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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Frage bezüglich elektrischer Maschinen.


Autor: Der Studen. (Gast)
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Guten Abend allerseits. Ich hoffe ich belästige mit meiner Frage nicht 
jetzt das falsche Forum, ansonsten tut es mir leid.

Ich lerne zur Zeit für das Modul Elektrische Maschinen und verstehe da 
einen (wichtigen) Zusammenhang nicht. Es dreht sich jetzt hier um 
Gleichstrommaschinen (GSM). Ich beschäftige mich nun mit dem Verhalten 
der GSM und habe gelesen, dass die Reihenschlussmaschine aber auch die 
Nebenschlussmaschine sich "selber" zerstören kann, weil bei bestimmten 
Bedingungen die Drehzahl des Ankers so sehr annimmt, dass der Anker 
durch die Fliehkräfte zerissen wird und somit der Motor zerstört wird.

Wenn ich mir jetzt den Reihenschlussmotor anschaue steht geschrieben, 
dass dieser Motor Lastabhängig d.h. dass bei gerringer Last eine enorm 
hohe Drehzahl erreicht und somit der Motor zerstört wird. Das die Welle 
sich nun ohne Last schneller dreht ist ja logisch. Der Motor muss eben 
nur das Drehmoment erreichen wo das Massenträgheitsmoment der Welle mit 
den Ankerwicklungen etc... aufgehoben wird. Ich würde jetzt sagen, dass 
der Motor irgendwann die Leerlaufdrehzahl erreicht und sich mit dieser 
dreht.

Auf Wikipedia steht nun, dass durch das wenig abgegebene Drehmoment und 
so dem gerringen Strom die Feld geschwächt wird. Das dass Feld durch den 
gerringen Strom geschwächt wird kann ich auch noch nachvollziehen.

Der Strom ist nur gerring, weil keine Last hängt ?! D.h. der Motor zieht 
such aus dem "Netz" so viel Strom wie er benötigt oder wie darf ich das 
verstehen.


 Die Abhängigkeit des Reihenschlussmotores mit der Last beruht doch nur 
darauf, da die Ankerwicklung mit der Erregerwicklung in Reihe geschaltet 
ist oder ?!.

Warum dreht sich die Welle schneller, wenn das Feld geschwächt wird ?

Es ist ja bekannt, dass durch ein magnetisches Feld und darauf senkrecht 
liegende Leiter die durch einen Strom I durchflossen werden eine Kraft 
(die Lorenzkraft) hervorgerufen wird. Wir vereinfachen die Situation und 
nehmen mal an es würde sich um eine 2-Pol GSM handeln die einen N und S 
Pol hat, was durch die Erregerwicklung erzeugt wird. Die Spulen sind so 
gewickelt, dass unter den Polen(Polschuhen) die Stromrichtung bei N und 
S unterschiedlich im Leiter ist (Die Leiter sind ja hin und her 
gewickelt).
Jetzt entstehen natürlich zwei Lorentzkräfte die aber wegen der 
unterschiedlichen Stromrichtung entgegengesetzt sind. Diese zwei Kräfte 
greifen am Ankerumfang jeweils unmittelbar in dem Bereich wo die 
Polschuhen den Anker bedecken an.

Aus der Mechanik ist bekannt, dass dadurch nun ein Kräftepaar vorliegt 
und somit ein Drehmoment erzeugt wird. Der Anker (die Welle) dreht sich.

Wie kann aber der Anker immer schneller drehen, wenn der Erregerstrom 
verringert wird und somit das Magnetfeld geschwächt wird, was ja 
benötigt wird um die Lorenztkraft bzw. das Drehmoment zu erzeugen.

Mit Kräften meine ich hier natürlich immer die Resultierende Kraft die 
an den Ankerumfang entsteht.

Bitte habt Verstädnis, auch wenn es eine dumme Frage ist, aber ich kann 
es mir nur durch die mathematischen Gleichungen/Zusammenhänge von 
Drehzahl, Induzierter Spannung etc.. erklären.

Ich kann es mir leider nicht durch Überlegen erklären.

Bedanke mich im Voraus !

MfG,
Der Student.

Autor: OR (Gast)
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Hi,

dass eine Reihenschlussmaschine "durchgehen" kann, ist ein 
Systemproblem. Ein Systemproblem daher, weil es zu einer durchgehenden 
Maschine noch einer Konstantspannungsquelle bedarf.

Fang mit dem Verständnis mal mit einer fremderregten Maschine an:
- das Feld wird über die Feldwicklung vorgegeben, die innere 
Maschinenspannung(EMK)=Felddrehzahl, damit baut sich der angelegten 
Klemmenspannung die EMK entgegen. bei geringer Drehzahl gibt es also 
einen großen Strom, und da dass Feld konstant ist, ein großes Drehmoment 
(Drehmoment=FeldxAnkerstrom). Mit dem großen Drehmoment gibt es auch 
eine große Beschleunigung, also eine Drehzahländerung. Irgendwann ist 
die Drehzahl so groß, dass die EMK den Wert der Klemmenspannung erreicht 
hat, damit fließt kein Strom mehr, und das Drehmoment ist null -> 
statischer Zustand.

Bei der Reihenschlussmaschine wird die Feldwicklung in Reihe zu der 
Ankerwicklung geschaltet.
-> kleine Drehzahl, große Spannungsdifferenz, großer Ankerstrom, 
Feldstrom gleich Ankerstrom -> großes Feld -> großes Drehmoment
Danach geht die Drehzahl hoch. Allerdings wird das Feld immer nur durch 
den Ankerstrom bestimmt, d.h. wenig Ankerstrom bedeutet wenig Feld und 
damit weinig EMK -> es gibt also keine konstante Gegenspannung, die 
Maschine baut unabhängig von der Drehzahl immer eine Moment auf, solange 
die Klemmenspannung größer null ist, da immer ein Strom fliesst. Die 
Maschine erhöht also kontinuierlich die Drehzahl, bis es kracht. 
Alternativ kann man natürlich auch ein passendes Gegenmoment 
installieren, dann ergibt sich auch ein guter Arbeitspunkt.


Bis auf diese Kleinigkeit, dass man rechtzeitig die Ständerspannung 
abschalten muss, ist die Maschine aber sehr gutmütig. Die Maschine wurde 
früher gern als Arbeitsmaschine genommen.

OR

Autor: Gast3 (Gast)
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> Wie kann aber der Anker immer schneller drehen, wenn der Erregerstrom
> verringert wird und somit das Magnetfeld geschwächt wird, was ja
> benötigt wird um die Lorenztkraft bzw. das Drehmoment zu erzeugen.

Die kürzeste Erklärung die mir dazu einfällt: Der Strom wird immer 
geringer, aber er wird nie null! Damit nimmt der Motor in jedem 
Betriebszustand Leistung auf, die (zum Teil) den Rotor antreibt.

Autor: Der Student (Gast)
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@ OR:

Vielen dank erstmal für die Erklärung.


Wenn du mir kurz gestattest, würde ich mal in einem kurzen Text 
schreiben wie ich das bis jetzt verstanden, was du da geschrieben hast.



Bezüglich der fremderregten Maschine:
Je höher die Drehzahl des Ankers ist, desto größer ist die Induzierte 
Gegenspannung (Gegen-EMK). Diese wirkt immer der Klemmspannung aus dem 
Netz entgegen. Wenn ich mir das jetzt als ein "primitives" 
Ersatzschaltbild vorstellen möchte, müsste ich jetzt zwei 
Spannungsquellen einbauen. Die eine ist die Netzspannung und die andere 
die Induzierte. Wenn man dann im Schaltbild ein Umlauf machen würde, 
würden sich die Spannungen entgegenwirken.

Den großen Strom habe ich nur deswegen, weil bei gerringer Drehzahl die 
Gegen-EMK und somit der Gegen-Strom(DARF ICH DAS SO SAGEN???) gerring 
ist und dem Strom der aus dem Netz kommt nicht entgegen wirkt. Großer 
Strom im Anker = hohes Drehmoment (logisch!) Durch das hohe Drehmoment 
wird der Anker jetzt so schnell beschleunigt dass der Gegen-Strom den 
gleichen Wert wie die Klemmspannung bzw. Strom erreicht und somit ein 
Ausgleich stattfindet. Drehmoment wird 0, da sich der Strom aufhebt. Die 
Maschine läuft jetzt im Leerlauf oder wie ? (=statischer Zustand)

Bezüglich Reihenschlussmotor:

Da die Wicklungen des Ankers und des Erregers in Reihe geschaltet sind 
und somit der Ankerstrom gleichzeitig den Erregerstrom bzw. das Feld 
beeinflusst. Wenn der Ankerstrom jetzt gerring ist, weil die Last 
gerring ist wird auch somit der Erregerstrom=Ankerstrom gerring sein und 
somit das Feld schwächen. Da das Feld geschwächt ist und somit auch die 
Gegen-EMK geschwächt ist kann niemals der Ausgleich wie bei der 
fremderregten Maschine stattfinden und den so genannten statischen 
Zustand erreichen. Das heißt der der Anker dreht immer schneller weil 
immer ein Drehmoment vorhanden ist (der Ankerstrom ist ja nicht 0 
sondern eben gerring) ??

Wie kann dieses schwache Drehmoment denn so eine hohe Drehzahl 
hervorrufen ?? Der Ankerstrom ist gerring und das Feld geschwächt also 
somit auch das Kräfepaar an den Ankerumfang was das Drehmoment 
erzeugt...

ich kann an dieser Stelle diesen Übergang mir noch immer nicht 
vorstellen.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Nicht ganz. Betrachten wir die fremderregte DC Maschine. Lassen wir den 
Erregerstrom konstant. Die induzierte Spannung ist proportional zur 
Drehzahl. Doppelte Drehzahl doppelte Spannung. Lassen wir nun die 
Drehzahl konstant. Die induzierte Spannung ist proportional zum 
Erregerstrom. Doppeltes Feld, doppelte Spannung. Wenn wir nun die 
Maschine an eine Spannung haengen, Netz ist da der ganz falsche 
Ausdruck, so haben wir zwei Quellen, die Maschine mit ihrer EMK und die 
externe Spannung. Der Strom ist durch die Differenzspannung und den 
Innenwiderstand bestimmt.
Wenn man's genau nimmt, so kommt noch die Kollektorspannung hinzu.

Autor: OR (Gast)
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Zitat:
Wie kann dieses schwache Drehmoment denn so eine hohe Drehzahl
hervorrufen ?? Der Ankerstrom ist gerring und das Feld geschwächt also
somit auch das Kräfepaar an den Ankerumfang was das Drehmoment
erzeugt...

Antwort:
Das Drehmoment ist mitnichten schwach, da Du fast keine Feld hast, hast 
Du keine EMK, damit kommt da sofort wieder Strom rein.
Die Maschine bekommt bei Überdrehzahl zwei Probleme:
- der Kommutator bekommt starkes Bürstenfeuer, was zu einem Rundfeuer 
führen kann -> Kommutator muss überdreht werden oder ist hin.
- aus dem Rotor kommen durch die Fliehkräfte die Ankerwicklungen raus 
und verkeilen sich im Luftspalt -> dann gibts Bares beim Schrotthändler


Mal ein etwas theoretischer Ansatz:
Das Ersatzschaltbild einer DC-Masschine ist einfach die Klemmenspannung, 
dazu dann die Ankerinduktivität (rel klein!) und die EMK. Du bekommst 
also als Ständergleichung:

U1 = i*Ra + di/dt*La + emk

U1 ist hierbei die Klemmenspannung,
EMK die Läuferspannung,
i der Ankerstrom= Klemmenstrom.

Alle drei größen sind reine Gleichgrößen, da gibt es also keine 
Wechselspannung oä.

Die emk selber ist:

emk = n*psi ; n=Drehzahl, psi=fluss

Hier wird es langsam interessant, da es prinziepiell drei Methoden gibt 
den Fluss zu erzeugen:
- fremderregt: der Fluss wird durch eine eigene Stromquelle gespeisst, 
das ist heutzutage die gebräuchlichste Methode bei größeren Antrieben
- Nebenschlussmaschine, die Feldwicklung wird parallel zum Anker 
geschaltet, das ist mir noch nicht untergekommen
- Reihenschlussmaschine: die Feldwicklung liegt in Reihe zum Anker, das 
hat man früher so gemacht, Beispiel: Bahntechnik

Also Reihenschlussmaschine:
emk = n*psi = n  i  k; k ist eine Maschinenkonstante, i ist der 
Ankerstrom

Du kannst jetzt also die Ständergleichung mal erweitern:

U1 = Ra*i + La*di/dt + n*i*k ;

Jetzt musst Du anfangen die Gleichung nach n umzustellen un kommst dann 
auf

n = (U1 - Ra*i - La*di/dt) / (i*k);

Wenn Du jetzt den Strom mit null ansetzt, gibts schon die erste 
Polstelle.

Vieleicht ist das ganze so einfacher.

Deine Erklärungen mit dem Gegenstrom finde ich übrigens etwas unpassend, 
und auch fachlich etwas befremdlich.
Normalerweise gibt es eine Klemmenspannung und eine EMK, die EMK kann 
man auch als Gegenspannung bezeichnen. Wenn beide Spannungen gleich groß 
sind, gibts keinen Strom und damit auch kein Drehmoment.

Ansonsten ist das "durchgehen" von Reihenschlussmaschinen auch nur ein 
Problem von größeren DC-Maschinen mit entsprechen gutem Wirkungsgrad. In 
der theoretischen Betrachtung fehlen nämlich noch die Einsenverluste im 
Anker, Kommunierungsverluste durch den Kommutator und die Verluste 
etwaiger Lüfter auf der welle. Wenn diese Verluste groß genug sind, 
passiert auch nichts.

Ansonsten laufen Gleichstrommaschine heutzutage an einer gesteuerten 
Gleichspannungsquelle, üblicherweise nimm man hierfür vollgesteuerte B6 
Thyristorbrücken (B6C-Schaltung).


Mal aus Interesse: was studierst Du?

Autor: Der Student (Gast)
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Mal aus Interesse: was studierst Du?

Ich studiere Energietechnik im 3. Semester. Das Problem bei uns ist die 
Organisation bezüglich Elektrotechnik. Wir haben Elektrotechnik zwei mal 
also ETI und ETII. In ETI sollte eigentlich Gleichstrom und Wechselstrom 
behandelt werden, aber es wurde nur Gleichstrom behandelt und in ETII 
habe wir erst mit Wechselstrom angefangen. Eigentlich sollte aber in 
ETII Magnetische Felder etc.. behandelt werden. Da wir jetzt aber im 
dritten Semester auch Elektrische Maschinen haben, fehlt uns bischen das 
Verstädnis mit den Feldern etc.. Ich bringe mir das alles im 
Selbststudium bei was mir auch natürlich Spass macht, aber manchmal 
hänge ich an solchen Sachen.

Ich hoffe ich kann mir jetzt Kommentare wie: DU hast keine Ahnung, brich 
dein Studium ab oder sowas wie: Du bist total ungeeignet sowas zu 
studieren da du nichtmal das kapierst usw.. ersparen.

Man muss sich sowas leider in vielen Foren öfters reinziehen...

Vielen Dank für deine Erklärung und deine Mühe !

Wünsche dir ein schönes Wochenende.

Autor: Der Student (Gast)
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@ OR:

Kann ich eventuell deine E-Mail Adresse haben ? Gibt es da vielleicht 
eine Möglichkeit ?

Autor: Der Student (Gast)
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Vielleicht hab ich es ja jetzt verstanden:

Das Feld ist zwar geschwächt, also das B wird kleiner aber da das Feld 
geschwächt ist, wird die Gegen-EMK (Wird EMK überhaupt heute noch als 
Begriff benutzt ? Es ist doch eigentlich die Schreibweise von früher 
?!).

Wenn die Gegen-EMK Gerring ist, wird der Netzspannung ja wenig oder kaum 
gegenwirkt und der Strom im Anker erhöht sich.

Nach der Formel: Fl=B*i*l  wird dann F ja größer da i ansteigt, wobei 
das B wegen der Feldschwächung gerring ist, aber das Drehmoment wegen 
dem hohen Strom i dennoch groß ist. Das hohe Drehmoment sorgt für eine 
hohe Drehzahl. Also ist ein "Durchgehen" der Maschine möglich.

Also ist es eine Sache der Gewichtung von B und i. D.h. B ist zwar durch 
die Feldschwächung klein, aber das i ist groß, da  durch die 
Feldschwächung die erzeuge EMK GErring ist. Der Strom i ist aber so groß 
genug, dass ein hohes Drehmoment erzeugt werden kann.

Stimmt es jetzt so ? :-).

Autor: OR (Gast)
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Hallo,

naja, fast:)

Das Feld ist ja Stromproportional, Das Drehmoment ist Strom mal Feld, 
also ist das Dremoment letztendlich quadratisch dem Strom proportional.
Du hast schon richtig erkannt, dass in der Maschine immer Strom ist, 
solange eine Ständerspannung ansteht.

Zur Emk: der Begriff ist zumindest in der Praxis absolut gebräuchlich. 
Man kann auch innere Maschinenspannung sagen, dass ist dann aber länger.

Für einen Energietechnikstudenten im 3tem Semester passt das schon. Bis 
zum 6tem sollte es sitzen. Es gibt ja auch noch andere interessante 
Maschinen.

Falls es noch speziellere Fragen zur Antriebstechnik gibt, kann Du mich 
auch unter:

waschbaer42@gmx.de

kontaktieren.

Meine Spezialität sind Gleichstrommaschinen zwar nicht direkt, fürs 
Studium sollte es aber reichen.

Grüße
Oliver

Autor: Der Student (Gast)
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