Grundlagen der Elektrotechnik: Motoren, SPS und Sensoren

Asynchronmotoren mit Schleifringläufer

Ein Asynchronmotor mit Schleifringläufer besteht aus einem Stator und einer Rotorwicklung. Die Rotorwicklung ist an einem Ende in Sternschaltung verbunden, während die drei freien Enden zu drei Schleifringen geführt werden, auf denen Bürsten gleiten. Die Anschlüsse der Bürsten sind mit externen Drehstromwiderständen verbunden, über die der Motoranlauf geregelt werden kann. Diese Motoren wurden häufig bei mittleren Leistungen (über 50 PS) eingesetzt, um einen niedrigen Anlaufstrom (unter 2,5-fachem Nennstrom) bei gleichzeitig hohem Anlaufdrehmoment (über 2,5-fachem Nenndrehmoment) zu erzielen.

Die Widerstände bestehen aus einer Reihe von Platten, die entsprechend verschaltet sind, um den berechneten Ohmwert und die erforderliche Verlustleistung zu erreichen.

Bremssysteme für Elektromotoren

Hier werden verschiedene Bremssysteme für Elektromotoren erklärt.

Gleichstrombremsung

Bei dieser Bremsmethode wird nach dem Abschalten der Drehstromversorgung eine Gleichspannung an die Statorwicklungen angelegt. Dadurch entsteht ein stehendes Magnetfeld, das den Rotor abbremst. Der Bremsstrom (Gleichstrom) sollte dabei dem Effektivwert des Wechselstroms bei Nennlast entsprechen.

Druckluftbremsen

Hierbei handelt es sich um pneumatische Bremsen, deren Bremskraft durch den gewählten Luftdruck bestimmt wird, um die Massenträgheit zu stoppen. Die Bremse wird durch einen doppeltwirkenden Pneumatikzylinder betätigt: eine Richtung zum Bremsen, die andere zum Lösen. Die Ansteuerung muss mit dem Motorbetrieb synchronisiert sein, um Asynchronitäten zu vermeiden.

Hydraulische Bremse

Diese Bremsart ist eine Variante der Druckluftbremse, bei der die Luft durch Hydraulikflüssigkeit ersetzt wird. Die hydraulische Bremse ist leistungsfähiger als die pneumatische Bremse, da Hydraulikflüssigkeit eine geringere Kompressibilität als Luft aufweist.

Mechanische Bremse

Bei dieser veralteten Methode wird die Bremswirkung manuell durch einen Handhebel erzeugt, der Bremsbacken auf eine Bremsscheibe drückt. Leuchtanzeigen signalisieren dem Bediener den Status (Start, Stopp, Bremse).

Einphasenbetrieb von Drehstrommotoren

Ein Drehstrom-Käfigläufermotor kann an einem einphasigen Netz betrieben werden. Dies wird typischerweise bei Motoren mit geringer Leistung angewendet. Das Anlaufdrehmoment reduziert sich dabei auf 40 bis 50 % des Nenndrehmoments. Die Drehrichtung kann durch Ändern des Kondensatoranschlusses umgekehrt werden. Die abgegebene Leistung ist etwa 10 bis 20 % geringer als im Drehstrombetrieb.

Für die Dimensionierung des Betriebskondensators gelten folgende Richtwerte:

• 230 V / 50 Hz: ca. 70 µF pro kW Motorleistung.
• 400 V / 50 Hz: ca. 20 µF pro kW Motorleistung.
• 132 V / 50 Hz: ca. 200 µF pro kW Motorleistung.

Der Kondensator sollte für eine Spannung ausgelegt sein, die 1,25-mal höher ist als die Netzspannung. Bei einem Einphasenmotor mit Anlaufkondensator vergrößert der Kondensator die Phasenverschiebung zwischen Haupt- und Hilfswicklung, was zu einem besseren Anlaufverhalten führt.

Schrittmotoren und Servomotoren

Funktionsprinzip von Schrittmotoren

Der Schrittmotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Impulse in präzise winklige Drehbewegungen (Schritte) umwandelt. Die Schrittweite kann von 90° bis zu sehr kleinen Bewegungen von nur 1,8° variieren. Er kann durch Impulse von Logiksystemen gesteuert werden.

Er besteht aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem Stator mit mehreren Erregerspulen. Die Ansteuerung der Spulen muss extern durch einen Controller erfolgen.

Typen von Schrittmotoren

• Bipolar: Haben vier Anschlusskabel. Die Ansteuerung erfolgt über eine H-Brücke.
• Unipolar: Haben 5 oder 6 Anschlusskabel (inklusive gemeinsamer Anschlüsse). Dieser Typ ist einfacher anzusteuern.

Servomotoren

Ein Servomotor ist ein Antrieb, der eine bestimmte Position innerhalb seines Aktionsradius präzise anfahren und stabil halten kann. Er besteht aus einem Gleichstrommotor, einem Getriebe und einer Steuerschaltung. Sein Bewegungsbereich ist in der Regel weniger als eine volle Umdrehung.

Bürstenlose Motoren (Brushless-Motoren)

Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist ein Synchronmotor, der ohne Bürsten zur Umpolung des Rotors auskommt. Diese Aufgabe übernimmt eine elektronische Schaltung. Sein Betrieb basiert auf der sequenziellen Bestromung der Statorphasen, synchron zur Bewegung des Rotors. Die Permanentmagnete des Rotors folgen dem rotierenden Magnetfeld des Stators. Zur Steuerung sind ein Winkelsensor (z. B. Resolver oder Hallsensoren), ein Drehzahlgeber (Tacho) und ein Controller erforderlich.

Transformatoren: Aufbau und Funktion

Ein Transformator ist eine elektrische Maschine, die die Spannung in einem Wechselstromkreis erhöht oder verringert, während die Frequenz konstant bleibt. Er basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und besteht in seiner einfachsten Form aus zwei Spulen (Primär- und Sekundärwicklung), die auf einem geschlossenen Kern aus Weicheisen oder Siliziumeisen gewickelt sind.

Schema eines Einphasen-Transformators mit Eingangsspannungen von 125, 230 und 400 Volt und unabhängigen Ausgangsspannungen von 12, 24 und 48 Volt.

Gleichrichter: Definition und Typen

Ein Gleichrichter ist ein Bauteil oder eine Schaltung, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Dies geschieht mithilfe von Dioden. Man unterscheidet zwischen:

• Halbwellengleichrichtung: Nur eine Halbwelle des Wechselstroms wird genutzt.
• Vollwellengleichrichtung: Beide Halbwellen werden genutzt.

Erdungsanlagen und Vorschriften

Eine Erdungsanlage ist eine direkte elektrische Verbindung leitfähiger Teile mit einer oder mehreren im Boden vergrabenen Erderelektroden, ohne Sicherungen oder Schutzeinrichtungen. Der Erder sollte als geschlossene Schleife um den Umfang des Gebäudes in einer Mindesttiefe von 0,8 m verlegt werden.

Der Erdungswiderstand muss so niedrig sein, dass die Berührungsspannung folgende Werte nicht überschreitet:

• 24 V in Bereichen mit leitfähiger Umgebung.
• 50 V in allen anderen Fällen.

Wenn höhere Berührungsspannungen auftreten könnten, muss eine schnelle Abschaltung durch geeignete Schutzgeräte sichergestellt sein. Aufgrund ihrer sicherheitstechnischen Bedeutung wird die Erdungsanlage bei der Inbetriebnahme behördlich geprüft.

Leiter und Leitungsverlegung in Innenräumen

Leitertypen und Querschnitte

Leiter müssen aus Kupfer und für eine Nennspannung von mindestens 750 V (starr) bzw. 440 V (flexibel) isoliert sein. Typische Querschnitte:

• 1,5 mm²: für Beleuchtung
• 2,5 mm²: für Steckdosen
• 4 mm²: für Waschmaschinen/Thermen
• 6 mm²: für Herde/Backöfen

Schutzleiter

Der Schutzleiter muss aus Kupfer sein, die gleiche Isolierung wie die aktiven Leiter aufweisen und im selben Kanal verlegt werden.

Leiterkennzeichnung (Farben)

• Blau: Neutralleiter
• Braun, Schwarz, Grau: Phasenleiter
• Gelb-Grün: Schutzleiter

Installationssysteme

• Unterputz: Isolierte Kabel in flexiblen Schutzrohren.
• Aufputz: Isolierte Leitungen in flexiblen oder starren Rohren, geschlossenen Kanälen oder auf Stromschienen.

Installationsvorschriften

• Für mehrere Stromkreise darf kein gemeinsamer Neutralleiter verwendet werden.
• Alle Leiter müssen an jedem Punkt der Anlage durch eine geeignete Vorrichtung (z. B. Anschlussklemme) trennbar sein.
• Steckdosen in einem Raum müssen an dieselbe Phase angeschlossen werden.
• Alle Installationsmaterialien (Schalter, Dosen etc.) müssen aus isolierendem Material bestehen.
• Bei der Unterputzinstallation sind spezielle Dosen zu verwenden. Metallische Dosen müssen intern isoliert oder geerdet sein.

Strom- und Spannungsrelais

Relais sind Geräte, die elektrische Größen überwachen, mit Sollwerten vergleichen und bei Abweichungen ein Schaltsignal ausgeben.

Stromrelais

Bei diesen Relais wird der Strom durch eine elektromagnetische Vorrichtung erfasst. Überschreitet der Wert eine eingestellte Grenze, wird ein Kontaktpaar (Schließer + Öffner) betätigt. Je nach Anwendung bleiben die Kontakte in dieser Position oder kehren in den Ruhezustand zurück, wenn der Strom wieder sinkt.

• Typen: Überstromrelais, Stromrelais für indirekte Messung.
• Anwendungen: Anlaufstrombegrenzung, Steuerung der Anlaufphasen eines Drehstrommotors.

Spannungsrelais

Sie funktionieren ähnlich wie Stromrelais, messen jedoch die Spannung an ihren Klemmen. Bei Drehstromanwendungen werden alle drei Phasen zur Überwachung angeschlossen.

• Typen: Unterspannungsrelais, Phasenüberwachungsrelais, Netzumschaltrelais.
• Anwendungen: Schutz von mobilen Maschinen und Geräten (z. B. Baumaschinen).

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein elektronisches Gerät zur Steuerung und Überwachung von Echtzeit- und sequenziellen Prozessen in der Industrie. Die Programmierung kann ohne tiefgehende PC-Kenntnisse erfolgen. Eine SPS führt logische Funktionen (Serie, Parallel), Zeit- und Zählfunktionen sowie komplexere Aufgaben wie Berechnungen und Regelungen aus.

Peripheriegeräte

Dies sind Geräte, die nicht direkt am Automatisierungsprozess beteiligt sind, aber die Bedienung erleichtern, z. B. Programmiergeräte, Drucker, Speichermodule (EPROM, EEPROM) und Operator Panels (HMI).

Eingangsmodul

Das Eingangsmodul erfasst die Signale von Sensoren. Der Status der Eingänge wird periodisch in ein Prozessabbild der Eingänge (PAE) übertragen und zur Verarbeitung an die CPU gesendet. Es können aktive und passive Sensoren angeschlossen werden.

Ausgangsmodul

Das Ausgangsmodul ist für die Ansteuerung der Aktoren (z. B. Motoren, Ventile) zuständig. Die von der CPU verarbeiteten Informationen werden in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) geschrieben, woraufhin das Ausgangsmodul die entsprechenden Aktoren aktiviert oder deaktiviert.

Digitale und analoge Signale

• Digitales Signal: Ein Signal, das nur diskrete Werte annehmen kann, typischerweise 0 oder 1. Beispiel: Ein Schalter ist entweder betätigt (Wert 1) oder nicht betätigt (Wert 0).
• Analoges Signal: Ein Signal, das kontinuierliche Werte innerhalb eines Bereichs annehmen kann. Beispiel: Ein Temperatursensor gibt je nach Temperatur unterschiedliche Spannungswerte aus.

Dateneinheiten

• Bit: Die kleinste digitale Informationseinheit (0 oder 1).
• Byte: Eine Gruppe von 8 Bits.
• Wort: Eine Gruppe von 16 Bits (2 Bytes).
• Doppelwort: Eine Gruppe von 32 Bits (4 Bytes).

Bit-Verteilung und Signalwert

Beispiel für die Darstellung eines digitalen Signalwerts:

Gegebene Signale: Q0.4 = 1, Q0.2 = 1, F1.3 = 1

Binärdarstellung (Beispiel): ... F1.3 ... Q0.4 Q0.3 Q0.2 Q0.1 Q0.0

Wenn F1.3 dem Bit 10, Q0.4 dem Bit 4 und Q0.2 dem Bit 2 entspricht, ergibt sich die Binärzahl: ...1...10100

Dezimalwert = 2¹⁰ + 2⁴ + 2² = 1024 + 16 + 4 = 1044

Komponenten für Schaltschränke

• Thermorelais: Ein Überlastschutzgerät, das auf der thermischen Wirkung des Stroms basiert.
• Sicherungen: Schutzeinrichtungen gegen Überströme. Sie ergänzen den Schutz von Elektromotoren durch thermische Relais. Ihr Nennstrom ist der Strom, ab dem der Schmelzdraht nach einer definierten Zeit durchbrennt.
• Leistungsschalter: Ein Schalter, der bei Überlast oder Kurzschluss manuell oder automatisch den Stromkreis unterbricht.
• Taster: Ein Steuerelement, das bei manueller Betätigung einen Kontakt schließt oder öffnet und nach dem Loslassen in seine Ausgangsposition zurückkehrt.
• Wahlschalter: Ein Schalter mit zwei oder mehr stabilen Positionen, der nach der Betätigung in der gewählten Position verbleibt.
• Schalter: Ein Steuerelement, das nach der Betätigung seine Position beibehält, bis es erneut betätigt wird.
• Positionsschalter (Endschalter): Elektromechanische Schalter, die nicht manuell, sondern durch die Bewegung von Maschinenteilen betätigt werden.
• Schütz: Ein elektromechanisches Bauteil, das dazu dient, den Stromfluss in einem Leistungs- oder Steuerstromkreis zu schalten.

Schaltplan einer S7-200 SPS

(Hier sollte der Schaltplan einer S7-200 mit 24 V DC Ein- und Ausgängen dargestellt werden.)

Sensoren und Taster für die SPS

• Start-/Stopp-Taster: Ein Steuerelement, das bei manueller Betätigung einen Kontakt öffnet oder schließt und nach dem Loslassen in seine Ausgangsposition zurückkehrt.
• Endschalter: Elektromechanische Schaltgeräte, ähnlich wie Taster, die jedoch durch mechanische Bewegung ausgelöst werden.
• Induktiver Sensor: Ein Sensor zur berührungslosen Erkennung von metallischen Objekten. Weit verbreitet in der Industrie.
• Lichtschranke (Fotozelle): Ein elektronisches Gerät, das auf Änderungen der Lichtintensität reagiert. Es wird verwendet, um Licht zu erkennen und ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.
• Not-Aus-Schalter: Ein Schalter, der im Notfall den gesamten Stromkreis unterbricht, um eine Anlage stillzusetzen.

Näherungsschalter: Typen und Anschluss

Näherungsschalter sind statische Schalter, die durch die Annäherung von Materialien eine Last schalten. Gängige Typen sind induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter. Sie werden z. B. in der Robotik und industriellen Automatisierung eingesetzt.

Unterschied zwischen PNP und NPN:

• Ein Sensor mit NPN-Ausgang schaltet den Ausgang nach Masse (negatives Potenzial). Die Last wird zwischen dem positiven Versorgungspotenzial und dem Sensorausgang angeschlossen.
• Ein Sensor mit PNP-Ausgang schaltet den Ausgang auf das positive Versorgungspotenzial. Die Last wird zwischen dem Sensorausgang und Masse angeschlossen.

Funktionsweise verschiedener Detektoren

Induktive Sensoren

Sie bestehen aus einer Spule mit offenem Magnetkern, durch die ein hochfrequenter Strom fließt. Nähert sich ein leitfähiges Objekt dem erzeugten Magnetfeld, werden Wirbelströme induziert, die das Feld dämpfen. Ein Verstärker erkennt diese Dämpfung und erzeugt ein Schaltsignal. Anwendung: Pressen, Schweißanlagen.

Kapazitive Sensoren

Wenn sich ein Objekt dem Sensor nähert, erhöht sich die Kapazität der Sensorsonde. Dies aktiviert einen Oszillator, der den Ausgang schaltet. Sie können auch nichtmetallische Materialien erkennen.

Optoelektronische Sensoren (Lichtschranken)

Diese Sensoren arbeiten mit einem Lichtstrahl (meist von einer LED), der auf einen Empfänger trifft. Sie werden hauptsächlich als Positionsdetektoren eingesetzt.

• Einweg-Lichtschranke: Sender und Empfänger sind in getrennten Gehäusen untergebracht.
• Reflexions-Lichtschranke: Sender und Empfänger befinden sich in einem Gehäuse. Der Lichtstrahl wird von einem Reflektor zurückgeworfen.
• Lichttaster (selbstreflexiv): Das zu erfassende Objekt selbst reflektiert den Lichtstrahl. Sie haben eine geringere Reichweite, aber eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und können Farben erkennen.

Magnetische Sensoren

Sie nutzen den magnetoresistiven Effekt, bei dem ein Material seinen elektrischen Widerstand in Gegenwart eines Magnetfeldes ändert. Sie eignen sich hervorragend zur präzisen Messung von linearen und winkligen Verschiebungen und werden häufig zur Positionserkennung von Pneumatikzylindern eingesetzt.

Definitionen elektrischer Komponenten

• Schalter: Ein elektrisches Bedienelement, das manuell betätigt wird, um eine Verbindung herzustellen oder zu trennen, und seine Position beibehält, bis es erneut betätigt wird.
• Taster: Ein elektrisches Bedienelement, das bei Betätigung einen Kontakt öffnet oder schließt und nach dem Loslassen in seine Ausgangsposition zurückkehrt.
• Einphasen-Steckdose: Besteht aus einem Phasenleiter, einem Neutralleiter und einem Schutzleiter (Erde) für den Betrieb mit 230 V.
• Drehstrom-Steckdose: Besteht aus drei Phasenleitern und einem Schutzleiter für den Betrieb mit 400 V.
• Vierleiter-Steckdose: Besteht aus drei Phasenleitern und einem Neutralleiter. Die Spannung zwischen den Phasen beträgt 400 V, zwischen Phase und Neutralleiter 230 V.
• Schutzleiter: Auch als Erde bekannt, gekennzeichnet durch die Farben Grün-Gelb.
• Potenzialausgleich: Die elektrische Verbindung aller metallischen, leitfähigen Teile einer Anlage mit der Erdungsanlage.