Gleichstrommaschine - Fachgebiet Leistungselektronik und ...

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Datum: 10-04-2012SS 2012 Seite 2Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis .................................................................................................................................... 3Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................. 4Tabellenverzeichnis ................................................................................................................................. 41 Einleitung ......................................................................................................................................... 52 Aufbau und Baugruppen ................................................................................................................. 63 Ausführungsformen von Gleichstrommaschinen ............................................................................ 83.1 Fremderregte Gleichstrommaschine ...................................................................................... 83.2 Gleichstromnebenschlussmaschine ...................................................................................... 103.3 Gleichstromreihenschlussmaschine ...................................................................................... 104 Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine ................................................................................ 124.1 Anlaufverhalten der fremderregten Gleichstrommaschine und derGleichstromnebenschlussmaschine .................................................................................................. 124.2 Belastungsmaschine .............................................................................................................. 125 Versuchsvorbereitung ................................................................................................................... 136 Versuchsdurchführung .................................................................................................................. 156.1 Motorbetrieb der Gleichstromnebenschlussmaschine ......................................................... 156.2 Drehzahlsteuerung der Gleichstromnebenschlußmaschine ................................................. 186.3 Die Belastungskennlinie der Gleichstromnebenschlussmaschine ........................................ 226.4 Betrieb der Gleichstromreihenschlussmaschine ................................................................... 256.5 Die Belastungskennlinie der Gleichstromreihenschlussmaschine ........................................ 297 Literatur ......................................................................................................................................... 318 Daten der Gleichstrom-Mehrfunktionsmaschine 0,3 kW ............................................................. 32SS 2012 Seite 3Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)AbbildungsverzeichnisAbbildung 2.1: Baugruppen einer Gleichstrommaschine ....................................................................... 6Abbildung 3.1: Elektrisches Ersatzschaltbild der fremderregten Gleichstrommschine .......................... 8Abbildung 3.2: Elektrisches Ersatzschaltbild der Gleichstromnebenschlussmaschine ......................... 10Abbildung 3.3: Elektrisches Ersatzschaltbild der Gleichstromreihenschlussmaschine ......................... 11Abbildung 6.1: Schaltplan Gleichstromnebenschlussmotor ................................................................. 15Abbildung 6.2: Aufbauplan Gleichstromnebenschlussmotor ............................................................... 16Abbildung 6.3: Schaltplan Gleichstromnebenschlussmotor „Drehzahlsteuerung“ .............................. 19Abbildung 6.4: Aufbauplan Gleichstromnebenschlussmotor „Drehzahlsteuerung“ ............................ 20Abbildung 6.5: Schaltplan Gleichstromnebenschlussmotor „Belastungskennlinie“............................. 23Abbildung 6.6: Aufbauplan Gleichstromnebenschlussmotor „Belastungskennlinie“........................... 24Abbildung 6.7: Schaltplan ...................................................................................................................... 26Abbildung 6.8: Schaltskizze ................................................................................................................... 27TabellenverzeichnisTabelle 6.1: Messwerte Belastungskennlinie Gleichstromnebenschlussmotor .................................... 18Tabelle 6.2 : Messwerte Kennlinie „IA“ und „n“ in Abhängigkeit von „UAU ......................................... 21Tabelle 6.3: Messwerte Kennlinie „IF“ und „n“ in Abhängigkeit von RFU ............................................ 22Tabelle 6.4: Tabelle ............................................................................................................................... 29SS 2012 Seite 4Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)1 EinleitungDie Starkstromtechnik nahm mit der Energieerzeugung durch galvanische Elementeihren Anfang. Da durch die galvanischen Elemente Gleichspannung bereitgestelltwird, entstand als erster elektromechanischer Energiewandler dieGleichstrommaschine. Bereits 1834 wurde durch Jakobi der erste Gleichstrommotormit Kommutator (Stromwender) gebaut. Einen wesentlichen Beitrag für den Erfolgder Gleichstrommaschine leistete die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips 1durch Werner von Siemens im Jahre 1866.Mit der Einführung des Drehstroms ab 1889 verlor die Gleichstrommaschine anBedeutung, konnte aber, begünstigt durch die Entwicklung der Stromrichtertechnikund die guten Regeleigenschaften, einen bedeutenden Marktanteil im Bereich derdrehzahlgeregelten Antriebe behaupten. In jüngster Zeit erreichen UmrichtergespeisteDrehstromantriebe ähnlich gute Regeleigenschaften, so dassGleichstrommotoren immer mehr an Bedeutung verlieren, wenngleich diese immernoch wichtige Anwendungsfelder, insbesondere im Kleinleistungsbereich, besetzen.An einer Gleichstrommaschine können wesentliche Wirkprinzipien und Eigenschaftenelektrischer Maschinen erklärt werden, so dass sie in diesem Praktikum näherbetrachtet werden sollen. Bei Gleichstrommaschinen werden verschiedeneAusführungsformen unterschieden. Im Rahmen dieses Praktikums soll dasBetriebsverhalten einer Gleichstromnebenschluss- und einerGleichstromreihenschlussmaschine untersucht werden. Das Betriebsverhalten vonelektrischen Maschinen wird u.a. durch Belastungskennlinien charakterisiert. SolcheBelastungskennlinien bilden das Drehmoment über der Drehzahl ab. DieAufzeichnung von Belastungskennlinien ist ein Ziel dieses Praktikums.1 1866 erkannte Werner von Siemens, dass im Eisen des Erregerkreises eines Generators ein geringerMagnetismus zurückbleibt. Dieser reicht aus, um eine, zunächst schwache Spannung im rotierenden Anker zuinduzieren. Der dadurch hervorgerufene Strom lässt sich nutzen, um das Erregerfeld fortschreitend bis zurSättigung zu verstärken.SS 2012 Seite 5Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)2 Aufbau und BaugruppenAbbildung 2.1: Baugruppen einer GleichstrommaschineDas Wirkprinzip der Gleichstrommaschine beruht auf der Lorenzkraft auf eine mit derGeschwindigkeit v bewegte Ladung q. E und B sind die Elektrische Feldstärke unddie magnetische Flussdichte:F L = q(E + v × B)(Gl. 2.1)Ist kein äußeres elektrisches Feld vorhanden und betrachtet man den Sonderfalleines Leiters der Länge l, der senkrecht zum äußeren Magnetfeld verläuft und vomStrom I durchflossen wird und so ergibt sich für die KraftF = B ⋅ l ⋅ I(Gl. 2.2)Die Erzeugung des Magnetfelds erfolgt durch die Erregerwicklung einesElektromagneten, die sich auf dem Hauptpol des feststehenden Ständers ausgeblechtem Eisen befindet. Der durch die Erregerwicklung hervorgerufenemagnetische Fluss durchsetzt den Luftspalt und den Anker. Auf dem Anker befindenSS 2012 Seite 6Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)sich Leiter, die von dem Ankerstrom I A durchflossen werden. Die Stromzufuhr mussdabei so erfolgen, dass alle Ankerleiter, die sich im Bereich des gleichenmagnetischen Poles befinden, gleichsinnig vom Ankerstrom durchflossen werden.Zur kontinuierlichen Drehmomenterzeugung ist es nötig, dass beim durch dieDrehung des Motors hervorgerufenen Übergang der Ankerleiter von einemPolbereich auf den Nächsten die Stromrichtung in den jeweiligen Ankerleiternumgekehrt werden muss. Die Stromumkehr erreicht man durch den Kommutator(auch Stromwender oder Kollektor genannt). Für eine ausführliche Beschreibung seiauf Absatz 7 verwiesen.SS 2012 Seite 7Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)3 Ausführungsformen von Gleichstrommaschinen3.1 Fremderregte GleichstrommaschineBei der fremderregten Gleichstrommaschine werden Erregerwicklung undAnkerwicklung unabhängig voneinander mit elektrischer Energie versorgt. DieErregung kann auch durch Permanentmagnete erfolgen.Abbildung 3.1: Elektrisches Ersatzschaltbild der fremderregten GleichstrommschineFür die Maschengleichung des Ankerkreises ergibt sichu A = R A i A + L Adi Adt + u iA(Gl. 3.1)mit dem Ankerwiderstand R A , der Ankerinduktivität L A und der induziertenGegenspannung u iA (auch Elektro-Motorische-Kraft, EMK genannt).Analog ergibt sich für den Erregerkreisu E = R E i E + L Edi Edt(Gl. 3.2)Der durch den Erregerkreis hervorgerufene verkettete Fluss ψ E ergibt sich zuψ E = L E i E(Gl. 3.3)SS 2012 Seite 8Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)mit ψ E = N E φ E und Gl. 3.4 folgt:u E = R E i E + N Edφ Edt(Gl. 3.4)Mit der Windungszahl der Erregerwicklung N E .Für das Drehmoment einer Gleichstrommaschine gilt:m M = c M φ E i A(Gl. 3.5)mit der Maschinenkonstanten c M .Für die induzierte Gegenspannung (die elektromotorische Kraft, EMK) giltu iA = c m φ E ω(Gl. 3.6)mit der Winkelgeschwindigkeit ω . Die Winkelgeschwindigkeit ω hängt mit derDrehzahl in wie folgt zusammen:n = ω 2π = ω 60 s2π 1 min(Gl. 3.7)Für die belastete Gleichstrommaschine ergibt sich die folgende dynamischeGleichungdωdt = 1 J (m M − m L )(Gl. 3.8)mit dem Massenträgheitsmoment J und dem Lastdrehmoment m L .SS 2012 Seite 9Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)3.2 GleichstromnebenschlussmaschineBei der Gleichstromnebenschlussmaschine sind Erregerwicklung und Ankerwicklungparallel geschaltet. Erregerspannung u E und Ankerspannung u A sind gleich.Abbildung 3.2: Elektrisches Ersatzschaltbild der GleichstromnebenschlussmaschineBetrachtet man den stationären Betrieb, entfallen die Ableitungen nach der Zeit. Fürdie Gleichstromnebenschlussmaschine ergeben sich damit die folgendenGleichungen:U A = R A I A + U iA(Gl. 3.9)U E = U A = R E I E(Gl. 3.10)M M = c M φ E I A(Gl. 3.11)3.3 GleichstromreihenschlussmaschineGleichstromreihenschlussmaschinen sind durch eine Reihenschaltung von AnkerundErregerwicklung gekennzeichnet:U = U A + U E(Gl. 3.12)Beide Wicklungen werden vom gleichen Strom durchflossen:SS 2012 Seite 10Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)i = i A = i E(Gl. 3.13)Abbildung 3.3: Elektrisches Ersatzschaltbild der GleichstromreihenschlussmaschineDurch den Widerstand R P kann ein Teil des Ankerstroms an der Erregerwicklungvorbei fließen. In diesem Fall gilt nicht i A = i E . Das Verhältnis von Erreger- zuAnkerstrom wird als Erregergrad bezeichnet.Für einen Erregergrad 1 ergibt sich für das DrehmomentM M = c ML EN EI A2(Gl. 3.14)mitφ E = L EI EN E(Gl. 3.15)SS 2012 Seite 11Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)4 Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine4.1 Anlaufverhalten der fremderregten Gleichstrommaschine und derGleichstromnebenschlussmaschineFür den Ankerstrom einer fremderregten Gleichstrommaschine folgt aus Gl. 3.9I A = (U A − U iA )R A(Gl. 4.1)Hierbei kann die Induktivität L A im Ankerkreis vernachlässigt werden. Aus Gl. 3.6folgt, dass die induzierte Gegenspannung im Stillstand (ω = 0 ) 0 ist. DerAnkerstrom wird nur durch den Ankerwiderstand begrenzt. Die Ankerwicklungenwerden niederohmig ausgeführt, um die Stromwärmeverluste im Betrieb möglichstgering zu halten. Damit kann sich beim Einschalten ein sehr großer Ankerstromergeben. Um das zu vermeiden gibt es zwei Möglichkeiten:1. Die Spannung U A wird schrittweise von 0 bis zum gewünschten Endwerterhöht.2. Während des Anlaufs wird ein zusätzlicher Widerstand (Anlaufwidertand) inden Ankerkreis geschaltet.4.2 BelastungsmaschineZur Aufnahme von Belastungskennlinien ist es notwendig, den Motor mitveränderlichen Lastdrehmomenten zu belasten. In diesem Praktikum erfolgt dieBelastung durch eine 0,3 kW Servobremse.SS 2012 Seite 12Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)5 Versuchsvorbereitung1. Welche Möglichkeiten existieren, um eine fremderregte Gleichstrommaschinevom Stillstand bis zu einer gewünschten Drehzahl zu beschleunigen, ohneden Ankernennstrom zu überschreiten? Geben Sie die entsprechendenSchaltungen an.2. Lösen Sie folgende Aufgabe: Ein Gleichstrom-Nebenschlussmotor mit220 V Nennspannung habe einen Ankerwiderstand von 0, 2 Ω. Im Nennpunktdes Motors betrage der Ankerstrom 1 A . Nun werde bei still stehendem Rotorüber den Motorklemmen Nennspannung angelegt. Wie groß ist der sicheinstellende Ankerstrom des Motors (Anlaufstrom)? Drücken Sie denAnlaufstrom in Prozent des Nennstromes aus. Berechnen Sie den (Vor-)Widerstand, der in Reihe zum Ankerkreis geschaltet werden muss, um denAnlaufstrom auf 150 % des Nennstroms zu begrenzen. Gehen Sie von Gl. 4.1aus.3. Leiten Sie die Gleichungen für die Belastungskennlinien n = f (M M ), I A =f (M M ) für den fremderregten Gleichstrommotor her. Zeichnen Sie dieentsprechenden Kennlinien n = f(M M ), I A = f(M M ) in qualitativer Form füra. U A = U AN , R = R A , φ E = φ ENb. U A = 0,5U AN , R = R A , φ E = φ ENc. U A = U AN , R = 2R A , φ E = φ ENd. U A = U AN , R = R A , φ E = 0,5φ EN4. Leiten Sie die Gleichungen für die Belastungskennlinien n = f (M M ), I A =f (M M ) für den Gleichstromreihenschlussmotor her. Zeichnen Sie dieentsprechenden Kennlinien n = f (M M ), I A = f (M M ) in qualitativer Formfür,e. U A = U AN , R = R A , I E = I ENf. U A = 0,5U AN , R = R A , I E = Iφ ENg. U A = U AN , R = 2R A , I E = I ENh. U A = U AN , R = R A , I E = 0,5I ENSS 2012 Seite 13Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)5. Wie kann bei der Gleichstromnebenschluss- und derGleichstromreihenschlussmaschine das Erregerfeld geschwächt werden?Geben Sie die entsprechenden Schaltungen an.SS 2012 Seite 14Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)6 Versuchsdurchführung6.1 Motorbetrieb der Gleichstromnebenschlussmaschine- Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schalt und Aufbauplan auf- Integrieren Sie einen Strom- und Spannungsmesser in den Ankerkreis- Schalten Sie auch die Bremse ein, der Motor wird dabei nicht belastet(HINWEIS: Die Einstellung des Gleichstromversorgungsgerätes kann nur beiangeschlossenem Motor Erfolgen!)Abbildung 6.1: Schaltplan GleichstromnebenschlussmotorSS 2012 Seite 15Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.2: Aufbauplan GleichstromnebenschlussmotorInbetriebnahme des Nebenschlussmotors:Erforderliche Einstellungen:- Anlasser: Minimalwert (0 Ω)- Gleichstromversorgungsgerät: 220 V- Multimeter-Messmethode: Arithmetischer Mittelwert („Mean“)Versuchsdurchführung:- Nehmen Sie den Motor in Betrieb und beobachten ihno Dreht der Motor mit Nenndrehzahlo Wie ist die Drehrichtung des Motors?o Wie verhält sich der Einschaltstrom im Gegensatz zum Nennstrom?o Wie Verhält sich der Strom mit Steigender Drehzahl?SS 2012 Seite 16Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Messen des Ankerstromes:Erforderliche Einstellungen:- Bremse: Mode „Torque Control“Versuchsdurchführung:- Bremsen Sie den Motor bis zu seiner Nenndrehzahl ab- Messen Sie dabei den Ankerstrom(HINWEIS: Achten Sie darauf, den Motor nicht bis zum Stillstandabzubremsen!)- Wie hoch ist der Ankerstrom bezogen auf den Nennstrom?Aufnahme einer Belastungskennlinie:Erforderliche Einstellungen:- Anlasser: Maximalwert (47 Ω)- Nach dem Starten des Motors ist der Anlasser wieder auf 0Ω einzustellen.Versuchsdurchführung:- Erhöhen Sie schrittweise die Belastung des Motors bis zum 1,5-fachenNennstrom und vervollständigen Sie die Tabelle- Übertragen Sie die Tabell in Excell Und stellen die Verläufe von n, I und U inAbhängigkeit von M graphisch darSS 2012 Seite 17Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Tabelle 6.1: Messwerte Belastungskennlinie GleichstromnebenschlussmotorM/Nm n/(1/min) I/A U/V00,20,40,60,811,21,4- Wie verhält sich der Strom mit steigendem Drehmoment?- Wie verhält sich die Ankerspannung mit steigendem Drehmoment?- Wie verhält sich die Drehzahl mit Steigendem Drehmoment?- Wie verhält sich die Drehzahl im Bereich des Nenndrehmomentes?6.2 Drehzahlsteuerung der Gleichstromnebenschlußmaschine- Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schalt- und Aufbauplan auf- Integrieren Sie einen Strom und Spannungsmesser in den Ankerkreis- Integrieren Sie einen Strommesser in den Erregerkreis- Schalten Sie auch die Bremse ein, der Motor wird dabei nicht belastet(HINWEIS: Die Einstellung des Gleichstromversorgungsgerätes kann nurbei angeschlossenem Motor erfolgen!)SS 2012 Seite 18Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.3: Schaltplan Gleichstromnebenschlussmotor „Drehzahlsteuerung“SS 2012 Seite 19Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.4: Aufbauplan Gleichstromnebenschlussmotor „Drehzahlsteuerung“Aufnahme der Kennlinie „I A “ und „n“ in Abhängigkeit von „U A “:Erforderliche Einstellungen:- Einstellbares Gleichstromversorgungsgerät (Ankerspannung): 220 V- Gleichstromversorgungsgerät (Erregerkreisspannung): 210 V- Felsteller: Minimalwert (0 Ω)- Bremse: Mode „Torque Control“Versuchsdurchführung:- Verringern Sie mit der Einstellbaren Gleichstromversorgung dieAnkerspannung in 3 Stufen (220 V / 190 V / 160 V)- Messen Sie dabei jeweils I A und n und übertragen die gemessenen Werte indie TabelleSS 2012 Seite 20Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)- Übertragen Sie die Tabell in Excell und stellen die Verläufe von n und I A inAbhängigkeit von U A graphisch darTabelle 6.2 : Messwerte Kennlinie „I A “ und „n“ in Abhängigkeit von „U AU A /V n/(1/min) I A /A220190160Aufnahme der Kennlinie „n“ in Abhängigkeit von „M“ mit Hilfe der Software„Active Servo“Erforderliche Einstellungen:- Bremse: „PC Mode“- Feldsteller: Minimalwert (0 Ω)- Einstellbares Gleichstromversorgungsgerät (Ankerkreisspannung): 220V /190 V / 160 V- Gleichstromversorgungsgerät (Erregerkreisspannung): 210 VVersuchsdurchführung:- Starten Sie die Software „Active Servo“- Wählen Sie im Menü Einstellung -> Betriebsart -> Momentenregelung- Der Motor soll bis zu seinem Nenndrehmoment belastet werden- Beschriften Sie die Diagramme entsprechend- Es werden nacheinander insgesamt drei Belastungskennlinien für die dreivorgegebenen Ankerkreisspannungen aufgenommen- Exportieren Sie nach erfolgter Messung das erstellte Diagramm mit den dreiKennlinien- Berechnen Sie das Nennmoment der Motors nach folgender Formel:M N = P 2ωSS 2012 Seite 21Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Aufnahme der Kennlinie „I F “ und „n“ in Abhängigkeit von R FErforderliche Einstellungen:- Bremse: Mode „Torque Control“- Feldsteller: Minimalwert (0 Ω)- Geleichstromversorgungsgerät: (Anker- & Erregerkreis) 220 V / 210 V- Schalten Sie die Gleichstromversorgung ein- Variieren Sie der Wert R F des Feldstellers in 3 Stufen, um die in derTabelle vorgegebene Drehzahl zu erreichen- Messen Sie dabei jeweils I F und übertragen Sie die gemessenen Werte indie Tabelle- Übertragen Sie die Tabell in Excell und stellen den Verlauf von n inAbhängigkeit von I f graphisch darTabelle 6.3: Messwerte Kennlinie „I F “ und „n“ in Abhängigkeit von R Fn/(1/min)230026003000I F /mA- Wie verhält sich die Drehzahl bei Verringerung der Ankerspannung?- Wie verhält sich die Drehzahl bei Verringerung des Erregerstromes?6.3 Die Belastungskennlinie der Gleichstromnebenschlussmaschine- Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schalt- und Aufbauplan auf- Integrieren Sie einen Strom- und Spannungsmesser in den Anker-/Erregerkreis- Schalten Sie auch die Bremse ein, der Motor wird dabei nicht belastet(HINWEIS: Die Einstellung des Gleichstromversorgungsgerätes kann nur beiangeschlossenem Motor erfolgen!)SS 2012 Seite 22Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.5: Schaltplan Gleichstromnebenschlussmotor „Belastungskennlinie“SS 2012 Seite 23Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.6: Aufbauplan Gleichstromnebenschlussmotor „Belastungskennlinie“Aufnahme der Belastungskennlinie des Motors mit Hilfe der Software „ActiveServo“Erforderliche Einstellungen:- Bremses: „PC Mode“- Gleichstromversorgungsgerät: (Anker- & Erregerkreis) 220 VVersuchsdurchführung:- Starten Sie die Software „ActiveServo“- Der Motor soll bis zu seinem Nenndrehmoment belastet werden- Beschriften Sie das Diagramm entsprechendSS 2012 Seite 24Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)- Folgende Parameter sollen aufgenommen werden: Der Wirkungsgrad η (M)(η=>“Eta“), der Ankerstrom I A , die abgegebene Leistung P 2 und die Drehzahln (M)- Bevor Sie die Messung starten, müssen Sie noch die Frage nach demNenndrehmoment beantworten, welches Sie in dem Versuch„Drehzahlsteuerung“ ermittelt haben- Exportieren Sie das erstellte Diagramm nach erfolgter Messung- Ermitteln Sie aus dem Diagramm den höchsten WirkungsgradDas Nenndrehmoment beträgt:M N = _______Nm6.4 Betrieb der Gleichstromreihenschlussmaschine- Bauen Sie die Shaltung nach folgendem Schalt- und Aufbauplan auf- Integrieren Sie einen Strom- und Spannungsmesser in den Motorkreis- Schalten Sie auch die Bremse ein, der Motor wird dabei nicht belastet(HINWEIS: Die Einstellung des Gleichstromversorgungsgerätes kann nur beiangeschlossenem Motor erfolgen!)SS 2012 Seite 25Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.7: SchaltplanSS 2012 Seite 26Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)Abbildung 6.8: SchaltskizzeErmittlung des (Nenn-) WirkungsgradesErforderliche Einstellungen:- Bremse: Mode „Torque Control“ (HINWEIS: Die Bremse sollte in jedemFalle aktiv sein!)- Anlasser: Minimalwert (0 Ω)- Gleichstromversorgungsgerät: 220 V- MultimeterMessmethode: Arithmetischesr Mittelwert („Mean“)Versuchsdruchführung:- Bremsen Sie den Motor bis zu seinem Nenndrehmoment ab- Messen Sie dabei den MotorstromSS 2012 Seite 27Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)- Berechnen Sie mit der vorgegebenen Formel aus den Nenndaten und dengemessenen Größen den Wirkungsgrad des MotorsAchten Sie darauf den Motor nicht ohne Belastung zu betreiben, da diesersonst „durchgehen“ könnte!Der Wirkungsgrad ist definiert als :η = P 2P 1(Gl. 6.1)P 2 = M n ωP 1 = U M I Mω = 2πn(Gl. 6.2)(Gl. 6.3)(Gl. 6.4)- Der Wirkungsgrad „η“ des Reihenschlussmotors beträgt ca.:Aufnahme einer Belastungskennlinie (mit Anlasser)Erforderliche Einstellungen:- Bremse: Mode „Torque Control“ (HINWEIS: Die Bremse sollte in jedem Fallaktiv sein!)- Anlasser: Minimalwert (0 Ω)- Gleichstromversorgungsgerät: 220 VVersuchsdurchführung:- Bremsen Sie den Motor bis zu seinem 0,5-fachen Nenndrehmoment ab- Verstellen Sie nun in 5 Stufen den Anlasser von 0 bis 100% seinesMaximalwertes (~47 Ω)- Messen Sie dabei den Motorstrom und –spannung- Übertragen Sie die Messwerte in die TabelleSS 2012 Seite 28Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)- Übertragen Sie die Tabell in Excell und stellen die Verläufe von n und I inAbhängigkeit von U graphisch darTabelle 6.4: TabelleU/V n/(1/min) I/A6.5 Die Belastungskennlinie der Gleichstromreihenschlussmaschine- Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schalt- und Aufbauplan auf- Integrieren Sie einen Strom- und Spannungsmesser in den Motorkreis- Schalten Sie auch die Bremse ein, der Motor wird dabei vorerst nicht belastet(HINWEIS: Die Einstellung des Gleichstromversorgungsgerätes kann nur beiangeschlossenem Motor erfolgen!)Aufnahme der Belastungskennlinie des Motors mit Hilfe der Software„ActiveServo“Erforderliche Einstellungen:- Bremse: „PC Mode“o ActiveServo: Einstellung -> Betriebsart -> Drehzahlregelung- Gleichstromversorgungsgerät: (Motorkreis) 220 VVersuchsdurchführung:- Starten Sie die Software „ActiveServo“- Starten Sie unbedingt die Bremse mit 3000 min −1 auf 1600 min −1 abgebremstwerden- Beschriften Sie die Diagramme entsprechendSS 2012 Seite 29Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)- Im ersten Diagramm sollen folgende Parameter dargestellt werden: DerMotorstrom I (M) , die Motorspannung U (M) und das Drehmoment M (M)- Im zweiten Diagramm sollen folgende Parameter dargestellt werden: Dieaufgenommene elektrische und abgegebene mechanische Leistung (P 1(M) ,P 2(M) ), sowie der sich daraus ergebene Wirkungsgrad η (M) (η => „Eta“)- Exportieren Sie das erstellte Diagramm nach erfolgter Messung- Ermitteln Sie aus dem zweiten Diagramm den höchsten WirkungsgradDer maximale Wirkungsgrad „η“ des Reihenschlussmotors beträgt:η = ca. _______%- Wie verhalten sich Erregerfeld und Ankerstrom bei kleinen Belastungen?- Wie verhält sich der Ankerstrom bei steigender Belastung- Ist der Wirkungsgrad konstant?- Wie verhält sich die Drehzahl zum Drehmoment?- Wie verhält sich die Drehzahl bei kleinen Belastungen?- Wesghalb sollte der Reihenschlussmotor niemals ohne Last betriebenwerden?SS 2012 Seite 30Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)7 Literatur[1] Müller, G. - Elektrische Maschinen - Grundlagen, Aufbau und Wirkungsweise, 5.Auflage,Verlag Technik Berlin 1982[2] Riefenstahl, U. – Elektrische Antriebstechnik, Verlag B.G. Teubner Stuttgart 2000SS 2012 Seite 31Datum: 10-04-2012 Von 32

Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische AntriebstechnikProf. Dr.-Ing. Joachim BöckerLABORPRAKTIKUM – Versuch Gleichstrommaschine (GM)8 Daten der Gleichstrom-Mehrfunktionsmaschine 0,3 kW- Nennspannung: 220 V- Nennstrom: 1 A- Erregerspannung: 220 V- Erregerstrom: 100 mA- Nenndrehzahl: 2000 min -1- Nennleistung: 0,2 kW- Abmessungen: 340 x 210 x 210 mm (B x H x T)- Gewicht: 10 kgSS 2012 Seite 32Datum: 10-04-2012 Von 32