Elektromotoren

Die meisten Arbeitsmaschinen werden durch Elektromotoren angetrieben (Bild 1).

Wichtige Eigenschaften der Elektromotoren:

· Einfacher Anschluss ans elektrische Netz

· Die Leistung steht sofort bereit

· Sie sind wartungs-und verlustarm

· Für sehr kleine bis sehr große Leistungen

· Sie sind geräuscharm und umweltfreundlich

Bild 1: Motor für den Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine

 

Funktionsprinzip

Elektromotoren werden durch elektromagnetische Kräfte angetrieben. Wird ein stromdurchflossener Leiter z. B. in das Magnetfeld eines Dauermagneten gebracht, so überlagern sich die Magnetfeldlinien (Bild 2).

Bild 2: Wirkungen auf einen stromdurchflossenen Leiter

 im Feld eines Dauermagneten

 

Bei Stromfluss ins Bild (a) wird das Magnetfeld rechts vom Leiter verstärkt und links davon geschwächt. Es entsteht eine Kraft, die den Leiter nach links bewegt.

 

Bei umgekehrter Stromrichtung (b) erfährt der Leiter eine Kraft nach rechts. Ist ein Leiter in Form einer Schleife in einem Magnetfeld angeordnet, so wirken zwei Kräfte, die die Leiterschleife in Drehungen versetzen.

 

In einem Elektromotor sind viele Leiterschleifen auf einen Drehkörper aufgewickelt und bilden den Rotor. Um den Rotor sind im Gehäuse z.B. vier Elektromagnete, bestehend aus Polschuh und Wicklung, angeordnet und bilden den Stator. Bei Anschluss an ein Drehstromnetz überlagern sich die Magnetfelder des Rotors und des Stators und versetzen den Rotor in Drehung. Dabei ist die Rotordrehzahl der Frequenz der Spannung proportional.

 

 

Drehstrommotoren

Der weitaus am häufigsten eingesetzte Dreh­strommotor ist der Drehstromasynchronmotor. Seine Hauptbestandteile sind die im Gehäuse fest eingebauten Polschuhe mit den Wicklungen (Stator) und der in ihnen drehbar gelagerte Läufer, der Rotor (Bild 3).

 

Bild 3: Aufbau eines Drehstrommotors

 

Der Rotor kann entweder als Kurz­schlussläufer oder als Schleifringläufer ausge­führt sein. Der Stator besteht aus drei um 120° versetzte Spulen U1, V1 und W1 (Bild 4). Beim An­schluss an ein Drehstromnetz werden diese von drei an- und abschwellenden Wechselströmen I₁, I₂ und I₃ nacheinander durchflossen. Dadurch ent­steht im Stator ein umlaufendes Magnetfeld (Drehfeld) mit einem Polpaar (N und S). Das Statormagnetfeld induziert in den Al-Leiterstäben des Rotors Wirbelströme, die auch im Rotor ein star­kes Magnetfeld erzeugen. Das Statormagnetfeld und das Rotormagnetfeld stoßen sich ab und ver­setzen den Rotor in Drehung. Der Rotor wird vom umlaufenden Magnetfeld des Stators vor sich hergetrieben.

 

 

Bild 4: Entstehung eines zweipoligen elektromagnetischen Drehfeldes

 

 

Bei einem Polpaar läuft der Rotor ungefähr mit der Frequenz des Statormagnetfeldes (= der Netz­frequenz von z. B. 50 Hz) um. Dies entspricht einer Drehzahl von 3000/min. Bei zwei Polpaaren reduziert sich die Rotordrehzahl auf die Hälfte, n = 3000/min : 2 = 1500/min und bei drei auf ein Drit­tel n = 3000/min : 3 = 1000/min.

 

 

Bei polumschaltbaren Motoren kann die Drehzahl in Schritten umgeschaltet werden.

 

Drehstrom-Asynchronmotoren werden über­wiegend mit Kurzschlussmotor gebaut (Bild 1). Bei diesem Motor sind die Aluminium-Leiterstäbe durch Ringe an beiden Enden des Ro­tors kurzgeschlossen. Man nennt diese Motoren deshalb auch Kurzschlussläufermotoren. Das um­laufende Statormagnetfeld induziert (erzeugt) in den Leiterstäben eine Spannung und somit einen Stromfluss. Dadurch baut sich auch im Rotor ein Magnetfeld auf. Stator- und Rotormagnetfeld wir­ken so aufeinander, dass sich der Rotor in Richtung des drehenden Statormagnetfeldes dreht. Die Rotordrehzahl ist immer etwas kleiner als die Drehfelddrehzahl, da sonst keine Spannung mehr induziert würde. Der Motor läuft nicht gleichlau­fend (synchron), sondern asynchron zum Drehfeld um.

Die Differenz zwischen der Drehfelddrehzahl und der Rotordrehzahl wird als Schlupf bezeichnet. Er beträgt je nach Belastung des Mo­tors 3% bis 7% der Netzfrequenz. Die Drehzahl eines Drehstromasynchronmotors beträgt deshalb z.B. nicht 1500/min, sondern 1460/min.

 

 

 

Betriebsverhalten des Drehstrom-Asynchronmotors

Beim Einschalten des Motors ist das Anzugsmoment M_A vorhanden (Bild 7). Es lässt den Motor hochlaufen, bis er beim Nennmoment M_N, seine Nenndrehzahl n_N erreicht hat. Sinkt das Lastmo­ment auf null, erhöht sich die Drehzahl bis zur Leerlaufdrehzahl n_L. Steigt das Lastmoment, so vermindert sich die Drehzahl bis zur Kippdrehzahl n_K. Das Kippmoment M_K ist das größte Drehmo­ment, welches der Motor abgeben kann. Über­steigt die Belastung das Kippmoment, so wird der Motor langsamer und bleibt stehen, d.h., er „kippt“. Sein Nennmoment M_N erreicht der Motor bei der auf dem Leistungsschild angegebenen Nenndrehzahl. Der Asynchronmotor wird im Be­reich zwischen dem Leerlaufdrehmoment und dem Nenndrehmoment betrieben.

 

 

 

 

 

Bild 6: Kurzschlussläufermotor

 

Merkmale von Drehstrom-Asynchronmotoren:

· Einfacher, robuster Aufbau, da dem Rotor kein Strom zugeführt werden muss.

· Sie sind wartungsarm und wenig störungsanfällig.

· Die Drehzahlregelung erfolgt elektronisch über Frequenzumrichter.

· Sie sind für Dauerbetrieb und Unterbre­chungsbetrieb geeignet.

· Die Drehzahl fällt bei Belastung nur wenig ab.

· Das Anzugsmoment ist begrenzt.

 

 

 

Bild 7: Betriebsverhalten von Asynchronmotoren

 

Drehstrom-Asynchronmotoren werden für sehr vielfältige Antriebsaufgaben Hingesetzt, z.B. als Hauptspindelantriebe an Werkzeugmaschinen oder zum Antrieb von Pumpen, Verdichtern und Förderanlagen.

Eine Sonderbauform des Drehstrom-Asynchronmotors ist der Schleifringläufer- Asynchronmotor. Sie werden eingesetzt, wenn, wie z. B. bei Baukra­nen, große Anlaufdrehmomente erforderlich sind.

 

 

Anlasssteuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren

Große Elektromotoren entnehmen dem Netz beim Anlaufen hohe Ströme. Dadurch fällt die Spannung im Netz ab. Um unzulässig hohe Spannungsschwankungen im Netz zu vermeiden, dürfen Asynchron­motoren mit einem Anlaufstrom über 60 A nicht direkt eingeschaltet werden. Sie besitzen eine Anlasssteuerung.

 

 

Bild 8: Stern-Dreieck-Schalter der Motorwicklungen

 

 

Beim Stern-Dreieck-Schalter werden die Motorwicklungen zunächst in der Stellung Y (Stern) mit 230 V, danach in der Stellung (Dreieck) mit der vollen Spannung von 400 V versorgt (Bild 8).

Elektronische Sanftanlaufgeräte bewirken einen schonenden An- und Auslauf durch die elektroni­sche Verringerung der Klemmenspannung und des Motorstromes und vermeiden dadurch auch stoßar­tige Belastungen und Momentensprünge. Sie können optimal an jede Anwendung angepasst werden

Ein über Umrichter gesteuerter Hochlauf ergibt vor allem bei Antrieben, die sehr oft eingeschaltet werden, eine hohe Energieeinsparung.

 

Drehstrom-Synchronmotoren

Der Rotor dreht sich mit der Frequenz des Drehfeldes. Er läuft synchron. Die Drehzahl ist nur abhängig von der Netzfrequenz und kann elektronisch gesteuert werden.

 

Merkmale von Drehstrom-Synchronmotoren:

 

· Die Drehzahl bleibt auch bei unterschiedli­cher Belastung konstant.

· Bei Überlastung fällt der Motor „außer Tritt" und bleibt stehen.

· Der Motor benötigt z.B. beim Anschluss an ein 50-Hz-Netz eine besondere Anlaufhilfe.

 

 

 

 

Электродвигатели. Elektromotoren.

Перевод с немецкого на русский и наоборот

Перевод — это просто

Нужен только грамотный специалист

Впереводе выполнит перевод

                                    без проблем

Электродвигатели

Большинство рабочих машин приводится в движение электроприводами (рисунок 1).

Отличительные свойства электродвигателей:

· простое подключение к электросети

· моментально готовы к работе

· они неприхотливы в обслуживании и имеют малые потери

· большой диапазон мощностей

· они мало шумны и не наносят ущерба окружающей среде

Рисунок 1 – Устройство электродвигателя

 

Принцип работы

Электромоторы приводятся в движение с помощью электромагнитных сил. Если в поле постоянного магнита, например, вносится проводник с током, то линии магнитного поля накладываются (рисунок 2).

Рисунок 2: Воздействие на проводник с током

в поле постоянного магнита

 

Магнитное поле при протекании тока в направлении от нас усиливается справа от проводника и ослабевает слева от него. Возникает сила, которая двигает проводник налево.

 

При обратном направлении протекания тока на проводник действует сила направо. Если проводник в виде замкнутого контура находится в магнитном поле, то действуют две силы, которые приводят во вращение рамку с током.

 

В электродвигателе намотано много обмоток на одном теле вращения, которые образуют ротор. Вокруг ротора в корпусе располагаются, например, четыре электромагнита, состоящие из полюсного наконечника (пазов) и обмотки, которые вместе образуют статор. При подключении к сети переменного тока магнитные поля ротора и статора накладываются и приводят во вращение ротор. При этом скорость вращения ротора пропорциональна частоте напряжения.

 

Двигатели трехфазного тока

Асинхронные двигатели трехфазного тока наиболее широко распространены среди двигателей трехфазного тока. Их главными составными частями являются закреплённые в корпусе полюсные наконечники с обмоткой (статор) и расположенный внутри вращающийся якорь, ротор (рисунок 3).

Рисунок 3 – Состав двигателя трехфазного тока

 

Ротор может быть выполнен либо короткозамкнутым, либо фазным. Статор состоит из трёх секций обмоток U1, V1, W1, смещённых на 120 градусов (рисунок 4). При подключении к трехфазной сети переменного тока по ним протекают друг за другом возрастающие и убывающие токи I₁, I₂ и I₃. Поэтому в статоре возникает циркулирующее магнитное поле (вращающееся поле) с парой полюсов (С и Ю). Магнитное поле статора индуцирует в проводящих алюминиевых стержнях ротора вихревые токи, которые также в роторе образуют сильное магнитное поле. Магнитные поля статора и ротора отталкиваются, что приводит ротор во вращение. Ротор приводится в движение благодаря циркулирующему магнитному полю статора.

Рисунок 4: Образование двуполярного

электромагнитного вращающегося поля

 

Ротор с одной парой полюсов вращается примерно с частотой магнитного поля статора (частота сети, например, 50 Гц). Это соответствует частоте 3000 оборотов в минуту. Частота вращения ротора с двумя парами полюсов сокращается вдвое об/мин, а с тремя парами полюсов – втрое об/мин.

В двигателях с возможностью переключения пар полюсов частота вращения может быть изменена ступенчато.

 

Асинхронные двигатели трехфазного тока изготавливаются чаще всего с короткозамкнутым ротором (рисунок 1). Алюминиевые проводящие стержни закорочены в этом двигателе через кольца с обеих сторон ротора. Поэтому эти двигатели называются двигателями с короткозамкнутым ротором. Циркулирующее магнитное поле статора индуцирует напряжение в проводящих стержнях, а следовательно и протекание тока. Благодаря этому в роторе образуется магнитное поле. Магнитные поля статора и ротора действуют друг на друга так, что ротор вращается в направлении циркулирующего магнитного поля статора. Частота вращения ротора всегда немного меньше, чем частота вращения циркулирующего поля, так как иначе не возникало бы напряжение. Двигатель вращается не синхронно, а асинхронно по отношению к циркулирующему полю.

Разница между частотой вращения магнитного поля и ротора называется скольжением. Оно варьируется в зависимости от нагрузки двигателя от 3% до 7% частоты сети. Поэтому скорость вращения асинхронного двигателя трехфазного тока составляет не 1500 об/мин, а 1460 об/мин.

 

Рабочие характеристики асинхронных двигателей трехфазного тока

При включении двигателя появляется пусковой момент М_А (рисунок 7). Он позволяет двигателю разгоняться до тех пор, пока двигатель не достигнет номинальной скорости вращения n_N при номинальном моменте M_N. Если момент нагрузки снижается до нуля, то скорость вращения увеличивается до скорости холостого хода n_L. Если момент нагрузки возрастает, то частота вращения снижается до критической n_K. Критический момент M_K – это самый большой крутящий момент, который может выдавать двигатель. Если нагрузка превосходит критический момент, то двигатель затормаживается и останавливается, то есть он опрокидывается. Двигатель достигает свой номинальный момент M_N при номинальной скорости вращения, которая указана на табличке характеристик. Асинхронный двигатель работает в области между моментом холостого хода и номинальным моментом.

Рисунок 6 – Двигатель с короткозамкнутым ротором

 

Отличительные характеристики трехфазных асинхронных двигателей:

· простая надежная конструкция, так как к ротору не подводится ток

· они неприхотливы и помехоустойчивы

· регулирование скорости вращения осуществляется электронно с помощью преобразователя частоты

· они предназначены для продолжительного и прерывистого режимов работы

· при нагрузке скорость вращения спадает незначительно

· начальный пусковой момент ограничен

Рисунок 7 – Характеристики асинхронного двигателя

 

Асинхронные двигатели трехфазного тока имеют широкий спектр использования, например, в качестве основного привода на фрезерных станках или в качестве привода насосов, компрессоров, подъемно-транспортного оборудования.

Специальным исполнением асинхронного двигателя трехфазного тока является асинхронный двигатель с фазным ротором. Он применяется, когда требуются большие пусковые моменты, как например, в случае со строительными кранами.

 

Управление пуском асинхронных двигателей трехфазного тока

Мощные электродвигатели потребляют из сети большие токи при пуске. Это приводит к снижению напряжения в сети. Для того чтобы уменьшить недопустимо высокие колебания напряжения в сети, не следует напрямую подключать асинхронные двигатели с пусковым током свыше 60 А. Данные двигатели обладают управлением пуском.

Рисунок 8 – Переключатель Звезда-Треугольник двигательной обмотки

 

Переключатель обмоток двигателя «звезда-треугольник» ставится сначала в положение У (звезда) с напряжением 230 В, а затем в положение треугольник с полным напряжением 400 В (рисунок 8).

Электронные устройства плавного пуска способствуют бережному пуску и торможению путем электронного снижения напряжения на клеммах и тока двигателя, тем самым уменьшая ударные нагрузки и скачки моментов. Они оптимально подходят для любого использования.

Разгон с помощью преобразователя частоты дает высокую экономию энергии, особенно в случае с приводами, которые включаются очень часто.

 

Синхронные двигатели трехфазного тока

Ротор вращается с частотой циркулирующего магнитного поля. Он вращается синхронно. Частота вращения зависит только от частоты сети и может быть электрически управляема.

 

Отличительные характеристики трехфазных синхронных двигателей:

· скорость вращения остается постоянной даже при различных нагрузках

· при перегрузке двигатель выпадает из синхронизма и останавливается

· двигателю необходима особенная помощь при пуске, например, при подключении к сети 50 Гц