V2_3_GM SM ASM

Einleitung

  • Zusammenfassung der Vorlesung Elektrische Maschinen in 20 Folien

  • Ziel: Verständnis für technische Ausführungsformen und industrielle Relevanz

  • Gleichstrommaschine: Rolle bei kleinen Leistungen wie elektrische Zahnbürsten

  • Rückgang der Gleichstrommaschine bei industriellen Antrieben zugunsten von Drehfeldmaschinen

Aufbau und Funktionsweise der Gleichstrommaschine

  • Aufbau: Erregerwicklung, Anker (Rotor) mit Ankerwicklung, Bürsten, Kommutator

  • Funktionsprinzip: Mechanische Umpolung für Drehmoment pro Strom

  • Bedeutung des Kommutators für senkrechte Ausrichtung von Erreger- und Ankerfeld

  • Fälltorientierte Regelung: Ziel wie bei Gleichstrommaschine, erfordert Anstrengungen

  • Ersatzschaltbild: Ankerkreis mit Erregerwicklung, Gegeninduktionsspannung (Back EMF)

  • Arbeitspunkt bei Gegeninduktionsspannung und Ankerspannung

  • Verschiedene Verschaltungsarten: fremderregt, Nebenschlussmaschine, Reihenschlussmaschine

  • Drehmomentdrehzahlverlauf für verschiedene Verschaltungsarten

Anwendungsszenario

  • Überlegungen zur Auswahl der Verschaltungsart je nach Anwendung (z.B. Traktionsantrieb)

Kapitel 2: Gleichstrommaschinen und Synchronmaschinen

Gleichstrommaschinen

  • Gleichstrommaschinen sind oft als Reihenschlussmaschinen verschaltet

    • Entwickeln bei niedriger Drehzahl ein großes Drehmoment

  • Mathematische Modellierung einer Gleichstrommaschine im dynamischen Fall

    • Maschenumlauf im Ankerkreis mit Gegenspannungsquelle Uq und Spannungsabfall über Ankerwiderstand und Ankerinduktivität

  • Momentenbilanz bei Gleichstrommaschinen

    • Antriebsmoment, Lastmoment und Beschleunigungsmoment

    • Auflösung der Gleichung führt zu Beobachtungen auf Folie 41

Synchronmaschinen

  • Drehfeldmaschine mit drei Wicklungen

  • Magnetisches Feld entsteht durch Stromfluss in den Wicklungen

  • Überlagerung von drei Wicklungen führt zu rotierendem Magnetfeld

  • Funktion einer Drehfeldmaschine ohne Kommutator durch zeitabhängige Ströme in den Wicklungen

  • Analogie zwischen Ersatzschildbildern von Gleichstrommaschinen und Synchronmaschinen

    • Verwendung von Größen aus der komplexen Wechselstromlehre

    • Einphasiges Ersatzschaltbild für den Stator

    • Erregerwicklung mit Gleichstrom für Magnetfeldausrichtung

Diese Notiz fasst die Funktionsweise und mathematische Modelle von Gleichstrommaschinen und Synchronmaschinen zusammen. Gleichstrommaschinen erzeugen ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, während Synchronmaschinen ein rotierendes Magnetfeld durch Überlagerung von Wicklungen erzeugen. Die Ersatzschildbilder beider Maschinentypen zeigen Analogien, wobei Synchronmaschinen komplexe Wechselstromgrößen verwenden.

Kapitel 3: Sie Das

Mechanischer Kommutator vs. von außen angelegte Ströme

  • Mechanischer Kommutator kann nicht mehr verwendet werden

  • Ströme müssen von außen angelegt werden, um die flüssigen, magnetischen Flüsse senkrecht zueinander zu stellen

Ersatzschaltbild der Synchronmaschine

  • Vereinfachtes Ersatzschaltbild der Synchronmaschine

  • Darstellung der einfasigen Version der Statorwicklung

  • Unterschiedliche Zustände: untererregt, übererregt, motorisch, generatorisch

  • Polradwinkel und Phasenwinkel bestimmen die Zustände

Polradwinkel und Betrieb der Maschine

  • Stabilität der Maschine bei Polradwinkel Theta < 90 Grad

  • Generatorbetrieb: Polrad vor dem Synchron Drehfeld

  • Motorbetrieb: Polrad hinter dem Synchron Drehfeld

  • Elektrischer und mechanischer Polradwinkel in Bezug zur Polpazahl der Maschine

Bedeutung des Polradwinkels

  • Polradwinkel zeigt die magnetische Richtung des Rotors im Verhältnis zum Statorfeld

  • Über 90 Grad Polradwinkel führt zu instabilem Betriebsbereich

  • Elektrische Stromversorger liefern Drei-Phasen-Systeme

Zukunftsausblick und Drehfeldmaschine

  • Möglichkeit, ein Drehfeld selbst vorzugeben und zu erstellen

  • Leistungselektronik zur Steuerung des Drehfelds

  • Erregerwicklung für die Synchronmaschine

  • Hohe Zuverlässigkeit der Synchronmaschine, insbesondere ohne Schleifringe für die Erregerwicklung

Kapitel 4: Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen

Synchronmaschinen

  • Hoher Wirkungsgrad von über 95 Prozent

    • Möglichkeit zur Einstellung variabler Blindleistung

  • Vorteile für Positionsregelung in Anwendungen wie Industrierobotern

  • Nachteile bei Verwendung von permanenten Magneten

    • Kostenintensiv bei großen Stückzahlen oder sehr großen Maschinen

    • Erfordert zusätzliche Quelle bei elektrischer Erregung

  • Potenzielle Probleme bei ungeregeltem Anlauf, insbesondere bei großen Maschinen

  • Beispiel einer permanent Magnet erregten Synchronmaschine in einem Industrieroboter

    • Video zeigt Richtungsänderung und Drehzahlveränderung

    • Notwendigkeit massiver Regelung und Leistungselektronik

Asynchronmaschinen

  • Bauform ähnlich der Synchronmaschine, jedoch mit unterschiedlichem Rotor

    • Käfigläufer als am weitesten verbreitete Bauform

  • Funktionsweise basierend auf Schlupf

    • Induktionsspannung im Rotor durch sich veränderndes Magnetfeld

    • Rotor versucht, dem Statorfeld zu folgen

    • Schlupf als Ursache für das Drehmoment

    • Schlupf typischerweise zwischen 0,03 und 0,07

Schlupfdefinition

  • Schlupf als Differenz zwischen Statordrehzahl und Rotordrehzahl im Verhältnis zur Statordrehzahl

Schlussfolgerung

  • Unterschied zwischen Asynchronmaschine und Synchronmaschine:

    • Bei der Synchronmaschine ist die Rotor-Drehzahl gleich der von außen vorgegebenen magnetischen Feld-Drehzahl.

    • Bei der Asynchronmaschine sind die Drehzahlen unterschiedlich.

  • Drehmoment-Schlupf-Charakteristik:

    • Auf Folie 55 wird eine typische Drehmoment-Schlupf-Charakteristik gezeigt.

    • Es ist eine Übung, die auch ohne vorherige Vorlesung Elektrische Maschinen durchgeführt werden kann.

  • Ersatzschaltbild:

    • Es gibt eine einfache Version des Ersatzschaltbildes ohne Eisenverluste für einen Kurzschlussläufer.

    • Ähnlichkeiten zum Transformator-Ersatzschaltbild wurden hergeleitet.

  • Drehzahlvariation bei Asynchronmaschinen:

    • Konstanten Hauptfluss in der Maschine ermöglicht beste Drehzahlvariation.

    • UzuF-Steuerung wird verwendet, um das Verhältnis von Spannung zu elektrischer Frequenz konstant zu halten.

  • Anwendungen der UzuF-Steuerung:

    • Geeignet für Pumpen, Lüfter, Ventilatoren zur groben Drehzahlregelung.

    • Nicht geeignet für hochdynamische Servobetriebe oder Roboterarme, hier wird feldorientierte Regelung benötigt.

  • Vorteile der UzuF-Steuerung:

    • Kostengünstige Realisierung ohne Sensoren durch Anlegen von Strömen und Spannungen.

    • Elektromechanik der Maschine übernimmt den Rest.

  • Geschaltete Reluktanzmaschine:

    • Wird im folgenden Abschnitt detaillierter behandelt, da es nicht Teil der Vorlesung Elektrische Maschine