Grundlagen: Gleichstrom- & Wechselstrommaschinen

Gleichstrommaschinen (DC)

Spannung und Last bei DC-Generatoren

Bei Belastung eines Gleichstromgenerators sinkt die Klemmenspannung (Vt) aufgrund des Spannungsabfalls am Ankerwiderstand (Ra). Der Ankerstrom (Ia) berechnet sich als Ia = (Ea - Vt) / Ra (für Generatoren) oder Ia = (Vt - Ea) / Ra (für Motoren), wobei Ea die induzierte EMK ist. Eine höhere Last führt zu einem höheren Ia und damit zu einem größeren Spannungsabfall (Ia * Ra), wodurch Vt sinkt (bei konstantem Ea).

Kommutierungsprobleme bei DC-Maschinen

Probleme am Kommutator (Stromwender) können auftreten durch:

• Verschiebung der neutralen Zone: Verursacht durch die Ankerrückwirkung, kann zu Bürstenfeuer führen.
• Induktionsspannungen: In den kommutierenden Spulen während der Stromwendung induzierte Spannungen (Reaktanzspannung).

Aufnahme der Leerlaufkennlinie

Schritte zur Aufnahme der Leerlaufkennlinie (Magnetisierungskennlinie) eines fremderregten DC-Generators:

1. Maschine mit Nenndrehzahl antreiben (Leerlauf).
2. Amperemeter in den Erregerkreis und Voltmeter an die Ankerklemmen schalten.
3. Den Erregerstrom (If) schrittweise erhöhen.
4. Die induzierte Spannung (Ea) für jeden Schritt messen.
5. Kennlinie Ea über If grafisch darstellen.

Vorteile von Kompound-Motoren (Doppelschluss)

DC-Motoren mit Nebenschluss- und Reihenschlusswicklung (Kompound-Motoren) bieten:

• Verbessertes Anlaufmoment: Durch die Reihenschlusswicklung wird das Anlaufmoment im Vergleich zu reinen Nebenschlussmotoren erhöht.
• Stabile Erregung: Die Nebenschlusswicklung sorgt für eine konstante Grundmagnetisierung.

Verhalten von Kompound-Maschinen bei geringer Last

Bei geringer Last ist der Strom durch die Reihenschlusswicklung klein. Daher verhält sich die Kompound-Maschine ähnlich wie eine Nebenschlussmaschine.

Drehzahlsteuerung bei DC-Reihenschlussmotoren

Die Drehzahl (n) eines Reihenschlussmotors kann gesteuert werden durch:

• Änderung der Klemmenspannung (Vt): Eine niedrigere Spannung reduziert die Drehzahl.
• Vorschalten eines Widerstands: Ein Widerstand in Reihe zum Anker- und Feldkreis reduziert Spannung und Strom, was die Drehzahl senkt.

Laständerung bei fremderregten DC-Maschinen

Erhöht sich die Last einer fremderregten DC-Maschine (Motor oder Generator), steigt der Ankerstrom (Ia). Um die Spannung (Generator) oder Drehzahl (Motor) konstant zu halten, kann der Erregerstrom (If) mittels eines einstellbaren Widerstands (Feldsteller) im Erregerkreis angepasst werden.

Parallelschaltung von DC-Generatoren

Zwei oder mehr DC-Generatoren können parallel geschaltet werden, um eine gemeinsame Last zu speisen. Die Lastverteilung hängt von den jeweiligen Spannungs-Strom-Kennlinien ab. Eine Änderung der Erregung eines Generators beeinflusst dessen induzierte Spannung (Ea), seine Leistungsabgabe und die gemeinsame Klemmenspannung.

Drehzahlsteuerung bei DC-Nebenschlussmotoren

Methoden zur Drehzahlregelung bei Nebenschlussmotoren:

• Änderung des Erregerstroms (If): Verringern von If erhöht die Drehzahl (Feldschwächung).
• Änderung der Ankerspannung (Vt): Verringern von Vt reduziert die Drehzahl.
• Einfügen eines Vorwiderstands im Ankerkreis: Reduziert die Ankerspannung und damit die Drehzahl.

Permanentmagnet-Motoren als Universalmotoren?

Nein, ein Permanentmagnet-Motor kann nicht als Universalmotor (für AC und DC Betrieb) eingesetzt werden. Universalmotoren benötigen eine Reihenschluss-Feldwicklung.

Vorteile und Nachteile von DC-Reihenschlussmotoren

Vorteile:

• Sehr hohes Anlaufmoment.
• Hohes Drehmoment pro Ampere Ankerstrom.

Nachteile:

• Darf nicht ohne Last betrieben werden (Gefahr des Durchgehens/Überdrehzahl).
• Riemenantriebe sind riskant, falls der Riemen reißt (Leerlaufgefahr).

Leerlaufkennlinie (Zweck)

Die Leerlaufkennlinie (Ea vs. If bei konstanter Drehzahl n) dient dazu, das Magnetisierungsverhalten der Maschine zu verstehen und die induzierte Spannung bei verschiedenen Erregungsstärken zu bestimmen.

Verluste in DC-Maschinen

Verluste im Rotor (Anker) eines DC-Motors:

• Kupferverluste (Wicklungsverluste): I²R-Verluste in der Ankerwicklung.
• Eisenverluste (Kernverluste): Hystereseverluste und Wirbelstromverluste im Ankerblechpaket.
• Bürstenübergangsverluste: Spannungsabfall und Reibung an den Kohlebürsten.
• Mechanische Verluste: Reibungsverluste (Lager) und Lüfterverluste (Windage).

Verluste in einem DC-Generator:

Ähnlich wie beim Motor: Eisen-, Kupfer-, Bürsten- und mechanische Verluste.

Synchronmaschinen (AC)

Behn-Eschenburg-Methode

Ein Verfahren zur Bestimmung der Parameter (insbesondere der synchronen Reaktanz) von Synchronmaschinen aus Leerlauf- und Kurzschlussversuchen. Wird zur Berechnung der Spannungsänderung bei Last verwendet.

Synchronoskop

Ein Messinstrument, das beim Parallelschalten (Synchronisieren) eines Generators an das Netz oder einen anderen Generator verwendet wird. Es zeigt die Frequenzdifferenz und den Phasenwinkelunterschied zwischen den beiden Spannungen an.

Leistungssteigerung eines Synchrongenerators

Um die Wirkleistung (P) eines Synchrongenerators zu erhöhen, muss die zugeführte mechanische Leistung der Antriebsmaschine (z.B. Turbine) erhöht werden. Eine Erhöhung des Erregerstroms (über die Schleifringe) erhöht primär die induzierte Spannung und damit die abgegebene Blindleistung (Q).

Synchronisierung von AC-Generatoren

Schritte und Bedingungen zum Parallelschalten von zwei AC-Generatoren (oder einem Generator ans Netz):

Bedingungen:

1. Gleiche Spannungen
2. Gleiche Frequenzen
3. Gleiche Phasenfolge
4. Gleiche Phasenlage (Phasenwinkelunterschied nahe Null)

Vorgehen (vereinfacht):

1. Generator 1 läuft und speist ggf. das Netz.
2. Generator 2 auf Nenndrehzahl bringen (Antriebsmaschine starten).
3. Spannung von Generator 2 durch Anpassung der Erregung an die Spannung von Generator 1 / Netz anpassen.
4. Frequenz von Generator 2 durch Anpassung der Drehzahl der Antriebsmaschine an die Frequenz von Generator 1 / Netz anpassen.
5. Phasenlage mittels Synchronoskop (oder Dunkelschaltung/Hellschaltung) prüfen. Im Moment der Phasengleichheit (Synchronoskop auf 0 / Lampen dunkel):
6. Leistungsschalter schließen, um Generator 2 parallel zu schalten.

Wicklungsfaktoren bei AC-Maschinen

Faktoren, die die induzierte Spannung beeinflussen:

• Zonenfaktor (kd): Berücksichtigt die Verteilung der Wicklung auf mehrere Nuten pro Pol und Phase (typ. Wert ~0,96).
• Sehnungsfaktor (kp): Berücksichtigt die Verkürzung der Spulenweite gegenüber dem Polschritt (typ. Wert ~0,96-0,99).
• (Anmerkung: ka und Formfaktor sind hier weniger gebräuchlich als kd und kp).

Unterschied Synchron- und Asynchronmaschine

Hauptunterschiede:

• Synchronmaschine: Läufer dreht sich synchron mit dem Drehfeld des Stators. Benötigt Gleichstromerregung für den Läufer (außer bei Permanentmagnet-Typen). Kann nicht von selbst anlaufen (benötigt Starthilfe).
• Asynchronmaschine (Induktionsmaschine): Läufer dreht sich asynchron (mit Schlupf) zum Drehfeld. Benötigt keine separate Läufererregung (Strom wird induziert). Läuft von selbst an.

Anlaufverfahren für Synchronmotoren

Methoden, um einen Synchronmotor auf Synchrondrehzahl zu bringen:

• Anwurfmotor: Ein Hilfsmotor (oft Asynchronmotor) beschleunigt den Synchronmotor nahe an die Synchrondrehzahl.
• Frequenzanlauf: Versorgung mit niedriger, langsam ansteigender Frequenz (z.B. über Frequenzumrichter).
• Asynchronanlauf mit Dämpferwicklung: Der Motor startet wie ein Asynchronmotor über die im Läufer eingebettete Dämpferwicklung. Nahe der Synchrondrehzahl wird die Gleichstromerregung zugeschaltet, und der Motor zieht in den Synchronismus.

Transformatoren

Stern-Dreieck-Schaltung (Anlauf)

Die Stern-Dreieck-Schaltung wird hauptsächlich zum Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren verwendet. Beim Anlauf im Stern liegt an jeder Wicklungsphase nur 1/√3 (ca. 58%) der Netzspannung an. Dadurch reduzieren sich der Anlaufstrom und das Anlaufmoment auf etwa 1/3 der Werte beim Direktanlauf in Dreieckschaltung. Nach dem Hochlauf wird auf Dreieck umgeschaltet.

Parallelschaltung von Transformatoren

Bedingungen für die Parallelschaltung von (Drehstrom-)Transformatoren:

1. Gleiches Übersetzungsverhältnis.
2. Gleiche Phasenfolge.
3. Gleiche Schaltgruppe (gleiche Phasenwinkelverschiebung zwischen Ober- und Unterspannung).
4. Nahezu gleiche relative Kurzschlussspannung (%uk).
5. Netzfrequenzen müssen übereinstimmen (selbstverständlich).