrieb: Einschaltzeiten wechseln sich mit Ruhezeiten ab. Die Pausen sind zu kurz, um den Motor vollständig auf seine Ausgangstemperatur abkühlen zu lassen.

Im Aussetzbetrieb steigt die Motortemperatur über mehrere Arbeitsspiele an, erreicht bei Nennleistung jedoch nicht die Grenztemperatur.

3.8 Wiederholungsfragen

3.8 Wiederholungsfragen