EST

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK

Kapitel 20

Elektrische Maschinen Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn 055 - 654 12 87

Ausgabe: August 2009

5. September 2009 www.ibn.ch

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN

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2

Inhaltsverzeichnis 20

ELEKTRISCHE MASCHINEN 20.1 Motor und Generatorprinzip 20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule 20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen 20.1.3 Anschluss von Motor und Generator 20.2

Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren

20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen 20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors 20.3.2 Nebenschluss 20.3.3 Reihenschluss 20.3.4 Doppelschluss 20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen 20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren 20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas 20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren 20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren 20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren 20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung 20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen 20.5.1 Schädliche Einflüsse von Motoren 20.5.2 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.3 Drehstromasynchronmotor 20.5.4 Schaltung der Drehstromständerwicklungen 20.5.5 Drehrichtung von Drehstrommotoren 20.5.6 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren 20.5.7 Bemessung Drehstrommotoren 20.5.8 Schutz von Drehstrommotoren 20.5.9 Schalten von Drehstrommotoren 20.5.10 Kennlinien von Drehstrommotoren 20.6 Anlassverfahren von Drehstrommotoren 20.6.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.6.2 Anlassverfahren mit Drossel 20.6.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung 20.6.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen 20.6.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser 20.6.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo 20.6.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung 20.7 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren 20.7.1 Berechnung der Synchrondrehzahl 20.7.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl 20.7.3 Schema einer Polumschaltung 20.7.4 Dalanderschaltung

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20.8 Kraftwerke 20.8.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion 20.8.2 Funktionsweise eines Generators 20.8.3 Kernkraftwerk 20.8.4 Wasserkraftwerk 20.8.5 Windkraftwerk 20.8.6 Solarkraftwerk 20.8.7 Biomassekraftwerk 20.8.8 Geothermiekraftwerk 20.8.9 Die Stromproduktion von morgen 20.8.10 Die Speicher der Zukunft

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Elektrische Maschinen

20.1 Motor und Generatorprinzip 20.1.1

Richtung des induzierten Stromes einer Spule

Ausschalten des Spulenstromes

Einschalten des Spulenstromes

Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?

Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?

Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein.

Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein.

Anziehung

Bewegung des Ringes

20.1.2

Unterschied der elektrischen Maschinen

Zeichnen Sie den Fedlinienverlauf (GRÜN) und die Drehrichtung der Leiterschleife ein.

Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?

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Abstossung

Bewegung des Ringes

Zeichnen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) und Stromrichtung der Leiterschleife für die vorgegebene Drehrichtung ein.

N

S

S

N Motor

Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?

Generator

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TG 20 1

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN MOTOR- UND GENERATORPRINZIP

20.1.3

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Anschluss von Motor und Generator

Motor

Generator

Verbinden Sie die Spannungsquelle mit dem Rotor so, dass sich die Leiterschleife rechts dreht. Es sind vorher noch die Magnetpole des Stators festzulegen. Zeichnen Sie die Stromrichtung in der Leiterschleife ein. Bezeichnen Sie die Pole des Ständerfeldes.

Tragen Sie die Drehrichtung der Leiterschleife ein, wenn der Generatorstrom in der eingezeichneten Richtung fliesst. Bezeichnen Sie vorher noch die Pole des Ständerfeldes.

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20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren

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20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen 20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors Für die Bestellung von Ersatzteilen ist es wixhtig, deren genaue Bezeichnung anzugeben.

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20.3.2 Nebenschluss Nachfolgend sind die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben. Schaltungsart

IA Feld

Drehrichtung

Anker

UA

Anwendung Anschluss

n

M

Drehmoment-DrehzahlKennlinie

A1 M =

IA

UA=konst

M

A2

Ankerstrom-DrehmomentKennlinie

A1

Anschluss Klemmenbrett

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20.3.3

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Reihenschluss

Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben. Feld

IA

Schaltungsart

Anker

Drehrichtung Anwendung

Anschluss (Laststrom und Erregerstrom sind gleich goss)

Bemerkung

n

n~

U M

M

Drehmoment-DrehzahlKennlinie

A1 M =

IA

IA ~ M2

M

A2

Ankerstrom-DrehmomentKennlinie

A1

Anschluss Klemmenbrett

Beim Hauptschuss- oder Seriemotor sind die Hauptpole in Serie zum Ankerkreis geschaltet, demnach ist das Magnetfeld vom Belastungsstrom abhängig.

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20.3.4

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Doppelschluss

Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben. Schaltungsart

+

+ IA

Kompund

Feld

-

Anker

Drehrichtung Anwendung

Wendepole

-

Anschluss (Mitkompoundschaltung)

Bemerkung n

Nebenschluss

Doppelschluss

M

Drehmoment-DrehzahlKennlinie

A1 M = A2

Durch die Kompoundschaltung verliert die Momentenkenlinie ihre proportionalität zum Laststrom

A1

Anschluss Klemmenbrett

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20.3.5

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Bezeichnung der Wicklungen

Beschreibung

Kennbuchstaben

Anker, Ankerwicklung

A1 – A2

Wendepolwicklung

B1 - B2

Kompensationswicklung (Compound)

C1 – C2

Reihenschlusswicklung

D1 – D2

Nebenschlusswicklung (Selbsterregung)

E1 – E2

Fremderregter Motor

F1 – F2

Hilfswicklung

H1 – H2

Hilfswicklung

J1 – J2

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Bemerkung

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20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren Das Problem des hohen Anlaufstromes von Gleichstrommotoren und deren Drehzahlsteuerung wird durch den Einsatz eines Anlassers bzw. Feldanlassers gelöst. Anlasser

Feldstellanlasser

Der Unterschied und die Gemeinsamkeiten sind nachfolgend dargestellt. Beschreibung der Verwendung

Anlasser

Feldstellanlasser

Reihenschlussmotor

Ja

Ja

Nebenschlussmotor

Ja

Ja

Doppelschlussmotor

Ja

Ja

Fremderregter Motor

Ja

Ja

Geeignet zum Anlassen

Ja

Ja

Geeignet zur Dehzahlsteuerung

Ja

Ja

Drehzahlsteuerung über der Nenndrehzahl

Nein

Ja

Drehzahlsteuerung unter der Nenndrehzahl

Ja

Ja

Kurzfristig

Dauernd

Betriebsdauer

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20.4.1

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Klemmenbrett und Anschlussschemas Nebenschluss ohne Wendepole -

Nebenschluss ohne Wendepole

+

-

+

A1

A1

M =

M = A2

A2

A1

-

A1

Linkslauf

Rechtslauf

Nebenschluss mit Wendepole

Nebenschluss mit Wendepole

+

-

A1

+

A1 M =

A2

A2

A1

Linkslauf

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M =

A1

Rechts

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN GLEICHSTROMMOTOREN ANLASSVERFAHREN

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Reihenschluss ohne Wendepole

Reihenschluss ohne Wendepole -

+

-

+

A1

A1 M =

M =

A2

A2

A1

A1

Linkslauf Reihenschluss mit Wendepole -

+

Rechtslauf Reihenschluss mit Wendepole -

A1

+

A1 M =

A2

M = A2

A1

Linkslauf

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A1

Rechts

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Doppelschluss ohne Wendepole mit Drehzahlregelung -

+

Doppelschluss ohne Wendepole mit Anlaufstrombegrenzung -

+

A1

A1 M =

M =

A2

A2

A1

-

15

A1

Linkslauf

Rechtslauf

Doppelschluss mit Wendepole, Drehzahlregelung und Anlaufstrombegrenzung

Doppelschluss mit Wendepole und Drehzahlregelung

+

-

A1

+

A1 M =

M =

A2

A2

A1

Linkslauf

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A1

Rechts

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20.4.2

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Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren

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20.4.3

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Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren

Motorenart

Drehmoment

Anlaufstrom

Drehzahlkennlinie Reihenschlussmotor (Seriemotor)

Grosses Anlaufmoment

IA =

U Ri + R f

Widerstände in Serie

Nebenschlussmotor

Anwendung Begründung

ElektroFahrzeuge Akkuschrauber Hohes Anlaufdrehmoment, einfache Drehzahlsteuerung

Relativ konstant

IA =

U U + Ri R f

Werkzeugmaschinen

Widerstände parallel

Fremderregter Motor

Relativ konstant

Doppelschlussmotor

Zwischen Reihen- und Nebenschlussmotor

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IA =

IA =

U Ri

U U + Ri + R fs R fs

Seilbahn, Kran Geringe Drezahländerung bei Laständerung, Drehzahlsteuerung über Erregerfeldstrom oder Ankerspannung

Stanzen, Walzwerkmaschinen

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20.4.4

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Bemessung Gleichstrommotoren

Zusammenfassung Es wird die Anlaßzeit und die erforderliche Wärmekapazität des Anlaßwiderstandes für Nebenschluß- und Hauptschlußmotoren berechnet. Bei den letzteren wird Proportionalität zwischen Kraftfluß und Strom vorausgesetzt, um den Unterschied gegen den Nebenschlußmotor deutlicher zu machen. Die Untersuchungen werden für Stufenanlasser durchgeführt und durch Grenzübergang die entsprechenden Größen für stetiges Anlassen bestimmt. In Zahlenbeispielen wird der Unterschied im Verhalten der beiden Motoren gezeigt und die Größenordnung der Anlaßzeit und der Kapazität berechnet. Für die letztere wird außerdem ein Vergleich der abgeleiteten Formel mit der sonst üblichen gezogen. Ferner werden die beim Anlassen auftretenden Energiemengen graphisch dargestellt, berechnet und miteinander verglichen. Schließlich wird der Anlaßwirkungsgrad abgeleitet und für verschiedene Fälle zahlenmäßig berechnet.

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Reihenschlussmotor (interne Verschaltung)

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20.4.5

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19

Die Ward-Leonard-Schaltung

Bemerkungen Die Ward-Leonard Schaltung ermöglicht eine feinstufige und verlustarme Drehzahlregulierung für Gleichstrom-Motoren mit hohem Drehmoment. Vorteile Die Drehzahl und die Leistung können feinstufig im Bereich von 1:20 bie 1:100 reguliert werden. Keine Anlasswiderstände sind notwendig. Somit wird auch keine Energie unnötig vernichtet. Der Erregerstrom, mit dem die Maschinen reguliert werden, beträgt lediglich ca. 2 - 5% des WirkleistungsStromes. Im Weiteren ist die Möglichkeit der Nutzbremsung zu ewähnen. Nachteil Zum Betreiben des GL-Motors, muss Gleichstromenergie aufgebaut werden, entweder mittels eines rotierenden oder eines statischen Umformers. Anwendung Antriebe von Seilbahnen, Aufzügen, Papiermaschinen, in Walzwerken und Kranen.

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20.5

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN

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20

Wechselstrommotoren Schaltungen

20.5.1

Schädliche Einflüsse von Motoren

Alle elektrischen Betriebsmittel müssen so ausgewählt werden, dass sie keine nachteiligen Einflüsse auf andere Betriebsmittel verursachen oder die Stromversorgung in normalem Betrieb, einschliesslich Schaltvorgänge, beeinträchtigen.

NIN 1.3.3.4.1

In diesem Zusammenhang sind Kenngrössen, die einen Einfluss haben können: • • • • •

Leistungsfaktor; Einschalt- oder Anlaufstrom; unsymmetrische Last; Oberschwingungen und transiente Überspannungen, die durch Betriebsmittel in der Anlage erzeugt werden.

20.5.2 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.2.1 Universalmotor Der Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors, dessen Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er auf Grund der hohen Drehzahlen einen kleinen Bauraum benötigt und ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt. Seine Drehzahl und Leistung kann über Phasenanschnitt verstellt werden. Diese Motoren werden heute mit Leistungen bis 2300 W produziert.

Um Asynchronmotoren an einphasigen Wechselstrom selbstständig anlaufen zu lassen, benötigen sie ein selbsterzeugtes Drehfeld (zum Hauptfeld phasenverschobenes Feld). Dies geschieht durch einen Kondensator oder eine Kurzschlusswicklung (Spaltpolmotor). In beiden Fällen können die Hilfsphasen nach dem Anlauf abschaltbar sein (von Hand, mit einem Zeitrelais, mit einem Magnetschalter mit einem Bimetallschalter oder mit einem Fliehkraftschalter der an der Belüftungsseite des Motors auf der Welle befestigt ist und bei Nenndrehzahl den Anlaufkondensator ausschaltet.

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN EINPHASENWECHSELSTROMMOTOR

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20.5.2.2 Kondensatormotor Der Kondensatormotor ist ein Elektromotor und zählt zu den Asynchronmotoren. Wie diese besitzt er einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer), in dem durch ein vom Stator erzeugtes elliptisches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Im Unterschied zu mit Drehstrom gespeisten Asynchronmotoren läuft der Kondensatormotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom.

Beim Kondensatormotor wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und eine Hilfswicklung über einen Kondensator in Reihe ans Netz geschaltet. Es entsteht ein elliptisches Drehfeld, das zwar zum Anlaufen des Motors ausreicht, die Laufruhe aber beeinträchtigt. Für höhere Anlaufmomente werden Anlaufkondensatoren (oft unipolare Elektrolytkondensatoren) verwendet, die bei Nenndrehzahl zum Beispiel durch einen Fliehkraft- oder Magnetschalter wieder vom Stromkreis getrennt werden müssen.

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20.5.2.3 Steinmetzschaltung Die Steinmetzschaltung, benannt nach Charles P. Steinmetz, ist eine elektrische Schaltung, mit der Drehstrom-Asynchronmotoren für den Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz angepasst werden können. Die Schaltung wird nur bei kleineren Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer bis 2 kW angewendet. Auch Drehstromasynchronmaschinen können am einphasigen Netz betrieben werden, wenn sie mit Kondensatoren beschaltet werden (siehe Steinmetzschaltung).

C ≈ P⋅

70 µF kW

Sternschaltung

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Dreieckschaltung

Halbsternschaltung

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

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20.5.3 Drehstromasynchronmotor

Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer

Einphasen-Käfigankermotor mit eingebautem Zentrifugalschalter, aufgebautem Kondensator und aussenventiliert.

Schleifringläufer Drehstrommotor

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN DREHSTROMASYNCHRONMOTOR

20.5.3.1

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24

Explosionszeichnung eines Drehstromasynchronmotors

Version 3

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20.5.3.2

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Entstehung des Drehfeldes

Die nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen aufbau des Ständers (Stator) eines Drehstrommotors und das Liniendiagramm der Motorströme.

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN DREHSTROMASYNCHRONMOTOR

20.5.3.3

Seite

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Aufbau des Läufers

Welle Blechpakete Stäbe Kurzschlussringe Zahnradübersetzung Klemmenbrett Lüftung Lagerung

2

3

6

4

Der Läufer besteht aus der Welle, dem Blechpaket, den Stäben in den Nuten des Blechpaketes und den Kurzschlussringen.

7

7

5 1

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8

Version 3

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN DREHSTROMASYNCHRONMOTOR

20.5.3.4

Seite

27

Käfigaufbau

Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Woher kommt die Bezeichnung Käfigläufer oder Kurzschlussläufer?

2. Warum sind die Läuferstäbe schräg gestellt?

3. Begründen Sie, warum der Käfigläufer als besonders verschleissarm gilt.

Bild eines Käfigläufers

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Version 3

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

Seite

20.5.4

Schaltung der Drehstromständerwicklungen

20.5.4.1

Sternschaltung L1

L2

L3

Drehstrommotoren werden an die aussenleiter L1,L2,L3 angeschlossen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wicklungsstränge miteinander zu verbinden. • •

20.5.4.2

U1

V1

W1

W2

U2

V2

Dreieckschaltung L1

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L2

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Die Dreieckschaltung Die sternschaltung

Merke

L3

U1

V1

W1

W2

U2

V2

Die Betriebsschaltung eines Drehstrommotors kann die Stern- oder Dreieckschaltung sein, bei Stern-Dreieck-Anlauf muss es die Betriebsspannung die Dreieckschaltung sein. Die Betriebsspannung eines Drehstrommotors ist die Aussenleiterspannung des Netzes.

Version 3

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN SCHALTUNG DER DREHSTROMSTÄNDERWICKLUNGEN

20.5.4.3

Seite

29

Betriebsschaltung von Drehstrommotoren

Die Betriebsschaltung ist auf dem Leistungsschild des Motors angegeben.

Typ 3 ~ Mot

Nr.

1981

A 380 V 2 1 kW cosϕ 0,85 Hz 1450 U/min 50 Isol-Kl. B IP t 44

20.5.4.4

Gebräuchliche Betriebsschaltungen

Wicklungsausführung

Maximale Nennspannung der Wicklung [V] bei 50 Hz

Mit Käfigläufer

für direktes Einschalten ohne Schleifringläufer

220 380 Y

220 380 Y

230 400 Y

230 400 Y

380 Y 380

690 Y 380

400 Y 400

690 Y 400

500 Y 500

866 Y 500

380/660 Y

380 660 Y

400

/690 Y

für Y/ Anlauf geeignet?

400 690 Y

660 Y 660

660 Y 660

690 Y 690

690 Y 690

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.5

Seite

30

Drehrichtung von Drehstrommotoren Der Drehstrommotoren soll für beide Drehrichtungen in Sternschaltung angeschlossen werden.

Sternschaltung Nr. 1

L1

Aufgabe

U1

V1

W1

W2

U2

V2

U1

V1

W1

W2

U2

V2

Zeichnen Sie die notwendigen Brücken in die zwei dargestellten Motorklemmenbretter ein. Vervollständigen Sie die Leiterbezeichnungen, bei Nr. 1 für Linksdrehung und bei Zweiten Klemmenbrett für Rechtsdrehung.

Sternschaltung Nr. 2 L1

Drehfeldanzeiger

Mit dem abgebildeten Messgerät lässt sich die Phasenfolge der Aussenleiter schnell und einfach feststellen.

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ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.6

Seite

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Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren

Drehstrommotoren, die in Netzen mit verschiedenen Spannungen (z.B. 220 V, 380 V, 440 V) und mit konstanter Leistung betrieben werden können, haben unterteilte Wicklungsstränge. Die beiden Stranghälften können wahlweise in Reihe (Serie) oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden. In den nachfolgenden Schaltungen sind die Verbindungen in den Klemmenbrettern zu ergänzen und die Schaltungen sind zu bezeichnen. Nennspannung

Wicklung

W6

U5

Schaltungsbezeichnung

Motorenklemmenbrett

U5

W2

W6

U1

V5

U2

U6

V1

W5

V2

V6

W1

U5

W2

W6

U1

V5

U2

U6

V1

W5

V2

V6

W1

U5

W2

W6

U1

V5

U2

U6

V1

W5

V2

V6

W1

U5

W2

W6

U1

V5

U2

U6

V1

W5

V2

V6

W1

W2 U1 W5

230 V

U6 W1 V2

U2 V1

V6

V5

U1

U5

U2

U6

400 V

Dreieck

Stern

V2

W6 W5

W2

V1

V6 V5

W1

U1

U2 U5

690V U6 W6

W2

Stern

V6 V5

W5

V2 V1

W1

U1

W6

W5

U2

W2

U5

W1

400 V

Dreieck

U6

V6

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V5

V2

V1

Version 3

EST 20 5

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.7

Seite

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Bemessung Drehstrommotoren

Der Motorschutzschalter muss auf den Nennstrom (thermischen Auslösestrom) des zu schützenden Motores eingestellt werden. Für die Bestimmung des Motor-Nennstromes (IN) können folgende Berechnungsgrundlagen verwendet werden. Beispiel Ventilator

Beschreibung

Technische Daten

Einphasiger Asynchronmotor

P2 = 12 , kW

BerechnungsGrundlage

η = o,84 cosϕ = o,83 U = 1x 230 V

Pumpe

Dreiphasiger Asynchronmotor

P2 = 4,0 kW η = o,87 cosϕ = o,82 U = 3x 400 V

Kompressor

Dreiphasiger Asynchronmotor Der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad sind unbekannt

P2 = 4,0 kW U = 3x 400 V

Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des Ständers (oder "Stators") in einen entsprechend geformten Eisenkern gebettet werden. Die Permeabilität des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und Drehmomente. Für die praktische Ausführung werden die Eisenkern-Querschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Dies geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen. Die Wicklungs-Nuten im Rotor-Eisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.

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Dreiphasen Asynchron-Motor

Typ 3~

Nr.

1961

V A 12,9 5,5 kW cosϕ 0,75 U/min 50 Hz 1480 Isol-Kl. B IP t 44 Y400

Leistungsschild

Version 3

EST 20 5

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.8

Seite

33

Schutz von Drehstrommotoren

Motorschutzschalter werden vor allem für dreiphasige Drehstrommotoren hergestellt. Bei dieser Ausführung des Motorschutzes erfolgt eine ODER-verknüpfte Auslösung durch Überwachung der Ströme in den drei Zuleitungen (stromabhängige Schutzeinrichtung). Die Überwachung kann thermisch-mechanisch (Bimetall), thermisch-elektronisch (PTC) oder elektronisch (Strommessung) realisiert sein. Drehstrommotoren sollten nur über geeignete Motorschutzschalter oder Motorschutzrelais an das Stromnetz angeschlossen werden, um Schäden

Symbol Motorschutzschalter

• durch Überlast oder • Ausfall eines Außenleiters zu vermeiden. Eingestellt wird diese Art von Motorschutz in der Regel immer nach dem Motorbemessungsstrom IN. Das Wiedereinschalten nach erfolgter Auslösung kann entweder automatisch oder durch Drücken einer Entsperrtaste manuell erfolgen.

Typ 3~

Nr.

1961

A Y400 V 18,5 8,5 kW cosϕ 0,82 Hz 1460 U/min 50 Isol-Kl. B IP t 44 Motorschutzschalter

Für die Vorsicherung von Motorschutzschaltern sind die Angaben des Herstellers massgebend. Liegen keine Angaben vor, so können die folgenden Faustformeln verwendet werden. Direktanlauf

Y-∆ ∆-Anlauf

IFlink ≈3xIN

IFlink ≈2xIN

ITräg ≈2xIN

ITräg ≈1,5xIN

Motoren (Asynchron mit Käfiganker) nehmen bei Direktanlauf etwa einen grösseren Strom auf als im Betrieb.

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Version 3

EST 20 5 8

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

34

Die Vorsicherung muss deshalb grösser gewählt werden als der Motorennennstrom.

Typ 3~

Nr.

1961

A 400 V 9,2 4,6 kW cosϕ 0,82 U/min Hz 1460 50 Isol-Kl. B IP t 44

25

I1

F1 A1

Motorschutzschalter

I2

11 A

Nennstrom I2 =

F2

9A

12,5 A

Direktanlauf I1 = A2 3-Phasen Wechselstrom-Motor Direktanlauf 4,6kW η = 0,88

M1

3

Die Querschnitte sind nach NIN 5.2.3.1 zu bestimmen.

Ursachen für die Überlastung: 1. Hohe Umgebungstemperatur

Isolationsklassen der Wicklungen Isolations klasse

3. Lager defekt

max. Motortemperatu r

max. Umgebungs temperatur

Y

90°C

40°C

4. Defekt einer Sicherung bei Drehstrommotoren

A

105°C

40°C

E

120°C

40°C

B

130°C

40°C

F

155°C

40°C

H

180°C

60°C

C

>180°C

60°C

2. Motor überlastet, Motor blockiert

kann zur Überlastung der noch wirksamen Wicklungen führen

5. Lange Anlaufzeit oder Bremsung

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Version 3

EST 20 5 8

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN SCHUTZ VON DREHSTROMMOTOREN

Für den Schutz gegen zu hohe Wicklungstemperaturen eines Motors sind Überlast-Schutzeinrichtungen, welche die Wicklungstemperatur direkt erfassen, besonders gut geeignet. Es sind dies Kalt- oder Heissleiter oder Bimetallschalter, welche in die Motorwicklungen integriert sind.

Seite

35

NIN 4.3.3.3.3

Diese Vorrichtungen schützen den Motor nicht nur bei mechanischer Überlastung, sondern auch bei zu hohen Umgebungstemperaturen, ungenügender Ventilation usw. Bei bestimmten Motoren z. B. bei Kollektormotoren mit Bürstenregulierung, bei Motoren mit langer Anlaufzeit, bei Motoren, die in kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet werden, ist die in die Wicklungen integrierte Überlast-Schutzeinrichtung die einzige Möglichkeit des Motorschutzes. Motoren, bei denen eine mechanische Überlastung eine mehr oder weniger proportionale Erhöhung des Stromes in den Zuleitungen zum Motor zur Folge hat, können durch dem Motor vorgeschaltete ÜberlastSchutzeinrichtungen geschützt werden. Diese müssen so beschaffen sein, dass sie einen Überstrom vom 1,2-fachen ihres Bemessungsauslösestroms innerhalb einer Stunde abschalten. Motorschutzschalter und Schütze in Kombination mit einer ÜberlastSchutzeinrichtung entsprechen dieser Forderung. Der eingestellte Bemessungsauslösestrom der Überlast-Schutzeinrichtung darf nicht grösser sein als der Bemessungsstrom des zu schützenden Motors. Als blockierfest gilt ein Motor dann, wenn er sich bei blockiertem Rotor nicht gefährlich erwärmt und der in diesem Zustand aufgenommene Strom auch nicht zu einer Überlastung der Leiter in der Zuleitung führt. Für blockierfeste Motoren sind keine besonderen Massnahmen gegen Überlastung gefordert. Es ist aber zu beachten, dass der Bemessungsstrom der vorgeschalteten Überstrom-Schutzeinrichtung, die auf dem Motor angegeben ist, eingehalten wird. Angabe auf dem Motor Fig. 4.3.3.3.1.2.3

max. _____ A

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Version 3

EST 20 5

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

20.5.9

Seite

36

Schalten von Drehstrommotoren

Motorschutzschalter mit Einstellbereich 1,25 – 4 A AC 1 Lastschalter, nicht induktive Belastungen, Widerstandsöfen

AC 3 Direkte Einschaltungen von Kurzschlussläufermotoren, YDAnlauf (grössere Motorleistungen) AC5 AC-5a Schalten von Gasentladungslampen. AC-5b Schalten von Glühlampen. AC7 AC-7a Schwach induktive Lasten von Haushaltsgeräten und ähnliche Anwendungen. AC-7b Motoren von Haushaltsgeräten.

AC11 Elektromagnete z.B. für Spannzeuge oder Hubmagnete

AC 2 Schleifringläufermotoren mit begrenzten Anlaufstrom, YDAnlauf (kleinere und mittlere Motorleistungen) AC 4 Extremlast, Tippen, Reversieren, Gegenstrombremsen von Kurzschlussläufern AC6 AC-6a Schalten von Transformatoren. AC-6b Schalten von Kondensatorbatterien. AC8 AC-8a Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit manueller Rücksetzung der Überlastauslöser. AC-8b Schalten von hermetisch gekapselten Kühlkompressormotoren mit automatischer Rücksetzung der Überlastauslöser.

AC12 Steuerung von ohmschen Lasten und induktiven Lasten bei Trennung durch Optokoppler.

AC13 Steuerung von Halbleiter-Lasten bei Trennung durch Transformatoren.

AC14 Steuerung von kleinen elektromagnetischen Lasten (< 72 VA).

AC15 Steuerung von elektromagnetischen Lasten (> 72 VA).

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Version 3

EST 20 5 9

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN SCHALTEN VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

37

Das Schütz Auswahlkriterien für schaltende Betriebsmittel: -

Nennstrom der Hauptkontakte eventuelle Einschaltströme Anzug- und Halteleistung Anzahl und Art der Hilfskontakte - geforderte Lebensdauer - Steuerspannung - Frequenz Zum Schutz der Leiter, vor der Kurzschlussenergie, müssen Leitungsschutzschalter der Strombegrenzungsklasse 3 eingesetzt werden.

Der Leitungsschutzschalter

1 Lichtbogenlöschung nach 10 ms 2 Lichtbogen wird vor dem Nulldurchgang gelöscht 3 Schnelle Löschung des Lichtbogens vor dem Nulldurchgang

1. Schraubkopf aus Porzellan (KII)

Die Schmelzsicherung DII

2. Sicherungssockel 3. Passschraube 4. Gewindering 5. Fusskontakt 6. Anschlussklemme 7. Abgangsklemme 8. Schmelzsicherung 9. Fenster 10. Gehäuse aus Aminoplast

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Version 3

EST 20 5

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN

Seite

38

20.5.10 Kennlinien von Drehstrommotoren 20.5.10.1 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie M%

Mk

300

Mg

Gegenmoment der Maschine

a

Erforderliches Antriebsmoment einer unbelastet anlaufenden Drehmaschine Erforderliches Antriebsmoment eines anlaufenden Kompressors

b

Ma b 200

Mb Md

Mb 100

Mk

Md c

Ma

Mn

M%

Beschleunigungsmoment [ Nm ] Durchzug- oder Sattelmoment [ Nm ] Höchstdrehmoment oder Kippsmoment [ Nm ] Anzugsmoment [ Nm ] Drehmoment in % des Nenndrehmoments [ Nm ]

a n1 50%

[ Nm ]

100%

n1 n

Drehfelddrehzahl bzw, Leerlaufdrehzahl Betriebsdrehzahl

[1 / min] [1 / min]

Die Kennlinie M = f ( n ) ist vom Motortyp und von der Ausführung des Rotors abhängig.

20.5.10.2 Nutenbild des Doppelkäfigankers

20.5.10.3 Drehmomentkennlinie von verschiedenen Käfigankerausführungen

n1

Unterschiedliche Nutenformen im Vergleich Mn

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Nenndrehmoment

[ Nm ]

Version 3

EST 20 5 10

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN KENNLINIEN VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

39

20.5.10.4 Drehmomentverlauf und Stromverlauf eines Käfigankermotors Unterschiedliche Materialien im vergleich

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Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

40

20.6 Anlassverfahren von Drehstrommotoren 20.6.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.6.1.1 Klemmenbrett Nachfolgend sollen anhand der Motorklemmenbretter bzw. der der Leistungsschilder die Motoren beurteilt werden, ob diese für Stern-Dreieck-Anlauf geeignet seien. Stern-Dreieck-Anlauf möglich? Typ 3~

Nr.

1961

A Y400 V 12,9 5,5 kW cosϕ 0,75 Hz 1480 U/min 50 Isol-Kl. B IP t 44

Nein! Begründung:

Der Motor ist nicht für Dreieckspannung 400V ausgelegt. Stern-Dreieck-Anlauf möglich?

Typ 3~

Nr.

1959

A 400 V 18,9 7,5 kW cosϕ 0,77 Hz 969 U/min 50 Isol-Kl. H IP t 44

Ja! Begründung:

Der dreiphasige Motor ist für Dreieckspannung 400V ausgelegt. Stern-Dreieck-Anlauf möglich?

Typ

Fremderregter Motor Nr. -

1981

A 230 V 29 5,5 kW cosϕ Hz 3200 U/min V A Err. 400 1,0 Isol-Kl. F IP t 44

Nein! Begründung:

Der Gleichstrommotor ist nicht für Y/ -Anlauf vorgesehen.

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.

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Version 3

EST 20 6 1

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN STERN-DREIECK-ANLAUF

20.6.1.2

Seite

41

Ungünstiger Stern-Dreieck-Anlauf

Das nebenstehende Diagramm zeigt einen Fall, für den der Stern-Dreieck-Anlauf unzweckmässig ist. 1. Begründen Sie genau, warum der SternDreieck-Anlauf hier ungünstig ist.

Die Drehmomentkennlinie des Motors schneidet die Lastkennlinie; hier muss spätestens ins

umgeschaltet werden,

da der Motor sonst im Y überLastet wird. Durch die Umschaltung erhöht sich aber der Motorstrom von 100% (IN) auf 300% (3·IN) und daher ist der Y/

-Anlauf

ungünstig. 2. Wie lautet Ihr Lösungsvorschlag?

Motor mit grösserem MY verwenden. Das Motordrehmoment sollte in jedem Augenblick das 1,2-fache des Lastmomentes sein. MM > 1,2·ML r

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Version 3

EST 20 6 1

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN STERN-DREIECK-ANLAUF

20.6.1.3 20.6.1.3.1

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Seite

42

Steuerung bei Stern-Dreieck-Anlauf Hauptstromkreis

Version 3

EST 20 6 1 3

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN STERN-DREIECK-ANLAUF STEUERUNG BEI STERN-DREIECK-ANLAUF

20.6.1.3.2

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Seite

43

Steuerstromkreis

Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

20.6.2

Seite

44

Anlassverfahren mit Drossel

Neben dem Stern-Dreieck-Anlaufverfahren gibt es noch weitere Anlassverfahren für Drehstrommotoren. Diese Verfahren sind nachfolgend dargestellt.

Leistung

Bis zu einer Leistung von

Schaltung

15 kW anwendbar.

Vorteile

Anlaufstrombegrenzung

Nachteile

Relativ teuer

M 3 Anwendung

Maschinen mit geringem Anzugsdrehmoment

Beschreibung

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Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

45

20.6.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung

Leistung

Bis zu einer Leistung von ca.

Schaltung

2,2 kW anwendbar.

Vorteile

Verringertes Drehmoment

Nachteile

Stromanstieg in den Phasen L1 und L3

Anwendung

M 3

Textilmaschinen

Beschreibung

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Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

20.6.4

Seite

46

Anlassverfahren mit Anlasswiderständen

Leistung

Bis zu einer Leistung von

Schaltung

15 kW anwendbar.

Vorteile

Geringener Aufwand

Nachteile

Starke Widerstandserwärmung

Anwendung

Maschinen mit kleinem Anzugsdrehmoment

Beschreibung

M 3

Beim Anlassen sind die drei Widerstände in Serie geschaltet. Nach dem Hochlauf werden die Widerstände kurz geschlossen.

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Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

20.6.5

Seite

47

Anlassverfahren mit Läuferanlasser

Leistung

Bis zu einer Leistung von

Schaltung

15 kW anwendbar.

Vorteile

Kleiner Anlaufstrom, grosses Anlaufdehmoment

M 3

Nachteile

Anwendung

Beschreibung

Grosse Antriebsmotoren

K

L

M

Die Widerstände reduzieren im Hochlauf den Zuleitungsstrom. Das Drehmoment ist dabei nicht reduziert. Die Drehzahl kann dabei auch noch beeinflusst werden.

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Version 3

EST 20 6

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

20.6.6

Seite

48

Anlassverfahren mit Anlasstrafo

Leistung

Bis zu einer Leistung von

Schaltung

15 kW anwendbar.

Vorteile

Anlaufstrom (IA), Anlaufdrehmoment (MA), steuerbar über die Spannung (U)

Nachteile

Anwendung

Aufwendig und teuer

Hochspannungsmororen

M 3

z.B. 10 kV

Beschreibung

Verkleinerung der Motorspannung und damit Beeinflussung des Zuleitungsstromes.

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Version 3

EST 20 6

20.6.7

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN

Seite

49

Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher (in der Regel ein Asynchronmotor) betrieben. Diese elektronischen Geräte begrenzen den Anlaufstrom im unbelasteten oder belasteten Hochlauf auf den 2,5 bis 4,5 fachen Nennstrom.

Mit einem Frequenzumrichter kann die Statorspannung und Frequenz des Asynchronmotors stufenlos verändert werden. Dadurch wird aus dem Standardmotor ein drehzahlveränderliches Antriebssystem. Mit einem Rotorlagegeber, dem Errechnen der Magnetisierung und dem Einprägen der entsprechenden Statorströme (Vektorregelung) hat ein Asynchronmotor die Eigenschaften eines Servoantriebes.

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EST 20 7

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN

Seite

50

20.7 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren 20.7.1 Berechnung der Synchrondrehzahl Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld. Besteht der Rotor aus einem Dauermagneten oder aus Elektromagneten läuft der Rotor mit synchroner Drehzahl zur Netz-drehzahl. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl lautet wir folgt:

n1 =

f ⋅ 60 p

20.7.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl Asynchronmotoren werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie ständig mit derselben Drehzahl laufen können. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl wurde schon berechnet. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt berechnet:

M%

Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschlussläufern und werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen.

Mk

300

Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt dargestellt:

Ma b 200

s   n = n1 1 − %   100% 

Mb 100

Md c

Mn

a n 50%

n

Nenndrehzahl

[min −1 ]

n1

Synchrondrehzahl

[min −1 ]

s%

Schlupf

[%]

nS

Schlupfdrehzahl

[min −1 ]

100% n S = n1 − n

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Version 3

EST 20 7

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN

20.7.3

Seite

51

Schema einer Polumschaltung

Nachfolgen ist ein Schema für die Polumschaltung zu ergänzen:

L1

L2

N

L3

PE F1 Q1 PE 0

I

II

1 2

L1

3 4 5

L2

6 7 8

L3

9

U5

V5

W5

U1

V1

W1

X1

PE

M1 U5

U1

U2

U6 V2

W2

V1

V5

W5

W1

8P

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V6

W6

2P

Version 3

EST 20 7 3

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN SCHEMA DER POLUMSCHALTUNG

Seite

52

Beantworten Sie die Fragen zum Schema der Vorderseite. 1. In welcher Schalterstellung ist die niedrige Drehzahl eingeschaltet?

Schalterstellung „I“ 2. Wie gross ist in diesem Fall die Drehzahl?

n=750 U/min 3. In welcher Schalterstellung ist die hohe Drehzahl eingeschaltet?

Schalterstellung „II“ 4. Wie gross ist diese Drehzahl?

n=3000 U/min

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TG 20

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN

20.7.4

Dalanderschaltung

20.7.4.1

Klemmenbrett der Dalanderschaltung

Seite

53

1U

2W

Schaltung für die niedrige Drehzahl

2V

1W

2U

1U

2V

1V

2W

1W

2U

1U

2V

1V

2W

1W

L1

L2

Motorklemmenbrett

L3

1V

2U

2U

L1

Schaltung für die hohe Drehzahl

1V

1W 1U

2W

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L2

L3

Motorklemmenbrett

2V

Version 3

EST 20

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN

20.7.4.2

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Seite

54

Hauptstromkreis der Dalanderschaltung

Version 3

EST 20

ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK ELEKTRISCHE MASCHINEN REPETITIONEN

20.7.4.3

5. September 2009 www.ibn.ch

Seite

55

Steuerstromkreis der Dalanderschaltung

Version 3

TG 20 8

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE

Seite

56

20.8 Kraftwerke 20.8.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion Es ist Aufgabe des Bundesamtes für Energie (BFE), die Voraussetzungen zu einer sicheren Energieversorgung zu schaffen, und sich für eine effiziente Energienutzung, die Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien sowie die Senkung der Treibhausgasemmissionen einzusetzen. 1 2 3 4 5 6 7 8

Wasserkraftwerk Windkraftwerk Atomkraftwerk Solarkraftwerk Biomassekraftwerk Geothermie Kohlekraftwerk Dezentraler Speicher (Zukunft)

20.8.2 Funktionsweise eines Generators Die Funktionsweise eines Generators wird in der Dreiphasentechnik genauer erklärt. Wichtig zu wissen ist, dass mit den verschiedenen Energiene wie : Kernenergie, Wasserkraft, Windenergie, Solarenerie, Biomasse und Geothermie immer ein elektrischer Generator betrieben wird, der die vorhandene Energie in elektrische Energie umwandelt. Bei der Umwandlung wir ein Dreiphasenwechselstrom erzeugt.

Links: Prinzipieller Aufbau eines zweipoligen Generators

U12

U 23

U1N

U 31

U2N

Die Phasenspannungen sind mit den entsprechenden Farben nachzuzeichnen. Die aufgeführten Farben sind auch gleich den Aussenleiterferben.

U3N

U1 N

Phasenspannung 1 (braun)

U2N

Phasenspannung 1 (schwarz)

U3 N

Phasenspannung 1 (grau)

Die Verketteten Spannungen sind gemäss den nachfolgenden Farben nachzuzeichnen.

U12

Verkettete Spannung (grün)

U 23

Phasenspannung 1 (violett)

U 31

Phasenspannung 1 (orange)

Links: Liniendiagramme eines zweipoligen Generators

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TG 20 8

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE

Seite

57

20.8.3 Kernkraftwerk Die Kernkraftwerke kommen immer mehr unter Druck, da die Entsorgung der radioaktven Abfälle nicht klar gelösst ist und das Restrisiko der Bevölkerung auch eine gewisse Sorge bereitet. Der definitive Ausstieg aus dieser Technik erfordert die Bereitstellung anderer Energien und den rationelleren Einsatz der heute verwendeten Betriebsmittel. Die grösste Herausforderung ist wohl die Speicherbarkeit der erneuerbaren Energien. Die neuen Energien fallen meist dann an, wenn sie nicht gebraucht werden. Der Transport der Energien zu den Verbrauchern wird die zweite Hürde sein, die wir sofort angehen müssen. Prinzipschaltbild eines Atomkraftwerkes 1

Reaktordruckbehälter

2

Brennelemente

3

Steuerstäbe

6

Heisser Dampf

8

Hochdruckturbine

9

Niederdruckturbine

10

Generator

11

Erregermaschine

12

Kondensator

13

Kühlwasser

Wie funktioniert ein Atom-Kraftwerk? Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt:

Hochdruck- und Niederdruckturbine (8,9)

Die Wärme, die bei der Kernspaltung (2) entsteht, wird auf ein Kühlmedium – meist Wasser – übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Direkt im Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger entsteht Wasserdampf, der eine Dampfturbine (8,9) antreibt. Die Dampfturbine treibt einen Generator (10) an. Dieser Generator muss zuerst noch erregt (11) werden, damit

Generator (10) mit Erregermaschine (11)

das Magnetfeld des Rotors in den Stator eine Spannung induzieren kann.

Welchen Zweck haben Steuerstäbe in einem Reaktor? Mit den Steuerstäben (3) kann die Kernreaktion gesteuert bzw.

AKW Nein? Haben wir Alternativen?

abgeschaltet werden.

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Version 3

TG 20 8

20.8.4

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE

Seite

58

Wasserkraftwerk

Speicherkraftwerke nutzen Wasser aus einem Stausee zur Stromproduktion. Um das Wasser zu stauen, müssen Talsperren (Staumauern, Staudämme) errichtet werden. Die Energie, die sich aus einem Wasserkraftwerk gewinnen lässt, ist abhängig von der Wassermenge und der Fallhöhe des Wassers. Speicherkraftwerke können schnell in Betrieb genommen und wieder abgestellt werden und sie lassen sich schnell an den Strombedarf anpassen. Sie werden hauptsächlich zur Deckung des schwankenden Spitzenstrombedarfs eingesetzt.

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Pelton-Turbine

Kaplan-Turbine

Francis-Turbine

Grosse Höhen

Rohrturbine kleine Höhen

Mittlere Höhen

Version 3

TG 20 8

20.8.5

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE

Seite

59

Windkraftwerk

Wenn die Windgeschwindigkeit beispielsweise 2 m/s erreicht, startet der Computer die Windrichtungsnachführung und dreht die Anlage in den Wind. Der Wind drückt auf die Blätter. Das aerodynamische Profil der Blätter erzeugt auf der einen Seite einen Überdruck und auf der anderen Seite einen Unterdruck. Dabei wird die Energie des Windes auf die Blätter übertragen und der Rotor beginnt sich zu drehen. Der Rotor ist über die Antriebswelle mit einem mehrstufigen Getriebe verbunden. Das Getriebe passt die Drehzahl des Rotors an die Generatordrehzahl an. Wenn der Generator schnell genug läuft, um Strom erzeugen zu können, wird er auf das Netz geschaltet und der erzeugte Strom in das Energieversorgungsnetz eingespeist. Je nach Anlagentyp erreichen die Anlagen bei Windgeschwindigkeiten zwischen 11 m/s und 15 m/s ihre Nennleistung. Bei Windgeschwindigkeiten von 25 m/s oder mehr aktiviert die Computersteuerung das Hydrauliksystem, das die aerodynamische Bremse auslöst.

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Version 3

TG 20 8

20.8.6

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE

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Solarkraftwerk

Der photovoltaische Effekt in Solarzellen bewirkt die Umwandlung des Lichtes in elektrischen Strom – im Gegensatz zu solarthermischen Anlagen, deren Sonnenkollektoren das Licht in Wärme umwandeln. Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie basiert auf den besonderen Eigenschaften von so genannten Halbleitern, die durch zugeführte Energie (Wärme oder Licht) freie Ladungsträger erzeugen. Um aus diesen Ladungen einen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig. Trifft das Licht der Sonne auf eine Photovoltaikzelle, werden Ladungsträger frei und ein elektrischer Strom fließt. Hierbei handelt es sich um Gleichstrom. Dieser kann entweder direkt von einem Verbraucher benutzt oder über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist werden. Die Spannung einer einzelnen Zelle ist für die meisten Fälle der Stromversorgung zu niedrig, so dass mehrere Zellen zu Modulen zusammengeschaltet werden. Im kleinen Rahmen sind uns Photovoltaikanlagen beispielsweise durch Taschenrechner oder Parkuhren bekannt.

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Biomassekraftwerk

In einem Biomassekraftwerk (BMKW) wird elektrische Energie durch die Verbrennung von Biomasse erzeugt. Weiterhin gibt es auch sogenannte Biomasseheizkraftwerke, die zusätzlich zu der erzeugten elektrischen Energie auch die entstehende Wärme bereitstellen. Wird nur Wärme erzeugt, spricht man von einem Biomasseheizkraftwerk (BMHW).

Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) werden unter Luftabschluss feucht gelagert. Zugegebene Bakterienkulturen beginnen nun, die abbaubaren Moleküle (Fette, Proteine, Kohlenhydrate) zu zersetzen und stellen infolgedessen den sogenannten Biodiesel her. Bei diesem Prozess kann man auch von einer Art Vergärung sprechen. Das entstandene Biogas wird schließlich in diversen Blockheizkraftwerken (BHK) in elektrische und Wärmeenergie umgewandelt.

Ein großer Vorteil dieser Kraftwerke ist die Nutzung der entstehenden Wärme. Diese Wärme kann über Rohrsysteme weitergeleitet werden, um sie so zum Heizen zu nutzen. Weiterhin sind Brennstoffe wie Holz, Stroh oder Getreide in großen Mengen vorhanden und wachsen nach. Ein Nachteil ist, wie bei vielen Kraftwerken, der CO2 Ausstoß der durch den Transport, die Aufbereitung und Verbrennung zustande kommt. Aus Gülle und/oder nachwachsenden Rohstoffen entstehen in einem Biogasblockheizkraftwerk (Biogas-BHKW) Strom und nutzbare Wärme. Gülle wird zu geruchsarmem Flüssigdünger vergoren.

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Geothermiekraftwerk

Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft, des Grundwassers oder des Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Eine Erdwärmesonde entzieht dem Boden Wärme. Der Erdboden hat das ganze Jahr über die gleiche Temperatur. Jahreszeitliche Schwankungen können bei Tiefen ab ca. 10 Meter nicht mehr wahrgenommen werden. Aus diesem Grund ist die vertikale Erdwärmesonde ein idealer Energielieferant für die Wärmepumpe, erreicht sie doch bei einer optimalen Anlageplanung immer einen hohen Wirkungsgrad, auch wenn die Außentemperatur tief ist. Gegenüber Luftwärmepumpen bedeutet dies einen signifikant geringeren Stromverbrauch. Dies hilft bei der rationellen Nutzung unserer Energieressourcen und leistet nebst der Luftreinhaltung einen weiteren Beitrag an der Umwelt. Der gleichmäßige Betrieb verlängert die Lebensdauer der Aggregate und setzt die Störanfälligkeit herab. Damit zählt dieses System zu den betriebssichersten Heizanlagen.

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Prinzipien der Geothermie

Erdkollektoren Tiefenbohrung Grundwasser

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TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE STROMPRODUKTION VON MORGEN

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Die Stromproduktion von morgen

Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst? So wünschenswert die Nutzung möglichst vieler regenerativer Energiequellen auch ist, so schwer lässt sich ihre „Liefer-Zuverlässigkeit“ berechnen. Nicht nur die Anlagenbetreiber, auch die Betreiber der Netze können nur selten genau abschätzen, wann die Stromernte genau stattfindet und wie groß sie ausfällt. Nicht immer bläst der Wind, nicht immer scheint die Sonne und nicht immer fließt genügend Wasser erst durch Bäche und dann durch Turbinen. Stürmt es dagegen, brennt wochenlang die Sonne vom Himmel oder schwellen nach tagelangen Regenfällen die Wassermengen an, wird plötzlich sehr viel Energie produziert – Energie, die zu diesem Zeitpunkt vermutlich niemand braucht.

Für eine hohe Netzstabilität, wie sie für die Versorgung einer Industrienation unerlässlich ist, sind dies denkbar ungünstige Voraussetzungen. Um die Stabilität des Netzes zu gewährleisten, müssen die ohnehin ständig schwankende Stromnachfrage und das noch viel stärker schwankende Angebot an regenerativen Energien permanent gesteuert und ausgeglichen werden. Auf der Anbieterseite sind daher äußerst anpassungsfähige Netzführungssysteme gefordert, die aktuellste Daten zur Leistung der Netzinstallation, zum Lastfluss und zur Nachfrage bereitstellt. Auf der Nachfrageseite müssen für den Verbraucher finanzielle Anreize geschaffen werden, damit er genau zum richtigen Zeitpunkt die bereitgestellte Energie auch abnimmt. Dieses Anreizsystem wird ähnlich aussehen wie das etwa bei Fluggesellschaften: Auf stark frequentierten Strecken und zu Hauptreisezeiten sind die Preise höher, in Nebenzeiten dagegen locken Sondertarife.

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TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE STROMPRODUKTION VON MORGEN

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Smart Meter Ist viel Energie im Netz, bieten die Versorger den Strom also günstig an, bei Engpässen dagegen verlangen sie höhere Preise. Mit einer intelligenten Kommunikations- und IT-Technik könnte der Verbraucher diese Mengen- und Preisschwankungen für sich nutzen: Entweder er bekommt über das Smart Grid eine Information, dass Strom gerade besonders billig ist. In diesem Fall kann er darüber entscheiden, ob er ein energieintensives Gerät einschalten möchte oder nicht.

SmartGrid Oder das Gerät, eine Waschmaschine beispielsweise, setzt sich dank intelligenter Technik bei einem bestimmten Strompreis selbst in Gang – in einer windigen Herbstnacht etwa, in der die Windkraftanlagen an den Küsten oder in den Mittelgebirgen auf Hochtouren laufen. Damit dies funktioniert, müssen Stromerzeuger, Leitungsbetreiber und Verbraucher durch den aktuellster Daten viel enger miteinander vernetzt werden als bisher. Derart intelligente Netze, so genannte Smart Grids, sind nur durch die Verwendung von Echtzeitdaten und damit den Einsatz hochleistungsfähiger IT- und Automationssysteme zu realisieren. Eine Revolution werden Smart Grids jedoch nicht sein, eher eine konsequente Evolution. Zahlreiche Produkte und Systeme, wie sie für den Aufbau eines intelligenten Netzes benötigt werden, gibt es bereits und haben sich vielfach bewährt: Systeme etwa zur Überwachung, Steuerung und Datenerfassung (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition). Systeme für die Überwachung der Stromübertragung über größere Entfernungen (WAMS, Wide Area Monitoring Systems). Oder flexible Drehstrom-Übertragungssysteme (Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS). Diese gewachsenen und bewährten Systeme werden zusammen mit weiteren, ebenfalls sehr komplexen Technologien Schritt für Schritt zu Netzwerken weiterentwickelt. Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst? Oft ist von Smart Metering die Rede, wenn es darum geht, erneuerbare und dezentrale Energien in unsere Stromversorgung einzubinden. Die gesetzliche Verpflichtung eines flächendeckenden Rollouts von intelligenten Zählern ist ein wichtiger Treiber für den Ausbau einer Smart-GridKommunikationsinfrastruktur. Demgegenüber steht die Möglichkeit, eine Kommunikationsinfrastruktur zunächst auch mit dem primären Zweck aufzubauen, die Einspeisung dezentral erzeugter Energie in Niederspannungsnetze effektiv zu erfassen. Der flächendeckende Rollout intelligenter Zähler kann dann auch erst in einem späteren Stadium erfolgen. Ein Energieversorger kann zum Beispiel UMTS oder Breitband-Powerline nutzen, um breitbandige IPDatenübertragung zu realisieren. So entsteht eine universelle Infrastruktur, die bestehenden und zukünftigen Kommunikationsanforderungen im Bereich Smart Grid und Smart Metering genügt. Rollout = Austausch, Markteinführung

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TG 20 8 10

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRISCHE MASCHINEN KRAFTWERKE DIE SPEICHER DER ZUKUNFT

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20.8.10 Die Speicher der Zukunft Die dezentrale installation von Speichern wird für die Energiewende von entscheidender Bedeutung sein. Ohne diese Speicher können die neuen dezentralen Generatoren des Stromnetzes, wie: Wind, Wasser und Solar - ihre Energie nicht effizient ins Netz einspeisen. Diese anfallende Energie muss nämlich zwischengespeichert werden, wenn sie nicht gerade gebraucht wird. Jedes Dorf müsste einen solchen Speicher für ihre Bürger installieren und damit ein bischen Energiewende selber mitbestimmen. ABB hat nun zusammen mit den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) eine Batterie mit einer Leistung von 1 MW in Dietikon installiert. Damit ist sie die grösste und erste dieser Art in der Schweiz installiert. Sie kann Energie bis 500 KWh speichern und ins Mittelspannungs-Verteilnetz einspeisen, respektive von dort beziehen. In der Anlage integriert ist ein Umrichter, der über effiziente Leistungshalbleitertechnologie den Wechselstrom aus dem Netz in den Gleichstrom für die Batterie umwandelt und umgekehrt. Ein Transformator sorgt für die Umwandlung von Mittel- auf Niederspannung und umgekehrt. Die Batterie ist mit entsprechenden ABBSteuerungssystemen und Schutztechnik ausgestattet.

In der Batterie werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet, wie sie auch in Handys oder Elektroautos im Einsatz sind. Die rund 10‘000 Lithium-Ionen-Zellen wandeln die elektrische Energie bei der Aufnahme in chemische Energie mit einem Wirkungsgrad von rund 95 Prozent um. Damit ist diese Technologie ideal für ein Speichersystem, weil sie eine hohe Energiedichte und Dynamik aufweist und gleichzeitig wenig Platz beansprucht.

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