Motoren und Antriebe
Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen (3)
luk5/2009, 2 Seiten
Betriebsverhalten Das Betriebsverhalten beschreibt das Wirken des Energieerhaltungssatzes in den Betriebszuständen Leerlauf, Belastung und in den Grenzzuständen Kurzschluss bei Generatorbetrieb bzw. Überlastung bis zum Läuferstillstand bei Motorbetrieb. Hier sollen nur die Zusammenhänge zwischen den elektrischen, magnetischen und mechanischen Größen beschrieben werden, wenn durch eine höhere Belastung der Maschinen, also durch eine höhere Leistungsentnahme zwangsläufig eine höhere Leistung aufgenommen werden muss. Transformatoren Nach den in den Transformatoren wirkenden Durchflutungs- und Induktionsgesetz der Ruhe stellen sich die Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen den elektrischen und magnetischen Größen wie in Tafel dar. Da der magnetische Wechselfluss von beiden Transformatorenwicklungen umfasst wird, entstehen sekundär die (Gegen)induktionsspannung Uind2 , also die sekundäre Leerlaufspannung U20 und primär die Selbstinduktionsspannung Uind1 . Entscheidend ist, dass die Größe des Leerlaufstromes I0 (genauer betrachtet nur seine Blindkomponente I ,der so genannte Magnetisierungsstrom) nicht die Größe des Magnetflusses bestimmt. Dieser ist im Gegensatz zu von Gleichstrom durchflossenen Spulen durch die Größe der angelegten Spannung, hier U1 festgelegt. Deshalb können die bei Belastung größeren Ströme - I1 > I0 und > 0 - nicht zu einer größeren Aufmagnetisierung des Eisenkerns führen (Tafel Durch das Lenz`sche Gesetz ist nachweisbar, dass die durch den Sekundärstrom I2 entstehende Durchflutung 2 entgegen 1 wirkt. Es entsteht ein sich selbst einstellendes Durchflutungsgleichgewicht = 2 I1 · N1 = I2 · N2 , das heißt bei einer höheren Leistungsentnahmen (I2 muss zwangsläufig der Primärstrom I1 und damit die Leistungsaufnahme des Transformators ansteigen. Im ersten Teil [1] wurden Maschinen nach unterschiedlichen Kriterien eingeteilt und das Durchflutungsgesetz vorgestellt. Der zweite Beitrag [2] befasste sich mit dem Induktionsgesetz sowie dem elektromagnetischen Kraftwirkungsgesetz. Abschließend werden nun die Vorgänge beim Einsatz elektrischer Maschinen durch den Begriff „Betriebsverhalten“ charakterisiert. Elektrische Maschinen Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen (3) 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 5/09 Betriebszustand Leerlauf primäre elektr. Größen ................... U1 Uind1 magnetische Größen ..................................... 0 sekundäre elektr. Größen ................................... Uind2 = U20 Betriebszustand Belastung primäre elektr. Größen ......... U1 (I0 ^ I1 `) Uind1 magnetische Größen .................................. 1 sekundäre elektr. Größen ........................................................ Uind2 Tafel Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen den elektrischen und magnetischen Größen im Transformator GENERATORBETRIEB MOTORBETRIEB Bedingung Ursache Generator antreiben Erregerfeld Spannung anlegen Ursache Antriebsmoment MAntr Magnetfluss Netzspannung U (1) rotierende Strom durchflossene Arbeitswicklung Arbeitswicklung (2) (3) Ursache Induktionsspannung Drehmoment Ursache Wirkung in der Arbeitswicklung Wirkung bei Belastung Stromfluss rotierende in der Arbeitswicklung Arbeitswicklung (3) (2) Wirkung Gegendrehmoment Gegenspannung Ug Wirkung Belastungsmoment MBel Tafel Ursache-Wirkungsbeziehungen bei drehenden elektrischen Maschinen Drehende elektrische Maschinen Durch die folgende schematische Darstellung wird deutlich, dass bei den drehenden elektrischen Maschinen sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb neben dem Durchflutungsgesetz (1) gleichzeitig das Induktionsgesetz der Bewegung (2) und das Kraftwirkungsgesetz (3) wirksam werden. Im Generatorbetrieb dominiert dabei das Induktionsgesetz, im Motorbetrieb dagegen das Kraftwirkungsgesetz (Tafel ). Im Generatorbetrieb sind die Voraussetzungen und Bedingungen des elektromagnetischen Kraftwirkungsgesetzes dann erfüllt, wenn belastet wird. An der sich im Erregerfeld befindlichen Strom durchflossenen Arbeitswicklung entsteht eine Kraft, die ein Gegendrehmoment (Belastungsmoment MBel ) entgegen gerichtet zum antreibenden Moment MAntr erzeugt. Bei Belastungszunahme muss damit mit Hand oder über Regeleinrichtungen das den Generator antreibende Drehmoment erhöht werden. Im Kraftwerk bedeutet das, dass der antreibenden Turbine mehr Dampf oder Wasser zugeführt werden muss. Ist das nicht der Fall, kommt der Maschinensatz zum Stillstand. Im Motorbetrieb wirkt auch das Induktionsgesetz der Bewegung. Damit wird in der rotierenden Arbeitswicklung auch eine Spannung induziert. Nach dem Lenz`schen Gesetz wirkt diese drehzahlabhängige Spannung Ug der angelegten Netzspannung U entgegen. Die Stromaufnahme im Motorbetrieb wird deshalb durch die Differenz beider Spannungen bestimmt. Das nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie bestehende Gleichgewicht zwischen Energieabgabe und -aufnahme kann damit bei den elektrischen Maschinen hinreichend anschaulich durch das Wirken des Durchflutungs-, des Induktions- und elektromagnetische Kraftwirkungsgesetzes erklärt werden. Literatur [1] Spanneberg, H.: Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen (1). Elektropraktiker Berlin 63(2009)3, Lernen und Können S. 1-3. [2] Spanneberg, H.: Gesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen (2). Elektropraktiker Berlin 63(2009)4, Lernen und Können S. 1-3. H. Spanneberg WISO 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 5/09 Magnetische Größen und Ihre Einheiten Fortsetzung LERNEN & KÖNNEN
Autor
- H. Spanneberg
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