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Grundpraktikum

Gemeinsames

Asynchronmotor Versuch-Nr.: E403

Ziel: Kennenlernen des Anlauf- und Betriebsverhaltens der Asynchronmaschine mit Kurz-schlussläufer und Schleifringläufer im Motorbetrieb.

Für diesen Versuch ist die Arbeitsgruppe

LeistungselektronikProf. Dr. Marco Liserre

verantwortlich. Sollten Sie Erweiterungs- oder Verbesserungsvorschläge für diesen Versuch haben,so melden Sie sich bitte bei dieser Arbeitsgruppe.

Hinweis:

Vorbereitungsaufgabe

Einige Versuchsteile sollen vor der Versuchsdurchführung d.h. währendder Versuchsvorbereitung durchgeführt werden. Solche Versuchsteile sinddurch eine Markierung, wie sie rechts dargestellt ist, gekennzeichnet.

Zu diesem Versuch ist ein Mitschrift-Protokoll zu erstellen. Mit demMitschrift-Protokoll sind die in Abschnitt 3.3 des Protokolls erstellten Kennlinien abzugeben.

Stand: 25. September 2014

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3

2 Grundlagen 4

2.1 Einphasiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Die Ortskurve des Ständerstromes (Der Heylandkreis) . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Leistung und Drehmoment der Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Versuchsdurchführung 15

3.1 Verwendete Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Versuchsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Literaturverzeichnis 24

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1 Einleitung

Die Asynchronmaschine ist die am häugsten eingesetzte elektrische Maschine. Sie ist wegenihres einfachen Aufbaus robust, betriebssicher und wirtschaftlich. Kleine Asynchronmotoren un-ter 1 kW Leistung werden heute in sehr groÿer Stückzahl als Einphasenmotoren für Haushaltund Gewerbe gebaut. Etwa 80% aller elektrischen Maschinen über 1 kW sind Asynchronmoto-ren. Im Bereich kleiner und mittlerer Leistungen herrscht der Kägläufer (Kurzschlussläufer) für230-V-/400-V-Drehspannung vor. Asynchronmaschinen können auch mit einem Schleifringläu-fer ausgestattet sein. Jedoch wird diese Ausführung relativ selten genutzt. Sehr leistungsstarkeAsynchronmotoren dienen z. B. zum Antrieb von Kesselspeisewasserpumpen in Kraftwerken underreichen Leistungen bis ca. 20 MW. Aber auch im generatorischen Betrieb wird die Asynchron-maschine verwendet, wie beispielsweise in Windenergieanlagen, welche eine Leistung von bishermax. 10 MW aufweisen. Anhand von Messungen elektrischer und nichtelektrischer Gröÿen undder Aufnahme von charakteristischen Kennlinien soll das Betriebsverhalten der Asynchronma-schine im motorischen Betrieb während dieses Versuchs verdeutlicht werden.

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2 Grundlagen

Hauptbestandteile der Asynchronmaschine sind der Ständer (Stator) und der innenliegende,durch einen Luftspalt vom Stator getrennte, zylinderförmige Läufer (Rotor). Der Luftspalt wirdso klein wie möglich gewählt, um den Amperewindungsbedarf für die Luftspaltinduktion derMaschine möglichst gering zu halten. Er liegt bis zu mittleren Leistungen bei einigen Zehn-tel Millimetern. Sowohl Stator als auch Rotor sind aus Blechen geschichtet, die gegeneinanderdurch eine dünne Silicat-Phosphatschicht isoliert sind, um Wirbelströme zu vermeiden. Entspre-chend der Polpaarzahl p der Maschine sind über den Ständerumfang p Dreiphasenwicklungen ineingestanzten Nuten verteilt. Der Läufer trägt entweder auch eine Dreiphasenwicklung, die überSchleifringe an externe Belastungswiderstände angeschlossen ist (Schleifringläufer), oder der Läu-fer ist als Käg ausgebildet. Dieser Kägläufer bzw. Kurzschlussläufer besteht im Allgemeinenaus nahe dem Luftspalt angeordneten Stäben, die verschiedene Querschnitte haben können undan ihren Stirnseiten durch Kurzschlussringe miteinander verbunden sind. Asynchronmaschinenmit Kägläufer kommen, wie schon erwähnt, aufgrund von Kostenvorteilen und ihrer Robustheitin der Praxis sehr viel häuger vor als Schleifringläufermaschinen.

Werden die um 120

p räumlich versetzten Wicklungen im Ständer mit zeitlich um 120 phasen-verschobenen sinusförmigen Strömen der Frequenz f1 gespeist, so bildet sich im Luftspalt einmagnetisches Feld - das sogenannte Drehfeld - aus, das mit der synchronen Drehzahl nsyn = f1

p

umläuft. Dieses Feld durchsetzt Luftspalt und Läuferwicklung. In der zunächst oenen Läu-ferwicklung werden Spannungen induziert. Wird der Läuferstromkreis geschlossen, so ieÿenStröme, die durch die Wirk- und Blindwiderstände des Läufers bestimmt sind. Drehfeld undLäuferströme bilden ein Drehmoment, dessen Gröÿe von der Komponente der Läuferströme ab-hängt, die mit der induzierten Spannung in Phase liegt.

Würde der Läufer die gleiche Drehgeschwindigkeit n = nsyn wie das Ständerdrehfeld annehmen,d. h. synchron mit dem Drehfeld umlaufen, so bliebe der mit der Läuferwicklung verketteteFluss Ψ zeitlich konstant. Induzierte Spannung Uind, Läuferstrom I1 und Drehmoment M wärendamit gleich Null.

Durch die mechanische Belastung des Läufers wird dieser auf eine solche Winkelgeschwindigkeitabgebremst, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Läufer gerade ausreicht, umüber den Läuferstrom und dem umlaufenden magnetischen Feld der Maschine ein Drehmomentzu erzeugen, das der mechanischen Belastung des Läufers das Gleichgewicht hält. Der Umstand,dass der Läufer mit der asynchronen Drehzahl n 6= nsyn umläuft, ist charakteristisch für dieFunktion der Asynchronmaschine.

Folgende Aufstellung gibt den Zusammenhang zwischen den Frequenzen der elektrischen Gröÿenund Drehzahlen in Ständer und Läufer wieder:

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E403: Asynchronmotor

Gröÿe Bedeutung

f1 Frequenz des die Ständerwicklung speisenden Drehstroms

nsyn = f1p Drehzahl des Ständerdrehfeldes

n Drehzahl des Läufers

n2 = nsyn − n Drehzahl der Relativbewegung des Ständerdrehfeldes gegen-über der Läuferbewegung

f2 = n2 · p Frequenz der im Läufer induzierten Spannungen und Ströme

Die Relativgeschwindigkeit zwischen Drehfeld und Läufer wird als Schlupf s bezeichnet und isteine charakteristische Betriebskenngröÿe der Asynchronmaschine:

s =f2f1

=n2nsyn

=nsyn − nnsyn

= 1− n

nsyn. (2.1)

2.1 Einphasiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine

Die Asynchronmaschine besitzt Merkmale eines Drehstromtransformators. Wie dieser hat siezwei Drehstromwicklungen und wird einseitig gespeist. Bei stillstehendem Läufer (n = 0) ist dieAsynchronmaschine daher formal als Drehstromtransformator zu betrachten. Die elektrischenGröÿen der Sekundärseite (Läufer) haben dann die gleiche Frequenz wie die elektrischen Gröÿender Primärseite (Ständer). Es kann in Analogie zum Drehstromtransformator ein Ersatzschaltbildverwendet werden, in dem Primär- und Sekundärseite elektrisch über die Hauptinduktivitätmiteinander gekoppelt sind.

Bei rotierendem Läufer ist f2 6= f1. Die unterschiedlichen Frequenzen im Ständer und Läufermüssen deshalb zunächst in einer galvanischen Entkopplung der Ständer- und Läuferseite imErsatzschaltbild berücksichtigt werden.

Im einphasigen Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine (siehe Abb. 2.1) mit Kurzschlussläufersind neben den HauptinduktivitätenX1h undX2h der Ständer- und Läuferwicklungen deren ohm-sche Widerstände (R1, R2) und die Streuinduktivitäten (X1σ, X2σ) zu berücksichtigen. Bei einerAsynchronmaschine mit Schleifringläufer kommen zusätzlich externe Läuferwiderstände hinzu.Werden diese in R2 berücksichtigt, ergeben sich für beide Maschinen gleiche Ersatzschaltbilder.

In Zeigerdarstellung lassen sich für die Primär- und Sekundärseite folgende Maschengleichungenaufstellen:

U1 = R1 · I1 + jX1σ · I1 + U1h

0 = R2 · I2 + s · jX2σ · I2 + U2h

(2.3)

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Abbildung 2.1: Einphasiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine.

Hierbei wird der für den Stillstand berechnete Wert X2σ = 2π · f1 ·L2σ mit dem Schlupf smultipliziert, da ja auf Läuferseite f2 = s · f1 gilt.

Bei der Herleitung eines auf die Ständerseite bezogenen Ersatzschaltbildes (siehe Abb. 2.2) mitgekoppelter Primär- und Sekundärseite wird ein ruhender Läufer angenommen, wobei die in derLäuferwicklung ieÿenden Ströme im Luftspalt der Maschine die gleiche Durchutung erzeugenmüssen wie beim tatsächlich rotierenden Läufer. Mit der Einführung des Übertragungsfaktorsü = w1

w2, der das Windungszahlenverhältnis der Spulen von Primär- zu Sekundärseite darstellt,

ergeben sich folgende auf die Primärseite bezogene Gröÿen:

I2′ =1

ü· I2

R′2 = ü2 ·R2

X ′2σ = ü2 ·X2σ

(2.5)

Mit diesen bezogenen Gröÿen lassen sich die Maschengleichungen schreiben zu:

U1 = R1 · I1 + jX2σ · I1 + U1h

0 =R′2s· I ′2 + jX2σ′ · I ′2 + jX1h

(I1 + I ′2

)mit U1h = jX1h

(I1 + I ′2

) (2.7)

Abbildung 2.2: Einphasiges, auf die Primärseite bezogenes Ersatzschaltbild.

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Abbildung 2.3: Vollständiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine.

An der jetzt für Ständer- und Läuferwicklung gemeinsamen Hauptspannung U1h bewirken R′2s

und X ′2σ in einem als ruhend angenommenen Läuferkreis gerade einen solchen bezogenen StromI ′2, dass im Luftspalt das Originalfeld der rotierenden Maschine entsteht.

Wie beim Transformator lassen sich auch die Eisenverluste in der Ersatzschaltung erfassen. Wirdder Verlustanteil der Streuüsse vernachlässigt, so wird die Eisenwärme des Hauptfeldes durcheinen Widerstand RFe parallel zur Hauptreaktanz X1h berücksichtigt. Damit wird die vollstän-dige Ersatzschaltung der Asynchronmaschine gemäÿ Abb. 2.3 erzeugt.

In Abb. 2.4 ist das zur Asynchronmaschine gehörige Zeigerdiagramm dargestellt. Darin werdendie Zusammenhänge zwischen den auftretenden Strömen und Spannungen der Asynchronmaschi-ne veranschaulicht.

Abbildung 2.4: Vollständiges Zeigerdiagramm der Asynchronmaschine.

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2.2 Die Ortskurve des Ständerstromes (Der Heylandkreis)

Unter Vernachlässigung des Eisenverlustwiderstandes RFe ergibt sich nach Abb. 2.2 für dasbezogene Ersatzschaltbild folgende Spannungsgleichung:

U1 = Z1 · I1 = R1I1 + jX1σI1 +jX1h

(jX ′2σ +

R′2s

)jX1h + jX ′2σ +

R′2s

· I1. (2.8)

Wird diese nach dem Ständerstrom I1 aufgelöst, so wird die vom Schlupf s abhängige Gleichungerhalten.

I1 =R′2 + jsX ′2

R1R′2 + jR′2X1 + s(X2

1h −X1X ′2 + jR1X ′2) ·U1, (2.9)

wobei für die gesamten Blindwiderstände von Ständer- und Läuferwicklung

X1 = X1h +X1σ und X ′2 = X1h +X ′2σ

deniert werden.

Zur Konstruktion der Ortskurve des Ständerstromes werden drei charakteristische Kreispunktebenötigt: Leerlauf P10, Anlauf P1k und Kurzschluss P1∞. Diese Punkte sind durch den konstan-ten (d. h. von s unabhängigen) Leerlaufstrom I10, den Kurzschlussstrom I1k und den ideellenKurzschlussstrom I1∞ gegeben. Unter Berücksichtigung von R1 ergeben sich für die gesuchtenGrenzwerte des Ständerstromes folgende Gleichungen:

I10 =U1√

R21 +X2

1

bei n = nsyn und s = 0 (2.10)

I1k ≈U1√

R2K +X2

K

bei n = 0, f2 = f1 und s = 1 (2.11)

mit RK =R′2

(1 + σ2)≈ R1 +R′2 und XK = σ ·X1 ≈ Xσ1 +X ′2σ

I1∞ =U1√

R21 +X2

K

bei s→∞, R′2

s→ 0 und n→∞. (2.12)

Durch die drei Punkte ist ein Kreis eindeutig festgelegt, auf dem der Ständerstrom in Abhän-gigkeit von s verläuft und dessen Mittelpunkt sich im Schnittpunkt der Mittelsenkrechten der

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Verbindungslinien beliebiger Kreispunkte bendet. Der Ständerstrom liegt unter dem Winkel ϕan der Ortskurve an, welcher vom Leistungsfaktor cosϕ gegeben ist:

cosϕ =P1√

3 ·U1 · I1(2.13)

Zur Parametrierung der Ortskurve für veränderliche Werte des Schlupfes s wird der Punkt P10,der den Endpunkt des Zeigers I10 darstellt, als Bezugspunkt gewählt. Die Schlupfgerade ver-läuft in einem beliebigen (aber sinnvollen) Abstand parallel zur Verbindungslinie zwischen Be-zugspunkt und dem Punkt P1∞, also bei der Wahl von P10 als Bezugspunkt parallel zur LinieP10 − P1∞. In dem Schnittpunkt der Geraden durch P10 und P1K mit der Schlupfgeraden ists = 1. Im Bezugspunkt (hier P10) wird die Tangente an den Kreis eingezeichnet, welche dieSchlupfgerade in s = 0 schneidet. Mit den eingezeichneten Werten s = 0 und s = 1 kann dieSchlupfgerade linear unterteilt werden. Da in diesem Versuch die Maschine nur im motorischenBetrieb betrachtet wird, bewegen sich die Messwerte zwischen s = 0 und s = 1. Es ergibt sichdie in Abb. 2.5 gezeigte Ortskurve.

Den Schlupf für einen beliebigen Ständerstrom I1 kann ermittelt werden, indem die Streckezwischen dem Bezugspunkt (hier P10) und dem Endpunkt des Zeigers I1 auf dem Kreis bis zumSchnittpunkt mit der Schlupfgeraden verlängert und s abgelesen wird.

Umgekehrt lassen sich für beliebige Werte von s auch die entsprechenden Werte des Ständerstro-mes I1 ablesen.

Abbildung 2.5: Ortskurve des Ständerstromes unter Berücksichtigung von R1 für−∞ ≤ s <∞.

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Wird neben RFe ebenfalls R1 vernachlässigt, welches auÿer bei kleinen Maschinen eine guteNäherung darstellt, so ergeben sich für die gesuchten Grenzwerte des Ständerstromes folgendeGleichungen:

I10 =U1

jX1(2.14)

I1k =R′2 + jX ′2R′2 + jσX ′2

· 1

jX1·U1 (2.15)

I1∞ =X1X

′2

−X21h +X1X ′2

· −jX1·U1 =

1

jσX1·U1 =

1

σ· I10

mit der Streuzier σ =X1X

′2 −X2

1h

X1X ′2

(2.17)

Hierdurch ergibt sich ein anderer Verlauf der Ortskurve, da I10 und I1∞ nun rein imaginär sind.Der Mittelpunkt der Ortskurve verschiebt sich auf die imaginäre Achse (siehe Ab. 2.6).

Wie in Abschnitt 2.3 nachfolgend noch beschrieben, bendet sich die Asynchronmaschine für0 ≤ s im motorischen Betrieb bzw. im Betrieb als Bremse, wodurch der in diesem Versuchbetrachtete Teil der Ortskurve einen Halbkreis darstellt.

Wird P10 wiederum als Bezugspunkt gewählt, so verläuft die Verbindungslinie P10−P1∞ auf derimaginären Achse. Zu dieser parallel wird die Schlupfgerade in einem beliebigen (aber sinnvollen)Abstand gezeichnet. Da die Tangente an den (gesamten) Ortskreis in P10 senkrecht auf derimaginären Achse steht, bendet sich s = 0 für jede Schlupfgerade über (oder unter) P10. DieVerlängerung der Geraden P10 − P1K schneidet die Schlupfgerade im Punkt s = 1. Die Streckezwischen s = 0 und s = 1 wird für den Schlupf linear geteilt.

Abbildung 2.6: Ortskurve des Ständerstromes ohne Berücksichtigung von R1 für−∞ ≤ s <∞.

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Den Schlupf für einen beliebigen Ständerstrom I1 kann ermittelt werden, indem die Streckezwischen P10 und dem Endpunkt des Zeigers I1 auf dem Halbkreis bis zum Schnittpunkt mitder Schlupfgeraden verlängert und s abgelesen wird.

Umgekehrt lassen sich für beliebige Werte von s auch die entsprechenden Werte des Ständer-stromes I1 einzeichnen und ablesen.

2.3 Leistung und Drehmoment der Asynchronmaschine

Die insgesamt aufgenommene Ständerwirkleistung P1 wird nicht vollständig an den Läufer wei-tergegeben, da zwei elektrische Verlustleistungen, ohmsche Verluste in den StänderwicklungenPcu1 und Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Eisen PFe1, existieren.

Die vom Läufer aufgenommene Drehfeldleistung PD = P1− (Pcu1 +PFe) teilt sich in die mecha-nisch an der Welle abgegebene Nutzleistung Pmech, in die elektrische Verlustleistung P2V des Läu-fers, den ohmschen Verlusten in der Drehstromwicklung, und in die mechanische Verlustleistungauf. Die Eisenverluste im Läufer sind i. A. nicht zu berücksichtigen. Bei der Asynchronmaschinemit Schleifringläufer wirken zusätzlich noch die ohmschen Verluste in den Belastungsvorwider-ständen PR. Die mechanische Verlustleistung teilt sich in Reibungs- und Lüfterverluste auf undwird im Folgenden vernachlässigt.

Im Allgemeinen sind die elektrischen Verlustleistungen des Ständers für groÿe Maschinen zu ver-nachlässigen, wodurch angenommen werden kann, dass die vom Ständer aufgenommene Dreh-feldleistung nahezu vollständig an den Läufer weitergegeben wird. Dies ist bei kleinen Maschinenjedoch nicht der Fall. Da in diesem Versuch eine kleine Maschine verwendet wird, können dieseVerluste nicht vernachlässigt werden.

Bei der Strangzahl 3 gilt für die Ständerverluste:

Pcu1 = 3 · I21 ·R1. (2.18)

Die Eisenverluste im Ständer PFe1 werden hier für den normalen Betriebsbereich vernachlässigt.

PFe = 3 · U21

RFe(2.19)

Die auf der Sekundärseite der Ersatzschaltung übertragene DrehfeldleistungPD = P1 − (Pcu1 + PFe) wird in dem Widerstand R′2

s umgesetzt. Es ist damit:

PD = m · I ′22 ·R′2s

(2.20)

wobeim das in dem Betriebspunkt angenommene Moment ist und worin die Stromwärmeverlusteder Läuferwicklung mit

Pcu2 = 3 · I ′21 ·R′2 (2.21)

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enthalten sind. Werden die mechanischen Reibungs- und Ventilationsverluste PR vernachlässigt,so kann aus den Gleichungen (2.19) und (2.20) Gleichung (2.22)

Pmech = PD − Pcu2 = 3 · I ′22 ·R′2s· (1− s) (2.22)

und die AufteilungPmech = PD · (1− s) (2.23)

Pcu2 = PD · s = P2V (2.24)

ermittelt werden.

Eine Leistungsbilanz ergibt nach obigen Ausführungen, also mit PV,Fe = 0:

P1 = Pcu1 + PD = Pcu1 + Pmech + Pcu2. (2.25)

Für den Wirkungsgrad des Asynchronmotors gilt:

η =PmechP1

=2π ·n ·M

P1. (2.26)

Das an der Motorwelle abgegebene MomentM ist demWirkanteil des Ständerstroms bei konstan-ter Speisespannung U1 proportional. In der Ortskurve des Ständerstroms in Abb. 2.7 entsprichtder Wirkanteil des Stromes der Strecke m = m1 +m2 +m3.

Abbildung 2.7: Ortskurve des Ständerstromes mit Gerade der mechanischen Leis-tung.

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Das maximal mögliche Motormoment ist das Kippmoment MKipp. Wird dieses Moment vomBelastungsmoment überschritten, so kippt der Asynchronmotor und kommt zum Stillstand.Eine Extremwertbetrachtung für das Kippmoment MKipp ergibt für den entsprechenden Kipp-schlupf:

sKipp =R′2σ ·X ′2

σ =1−X2

1h

X1 ·X ′2

(2.28)

Wird das Motormoment M auf das Kippmoment MKipp bezogen, so ergibt sich die Kloÿ`scheFormel:

M

MKipp=

2s

sKipp+

sKipp

s

. (2.29)

Mit Hilfe der Ortskurve des Ständerstromes lässt sich eine Aufspaltung der Drehfeldleistung PDin die mechanisch abgegebene Leistung Pmech und die elektrische Verlustleistung PV vornehmen.Aus den bisherigen Ausführungen, wenn zusätzlich PR vernachlässigt wird, lässt sich ersehen,dass Pmech = PD · (1− s) und PV = PD · s ist.

Aufgrund geometrischer Beziehungen gilt für einen beliebigen Betriebspunkt

m1

m1 +m2 +m3= 1− s und

m2 +m3

m1 +m2 +m3= s.

Es ist also

• m1 der mechanisch abgegebenen Leistung Pmech,

• (m2 +m3) der elektrischen Verlustleistung PV

proportional, wobei m2 der elektrischen Verlustleistung des Läufers und m3 der elektrischenVerlustleistung des Ständers proportional ist.

Die Verbindungslinie zwischen den Punkten P10 und P1K wird auch alsGerade der mechanischen Leistung bezeichnet.

Unter Vernachlässigung der elektrischen Verluste des Ständers wäre m3 = 0 (siehe Abb. 2.6).

Durch einen Kurzschlussläufer mit Stromverdrängung kommt es zu einer Stromanhebung beihöherem Schlupf und einer Verformung des Heylandkreises.

Aus der Kloÿ`schen Formel lässt sich eine Drehmoment-/Schlupfkennlinie (siehe Abb. 2.8) kon-struieren, wobei sich anhand des Schlupfes s die verschiedenen Betriebszustände der Asynchron-maschine charakterisieren lassen:

i) 0 < s < 0: Die Asynchronmaschine arbeitet als Generator

ii) 0 < s < 1: Die Asynchronmaschine arbeitet als Motor

iii) 0 < s > 1: Wird die Maschine gegen das Drehfeld angetrieben, so wirkt sie als Bremse

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Abbildung 2.8: Drehmoment-/Schlupfkennlinie.

Durch Einsatz eines Kurzschlussläufers mit Stromverdrängung durch Läuferkäg mit Doppel-stäben oder Keilstäben kann das Moment im Anfahrbereich erheblich angehoben werden. DieVersuchsmaschine mit Schleifringläufer und gewickelter Läuferwicklung weist nur eine geringeStromverdrängung auf, die in diesem Versuch nicht beachtet werden muss.

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3 Versuchsdurchführung

3.1 Verwendete Geräte

• regelbarer Drehstromtransformator

• Wirkleistungsmessgerät Wattavi k von Elima

• zwei Universalmessgeräte

• Schleifringläufermotor 200 W (mechanische Bemessungsleistung):Polpaarzahl p = 2, UN = 230 V/400 V (Stern/Dreieck), fN = 50 Hz, nN = 1320 min−1,IN = 0, 95 A/0, 55 A (Stern/Dreieck), cosϕN = 0, 63

• Kompaktbremseinrichtung mit Magnetpulverbremse 200 W,integrierte Drehzahl- und Drehmomentmessung und -anzeige

• Anlasssteller mit Läuferwiderständen:R2V = 0 Ω; 1, 5 Ω; 4, 8 Ω; 8, 1 Ω

3.2 Versuchsablauf

Bauen Sie die Motorschaltung nach Abb. 3.1 auf, und schalten Sie die Ständerwicklung desMotors in Sternschaltung. Das Wirkleistungsmessgerät kann eine Ein- oder Dreiphasenmessungdurchführen. Schlieÿen Sie es zur Dreiphasenmessung an.

Wichtig: Nehmen Sie den Motor erst in Betrieb, nachdem die Betreuerin oder der

Betreuer des Versuchs die richtige Verschaltung des Versuchsaufbaus überprüft hat!

Für die einzelnen Aufgabenteile ist kein Umbau der Schaltung notwendig. Fahren Sie den Motorimmer mit voll eingeschalteten Vorwiderständen an und stellen Sie diese dann auf dengeforderten Wert ein.

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Abbildung 3.1: Schaltskizze des Versuchsaufbaus.

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a) Kurzschlussversuch zur Bestimmung des Anfahrverhaltens

Bestimmen Sie für kurzgeschlossenen Läufervorwiderstand (Betrieb wie eine Asynchron-maschine mit Kurzschlussläufer) und zum Vergleich für die anderen einstellbaren Läufer-vorwiderstände das Anfahrmoment. Fahren Sie hierzu für jeden einzustellenden Wert derLäufervorwiderstände den mechanisch unbelasteten Motor an, und bremsen Sie den Motornach dem Hochlauf aus dem Leerlauf bis zum Stillstand ab; nehmen Sie das Anfahrmomentfür n = 0 in der nachfolgenden Tabelle 3.1 auf. Da bei n = 0 nach Herleitung s = 1 gilt,entspricht der hier gemessene Betriebspunkt dem Kurzschlusspunkt.

Wichtig: Führen Sie Ihre Messungen zügig durch, da der Motor im festgebremsten Zustandstark überlastet wird.

R2V /Ω 0 1,5 4,8 8,1

MA/Nm

Tabelle 3.1: Messwerte des Kurzschlussversuchs, d.h. n = 0; s = 1.

Interpretatieren Sie Ihre Messergebnisse.

Ergebnisse und Antworten

b) Betriebsverhalten des Motors im Bemessungspunkt als Kurzschlussläufermotor

Entnehmen Sie die Daten der Asynchronmaschine dem Abschnitt 3.1. Bestimmen Sie fürdie hier verwendete Sternschaltung das Bemessungsmoment MB.


MB=

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Fahren Sie den mechanisch unbelasteten Motor in Sternschaltung über eine manuelle Rege-lung der Läufervorwiderstände bis zu deren Kurzschluss an, und belasten Sie die Motorwellefür R2V = 0 über die Magnetpulverbremse mit dem BemessungsmomentMB, das Sie zuvorberechnet haben. Nehmen Sie hierbei die Bemessungsdaten nB, I1B und P1B auf.


nB = I1B = P1B =

Interpretieren Sie Ihre Messwerte und vergleichen Sie sie mit den Bemessungswerten:


c) Betriebsverhalten der Asynchronmaschine bei Betrieb mit Kurzschlussläufer

(R2V = 0) und bei unterschiedlichen Läufervorwiderständen

Fahren Sie den zunächst mechanisch unbelasteten Motor an, und bremsen Sie die Maschineüber die Magnetpulverbremse stufenweise ab bis zum Stillstand. Nehmen Sie dabei in dennachfolgenden Tabellen die folgenden Messreihen auf:

i) I1 = f(n), P1 = f(n) und M = f(n) für R2V = 0 (Tabelle 3.2)

ii) M = f(n) für R2V = 1, 5 Ω; 4, 8 Ω; 8, 1 Ω (Tabelle 3.3)

Wichtig: Führen Sie die Messungen zügig durch, da bei Belastung der Motorbemessungs-strom überschritten wird, und somit der Motor zeitweise stark überlastet wird, was zueinem Abbruch des Bremsvorganges führen kann.

Berechnen Sie für R2V = 0 Ω den Leistungsfaktor cosϕ, den Wirkungsgrad η und denSchlupf s für alle betrachteten Drehzahlen n und tragen Sie Ihre Ergebnisse in Tabelle 3.4ein.

test

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n / min−1 (Sollwert) 1470 1400 1300 1200 1000 800 600 400 200 100

n / min−1 (Istwert)

I1 / A

P1 / W

M / Nm

Tabelle 3.2: Messwerte für den Kurzschlussläufer.

R2V n / min−1 (Soll) 1470 1400 1300 1200 1000 800 600 400 200 100

1, 5 Ω n / min−1 (Ist)

M / Nm

4, 8 Ω n / min−1 (Ist)

M / Nm

8, 1 Ω n / min−1 (Ist)

M / Nm

Tabelle 3.3: Messwerte für den Schleifringläufer mit Läufervorwiderständen.

n / min−1 (Sollwert) 1470 1400 1300 1200 1000 800 600 400 200 100

cosϕ

η

s / %

Tabelle 3.4: Rechenergebnisse für den Kurzschlussläufer.

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3.3 Versuchsauswertung

Konstruieren Sie für den kurzgeschlossenen Läufer (R2V = 0) die Ortskurve des Ständerstromes(Heylandkreis) mit der Schlupfgeraden (Abb. 3.2).

Zeichnen Sie auÿerdem die folgenden Kennlinien und interpretieren Sie deren Verläufe:

i) I1 = f(M) für R2V = 0 (Abb. 3.3)

ii) M = f(n) für R2V = 0Ω; 1, 5Ω; 4, 8Ω; 8, 1Ω (Abb. 3.4)

iii) η = f(M) für R2V = 0 (Abb. 3.5)

iv) cosϕ = f(M) für R2V = 0 (Abb. 3.6)

Abbildung 3.2: Heylandkreis.

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Abbildung 3.3: Strom-Drehmomentkennlinie.

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Abbildung 3.4: Drehmoment-Drehzahlkennlinie.

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Abbildung 3.5: Wirkungsgrad-Drehmomentkennlinie.

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Abbildung 3.6: Leistungsfaktor-Drehmomentkennlinie.

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Literaturverzeichnis

[1] Möller, K.: Grundgebiete der Elektrotechnik III: nach einer Vorlesung, Verlag derAugustinus-Buchhandlung, Aachen

[2] Peier, D.: Einführung in die elektrische Energietechnik, Hüthig Verlag, Heidelberg

[3] Seinsch, H. O.: Grundlagen elektrischer Maschinen und Antriebe, B.G. Teubner Verlag,Stuttgart

[4] Fischer, R.: Elektrische Maschinen, Carl Hanser Verlag, München Wien

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