Grundlagen elektromotori-scher Antriebe · - Eisenverluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierung - Erregerverluste beim Aufbau des Magnetfeldes - Wicklungsverluste durch den …

1 - 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. Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Fotokopie, Mik-rofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reprodu-ziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk und Fernsehen sind vorbehal-ten. Text, Abbildungen und Programme wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Herausgeber, Pro-grammierer und Autoren können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen.

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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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Einführung Firmenvorstellung

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 Vertriebs-partnern reagiert. Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten kon-struieren und umsetzen.

Produktgeschichte: Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jah-ren zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jet-zigen Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsma-schinen lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der Blechbearbeitung.

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Einführung Fallstudie

In einem Chemieunternehmen werden zwei Flüssigkeiten in einem Reaktionsbehälter mitein-ander 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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http://www.buginword.com


Einführung Leitfragen

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 Ant-worten 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 Anpassung des Antriebsmotors an die Be-triebsbedingungen

1.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Welche Informationen können dem Leistungsschild eines Elektromotors ent-nommen 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 Energiewand-ler

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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Der Wirkungsgrad η eines Elektromotors ist durch das Verhältnis von abgegebener mechani-scher Leistung Pab (P2) zur aufgenommenen elektrischen Leistung Pzu (P1) gegeben.

Merksatz: Die abgegebene Leistung ist immer kleiner als die zugeführte Leistung.


1.5 Wirkungsgrad

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1.6 Leistungsschild eines Motors

Die wichtigsten Angaben für den Anwender sind:

Nennleistung (Bemessungsleistung)

Nennspannung (Bemessungsspan-nung)

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 Widerstandsmo-ment, das geringer als das Drehmoment des Motors ist. Der Motor kann gut hochlaufen.

Der Motor kann nicht hochlaufen, da das Wi-derstandsmoment der Arbeitsmaschine grö-ßer, 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, Wicklun-gen

Baumwolle, Kunstsei-de, Holz Pressspan,

E 120 °C Wicklungen, Presstei-le

Baumwoll- und Pa-pierschichtverbund-stoffe,

B 130 °C Wicklungen, Presstei-le Glasfaser, Glimmer

F 155 °C Wicklungen Glasfaser, Glimmer

H 180 °C hitzebeständige Lei-tungen und Wicklun-gen, Isolierschläuche, Abdeckung

geschichtete Glasfa-ser, Glimmer

C > 180 °C hitzefeste Wicklungen, Isolatoren

Glas, Porzellan, 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 dauer-haft abgeben. Die Erwärmung der Maschine erreicht ihre Endtem-peratur, 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 Belas-tung 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 er-halten Sie in einem Tabellenbuch Elektrotechnik oder Mechatro-nik.

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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 Schildla-gern und einem freien Wellenende

Grundkennzeichen IM

Angabe der Betriebslage (3. Buchstaben)

Angaben über Befesti-gungsart und Wellenende (Zahl)

Code II: Der IEC-Code II gilt für alle umlau-fenden 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)

Welle horizon-tal

Füße auf dem Boden

IM B8 (IM 1071)

Welle horizon-tal

Füße nach o-ben

IM B6 (IM 1051)

Welle horizon-tal

Füße an der Wand und links bei Blick auf Wellenen-de

IM V5 (IM 1011)

Welle vertikal nach unten

Füße an der Wand

IM B7 (IM 1061)

Welle horizon-tal

Füße an der Wand und rechts bei Blick auf Wel-lenende

IM V6 (IM 1031)

Welle vertikal nach oben

Füße an der Wand

Flanschmotoren, A-Flansch mit Durchgangslöchern alle Baugrößen

Code I (Code II) Code I (Code II) IM B5 (IM 3001)

Welle horizon-tal

IM B35 (IM 2001)

Welle horizon-tal

Füße auf dem Boden

IM V1 (IM 3011)


IM V15 (IM 2011)


Füße an der Wand

IM V3 (IM 3031)


IM V36 (IM 2031)


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

Motoren mit gleichem Drehmoment

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

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1.12 Schutzarten elektrischer Be-triebsmittel

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 Be-triebsmittelschutz gegen Eindringen von festen Körpern.

1 Berührungsschutz gegen Zugang mit Handrücken > 50 mm Ø

Schutz gegen Fremdkörper > 50 mm Ø

2 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Finger > 12 mm Ø > 80 mm Länge

Schutz gegen Fremdkörper > 12,5 mm Ø

3 Berührungsschutz gegen Zugang mit Werkzeug > 2,5 mm Ø

Schutz gegen Fremdkörper > 2,5 mm Ø

4 Berührungsschutz gegen Zugang mit einem Draht > 1 mm Ø

Schutz gegen Fremdkörper > 1 mm Ø


staubgeschützt


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 zu-lässigen 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 Fol-ge. Es fließt bei Nennspannung ein Überlaststrom.

Eine Spannungsabsenkung im Versorgungsnetz führt bei unverminderter mechanischer Belastung zu einem ver-größerten 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. Wicklungsschlüs-se, führen zu Überstrom.

2 In jedem Antrieb kommt dem Motor auch aus sicherheitstechnischer Sicht eine große Bedeu-tung zu. Ganz wichtig ist es, den Motor vor unzulässig hoher Erwärmung, infolge eines zu gro-ßen Motorstromes, zu schützen.

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Schutz durch Motorschutzre-lais

Schutz bei Überlastung durch Stromüberwachung

Kein Kurzschlussschutz, daher sind Sicherungen notwen-dig

Einstellung des Relais3 auf den Motornennstrom

Schutz durch Motorschutz-schalter

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 be-triebsmäßigen Ein- und Ausschalten von Motoren. Eigenfeste Motorschutzschalter können ohne Vorsicherung betrieben werden.

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Motorvollschutz mit Tempera-turfühlern

Durch Temperaturfühler5 in der Wicklung zuverlässiger Schutz.

Motor ist auch bei behinderter Kühlung vollständig ge-schützt.

Halbleiter-Temperaturfühler wirken auf das Auslösegerät ein, welches das Motorschütz schaltet.

5 Ein wirksamer Motorschutz kann dadurch erfolgen, dass die Wicklungstemperatur direkt mit Temperaturfühlern erfasst wird, die in den Motorwicklungen untergebracht sind. Der Motor-vollschutz wird bei erschwerten Betriebsbedingun

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2 Aufbau und Betriebsverhalten von Asyn-chronmotoren


Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie entsteht die Drehbewegung im Motor? Wie funktioniert das "Stern-Dreieck-Anlassverfahren"? Themen:

2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors 2.10 Betriebskennlinien des Asynchronmotors2.1.1 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 Netz 2.16 Asynchronmotor mit Schleifringläufer

2.6 Änderung der Drehrichtung 2.17 Schleifringläufermotor mit Läuferanlas-ser

2.7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie 2.18 Hochlaufkennlinien des Schleifringläu-fermotors

2.8 Strom-Drehzahl-Kennlinie 2.19 Drehzahländerung von Asynchronmoto-ren

2.9 Anlaufeigenschaften von Asynchronmoto-ren

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2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors

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2.1.0 Aufbau eines Asynchronmotors

Rotor und Stator Der Drehstrom-Asynchronmotor besteht aus einem drehbar gela-gerten Teil, dem Läufer oder Rotor, und einem fest mit dem Ge-häuse verbundenen Teil, dem Ständer oder Stator. Läufer und Ständer bestehen aus einzelnen, voneinander isolier-ten Blechen zur Vermeidung von Wirbelströmen.

Klemmbrett und Ständer-blechpaket

Im Ständerblechpaket ist die dreiphasige Erregerwicklung unter-gebracht. Anfang und Ende eines jeden Strangs führen zum Klemmbrett.

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Läuferblechpaket und Luft-spalt

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 An-trieb 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 Ver-doppelung 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 Dreh-stromwicklung. 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 Läufer-stäben eine Spannung.

Da die Läuferstäbe kurzge-schlossen 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 Ständerfel-des 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 Ab-weichung 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 Still-stand 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 Asyn-chronmotoren

lA ~ 4 .... 8 lN MA ~ 0,5 ..1 MN Merksatz: Asynchronmotoren mit Rundstabläufer besitzen trotz hoher Anzugsströme nur ein relativ ge-ringes Anzugsmoment.

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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 Belas-tung stark zu.

Ein Drehstrommotor sollte stets mit Volllast betrieben werden. Ist er für den Antrieb überdi-mensioniert, arbeitet er mit höheren Verlusten.


2.10 Betriebskennlinien des Asyn-chronmotors

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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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Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann nur bei solchen Motoren erfolgen, deren Wicklungs-stränge für die volle Leiterspannung ausgelegt sind.

Merksatz: Bei Anlauf in Sternschaltung verkleinern sich Anlaufstrom und Anlaufmoment von Dreh-strommotoren auf ein Drittel der Werte des Dreieckbetriebes. Das Stern-Dreieck-Anlassschaltung eignet sich nicht für Schweranlauf.


2.12 Stern-Dreieck-Anlassschaltung

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 ver-bunden. 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 Anlaufver-halten. Durch besondere Formgebung der Stäbe des Käfigläufers ist dies erreichbar.

Merksatz: Stromverdrängungsläufer haben ein größeres Anzugsmoment und einen kleineren Anzugs-strom.

Doppelkäfigläufer Hochstabläufer Rundstabläufer

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2.16 Asynchronmotor mit Schleifring-läufer

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2.17 Schleifringläufermotor mit Läufer-anlasser

Mit zunehmender Drehzahl werden die Widerstandsgruppen R1, R2 und R3 nacheinander ab-geschaltet. Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen. Der Motor arbeitet dann wie ein Kurzschlussläufer.

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2.18 Hochlaufkennlinien eines Schleif-ringläufermotors

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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2.19 Drehzahländerung von Asyn-chronmotoren

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2.19 Drehzahländerung von Asynchronmotoren

Motoren mit getrennten Stän-derwicklungen

Motoren mit zwei voneinander unabhängigen Ständerwicklungen können mit zwei Drehzahlen betrieben werden, die in einem belie-bigen 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 Wick-lung durch Umschalten der Spulengruppen zwei verschiedene Polpaarzahlen erzeugen. Merksatz Bei der Dahlanderschaltung stehen die Drehzahlen immer im Ver-hältnis 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 mög-lich, die höher als 3000 min¹ sind. Die Drehfelddrehzahl kann mit Hilfe von Frequenzumrichtern ver-ändert werden.

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3 Aufbau und Betriebsverhalten von Gleich-strommotoren


Kapitelbezogene Eingangsfragen: 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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3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren

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3.1 Aufbau von Gleichstrommotoren

Gleichstrommotoren werden als Antriebe dort eingesetzt, wo ein großer Drehzahlstellenbe-reich, 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, ü-berträgt den Strom von den fest stehenden Bürsten auf die sich drehende Läuferwicklung.

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Klemmbrett Die Anfänge und Enden der verschiedenen Motorwicklungen wer-den 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 Wirbel-strömen. Die Ankerwicklung besteht aus Teilspulen, die unterschiedlich zusammengeschaltet werden können.

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3.3 Anschlussbezeichnungen der Mo-torwicklungen

Buchstabe Bezeichnung Beispiele

A Ankerwicklung A1 - A2

B Wendepolwicklung B1 - B2; 1B1 - 1B2; 2B1 - 2B2

C Kompensationswicklung C1 - C2; 1C1 - 1C2; 2C1 - 2C2

D Erregerwicklung - Reihen-schluss D1 - D2; 1D1 - 1D2; 2D1 - 2D2

E Erregerwicklung - Neben-schluss E1 - E2; 1E1 - 1E2; 2E1 - 2E2

F Erregerwicklung - fremderregt F1 - F2

Nachgestellte Ziffern bezeichnen Anfang bzw. Ende der Anschlüsse, vorangestellte Ziffern unter-scheiden 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 Bürsten-feuer.

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 angeschlos-sen.

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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 Nennstro-mes 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 Anker-wicklung geschaltet werden.

Während des Hochlaufens steigt die Gegenspannung an, die Anlasswiderstände wer-den 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 Anker-spannung

Bei annähernd gleichbleibendem Ankerstrom kann die Drehzahl proportional zur Ankerspan-nung 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 umge-kehrt 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 Mo-tor

Beim fremderregten Motor wird der Erregerstrom von einer unabhängigen Spannungsquelle geliefert. Motoren mit Dauermagneten an Stelle der Erregerwicklung sind ebenfalls fremderreg-te Motoren. Fremderregte Motoren werden für Antriebe verwendet, deren Drehzahl lastunabhängig in gro-ßem Umfang gesteuert wird.

Ziehen Sie die Leiterbezeichnungen an die Anschlüsse des Klemmbretts7, so dass sich die Drehrich-tung 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 Erreger-feld 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 Stromauf-nahme 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 Elekt-rofahrzeuge und bei Hebezeugen eingesetzt.



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3.9.3 Schaltung: Doppelschlussmotor

Der Doppelschlussmotor hat zusätzlich zur Nebenschlusswicklung eine Reihenschlusswick-lung. Je nach Auslegung der Wicklungen kann das Betriebsverhalten des Motors mehr zum Nebenschluss- oder mehr zum Reihenschlussverhalten beeinflusst werden.



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Abschluss Lerneinheit Bearbeitung der Fallstudie

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 Ant-wortdokument 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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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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Aufbau und Betriebsarten von Asynchronmotoren

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 2 im Kapitel Trainingsaufgabe. 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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Aufbau und Betriebsverhalten von Gleichstrommoto-ren

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Aussagen zu. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 3 im Kapitel Trainingsaufgabe. 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 mitein-ander 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 Dokumenten-

box unter “Datenblätter“ finden) für den Betrieb des Motors

- die Baugröße des Motors, - die erforderliche Gebrauchskategorie und Baugröße des Schützes sowie - die Baugröße und den Typ des Überlastrelais.

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E1

Y1 M1 M3 ~

K1

Y3

Reaktions-behälter

Y2

K1 Leistungsschütz „Rührwerkmotor“ M1 Rührwerkmotor E1 Heizung Y1 Magnetventil „Zulauf Y1“ Y2 Magnetventil „Zulauf Y2“ Y3 Magnetventil „Ablass Y3“

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Motorendatenblatt

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1 - Grundlagen elektromotorischer Antriebe 1 - Grundlagen elektromotorischer Antriebe

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Documents

Grundlagen elektromotori-scher Antriebe · - Eisenverluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierung - Erregerverluste beim Aufbau des Magnetfeldes - Wicklungsverluste durch den …