Kurzbeschreibung

In dieser Anleitung wird ein "virtuelles Experiment" zur Kennlinienaufnahme einer Asynchronmaschine beschrieben.
Die Durchführung des Experimentes ist als Video hinterlegt und mit real erzeugten Messwerten verknüpft.
Zur Durchführung sind keine Geräte notwendig.

Folgende Themen werden bearbeitet:

• Ermittlung des Nennbetriebpunktes auf der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.
• Bestimmung des Kippmoments des Motors.
• Bestimmung des Anlaufstroms des Motors.

Hinweise zum Experimenteinsatz

Vorkenntnisse

Die Lernenden müssen folgende Vorkenntnisse haben:

• Erkennung von Asynchronmaschinen in Zeichnungen.
• Grundprinzipien einer Asynchronmaschine.
• Schaltpläne mit 3 Phasensystemen.
• Entwurf von Messschaltungen für die Strom-, Drehmoment-, Drehzahl- und Spannungsmessung.
• Mathematische Grundgleichungen der Asynchronmaschine.

Versuchsziele

Die Lernenden sollen

• die Tn-Kennlinie im motorischen Betrieb aufnehmen,
• die Nennwerte vom Typenschild und gemessene Nennwerte miteinander vergleichen,
• das Kippmoment und den Anlaufstrom bestimmen.

Beschreibung des Experimentiereinsatzes

• Es handelt sich um ein virtuelles Experment, welches jeder Lernende einzelnen und eigenständig durchgeführen sollte.
• Der Versuch eignet sich auch als Demostrationsexperiment, muss dafür jedoch modifiziert werden.

Einleitung

Diese virtuelle Experiment dient zur Analyse der Drehmomentes und der zugehörigen Ströme beim Anlaufen eines Asynchonmotors. Folgende Kenngrößen werden experimentell ermittelt und mit den Nenngrößen verglichen:

• der Nennbetriebspunkt eines Dreiphasen-Asynchronmotors mit Käfigläufer auf der Tn-Kennlinie (Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie),
• das Kippmoment und Anlaufmoment anhand der Tn-Kennlinie und  
• der Anlaufstrom I der aus Strommessung über die Drehzahl.

Damit werden die Grundlagen vermittelt, die die richtige Auswahl des passenden elektrischen Antriebs für eine technische Anwendung ermöglichen.

Material

Folgendes Material wurde für den Aufbau eingesetzt. Zusätzliche Kabel wurden nicht aufgezählt.

Aufbau

Der Aufbau des virtuellen Experimetes wurde wie folgt durchgeführt.

1. Das Maschinen Test CASSY, die Kontrolleinheit und die Temperaturüberwachung sowie der Motorschutzschalter wurde wie in Abbildung 1 angeschlossen:

1. Prüfen Sie, ob der Aufbau des Maschinenpfades der nachfolgenden Schaltung der in Abbildung 2 entspricht:

1. Ergänzen Sie die Kennwerte vom Typenschild des Motor in folgender Tabelle.

   Diese Wert werden für die Berechungen in der Versuchsauswertung benötigt.

1. Berechnen Sie aus den Werten der Nennleistung P_N und der Nenndrehzahl n_N das Nenndrehmoment T_N der Maschine mithilfe folgender Formel:

   T_N = P_N·9,55:n_N Hinweis: T_N = P_N:2π·n_N kann alternativ genutzt werden.

T_N = ·9,55: =

1. Starten sie nun das Aufbau-Video und überpüfen Sie den Aufbau mit der Materialliste.

Durchführung

1. Schalten Sie auf Ihrem Endgerät den Ton ein, damit Sie die Maschinengeräusche wahrnehmen können.

   Hinweis: Falls Sie Kopfhörer nutzen, stelle Sie diese bitte auf mittlere Lautstärke.

2. Starten Sie nun den Versuch erstmalig, indem Sie das folgende Video abspielen und beboachten Sie den Versuch.

Beobachtung und Messergebnisse

1. Starten Sie mit dem folgenden Video den Versuch neu und bebachten Sie das zugehörige Diagramm.

   Hinweis: Scrollen Sie auf das Diagramm der Drehmomentanalyse, um die Messkurve zu sehen.

Auswertung

Drehmomentanalyse

1. Ermitteln Sie mit Hilfe der Schieberegler folgende Kenngrößen aus dem Diagramm der Abbildung 4:
   • Maximales Drehmoment T_M,max (Kippmoment T_b):

   • Nennarbeitspunkt des Motors bei der Drehzahl n_M, mit der der Motor bei anliegendem Nenndrehmoment dreht:

2. Vergleichen Sie die gemessene Drehzahl n_M mit der Nenndrehzahl .

   Weicht die ermittelte Drehzahl n_M von der Nenndrehzahl n_N ab? Falls ja, beschreiben Sie die Ursache der Abweichung?

   Falls die ermittelte Drehzahl von der Nenndrehzahl abweicht, kann das verschiedene Gründe haben:

   Zum Einen können Messtoleranzen des Drehmomentes T_M oder Toleranzen der Maschine zu Abweichungen führen.

   Zum Anderen ist es möglich, dass der Motor noch nicht die Nenntemperatur erreicht und deswegen eine Abweichung von der Nenndrehzahl n_N bei Nenndrehmoment T_N verursacht.

   Hinweis: Kennlinie trifft nur unter Nennkonditionen zu.

3. Erläutern Sie, warum sich sich die Messreihen im 1. Quadranten und nicht im 2. oder 4. Quadranten befindet?

   Beachten Sie die Vorzeichen von Drehmoment und Drehzahl und betrachten Sie dabei die Leistung der Maschine:

   P_N ~ T_N · n_N.

   Im 1. Quadranten sind Drehzahl und Drehmoment positiv, sodass die Maschine im motorischen Betrieb läuft. Im 3. Quadranten sind Drehzahl und Drehmoment negativ, sodass die Maschine sich ebenfalls im motorischen Betrieb befindet. Bei Quadrant 2 und 4 handelt es sich um den generatorischen Betrieb.

Stromanalyse

1. Ermitteln Sie mithilfe der Schiebereglers folgende Kenndaten aus dem Diagramm Abbildung 5:
   • Motorstrom I_M bei der Nenndrehzahl von .

     Der Schieberegler für die Nenndrehzahl n_N dient Ihnen dabei als Hilfe.

   • Motorstrom I_M(n_N):
   • Anlaufstrom I:
2. Vergleichen Sie den gemessenen Motorstrom I_M(n_N) mit dem Nennstrom I_N. Was fällt Ihnen auf?

   Der gemessene Strom I_M bei Nenndrehzahl n_N kann leicht von dem auf dem Typenschild angegebenen Nennstrom I_N abweichen. Dies liegt wie zuvor beim Nenndrehmoment daran, dass sowohl Messtoleranzen vorliegen als auch die Nenntemperatur des Motors noch nicht erreicht ist.

3. Darf der Motor dauerhaft mit dem gemessenen Nennstrom I_M betrieben werden?

   Ja, da der gemessene Strom I_M bei Nenndrehzahl kleiner ist als der Nennstrom I_N, der auf dem Typenschild angegeben ist.

4. Vergleichen Sie den Anlaufstrom I mit dem Nennstrom I_N. Um welchen Faktor k_I ist der Anlaufstrom größer als der Nennstrom nach der Formel:

   k_I = I:I_N = : =

Schlussfolgerung

1. Darf der Motor im Dauerbetrieb mit dem Kippdrehmoment T_b betrieben werden? Beachten Sie dabei, dass das Drehmoment proportional zum Strom ist: T ~ I.

   Nein. Dieser Arbeitspunkt ist im Dauerbetrieb unzulässig, da der Strom durch die Wicklungen größer als der Nennstrom I_N ist und damit ein Motorschaden nicht ausgeschlossen werden kann.

2. Ist der Motor für dynamische Vorgänge geeignet, bei denen der Motor häufig aus dem Stillstand bis zur Nenndrehzahl fahren muss? Betrachten Sie dazu das Verhältnis von Anlaufsstrom I und Nennstrom I_N.

   Nein, der Motor ist nicht geeignet, da der Anlaufstrom nahezu um den Faktor 3 größer ist als der Nennstrom und ein Motorschaden damit nicht ausgeschlossen werden kann.