Antriebe und Motoren

Schnelle Übersicht:

  • Grundprinzipien von E-Motoren
  • Synchron/Asynchronmotoren
  • Grundbegriffe: Drehfelddrehzahl, Nenndrehzahl, Schlupf
  • Motor-Typenschild interpretieren
  • Anlassverfahren, Bremsverfahren
  • Drehzahlsteuerung, FU, 87Hz-Betrieb
  • Betriebsarten, Isolierstoffklassen, Normmotoren
  • Motorschutz
  • DC-Motoren
  • H-Brücke
  • Schritt- und Servomotoren

Grundprinzipien von E-Motoren

Am Anfang steht das Verständnis der Grundprinzipien von Elektromotoren.
Voraussetzung dafür sind die physikalischen Grundlagen zum Thema Magnetismus (Kraft auf stromdurchflossene Leiter, Induktion, ...).
Es war also nicht unnötig, sich damit zu befassen ;-).

Einige Schulvideos zur Einführung finden sich hier!

Drehstrommotor-Grundlagen-20.pdf
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Zum Grundlagenverständnis ist dieses altere Video als Einstieg in das Thema sehr gut geeignet. Die prinzipielle Entstehung des Drehfeldes wird anschaulich und vereinfacht erklärt

Im zweiten (animierten) Video werden die physikalischen Vorgänge ausführlich und anschaulich erklärt:


Zwei Demos zu Drehfeldmotoren
Zu den Standard-Demos beim Thema Motoren gehört der Aufbau mit einem manuellen "Drehstrom-Generator". Dieser "baut" durch eine trickreiche Schaltung (durch Kurbel-Drehung verstellbare Widerstände) aus Gleichstrom ein 3-Phasen-Drehstromsystem zusammen. Die Frequenz ist dabei von der Kurbelgeschwindigkeit abhängig. Dies ist auch in der Realität so, wo die Netzfrequenz ebenfalls von der Drehzahl der Kraftwerksgeneratoren abhängt.
Zunächst sieht man einen Synchronmotor mit einem Permanent-Magnetläufer, bei dem die Läufer-Drehzahl der Drehzahl des äußeren Drehfeldes entspricht (synchron ist):


Im Fortsetzungs-Video kommt statt dem Permanent-Magnetläufer ein Induktionsläufer zum Einsatz. Wo liegt hier der Unterschied?
Wie schon im oberen animierten Video zu sehen ist, wird der für das Läufermagnetfeld nötige Strom hier durch Induktion erzeugt. Induktion setzt allerdings voraus, dass der Läufer und das Drehfeld unterschiedliche Drehzahlen haben. Wäre das nicht so, würde die Spule kein sich änderndes Magnetfeld "sehen" und dann auch keine Spannung induziert werden, kein Läuferstrom fließen.
Daher ergibt sich prinzipiell immer eine Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer.  Dies wird Schlupf genannt. Beide laufen also nicht "synchron", sondern eben "asynchron" zueinander.

Anlassen, Bremsen ... Drehzahl regeln...
Da Motoren ja nur in Ausnahmefällen ständig und mit konstanter Drehzahl in Betrieb sind (z.B: die Pumpenantriebe in Wasserwerken) müssen diese beschleunigt, abgebremst und in der Drehzahl geregelt werden.

Anlassverfahren.pdf
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Drehzahlsteuerung-20.pdf
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Bremsverfahren-2020.pdf
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Stern oder Dreieck? 230/400V ... 400/690V was denn nun?
Hier die Anfrage eines fleißigen Schülers ;-), der es genau wissen wollte.
Und die Antwort.

Anfrage-Antwort Stern-Dreieck.pdf
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87Hz am FU ... was soll denn das? Ergänzung, Hintergrund:
 
Ausgangspunkt, Ziel:
Die Motorleistung des Motors, der sonst nicht in Dreieckschaltung bei 400V/50Hz betrieben werden darf, soll über den Nennwert hinaus erhöht werden.
Und das geht so:

  1. Die Motorleistung ist grundsätzlich immer das Produkt aus Spannung und Strom
  2. Der Maximalstrom des Motors darf aber nicht überschritten werden!
  3. Um Leistungssteigerung zu erzielen, werden die Werte am FU so eingestellt, dass der Nennstrom (der sonst bei 230V fließen würde!) genau bei 400V erreicht wird.
  4. Da der Strom nun (gegenüber der Typenschildangabe bei 400V) um den Faktor 7,1A/4,1A (1,7) höher ist, ist auch die Leistung um das 1,7-fache höher.

Siehe hierzu die Zusammenfassung und die Diagramme im Dokument der Fa. Parker (Mit eigener Ergänzung am Schluss)

87Hz_Kennlinie.pdf
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Grundlegende Fachkunde
Was bedeutet S1, S2? Und was sind Isolierstofklassen? Was kennzeichnet Normmotoren?

Struktur-Auswahlkriterien-Schutzmaßnahme
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Gleichstrommotoren

Klassische Gleichstrommotoren hatten, bevor es den FU gab, gegenüber den DASM den klaren Vorteil, dass bei ihnen über die Spannung auf einfache Weise die Drehzahl eingestellt werden kann. Aufgrund der Robustheit und Wartungsfreundlichkeit der DASM sind sie inzwischen in vielen Bereichen durch Drehstrommotoren verdrängt worden.
Dennoch sollte man die grundlegenden Typen kennen.
Von Bedeutung sind jedoch weiterhin folgende mit Gleichstrom versorgte Motoren

  1. "Echte" DC-Motoren, bei denen über die so genannte H-Brücke Drehrichtung und Drehzahl (über PWM) eingestellt/geregelt werden kann.
  2. "Brushless-DC"-Motoren:
    Eigentlich ein Widerspruch in sich, da DC-Motoren eine Bürste zur Bestromung des Ankers benötigen. In diesem Fall haben wir es aber mit Motoren zu tun, die zwar von außen mit DC versorgt werden, intern aber mit mehr oder weniger aufwendiger Elektronik ein Drehfeld erzeugen und daher eben technisch gesehen Drehfeldmotoren sind.
    Hier sind vor allem Schritt- und Servomotoren von Bedeutung.

 

Animation zu DC-Motoren
Hier ist sehr gut zu sehen und erklärt, warum ein "echter" DC-Motor über mehrere Ankerwicklungen verfügt.

Gleichstrommotoren.pdf
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H-Brücke.pdf
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Animation zur PWM mit Erklärung des Tastgrades:

 

Synchron-Servo-Schrittmotoren.pdf
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Animation Schritt- Servomotoren
Schöne Animation der Fa. Nanotec über Schritt- und Servomotoren (Aufgaben dazu im Arbeitsblatt Synchron-Schritt-Servomotoren).
nanotec_schrittmotor_de.zip
Komprimiertes Archiv im ZIP Format 4.4 MB

Übungs- und Wiederholungsaufgaben

Hier ist nochmal komprimiert alles zusammengefasst, was man so wissen sollte.

Übungsaufgabe-Motoren.pdf
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Wiederholungsaufgaben Antriebe.pdf
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