Motoren und Antriebe

Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen (1)

luk3/2009, 3 Seiten

In dieser Beitragsfolge werden die Merkmale elektrischer Maschinen herausgearbeitet. Die Begrifflichkeiten werden bestimmt und die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten aufgezeigt.

LERNEN KÖNNEN 3/09 Bedeutung elektrischer Maschinen Zur Erzeugung der Elektroenergie aus anderen Energieformen, zu ihrer Fortleitung, Verteilung und Umwandlung in die jeweils gewünschte Form, auch zu ihrer begrenzten Speicherung - meist über eine Zwischenenergie - sind eine Vielzahl elektrischer Betriebsmittel notwendig. Ihre Dimensionierung wird im Wesentlichen durch die elektrischen Verbrauchsmittel (current using equipment) bestimmt. Die besondere Bedeutung der zu ihnen gehörenden elektrischen Maschinen (electric machine) wird durch ihre dominierende Zahl und Größe im Vergleich zu den anderen Arbeits- und Kraftmaschinen verdeutlicht. Die Wirkungsweise der elektrischen Maschinen, das heißt der Prozess der durch sie bewirkten Energieumwandlungen, kann durch wenige Grundgesetzmäßigkeiten beschrieben werden. Merkmale Elektrische Maschinen decken einen breiten Leistungsbereich ab. Die kleinsten Transformatoren sind wenige Millimeter groß (Bild ). Zur Stromversorgung werden sie in Leiterplatten elektronischer Schaltungen eingebaut. Großtransformatoren sind mehrere hundert Tonnen schwer (Bild ). Sie bilden in Übertragungs- und Verteilungsnetzen die Knotenpunkte. Kleinstmotoren von wenigen Millimetern treiben elektrische Uhren an, etwas größere mit einem Durchmesser von etwa 40 mm befinden sich in Büromaschinen. Kraftwerksmaschinen haben als Großmaschinen eine Masse von mehreren Hundert Tonnen (Bild ). Betrachtet man den Leistungsbereich der elektrischen Maschinen von 1 mW bis 1000 MW, dann können ihre unterschiedlichen leistungsabhängigen gestalteri-LERNEN KÖNNEN 3 · 2009 In dieser Beitragsfolge werden die Merkmale elektrischer Maschinen herausgearbeitet. Die Begrifflichkeiten werden bestimmt und die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten aufgezeigt. INHALT Elektrische Maschinen Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen..................1 Fachbegriffe Was versteht man unter ... .............4 Software Einnahmen und Ausgaben verwalten ......................................6 Elektrotechnik Technische Entwicklungen in der Elektrotechnik (2) ................8 Arbeitssicherheit Sicherheit bei Arbeiten mit Lichtwellenleitern (5) .............11 WISO Wirtschafts-, Sozial- und Gemeinschaftskunde....................12 Fremdsprache Technisches Englisch ...................13 Fachtest Lernfeld 1 ....................................14 Lernfeld 5 ....................................15 Lösungen.....................................16 Grundwissen Lernfelder 1-5 Fachwissen Lernfelder 6-13 Prüfung Lernfelder 1-13 Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen ELEKTROPRAKTIKER-Magazin für die Aus- und Weiterbildung Transformator in elektronischen Schaltungen Netztransformator schen Merkmale nicht die Grundlage einer exakten Begriffbestimmung bilden. Im Gegensatz dazu ist aus der Bezeichnung elektrische Maschine der Begriffsinhalt als Merkmalkomplex eindeutig bestimmbar. Bestimmung nach Funktion Elektrische Maschinen sind Energiewandler, bei denen die aufgenommene oder die abgegebene Energieform bzw. beide elektrische Energie ist. Als Generatoren wird mechanische Energie in elektrische, als Motoren elektrische Energie in mechanische umgewandelt. Elektrische Maschinen können auch als Umformer die Stromart oder die Frequenz und als Transformatoren die Beträge der Wechselspannungen bei gleicher Frequenz ändern. Dabei erfolgt die Energieumwandlung in den elektrischen Maschinen nicht unmittelbar aus der gegebenen Form in die gewünschte, sondern stets über die magnetische Energie. Grundsätzlich wäre als Bindeglied auch die Energie des elektrischen Feldes denkbar. Ein Vergleich der Energiedichten des magnetischen mit dem elektrischen Feld in Luft zeigt, dass bei den technisch-ökonomisch realisierbaren Beträgen von 10 kV/cm als elektrische Feldstärke und 1,0 T als magnetische Flussdichte ein Verhältnis von annähernd 90000 : 1 entsteht. Das Leistungs-Volumen-Verhältnis spricht deshalb eindeutig für die Energie des magnetischen Feldes als Zwischenform. Folgt man den Gesamtvorgang der Energieumwandlungen in den elektrischen Maschinen, ergibt sich die folgende, wesentlich aussagefähigere Definition. Bestimmung aus kybernetischer Sicht Elektrische Maschinen sind Energiewandler, bei denen zwei elektrische Kreise durch einen magnetischen Kreis gekoppelt sind. In dieser Aussage wird im Sinne der Kybernetik die elektrische Maschine als technisches Objekt bestehend aus dynamischen Teilsystemen modellartig erklärt. Bedenkt man, dass die Träger der elektrischen Kreise die Wicklungen sind und magnetische Felder möglichst in Eisenkernen verlaufen sollen, ist die zuvor genannte abstrakte Benennung der Teil-Elektrische Maschinen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 2 LERNEN KÖNNEN 3/09 Kraftwerksgenerator Teilsysteme der elektrischen Maschinen konstruktive Elemente der Teilsysteme Transformatoren Generatoren/Motoren 1. elektrischer Kreis magnetischer Kreis 2. elektrischer Kreis Primärwicklung geblechter Eisenkern Sekundärwicklung Ständerwicklung Läuferwicklung ausgeprägte Pole oder genutete Blechpakete Konstruktive Elemente der Teilsysteme elektrischer Kreis elektrischer Kreis magnetischer Kreis elekromagnetisches Kraftwirkungsgesetz Durchflutungsgesetz Induktionsgesetz Zuordnung der Grundgesetzmäßigkeiten Transformatoren Einsatzgebiet Umspanner (Energietechnik) Übertrager (Informationstechnik) Wandler (Mess- und Schutztechnik) Phasenzahl Einphasentransformator Dreiphasentransformator (Drehstromtransformator) Isoliermittel Trockentransformator (Luft) Öltransformator Energieübertragung Primär-, Volltransformator (induktiv) Sekundärwicklung Spartransformator (induktiv und direkt) Drehende elektrische Maschinen Stromart Gleichstrommaschinen Wechselstrommaschinen Drehstrommaschinen Arbeitsweise (Richtung der Energie- Generatoren umwandlung) Motoren Energieübertragung Ständer - Läufer Synchronmaschinen (induktiv, Magnetfeld im Luftspalt) Asynchronmaschinen (induktiv, Magnetfeld im Luftspalt) Kommutatormaschinen (direkt, Bürsten und Kommutator) Tafel Einteilung elektrischer Maschinen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten systeme auf die realen Konstruktionselemente der Maschinenformen ohne Schwierigkeiten übertragbar (Bild ). So werden bei den Transformatoren die Primär- und Sekundärwicklung durch den Eisenkern magnetisch fest gekoppelt. Die magnetisch aktiven Eisenkerne von Ständer und Läufer der Generatoren und Motoren sind gleichzeitig die Träger der Ständer- und Läuferwicklung. Begriff „elektrische Maschine“ Wie im Bild dargestellt wurde, sind konstruktive Elemente der elektrischen Maschinen Bestandteile elektrischer Kreise. Zwangsläufig müssen dann auch bei den elektrischen Maschinen die Gesetze der Stromkreise, wie zum Beispiel das ohmsche Gesetz, das Gesetz der Stromteilung und das Gesetz der Spannungsteilung, gültig sein. Bedeutsamer für die Erklärung der Energieumwandlungen in den elektrischen Maschinen sind jedoch die Grundgesetzmäßigkeiten, die sich aus der abstrakten bildlichen Darstellung des Begriffsinhaltes ergeben (Bild ). Die Kopplung des 1. elektrischen Kreises mit dem magnetischen Kreis wird durch das Durchflutungsgesetz und die Kopplung des magnetischen Kreises mit dem 2. elektrischen Kreis durch das Induktionsgesetz beschrieben. Können durch konstruktive Maßnahmen beide elektrischen Kreise ihre Lage zueinander ändern, ist als 3. Grundgesetzmäßigkeit das Kraftwirkungsgesetz wirksam. Diese Aussagen bilden weiterhin die Grundlage für die Einteilung der elektrischen Maschinen in die beiden Hauptgruppen der · ruhenden elektrischen Maschinen (Transformatoren) und der · drehenden (rotierenden) elektrischen Maschinen. Beide Hauptgruppen werden nach weiteren Gesichtspunkten klassifiziert, die sich in Tafel finden. Energiefluss im Wandler Auf eine für elektrische Maschinen als Energiewandler wesentliche Eigenschaft muss hingewiesen werden. Die Richtung der Energieumwandlung ist ohne konstruktive Änderungen der Maschinen umkehrbar. Wenn im Bild die Richtung des Energieflusses von links nach rechts verläuft, kann auch der rechts dargestellte elektrische Kreis, im Bild als 2. Kreis bezeichnet, Energie aufnehmen und der linke Energie abgeben. So kann jeder Transformator herauf- oder herab transformieren. Wenn üblicherweise ein Klingeltransformator 230 V auf 12 V herab transformiert, so transformiert er eine an die Unterspannungswicklung angelegte Wechselspannung von 12 V uneingeschränkt auf 230 V herauf. Wird ein Gleichstrommotor zum Beispiel durch eine durchziehende Last über seine Leerlaufdrehzahl beschleunigt, liefert er Energie an das Netz zurück, er wirkt als Generator. In Pumpspeicheranlagen arbeiten die Drehstrommaschinen in lastschwachen Zeiten im Motorbetrieb und bei Lastspitzen im Generatorbetrieb. Durchflutungsgesetz Von den Wirkungen des elektrischen Stromes ist nur seine magnetische ständig ohne zusätzliche Bedingungen nachweisbar. Jede gerichtete Bewegung der Ladungsträger, ob Elektronen oder Ionen, in festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen bzw. im Vakuum ist von einem Magnetfeld begleitet. Quantitativ wird diese Erscheinung durch den magnetischen Fluss als magnetische Wirkungsgröße erfasst. Die notwendige magnetische Ursachengröße ist die elektrische Durchflutung . Damit kann das Durchflutungsgesetz wie folgt formuliert werden: Jeder elektrische Strom ist ohne zusätzliche Bedingungen mit einer elektrischen Durchflutung verknüpft. Der Betrag der magnetischen Größe wird allgemein durch die Stromstärke I bestimmt. Im konkreten Fall kann das die Stromstärke I eines Leiters oder mehrere Stromstärken I1 ; I2 ; I3 ; ... in gebündelten Leitern sein (Bild ). Da die Stromstärke eine vektorielle physikalische Größe ist, hat sie neben ihrem Betrag, zum Beispiel 2 A oder 3,4 A, auch eine Richtung. Das bedeutet, dass die elektrische Durchflutung ebenfalls eine gerichtete Größe ist und bei ihrem Entstehen durch mehrere Ströme von deren Vorzeichen behaftete Summe bestimmt wird. Die Vorzeichen + und - stehen dabei für die unterschiedlichen Stromrichtungen. Das mit einem starken Magnetfeld gekoppelte Bauelement Spule erzeugt durch die nebeneinander liegenden Windungen mit den in gleicher Richtung und gleichem Betrag fließenden Windungsströmen eine elektrische Durchflutung, deren Betrag sich aus dem Spulenstrom I und der Windungszahl N ergibt. Das Durchflutungsgesetz wird deshalb in verkürzter Form auch als Funktionsgleichung geschrieben. Durchflutungsgesetz in mathematischer Form (1) mit als abhängige Veränderlichen, I als unabhängige Veränderliche und der Konstruktionsgröße N. Mit der Gleichung (1) erhält sinnvollerweise die magnetische Größe die elektrische Einheit Ampere: [] = 1 A. Fasst man die Ursache-Wirkungsbeziehungen (Kausalität) zwischen den Größen der Kopplung elektrischer Kreis - magnetischer Kreis zusammen, gilt ohne zusätzliche Bedingungen Tafel . H. Spanneberg Elektrische Maschinen G r u n d w i s s e n L e r n f e l d e r 1 - 5 LERNEN KÖNNEN 3/09 Induktionsgesetz Fortsetzung LERNEN & KÖNNEN magnetische Feldlinien magnetische Feldlinien magnetische Durchflutung magnetische Durchflutung = (+I1) + (-I2) + (+I3) + (-I4) = I · N I1 I2 I3 Durchflutungen stromdurchflossener Leiter Ursache Wirkung/Ursache Wirkung elektrische Größe I magnetische Größe konstruktive Größe N Tafel Kopplung elektrischer Kreis - magnetischer Kreis

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