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EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK
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Kapitel 20
Elektrische Maschinen
Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn
055 - 654 12 87
Ausgabe: September 2009
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 2 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
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Inhaltsverzeichnis
20 ELEKTRISCHE MASCHINEN
20.1 Motor und Generatorprinzip
20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule
20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen
20.1.3 Anschluss von Motor und Generator
20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren
20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen
20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors
20.3.2 Nebenschluss
20.3.3 Reihenschluss
20.3.4 Doppelschluss
20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen
20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren
20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas
20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren
20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren
20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren
20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung
20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen
20.5.1 Entstehung der Drehfelddrehzahl 20.5.2 Entstehung des Drehfeldes am Motor 20.5.3 Synchron- und Asynchrondrehzahl am Motor 20.5.4 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie
20.5.5 Schädliche Einflüsse von Motoren
20.5.6 Einphasenwechselstrommotoren
20.5.7 Drehstromasynchronmotor 20.5.8 Schaltung der Drehstromständerwicklungen
20.5.9 Drehrichtung von Drehstrommotoren
20.5.10 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren
20.5.11 Bemessung Drehstrommotoren
20.6 Schutz von Drehstrommotoren
20.7 Schalten von Drehstrommotoren
20.8 Anlassverfahren von Drehstrommotoren
20.8.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.2 Anlassverfahren mit Drossel 20.8.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung
20.8.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen
20.8.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser 20.8.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo
20.8.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung
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20.9 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren
20.9.1 Berechnung der Synchrondrehzahl 20.9.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl 20.9.3 Schema einer Polumschaltung
20.9.4 Dalanderschaltung
20.10 Kraftwerke
20.10.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion
20.10.2 Funktionsweise eines Generators
20.10.3 Kernkraftwerk
20.10.4 Wasserkraftwerk
20.10.5 Windkraftwerk
20.10.6 Solarkraftwerk
20.10.7 Biomassekraftwerk
20.10.8 Geothermiekraftwerk
20.10.9 Gezeitenkraftwerk
20.10.10 Die Stromproduktion von morgen
20.10.11 Die Speicher der Zukunft
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20 Elektrische Maschinen
20.1 Motor und Generatorprinzip
20.1.1 Richtung des induzierten Stromes einer Spule Ausschalten des Spulenstromes Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?
Einschalten des Spulenstromes Ein beweglicher Kupferring befindet sich neben einer Spule, die von einem Strom in der eingezeichneten Richtung durchflossen wird. Wie bewegt sich der Kupferring beim Ausschalten des Spulenstromes?
Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein. Die Kraftrichtung im Kupferring ist einzuzeichnen.
Zeichnen Sie die Stromrichtung (ROT) im Kupferring ein. Tragen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) für die Spule und den Ring in die Zeichnung ein. Die Kraftrichtung im Kupferring ist einzuzeichnen.
Bewegung des Ringes Anziehung Bewegung des Ringes Abstossung
20.1.2 Unterschied der elektrischen Maschinen Zeichnen Sie den Fedlinienverlauf (GRÜN) und die Drehrichtung der Leiterschleife ein.
N
S
Zeichnen Sie den Feldlinienverlauf (GRÜN) und Stromrichtung der Leiterschleife für die vorgegebene Drehrichtung ein.
N
S
Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?
Motor
Um welche Art von elektrischer Maschine handelt es sich hierbei?
Generator
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 5 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 1 MOTOR- UND GENERATORPRINZIP
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20.1.3 Anschluss von Motor und Generator Motor Verbinden Sie die Spannungsquelle mit dem Rotor so, dass sich die Leiterschleife rechts dreht. Es sind vorher noch die Magnetpole des Stators festzulegen. Zeichnen Sie die Stromrichtung in der Leiterschleife ein. Bezeichnen Sie die Pole des Ständerfeldes.
Generator Tragen Sie die Drehrichtung der Leiterschleife ein, wenn der Generatorstrom in der eingezeichneten Richtung fliesst. Bezeichnen Sie vorher noch die Pole des Ständerfeldes.
Die verwendeten Regeln und resultierenden Formeln sind so genau wie notwendig aber so genau wie möglich aufzuschreiben!
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20.2 Übersicht Gleich- und Wechselstrommotoren
Motoren
Wechselstromotoren Gleichstrommotoren
Dreiphasen-Wechselstrom
Einphasen-
Wechselstrom
Syn
chro
nm
asch
ine
Asy
nch
ron
mas
chin
en (
Ku
rzsc
hlu
sslä
ufe
r)
S
chle
ifri
ng
läu
fer
Po
lum
sch
altb
are
Mo
tore
n
Lin
earm
oto
r
Un
iver
salm
asch
ine
Ko
nd
ensa
torm
oto
r
Sch
ritt
mo
tor
Rei
hen
sch
luss
mas
chin
e
Neb
ensc
hlu
ssm
asch
ine
Do
pp
elsc
hlu
ssm
oto
r
Ver
bu
nd
mas
chin
e
Co
mp
ou
nd
mo
tor
Fre
md
erre
gte
Mas
chin
e
Sch
eben
läu
fer
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20.3 Gleichstrommotoren Grundschaltungen
20.3.1 Explosionszeichnung eines Gleichstrommotors Für die Bestellung von Ersatzteilen ist es wixhtig, deren genaue Bezeichnung anzugeben.
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20.3.2 Nebenschluss Nachfolgend sind die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Nebenschluss (E)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Regelungsaufgaben
A1
A2
M
=
Feld
Anker
IA
UA
Anschluss
M
n
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
UA=konst
M
IA
Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie
A1
Anschluss Klemmenbrett
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20.3.3 Reihenschluss Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Reihenschluss (D)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Traktionsaufgaben
Bemerkung Besitzt ein grosses
Anzugsmoment
A1
A2
M
=
Anker
Feld IA
Anschluss (Laststrom und Erregerstrom
sind gleich goss)
nU
M~
M
n
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
IA ~ M2
M
IA
Ankerstrom-Drehmoment- Kennlinie
A1
Anschluss Klemmenbrett
Beim Hauptschuss- oder Seriemotor sind die Hauptpole in Serie zum Ankerkreis geschaltet, demnach ist das Magnetfeld vom Belastungsstrom abhängig.
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20.3.4 Doppelschluss Nachfolgend ist die Schaltungen zu verdrahten wie auch Drehrichtung und Schaltungsart sind anzugeben.
Schaltungsart Doppelschluss (E,D)
Drehrichtung Rechts
Anwendung Nur bei gesteuerten
Antrieben
Bemerkung Beeinflussung der
lastabhängigen
Drehzahländerung
A1
A2
M
=
-
-
+
Anker
+
Wendepole
IA FeldKompund
Anschluss (Mitkompoundschaltung)
M
Doppelschluss
Nebenschlussn
Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie
Durch die Kompoundschaltung verliert die Momentenkenlinie ihre proportionalität zum
Laststrom
A1
Anschluss Klemmenbrett
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20.3.5 Bezeichnung der Wicklungen
Beschreibung
Kennbuchstaben Bemerkung
Anker, Ankerwicklung A1 – A2 Anker
Wendepolwicklung B1 - B2 einteilig
Kompensationswicklung (Compound) C1 – C2 einteilig
Reihenschlusswicklung D1 – D2 Hauptschlusserregerwicklung
Nebenschlusswicklung (Selbsterregung) E1 – E2 Nebenschlusseregerwicklung
Fremderregter Motor F1 – F2 einteilig Erregerwicklung
Hilfswicklung H1 – H2 in der Längsachse
Hilfswicklung J1 – J2 in der Querachse
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20.4 Gleichstrommotoren Anlassverfahren Das Problem des hohen Anlaufstromes von Gleichstrommotoren und deren Drehzahlsteuerung wird durch den Einsatz eines Anlassers bzw. Feldanlassers gelöst. Anlasser Feldstellanlasser
Der Unterschied und die Gemeinsamkeiten sind nachfolgend dargestellt.
Beschreibung der Verwendung Anlasser Feldstellanlasser
Reihenschlussmotor Ja Ja
Nebenschlussmotor Ja Ja
Doppelschlussmotor Ja Ja
Fremderregter Motor Ja Ja
Geeignet zum Anlassen Ja Ja
Geeignet zur Dehzahlsteuerung Ja Ja
Drehzahlsteuerung über der Nenndrehzahl Nein Ja
Drehzahlsteuerung unter der Nenndrehzahl Ja Ja
Betriebsdauer Kurzfristig Dauernd
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20.4.1 Klemmenbrett und Anschlussschemas
Nebenschluss ohne Wendepole
A1
A2
M
=
+ -
Nebenschluss ohne Wendepole
A1
A2
M
=
+ -
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf
Nebenschluss mit Wendepole
A1
A2
M
=
+ -
Nebenschluss mit Wendepole
A1
A2
M
=
+ -
A1
Linkslauf
A1
Rechts
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Reihenschluss
ohne Wendepole
A1
A2
M
=
+-
Reihenschluss ohne Wendepole
A1
A2
M
=
+-
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf
Reihenschluss mit Wendepole
A1
A2
M
=
+-
Reihenschluss mit Wendepole
A1
A2
M
=
+-
A1
Linkslauf
A1
Rechts
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Doppelschluss
ohne Wendepole mit Drehzahlregelung
A1
A2
M
=
+ -
Doppelschluss ohne Wendepole
mit Anlaufstrombegrenzung
A1
A2
M
=
+ -
A1
Linkslauf
A1
Rechtslauf
Doppelschluss mit Wendepole, Drehzahlregelung und
Anlaufstrombegrenzung
A1
A2
M
=
+ -
Doppelschluss mit Wendepole
und Drehzahlregelung
A1
A2
M
=
+ -
A1
Linkslauf
A1
Rechts
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20.4.2 Klemmenbelegung von Gleichstrommotoren
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20.4.3 Eigenschaften, Einsatz Gleichstrommotoren
Motorenart
Drehzahlkennlinie
Drehmoment Anlaufstrom Anwendung Begründung
Reihenschlussmotor (Seriemotor)
Grosses Anlaufmoment
fi
ARR
UI
+=
Widerstände in Serie
Elektro-Fahrzeuge Akkuschrauber
Hohes Anlaufdrehmoment, einfache Drehzahlsteuerung
Nebenschlussmotor
Relativ konstant
fi
AR
U
R
UI +=
Widerstände parallel
Werkzeug- Maschinen
Fremderregter Motor, Drehzahl relativ konstant bei vollem Drehmoment
i
AR
UI =
Seilbahn, Kran Geringe Drezahländerung
bei Laständerung, Drehzahlsteuerung über Erregerfeldstrom oder
Ankerspannung
M
Doppelschluss
Nebenschlussn
Doppelschlussmotor
Zwischen Reihen- und Nebenschlussmotor
fsfsi
AR
U
RR
UI +
+=
Stanzen, Walzwerk- Maschinen
Wird fast nicht
mehr eingesetzt!
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20.4.4 Bemessung Gleichstrommotoren Zusammenfassung Es wird die Anlaßzeit und die erforderliche Wärmekapazität des Anlaßwiderstandes für Nebenschluß- und Hauptschlußmotoren berechnet. Bei den letzteren wird Proportionalität zwischen Kraftfluß und Strom vorausgesetzt, um den Unterschied gegen den Nebenschlußmotor deutlicher zu machen. Die Untersuchungen werden für Stufenanlasser durchgeführt und durch Grenzübergang die entsprechenden Größen für stetiges Anlassen bestimmt. In Zahlenbeispielen wird der Unterschied im Verhalten der beiden Motoren gezeigt und die Größenordnung der Anlaßzeit und der Kapazität berechnet. Für die letztere wird außerdem ein Vergleich der abgeleiteten Formel mit der sonst üblichen gezogen. Ferner werden die beim Anlassen auftretenden Energiemengen graphisch dargestellt, berechnet und miteinander verglichen. Schließlich wird der Anlaßwirkungsgrad abgeleitet und für verschiedene Fälle zahlenmäßig berechnet.
Reihenschlussmotor
(interne Verschaltung)
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20.4.5 Die Ward-Leonard-Schaltung Bemerkungen Die Ward-Leonard Schaltung ermöglicht eine feinstufige und verlustarme Drehzahlregulierung für Gleichstrom-Motoren mit hohem Drehmoment. Vorteile Die Drehzahl und die Leistung können feinstufig im Bereich von 1:20 bie 1:100 reguliert werden. Keine Anlasswiderstände sind notwendig. Somit wird auch keine Energie unnötig vernichtet. Der Erregerstrom, mit dem die Maschinen reguliert werden, beträgt lediglich ca. 2 - 5% des Wirkleistungs-Stromes. Im Weiteren ist die Möglichkeit der Nutzbremsung zu ewähnen. Nachteil Zum Betreiben des GL-Motors, muss Gleichstromenergie aufgebaut werden, entweder mittels eines rotierenden oder eines statischen Umformers. Anwendung Antriebe von Seilbahnen, Aufzügen, Papiermaschinen, in Walzwerken und Kranen.
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20.5 Wechselstrommotoren Schaltungen
20.5.1 Entstehung der Drehfelddrehzahl Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl lautet wir folgt: Wenn sich in einem Stator mit Drehstromwicklung ein Magnetfeld dreht, wird in dieser Wicklung ein Drehstrom erzeugt. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl, damit die geforderte Netzfrequenz entsteht, lautet wir folgt:
p
fnN
60⋅=
Nn Notwendige Drehzahl Generator,
Drehfeld- bzw. Netzdrehzahl ][min1−
p Polpaarzahl ][−
Einige der derzeit größten Synchrongeneratoren im Brasilianischen Kraftwerk Itaipu besitzt eine Nennleistung von 700 MW und ist so groß (d = 16m), dass in seinem Stator ein Orchester Platz findet.
20.5.2 Entstehung des Drehfeldes am Motor Die nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen aufbau des Ständers (Stator) eines Drehstrommotors und das Liniendiagramm der Motorströme.
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20.5.3 Synchron- und Asynchrondrehzahl am Motor
Synchrondrehzahl Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld. Besteht der Rotor aus einem Dauermagneten oder aus Elektromagneten läuft der Rotor mit synchroner Drehzahl zur Netzdrehzahl.
p
fn
601
⋅=
Asynchrondrehzahl Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschlussläufern und werden überwiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl ist oben berechnet worden. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt berechnet:
−=
%
snn %
10011
Snnn +=1
Sn Schlupfdrehzahl ][min1−
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Aufgabe Berechnen Sie den Schlupf und die Schlupfdrehzahl aus dem abgebildeten Klemmenbrett! Typ
3 ~ Mot Nr. 1981
����380 V 2 A 1 kW cosϕ 0,85
1450 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
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20.5.4 Drehstrom-Asynchronmotor – Drehmoment-Drehzahlkennlinie
%M
aM
kM%M
aM
kM
1n
300
200
100c
dM
bM
b
a
100%50%
nMM
Die Kennlinie )n(fM = ist vom Motortyp und von der Ausführung des Rotors abhängig.
gM Gegenmoment der Maschine ]Nm[
a Erforderliches Antriebsmoment einer unbelastet anlaufenden Drehmaschine
b Erforderliches Antriebsmoment eines anlaufenden Kompressors
bM Beschleunigungsmoment ]Nm[
dM Durchzug- oder Sattelmoment ]Nm[
kM Höchstdrehmoment oder Kippsmoment ]Nm[
aM Anzugsmoment ]Nm[
%M Drehmoment in % des Nenndrehmoments ]Nm[
1n Drehfelddrehzahl bzw,
Leerlaufdrehzahl min]/[1 n Betriebsdrehzahl min]/[1
20.5.4.1 Nutenbild des Doppelkäfigankers
Unterschiedliche Nutenformen im Vergleich
20.5.4.2 Drehmomentkennlinie von verschiedenen Käfigankerausführungen
1n1n
nM Nenndrehmoment ]Nm[
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20.5.4.3 Drehmomentverlauf und Stromverlauf eines Käfigankermotors Unterschiedliche Materialien im vergleich
20.5.5 Schädliche Einflüsse von Motoren Alle elektrischen Betriebsmittel müssen so ausgewählt werden, dass sie keine nachteiligen Einflüsse auf andere Betriebsmittel verursachen oder die Stromversorgung in normalem Betrieb, einschliesslich Schaltvorgänge, beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang sind Kenngrössen, die einen Einfluss haben können: • Leistungsfaktor; • Einschalt- oder Anlaufstrom; • unsymmetrische Last; • Oberschwingungen und • transiente Überspannungen, die durch Betriebsmittel in der Anlage erzeugt
werden.
NIN 1.3.3.4.1
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20.5.6 Einphasenwechselstrommotoren 20.5.6.1 Universalmotor Der Universalmotor ist eine einfache Form des Wechselstrommotors, dessen Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Dieser Motor eignet sich für alle Geräte und Werkzeuge des täglichen Gebrauchs, da er auf Grund der hohen Drehzahlen einen kleinen Bauraum benötigt und ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt. Seine Drehzahl und Leistung kann über Phasenanschnitt verstellt werden. Diese Motoren werden heute mit Leistungen bis 2300 W produziert.
Um Asynchronmotoren an einphasigen Wechselstrom selbstständig anlaufen zu lassen, benötigen sie ein selbsterzeugtes Drehfeld (zum Hauptfeld phasenverschobenes Feld). Dies geschieht durch einen Kondensator oder eine Kurzschlusswicklung (Spaltpolmotor). In beiden Fällen können die Hilfsphasen nach dem Anlauf abschaltbar sein (von Hand, mit einem Zeitrelais, mit einem Magnetschalter mit einem Bimetallschalter oder mit einem Fliehkraftschalter der an der Belüftungsseite des Motors auf der Welle befestigt ist und bei Nenndrehzahl den Anlaufkondensator ausschaltet.
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20.5.6.2 Kondensatormotor Der Kondensatormotor ist ein Elektromotor und zählt zu den Asynchronmotoren. Wie diese besitzt er einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer), in dem durch ein vom Stator erzeugtes elliptisches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Im Unterschied zu mit Drehstrom gespeisten Asynchronmotoren läuft der Kondensatormotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom. Beim Kondensatormotor wird die Hauptwicklung direkt an das Stromnetz angeschlossen und eine Hilfswicklung über einen Kondensator in Reihe ans Netz geschaltet. Es entsteht ein elliptisches Drehfeld, das zwar zum Anlaufen des Motors ausreicht, die Laufruhe aber beeinträchtigt. Für höhere Anlaufmomente werden Anlaufkondensatoren (oft unipolare Elektrolytkondensatoren) verwendet, die bei Nenndrehzahl zum Beispiel durch einen Fliehkraft- oder Magnetschalter wieder vom Stromkreis getrennt werden müssen.
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20.5.6.3 Steinmetzschaltung Die Steinmetzschaltung, benannt nach Charles P. Steinmetz, ist eine elektrische Schaltung, mit der Drehstrom-Asynchronmotoren für den Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz angepasst werden können. Die Schaltung wird nur bei kleineren Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer bis 2 kW angewendet. Auch Drehstromasynchronmaschinen können am einphasigen Netz betrieben werden, wenn sie mit Kondensatoren beschaltet werden (siehe Steinmetzschaltung).
kW
FPC
µ70⋅≈
Dreieckschaltung
Sternschaltung
Halbsternschaltung
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20.5.7 Drehstromasynchronmotor
Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer Einphasen-Käfigankermotor mit eingebautem Zentrifugalschalter, aufgebautem Kondensator und aussenventiliert.
Schleifringläufer Drehstrommotor
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20.5.7.1 Explosionszeichnung eines Drehstromasynchronmotors
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20.5.7.2 Aufbau des Läufers
Welle
Blechpakete
Stäbe
Kurzschlussringe
Zahnradübersetzung
Klemmenbrett
Lüftung
Lagerung
1
42 3
5
8
6
7
7
Der Läufer besteht aus der Welle, dem Blechpaket, den Stäben in den Nuten des Blechpaketes und den Kurzschlussringen.
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20.5.7.3 Käfigaufbau Beantworten Sie folgende Fragen: 1. Woher kommt die Bezeichnung Käfigläufer oder Kurzschlussläufer?
- vom Aussehen der Läufer (Käfig)
- die Leiterstäbe sind kurzgeschlossen 2. Warum sind die Läuferstäbe schräg gestellt?
Damit das Drehmoment von der Läuferstellung unabhängig ist
3. Begründen Sie, warum der Käfigläufer als besonders verschleissarm gilt.
Er hat keine elektrische Verschleissteile wie Bürsten, Bürsten-
Halterung und Verbindungselemente.
Bild eines Käfigläufers
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20.5.8 Schaltung der Drehstromständerwicklungen
20.5.8.1 Sternschaltung
L1 L2 L3
U2
V1 W1U1
V2W2
Drehstrommotoren werden an die aussenleiter L1,L2,L3 angeschlossen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wicklungsstränge miteinander zu verbinden. • Die Dreieckschaltung • Die sternschaltung
20.5.8.2 Dreieckschaltung
L1 L2 L3
U2
V1 W1U1
V2W2
Merke Die Betriebsschaltung eines Drehstrommotors kann die Stern- oder Dreieckschaltung sein, bei Stern-Dreieck-Anlauf muss es die Betriebsspannung die Dreieckschaltung sein. Die Betriebsspannung eines Drehstrommotors ist die Aussenleiterspannung des Netzes.
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20.5.8.3 Betriebsschaltung von Drehstrommotoren Die Betriebsschaltung ist auf dem Leistungsschild des Motors angegeben.
Typ
3 ~ Mot Nr. 1981
����380 V 2 A 1 kW cosϕ 0,85
1450 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
20.5.8.4 Gebräuchliche Betriebsschaltungen
Wicklungsausführung Maximale Nennspannung der Wicklung
[V]
Mit Käfigläufer
bei 50 Hz
für direktes Einschalten ohne Schleifringläufer
für Y/� Anlauf
geeignet?
220 � 380 Y
220 � 220 � 380 Y
nein
230 � 400 Y
230 � 230 � 400 Y
nein
380 Y 380 �
380 � 690 Y 380 �
ja
400 Y 400 �
400 � 690 Y 400 �
ja
500 Y 500 �
500 � 866 Y 500 �
ja
380/660 Y 380 � 380 � 660 Y
ja
400 �/690 Y 400 � 400 � 690 Y
ja
660 Y 660 �
660 � 660 Y 660 �
ja
690 Y 690 �
690 � 690 Y 690 �
ja
Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 34 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 9 DREHRICHTUNG DREHSTROMMOTOREN
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Version 3
20.5.9 Drehrichtung von Drehstrommotoren
Sternschaltung Nr. 1
Der Drehstrommotoren soll für beide Drehrichtungen in Sternschaltung angeschlossen werden.
V1U1 W1
W2 U2 V2
L1
Aufgabe Zeichnen Sie die notwendigen Brücken in die zwei dargestellten Motorklemmenbretter ein. Vervollständigen Sie die Leiterbezeichnungen, bei Nr. 1 für Linksdrehung und bei Zweiten Klemmenbrett für Rechtsdrehung.
Sternschaltung Nr. 2
V1U1 W1
W2 U2 V2
L1
Drehfeldanzeiger
Mit dem abgebildeten Messgerät lässt sich die Phasenfolge der Aussenleiter schnell und einfach feststellen.
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 35 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 10 SPANNUNGSUMSCHALTBARE MOTOREN
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20.5.10 Spannungsumschaltbare Drehstrommotoren Drehstrommotoren, die in Netzen mit verschiedenen Spannungen (z.B. 220 V, 380 V, 440 V) und mit konstanter Leistung betrieben werden können, haben unterteilte Wicklungsstränge. Die beiden Stranghälften können wahlweise in Reihe (Serie) oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden. In den nachfolgenden Schaltungen sind die Verbindungen in den Klemmenbrettern zu ergänzen und die Schaltungen sind zu bezeichnen.
Wicklung Nenn-
spannung Motorenklemmenbrett
Schaltungs-bezeichnung
U5
U2
U1
U6
V1V2
V5V6
W1
W2
W5
W6
230 V
V1U2
U1
V2 W1
W2
W5
W6U5
U6V5
V6
Dreieck
U1
U2
U5
U6
V1
V2
V5
V6
W1
W2W5
W6
400 V
V1U2
U1
V2 W1
W2
W5
W6U5
U6V5
V6
Stern
U1
U2
U5
U6
V1
V2V5
V6
W1
W2W5
W6
690V
V1U2
U1
V2 W1
W2
W5
W6U5
U6V5
V6
Stern
U1
U2
U5
U6
V1V2V5V6
W1
W2
W5
W6
400 V
V1U2
U1
V2 W1
W2
W5
W6U5
U6V5
V6
Dreieck
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 36 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 5 WECHSELSTROMMOTOREN SCHALTUNGEN 11 BEMESSUNG DREHSTROMMOTOREN
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20.5.11 Bemessung Drehstrommotoren Der Motorschutzschalter muss auf den Nennstrom (thermischen Auslösestrom) des zu schützenden Motores eingestellt werden. Für die Bestimmung des Motor-Nennstromes (IN) können folgende Berechnungsgrundlagen verwendet werden.
Beispiel Beschreibung Technische Daten
Berechnungs-Grundlage
Ventilator
Einphasiger Asynchronmotor Faustformel I P
N= ⋅6 2 2,
P kW2 12= ,
η = o,84 cos ,ϕ = o 83 U x V= 1 230
IP
UN=
⋅ ⋅
2
η ϕcos
IN
=⋅ ⋅
=1200
230 0 84 0 83, ,I AN
= 7 48,
Pumpe
Dreiphasiger Asynchronmotor
P kW2 4 0= ,
η = o,87 cos ,ϕ = o 82 U x V= 3 400
IP
UN
=⋅ ⋅ ⋅
2
3 η ϕcos
IN
=⋅ ⋅ ⋅
=4000
3 400 0 87 0 82, ,I AN
= 8 09,
Kompressor
Dreiphasiger Asynchronmotor Der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad sind unbekannt
P kW2 4 0= ,
U x V= 3 400 Faustformel I PN
= ⋅2 2
I AN
= ⋅ =2 4 8
Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dadurch, dass die Spulenwicklungen sowohl des Rotors als auch des Ständers (oder "Stators") in einen entsprechend geformten Eisenkern gebettet werden. Die Permeabilität des Eisens führt zu einer Vervielfachung des Magnetflusses und daher auch der wirkenden Antriebskräfte und Drehmomente. Für die praktische Ausführung werden die Eisenkern-Querschnitte stets aus dünnem und isoliertem Dynamoblech gestanzt und zum kompakten Kern zusammengesetzt. Dies geschieht, um (wie beim Transformator) im Eisenkern auftretende Wirbelströme und die durch sie bedingten Verluste abzuschwächen. Die Wicklungs-Nuten im Rotor-Eisenkern von Asynchronmotoren werden in der Fertigung der Einfachheit halber mit Aluminium so ausgegossen, dass am äußeren Umfang des Eisenkerns ein elektrisch kurzgeschlossener Aluminium-Leiterkäfig entsteht. Bei diesem Gießvorgang werden meist auch gleich Kühllüfterflügel mit angegossen.
Dreiphasen
Asynchron-Motor
Typ
3 ~ Nr. 1961
Y400 V 12,9 A 5,5 kW cosϕ 0,75
1480 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
Leistungsschild
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 37 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 6 SCHUTZ VON WECHSELSTROMMOTOREN
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Version 3
20.6 Schutz von Drehstrommotoren Motorschutzschalter werden vor allem für dreiphasige Drehstrommotoren hergestellt. Bei dieser Ausführung des Motorschutzes erfolgt eine ODER-verknüpfte Auslösung durch Überwachung der Ströme in den drei Zuleitungen (stromabhängige Schutzeinrichtung). Die Überwachung kann thermisch-mechanisch (Bimetall), thermisch-elektronisch (PTC) oder elektronisch (Strommessung) realisiert sein. Drehstrommotoren sollten nur über geeignete Motorschutzschalter oder Motorschutzrelais an das Stromnetz angeschlossen werden, um Schäden • durch Überlast oder • Ausfall eines Außenleiters zu vermeiden. Eingestellt wird diese Art von Motorschutz in der Regel immer nach dem Motorbemessungsstrom IN. Das Wiedereinschalten nach erfolgter Auslösung kann entweder automatisch oder durch Drücken einer Entsperrtaste manuell erfolgen. Typ
3 ~ Nr. 1961
Y400 V 18,5 A 8,5 kW cosϕ 0,82
1460 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
Symbol
Motorschutzschalter
Motorschutzschalter
Für die Vorsicherung von Motorschutzschaltern sind die Angaben des Herstellers massgebend. Liegen keine Angaben vor, so können die folgenden Faustformeln verwendet werden.
Direktanlauf Y-∆∆∆∆-Anlauf
IFlink ≈≈≈≈3xIN IFlink ≈≈≈≈2xIN
ITräg ≈≈≈≈2xIN ITräg ≈≈≈≈1,5xIN Motoren (Asynchron mit Käfiganker) nehmen bei Direktanlauf etwa einen 5 bis 10 mal
grösseren Strom auf als im Betrieb.
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Version 3
Die Vorsicherung muss deshalb grösser gewählt werden als der Motorennennstrom. Typ
3 ~ Nr. 1961
400 V 9,2 A 4,6 kW cosϕ 0,82
1460 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
Nennstrom I2 =
I2 = 9,2 A
Direktanlauf I1 = 2xI2
I1 = 18,4 A (20 A)
A1 = 2,5 mm2
A2 = 1,5 mm2 Die Querschnitte sind nach NIN 5.2.3.1 zu bestimmen.
25 I1
I2
F1
Motorschutz-schalter
12,5 A 9 A
11 A
3-Phasen Wechselstrom-Motor
Direktanlauf 4,6kW
880,=η
A1
A2
F2
3 M1
Ursachen für die Überlastung:
1. Hohe Umgebungstemperatur
2. Motor überlastet, Motor blockiert
3. Lager defekt
4. Defekt einer Sicherung bei Drehstrommotoren
kann zur Überlastung der noch wirksamen
Wicklungen führen
5. Lange Anlaufzeit oder Bremsung
Isolationsklassen der Wicklungen
Isolations-
klasse
max. Motor-
temperatur
max. Umgebungs
- temperatur
Y 90°C 40°C
A 105°C 40°C
E 120°C 40°C
B 130°C 40°C
F 155°C 40°C
H 180°C 60°C
C >180°C 60°C
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Version 3
Für den Schutz gegen zu hohe Wicklungstemperaturen eines Motors sind Überlast-Schutzeinrichtungen, welche die Wicklungstemperatur direkt erfassen, besonders gut geeignet. Es sind dies Kalt- oder Heissleiter oder Bimetallschalter, welche in die Motorwicklungen integriert sind. Diese Vorrichtungen schützen den Motor nicht nur bei mechanischer Überlastung, sondern auch bei zu hohen Umgebungstemperaturen, ungenügender Ventilation usw. Bei bestimmten Motoren z. B. bei Kollektormotoren mit Bürstenregulierung, bei Motoren mit langer Anlaufzeit, bei Motoren, die in kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet werden, ist die in die Wicklungen integrierte Überlast-Schutzeinrichtung die einzige Möglichkeit des Motorschutzes. Motoren, bei denen eine mechanische Überlastung eine mehr oder weniger proportionale Erhöhung des Stromes in den Zuleitungen zum Motor zur Folge hat, können durch dem Motor vorgeschaltete Überlast-Schutzeinrichtungen geschützt werden. Diese müssen so beschaffen sein, dass sie einen Überstrom vom 1,2-fachen ihres Bemessungsauslösestroms innerhalb einer Stunde abschalten. Motorschutzschalter und Schütze in Kombination mit einer Überlast-Schutzeinrichtung entsprechen dieser Forderung. Der eingestellte Bemessungsauslösestrom der Überlast-Schutzeinrichtung darf nicht grösser sein als der Bemessungsstrom des zu schützenden Motors. Als blockierfest gilt ein Motor dann, wenn er sich bei blockiertem Rotor nicht gefährlich erwärmt und der in diesem Zustand aufgenommene Strom auch nicht zu einer Überlastung der Leiter in der Zuleitung führt. Für blockierfeste Motoren sind keine besonderen Massnahmen gegen Überlastung gefordert. Es ist aber zu beachten, dass der Bemessungsstrom der vorgeschalteten Überstrom-Schutzeinrichtung, die auf dem Motor angegeben ist, eingehalten wird. Angabe auf dem Motor Fig. 4.3.3.3.1.2.3
max. _____ A
NIN 4.3.3.3.3
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Version 3
20.7 Schalten von Drehstrommotoren
Motorschutzschalter mit Einstellbereich 1,25 – 4 A
AC 1 Lastschalter, nicht induktive
Belastungen, Widerstandsöfen
AC 2 Schleifringläufermotoren mit begrenzten Anlaufstrom, YD- Anlauf (kleinere und mittlere
Motorleistungen) AC 3
Direkte Einschaltungen von Kurzschlussläufermotoren, YD-
Anlauf (grössere Motorleistungen)
AC 4 Extremlast, Tippen, Reversieren,
Gegenstrombremsen von Kurzschlussläufern
AC5 AC-5a Schalten von
Gasentladungslampen. AC-5b Schalten von Glühlampen.
AC6 AC-6a Schalten von
Transformatoren. AC-6b Schalten von
Kondensatorbatterien. AC7
AC-7a Schwach induktive Lasten von Haushaltsgeräten und ähnliche
Anwendungen. AC-7b Motoren von Haushaltsgeräten.
AC8 AC-8a Schalten von hermetisch
gekapselten Kühlkompressormotoren mit manueller Rücksetzung der
Überlastauslöser. AC-8b Schalten von hermetisch
gekapselten Kühlkompressormotoren mit
automatischer Rücksetzung der Überlastauslöser.
AC11
Elektromagnete z.B. für Spannzeuge oder Hubmagnete
AC12 Steuerung von ohmschen Lasten
und induktiven Lasten bei Trennung durch Optokoppler.
AC13 Steuerung von Halbleiter-Lasten
bei Trennung durch Transformatoren.
AC14 Steuerung von kleinen
elektromagnetischen Lasten (< 72 VA).
AC15 Steuerung von
elektromagnetischen Lasten (> 72 VA).
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Version 3
Auswahlkriterien für schaltende Betriebsmittel: - Nennstrom der Hauptkontakte - eventuelle Einschaltströme - Anzug- und Halteleistung - Anzahl und Art der
Hilfskontakte - geforderte Lebensdauer - Steuerspannung - Frequenz
Das Schütz
Zum Schutz der Leiter, vor der Kurzschlussenergie, müssen Leitungsschutzschalter der Strombegrenzungsklasse 3 eingesetzt werden. 1 Lichtbogenlöschung nach 10 ms 2 Lichtbogen wird vor dem Nulldurchgang
gelöscht 3 Schnelle Löschung des Lichtbogens vor
dem Nulldurchgang
Der Leitungsschutzschalter
1. Schraubkopf aus Porzellan (KII)
2. Sicherungssockel
3. Passschraube
4. Gewindering
5. Fusskontakt
6. Anschlussklemme
7. Abgangsklemme
8. Schmelzsicherung
9. Fenster
10. Gehäuse aus Aminoplast
Die Schmelzsicherung DII
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Version 3
20.8 Anlassverfahren von Drehstrommotoren 20.8.1 Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.1.1 Klemmenbrett Nachfolgend sollen anhand der Motorklemmenbretter bzw. der der Leistungsschilder die Motoren beurteilt werden, ob diese für Stern-Dreieck-Anlauf geeignet seien. Typ
3 ~ Nr. 1961
Y400 V 12,9 A 5,5 kW cosϕ 0,75
1480 U/min 50 Hz Isol-Kl. B IP 44 t
Stern-Dreieck-Anlauf möglich?
Nein! Begründung:
Der Motor ist nicht für Dreieckspannung 400V ausgelegt.
Typ
3 ~ Nr. 1959
����400 V 18,9 A 7,5 kW cosϕ 0,77
969 U/min 50 Hz Isol-Kl. H IP 44 t
Stern-Dreieck-Anlauf möglich?
Ja! Begründung:
Der dreiphasige Motor ist für Dreieckspannung 400V ausgelegt.
Typ Fremderregter Motor
- Nr. 1981
230 V 29 A 5,5 kW cosϕ -
3200 U/min - Hz Err. 400 V 1,0 A
Isol-Kl. F IP 44 t
Stern-Dreieck-Anlauf möglich?
Nein! Begründung:
Der Gleichstrommotor ist nicht für Y/����-Anlauf vorgesehen.
Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.
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Version 3
20.8.1.2 Ungünstiger Stern-Dreieck-Anlauf Das nebenstehende Diagramm zeigt einen Fall, für den der Stern-Dreieck-Anlauf unzweckmässig ist.
1. Begründen Sie genau, warum der Stern-
Dreieck-Anlauf hier ungünstig ist.
Die Drehmomentkennlinie des
Motors schneidet die Last-
kennlinie; hier muss spätestens
ins ���� umgeschaltet werden,
da der Motor sonst im Y über-
Lastet wird. Durch die Umschal-
tung erhöht sich aber der Motor-
strom von 100% (IN) auf 300% (3·IN)
und daher ist der Y/����-Anlauf
ungünstig. 2. Wie lautet Ihr Lösungsvorschlag?
Motor mit grösserem MY ver-
wenden.
Das Motordrehmoment sollte in
jedem Augenblick das 1,2-fache
des Lastmomentes sein.
MM > 1,2·ML r
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Version 3
20.8.1.3 Steuerung bei Stern-Dreieck-Anlauf 20.8.1.3.1 Hauptstromkreis
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 45 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN 1 STERN-DREIECK-ANLAUF 3 STEUERUNG BEI STERN-DREIECK-ANLAUF
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Version 3
20.8.1.3.2 Steuerstromkreis
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 46 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN
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Version 3
20.8.2 Anlassverfahren mit Drossel Neben dem Stern-Dreieck-Anlaufverfahren gibt es noch weitere Anlassverfahren für Drehstrommotoren. Diese Verfahren sind nachfolgend dargestellt.
Leistung Bis zu einer Leistung von
15 kW anwendbar.
Vorteile Anlaufstrombegrenzung
Nachteile Relativ teuer
Anwendung Maschinen mit geringem
Anzugsdrehmoment
Schaltung
3M
Beschreibung Nach dem Hochlauf wird die Spule überbrückt.
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Version 3
20.8.3 Anlassverfahren mit Kusa-Schaltung
Leistung Bis zu einer Leistung von ca.
2,2 kW anwendbar.
Vorteile Verringertes Drehmoment
Nachteile Stromanstieg in den Phasen
L1 und L3
Anwendung Textilmaschinen
Schaltung
3M
Beschreibung
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Version 3
20.8.4 Anlassverfahren mit Anlasswiderständen
Leistung Bis zu einer Leistung von
15 kW anwendbar.
Vorteile Geringener Aufwand
Nachteile Starke Widerstandserwärmung
Anwendung Maschinen mit kleinem
Anzugsdrehmoment
Schaltung
3M
Beschreibung Beim Anlassen sind die drei Widerstände in Serie geschaltet.
Nach dem Hochlauf werden die Widerstände kurz geschlossen.
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Version 3
20.8.5 Anlassverfahren mit Läuferanlasser
Leistung Bis zu einer Leistung von
15 kW anwendbar.
Vorteile Kleiner Anlaufstrom, grosses
Anlaufdehmoment
Nachteile
Anwendung Grosse Antriebsmotoren
Schaltung
3M
K L M
Beschreibung Die Widerstände reduzieren im Hochlauf den Zuleitungsstrom.
Das Drehmoment ist dabei nicht reduziert. Die Drehzahl kann
dabei auch noch beeinflusst werden.
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 50 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 8 ANLASSVERFAHREN VON DREHSTROMMOTOREN
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Version 3
20.8.6 Anlassverfahren mit Anlasstrafo
Leistung Bis zu einer Leistung von
15 kW anwendbar.
Vorteile Anlaufstrom (IA), Anlaufdreh-
moment (MA), steuerbar über
die Spannung (U)
Nachteile Aufwendig und teuer
Anwendung Hochspannungsmororen
z.B. 10 kV
Schaltung
3M
Beschreibung Verkleinerung der Motorspannung und damit Beeinflussung
des Zuleitungsstromes.
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Version 3
20.8.7 Anlassverfahren mit Spannungs-Frequenz-Steuerung
Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das aus einem Wechselstrom (auch Drehstrom) mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderte Spannung generiert. Mit dieser umgerichteten Spannung wird dann der Verbraucher (in der Regel ein Asynchronmotor) betrieben.
Diese elektronischen Geräte begrenzen den Anlaufstrom im unbelasteten oder belasteten Hochlauf auf den 2,5 bis 4,5 fachen Nennstrom.
Mit einem Frequenzumrichter kann die Statorspannung und Frequenz des Asynchronmotors stufenlos verändert werden. Dadurch wird aus dem Standardmotor ein drehzahlveränderliches Antriebssystem. Mit einem Rotorlagegeber, dem Errechnen der Magnetisierung und dem Einprägen der entsprechenden Statorströme (Vektorregelung) hat ein Asynchronmotor die Eigenschaften eines Servoantriebes.
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 52 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN
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Version 3
20.9 Drehzahlsteuerung von Wechselstrommotoren
20.9.1 Berechnung der Synchrondrehzahl Wenn ein Stator mit einer Drehstromwicklung an Drehstrom angeschlossen wird, entsteht im Inneren ein Drehfeld. Besteht der Rotor aus einem Dauermagneten oder aus Elektromagneten läuft der Rotor mit synchroner Drehzahl zur Netz-drehzahl. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl lautet wir folgt:
p
fn
601
⋅=
20.9.2 Berechnung der Asynchrondrehzahl Asynchronmotoren werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie ständig mit derselben Drehzahl laufen können. Die Formel für die Berechnung der Synchrondrehzahl bzw. der Drehfelddrehzahl wurde schon berechnet. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt berechnet:
%M
aM
kM%M
aM
kM
n
300
200
100c
dM
bM
b
a
100%50%
nMM
Asynchronmotoren sind Motoren mit Kurzschluss-läufern und werden übergiegend dort eingesetzt, wo sie nicht ständig mit derselben Drehzahl laufen müssen. Ein Asynchronmotor dreht nicht mit der Synchrondrehzahl. Der Unterschied wird wie folgt dargestellt:
−=
%
snn %
10011
n Nenndrehzahl ][min1−
1n Synchrondrehzahl ][min1−
%s Schlupf [%]
Sn Schlupfdrehzahl ][min1−
nnnS −= 1
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 53 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN
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Version 3
20.9.3 Schema einer Polumschaltung Nachfolgen ist ein Schema für die Polumschaltung zu ergänzen:
PE
L1 L2 L3 N
0 III
L1
L2
L3
PE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Q1
X1
U1
PE
U1
U2
V1 W1
V1
V2
W1
W2
U5 V5 W5
U5
U6
V5
V6
W5
W6
M1
8P 2P
F1
EST ELEKTRISCHE SYSTEMTECHNIK Seite 54 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 3 SCHEMA DER POLUMSCHALTUNG
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Version 3
Beantworten Sie die Fragen zum Schema der Vorderseite. 1. In welcher Schalterstellung ist die niedrige Drehzahl eingeschaltet?
Schalterstellung „I“ 2. Wie gross ist in diesem Fall die Drehzahl?
n=750 U/min 3. In welcher Schalterstellung ist die hohe Drehzahl eingeschaltet?
Schalterstellung „II“ 4. Wie gross ist diese Drehzahl?
n=3000 U/min
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 55 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 4 DALANDERSCHALTUNG
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Version 3
20.9.4 Dalanderschaltung
20.9.4.1 Klemmenbrett der Dalanderschaltung
1U
2U1V
2V
1W
2W
Schaltung für die niedrige Drehzahl
1UL1
L2
L3
1V
1W
2U
2V
2W
Motor-klemmenbrett
1U
2U
1V
2V
1W
2W
Schaltung für die hohe Drehzahl
1UL1
L2
L3
1V
1W
2U
2V
2W
Motor-klemmenbrett
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 56 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 4 DALANDERSCHALTUNG
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Version 3
20.9.4.2 Hauptstromkreis der Dalanderschaltung
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 57 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 9 DREHZAHLSTEUERUNG VON WECHSELSTROMMOTOREN 4 DALANDERSCHALTUNG
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Version 3
20.9.4.3 Steuerstromkreis der Dalanderschaltung
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 58 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 10 KRAFTWERKE
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Version 3
20.10 Kraftwerke
20.10.1 Rahmenbedingungen zur Energieproduktion
Es ist Aufgabe des Bundesamtes für Energie (BFE), die Voraussetzungen zu einer sicheren Energieversorgung zu schaffen, und sich für eine effiziente Energienutzung, die Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien sowie die Senkung der Treibhausgasemmissionen einzusetzen.
1 Wasserkraftwerk 2 Windkraftwerk 3 Atomkraftwerk 4 Solarkraftwerk 5 Biomassekraftwerk 6 Geothermie 7 Kohlekraftwerk 8 Dezentraler Speicher (Zukunft) 9 Gezeitenenergie
20.10.2 Funktionsweise eines Generators Die Funktionsweise eines Generators wird in der Dreiphasentechnik genauer erklärt.
Wichtig zu wissen ist, dass mit den verschiedenen Energiene wie : Kernenergie, Wasserkraft, Windenergie, Solarenerie, Biomasse und Geothermie immer ein elektrischer Generator betrieben wird, der die vorhandene Energie in elektrische Energie umwandelt. Bei der Umwandlung wir ein Dreiphasenwechselstrom erzeugt. Links: Prinzipieller Aufbau eines zweipoligen Generators
NU1 NU2 NU3
12U 23U31U
NU1 NU2 NU3
12U 23U31U
Die Phasenspannungen sind mit den entsprechenden Farben nachzuzeichnen. Die aufgeführten Farben sind auch gleich den Aussenleiterferben.
NU1 Phasenspannung 1 (braun)
NU2 Phasenspannung 1 (schwarz)
NU3 Phasenspannung 1 (grau)
Die Verketteten Spannungen sind gemäss den nachfolgenden Farben nachzuzeichnen.
12U Verkettete Spannung (grün)
23U Phasenspannung 1 (violett)
31U Phasenspannung 1 (orange)
Links: Liniendiagramme eines zweipoligen Generators
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20.10.3 Kernkraftwerk Die Kernkraftwerke kommen immer mehr unter Druck, da die Entsorgung der radioaktven Abfälle nicht klar gelösst ist und das Restrisiko der Bevölkerung auch eine gewisse Sorge bereitet.
Der definitive Ausstieg aus dieser Technik erfordert die Bereitstellung anderer Energien und den rationelleren Einsatz der heute verwendeten Betriebsmittel. Die grösste Herausforderung ist wohl die Speicherbarkeit der erneuerbaren Energien. Die neuen Energien fallen meist dann an, wenn sie nicht gebraucht werden. Der Transport der Energien zu den Verbrauchern wird die zweite Hürde sein, die wir sofort angehen müssen.
Prinzipschaltbild eines Atomkraftwerkes
1 Reaktordruckbehälter
2 Brennelemente
3 Steuerstäbe
6 Heisser Dampf
8 Hochdruckturbine
9 Niederdruckturbine
10 Generator
11 Erregermaschine
12 Kondensator
13 Kühlwasser
Wie funktioniert ein Atom-Kraftwerk?
Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt:
Die Wärme, die bei der Kernspaltung (2) entsteht,
wird auf ein Kühlmedium – meist Wasser – übertragen,
wodurch dieses erwärmt wird.
Direkt im Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger
entsteht Wasserdampf, der eine Dampfturbine (8,9) antreibt.
Die Dampfturbine treibt einen Generator (10) an.
Dieser Generator muss zuerst noch erregt (11) werden, damit
das Magnetfeld des Rotors in den Stator eine Spannung
induzieren kann.
Welchen Zweck haben Steuerstäbe in einem Reaktor?
Mit den Steuerstäben (3) kann die Kernreaktion gesteuert bzw.
abgeschaltet werden.
Hochdruck- und
Niederdruckturbine (8,9)
Generator (10) mit
Erregermaschine (11)
AKW Nein?
Haben wir
Alternativen?
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20.10.4 Wasserkraftwerk
Speicherkraftwerke nutzen Wasser aus einem Stausee zur Stromproduktion. Um das Wasser zu stauen, müssen Talsperren (Staumauern, Staudämme) errichtet werden. Die Energie, die sich aus einem Wasserkraftwerk gewinnen lässt, ist abhängig von der Wassermenge und der Fallhöhe des Wassers. Speicherkraftwerke können schnell in Betrieb genommen und wieder abgestellt werden und sie lassen sich schnell an den Strombedarf anpassen. Sie werden hauptsächlich zur Deckung des schwankenden Spitzenstrombedarfs eingesetzt.
Pelton-Turbine Kaplan-Turbine Francis-Turbine
Grosse Höhen
Rohrturbine kleine Höhen
Mittlere Höhen
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20.10.5 Windkraftwerk
Wenn die Windgeschwindigkeit beispielsweise 2 m/s erreicht, startet der Computer die Windrichtungsnachführung und dreht die Anlage in den Wind. Der Wind drückt auf die Blätter. Das aerodynamische Profil der Blätter erzeugt auf der einen Seite einen Überdruck und auf der anderen Seite einen Unterdruck. Dabei wird die Energie des Windes auf die Blätter übertragen und der Rotor beginnt sich zu drehen. Der Rotor ist über die Antriebswelle mit einem mehrstufigen Getriebe verbunden. Das Getriebe passt die Drehzahl des Rotors an die Generatordrehzahl an. Wenn der Generator schnell genug läuft, um Strom erzeugen zu können, wird er auf das Netz geschaltet und der erzeugte Strom in das Energieversorgungsnetz eingespeist. Je nach Anlagentyp erreichen die Anlagen bei Windgeschwindigkeiten zwischen 11 m/s und 15 m/s ihre Nennleistung. Bei Windgeschwindigkeiten von 25 m/s oder mehr aktiviert die Computersteuerung das Hydrauliksystem, das die aerodynamische Bremse auslöst.
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20.10.6 Solarkraftwerk Der photovoltaische Effekt in Solarzellen bewirkt die Umwandlung des Lichtes in elektrischen Strom – im Gegensatz zu solarthermischen Anlagen, deren Sonnenkollektoren das Licht in Wärme umwandeln. Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie basiert auf den besonderen Eigenschaften von so genannten Halbleitern, die durch zugeführte Energie (Wärme oder Licht) freie Ladungsträger erzeugen. Um aus diesen Ladungen einen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig. Trifft das Licht der Sonne auf eine Photovoltaikzelle, werden Ladungsträger frei und ein elektrischer Strom fließt. Hierbei handelt es sich um Gleichstrom. Dieser kann entweder direkt von einem Verbraucher benutzt oder über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist werden. Die Spannung einer einzelnen Zelle ist für die meisten Fälle der Stromversorgung zu niedrig, so dass mehrere Zellen zu Modulen zusammengeschaltet werden. Im kleinen Rahmen sind uns Photovoltaikanlagen beispielsweise durch Taschenrechner oder Parkuhren bekannt.
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20.10.7 Biomassekraftwerk In einem Biomassekraftwerk (BMKW) wird elektrische Energie durch die Verbrennung von Biomasse erzeugt. Weiterhin gibt es auch sogenannte Biomasseheizkraftwerke, die zusätzlich zu der erzeugten elektrischen Energie auch die entstehende Wärme bereitstellen. Wird nur Wärme erzeugt, spricht man von einem Biomasseheizkraftwerk (BMHW).
Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) werden unter Luftabschluss feucht gelagert. Zugegebene Bakterienkulturen beginnen nun, die abbaubaren Moleküle (Fette, Proteine, Kohlenhydrate) zu zersetzen und stellen infolgedessen den sogenannten Biodiesel her. Bei diesem Prozess kann man auch von einer Art Vergärung sprechen. Das entstandene Biogas wird schließlich in diversen Blockheizkraftwerken (BHK) in elektrische und Wärmeenergie umgewandelt.
Ein großer Vorteil dieser Kraftwerke ist die Nutzung der entstehenden Wärme. Diese Wärme kann über Rohrsysteme weitergeleitet werden, um sie so zum Heizen zu nutzen. Weiterhin sind Brennstoffe wie Holz, Stroh oder Getreide in großen Mengen vorhanden und wachsen nach. Ein Nachteil ist, wie bei vielen Kraftwerken, der CO2 Ausstoß der durch den Transport, die Aufbereitung und Verbrennung zustande kommt. Aus Gülle und/oder nachwachsenden Rohstoffen entstehen in einem Biogasblockheizkraftwerk (Biogas-BHKW) Strom und nutzbare Wärme. Gülle wird zu geruchsarmem Flüssigdünger vergoren.
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20.10.8 Geothermiekraftwerk Wärmepumpenheizungen nutzen die Umweltwärme der umgebenden Luft, des Grundwassers oder des Erdreiches (Geothermie), um sie mittels Wärmepumpe auf ein verwertbares höheres Temperaturniveau anzuheben, um damit Gebäude oder andere Einrichtungen beheizen zu können. Eine Erdwärmesonde entzieht dem Boden Wärme. Der Erdboden hat das ganze Jahr über die gleiche Temperatur. Jahreszeitliche Schwankungen können bei Tiefen ab ca. 10 Meter nicht mehr wahrgenommen werden. Aus diesem Grund ist die vertikale Erdwärmesonde ein idealer Energielieferant für die Wärmepumpe, erreicht sie doch bei einer optimalen Anlageplanung immer einen hohen Wirkungsgrad, auch wenn die Außentemperatur tief ist. Gegenüber Luftwärmepumpen bedeutet dies einen signifikant geringeren Stromverbrauch. Dies hilft bei der rationellen Nutzung unserer Energieressourcen und leistet nebst der Luftreinhaltung einen weiteren Beitrag an der Umwelt. Der gleichmäßige Betrieb verlängert die Lebensdauer der Aggregate und setzt die Störanfälligkeit herab. Damit zählt dieses System zu den betriebssichersten Heizanlagen.
Prinzipien der Geothermie
Erdkollektoren Tiefenbohrung Grundwasser
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20.10.9 Gezeitenkraftwerk Ein Gezeitenkraftwerk ist eine spezielle Bauart des klassichen Wasserkraftwerks, welche die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut schöpft. Bei ausreichend hohem Tidenhub (Differenz zwischen Hoch-und Niedrigwasserstand) können die Gezeiten in abgesperrten Buchten nämlich als durchaus effiziente Energiequelle genutzt werden. Trotzdem gibt es bis heute noch keine marktreife Stromerzeugungs-Technologie in diesem Bereich. Das weltweit grösste Gezeitenkraftwerk mit einer Gesamtleistung von 240 MW befindet sich an der Mündung des französischen Flusses La Rance bei Saint-Malo. Diese im Jahre 1966 errichtete Anlage ist jedoch extrem korrosionsanfällig und das hat gravierrende negative Auswirkungen auf das Ökosystem des Flusses. Zudem gibt es weltweit nur wenige Standorte, die für ein Gezeitenkraftwerk dieser Art geeignet wären, denn jenes ist nur sinnvoll, wenn der Tidenhub mehr als 6 m beträgt. Ein britisch-deutsches Projekt will diesen Problemen mit einer Anlage entgegenkommen, welche nicht den Tidenhub, sondern die durch Gezeiten verursachte Meeresströmung nutzt, eine Art "Unterwasser-Windkraftanlage". Die Pilotenanlage eines solchen neuartigen Gezeitenkraftwerks wurde bereits vor der Südwestküste Grossbritanniens installiert. Die Meeresströmungen geben hierbei ihre Bewegungsenergie direkt an aufgeständerte Turbinen mit angeschlossenem Generator ab, so dass kontinuierlich und berechenbar Strom erzeugt werden kann. Desweiteren sind bei der freistehenden Anlage kaum Auswirkungen auf Tiere und Pflanzen zu erwarten. Allein in Europa sind bereits über 100 Standorte bekannt, die sich für eine solche Energiegewinnung eignen würden. Eine von der EU in Auftrag gegebene Studie hat ergeben, dass wenn alle möglichen Standorte mit diesen Gezeitenkraftwerken versehen werden würden, dies eine Energieerzeugung von etwa 12’500 MW ergeben könnte.
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20.10.10 Die Stromproduktion von morgen
Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst?
So wünschenswert die Nutzung möglichst vieler regenerativer Energiequellen auch ist, so schwer lässt sich ihre „Liefer-Zuverlässigkeit“ berechnen. Nicht nur die Anlagenbetreiber, auch die Betreiber der Netze können nur selten genau abschätzen, wann die Stromernte genau stattfindet und wie groß sie ausfällt. Nicht immer bläst der Wind, nicht immer scheint die Sonne und nicht immer fließt genügend Wasser erst durch Bäche und dann durch Turbinen. Stürmt es dagegen, brennt wochenlang die Sonne vom Himmel oder schwellen nach tagelangen Regenfällen die Wassermengen an, wird plötzlich sehr viel Energie produziert – Energie, die zu diesem Zeitpunkt vermutlich niemand braucht.
Für eine hohe Netzstabilität, wie sie für die Versorgung einer Industrienation unerlässlich ist, sind dies denkbar ungünstige Voraussetzungen. Um die Stabilität des Netzes zu gewährleisten, müssen die ohnehin ständig schwankende Stromnachfrage und das noch viel stärker schwankende Angebot an regenerativen Energien permanent gesteuert und ausgeglichen werden. Auf der Anbieterseite sind daher äußerst anpassungsfähige Netzführungssysteme gefordert, die aktuellste Daten zur Leistung der Netzinstallation, zum Lastfluss und zur Nachfrage bereitstellt. Auf der Nachfrageseite müssen für den Verbraucher finanzielle Anreize geschaffen werden, damit er genau zum richtigen Zeitpunkt die bereitgestellte Energie auch abnimmt. Dieses Anreizsystem wird ähnlich aussehen wie das etwa bei Fluggesellschaften: Auf stark frequentierten Strecken und zu Hauptreisezeiten sind die Preise höher, in Nebenzeiten dagegen locken Sondertarife.
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Smart Meter Ist viel Energie im Netz, bieten die Versorger den Strom also günstig an, bei Engpässen dagegen verlangen sie höhere Preise. Mit einer intelligenten Kommunikations- und IT-Technik könnte der Verbraucher diese Mengen- und Preisschwankungen für sich nutzen: Entweder er bekommt über das Smart Grid eine Information, dass Strom gerade besonders billig ist. In diesem Fall kann er darüber entscheiden, ob er ein energieintensives Gerät einschalten möchte oder nicht.
SmartGrid Oder das Gerät, eine Waschmaschine beispielsweise, setzt sich dank intelligenter Technik bei einem bestimmten Strompreis selbst in Gang – in einer windigen Herbstnacht etwa, in der die Windkraftanlagen an den Küsten oder in den Mittelgebirgen auf Hochtouren laufen. Damit dies funktioniert, müssen Stromerzeuger, Leitungsbetreiber und Verbraucher durch den aktuellster Daten viel enger miteinander vernetzt werden als bisher. Derart intelligente Netze, so genannte Smart Grids, sind nur durch die Verwendung von Echtzeitdaten und damit den Einsatz hochleistungsfähiger IT- und Automationssysteme zu realisieren. Eine Revolution werden Smart Grids jedoch nicht sein, eher eine konsequente Evolution. Zahlreiche Produkte und Systeme, wie sie für den Aufbau eines intelligenten Netzes benötigt werden, gibt es bereits und haben sich vielfach bewährt: Systeme etwa zur Überwachung, Steuerung und Datenerfassung (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition). Systeme für die Überwachung der Stromübertragung über größere Entfernungen (WAMS, Wide Area Monitoring Systems). Oder flexible Drehstrom-Übertragungssysteme (Flexible Alternating Current Transmission Systems, FACTS). Diese gewachsenen und bewährten Systeme werden zusammen mit weiteren, ebenfalls sehr komplexen Technologien Schritt für Schritt zu Netzwerken weiterentwickelt. Smart Metering und Smart Grid: was kommt zuerst? Oft ist von Smart Metering die Rede, wenn es darum geht, erneuerbare und dezentrale Energien in unsere Stromversorgung einzubinden. Die gesetzliche Verpflichtung eines flächendeckenden Rollouts von intelligenten Zählern ist ein wichtiger Treiber für den Ausbau einer Smart-Grid-Kommunikationsinfrastruktur. Demgegenüber steht die Möglichkeit, eine Kommunikationsinfrastruktur zunächst auch mit dem primären Zweck aufzubauen, die Einspeisung dezentral erzeugter Energie in Niederspannungsnetze effektiv zu erfassen. Der flächendeckende Rollout intelligenter Zähler kann dann auch erst in einem späteren Stadium erfolgen. Ein Energieversorger kann zum Beispiel UMTS oder Breitband-Powerline nutzen, um breitbandige IP-Datenübertragung zu realisieren. So entsteht eine universelle Infrastruktur, die bestehenden und zukünftigen Kommunikationsanforderungen im Bereich Smart Grid und Smart Metering genügt. Rollout = Austausch, Markteinführung
TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 68 20 ELEKTRISCHE MASCHINEN 10 KRAFTWERKE 11 DIE SPEICHER DER ZUKUNFT
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20.10.11 Die Speicher der Zukunft Die dezentrale installation von Speichern wird für die Energiewende von entscheidender Bedeutung sein. Ohne diese Speicher können die neuen dezentralen Generatoren des Stromnetzes, wie: Wind, Wasser und Solar - ihre Energie nicht effizient ins Netz einspeisen. Diese anfallende Energie muss nämlich zwischengespeichert werden, wenn sie nicht gerade gebraucht wird. Jedes Dorf müsste einen solchen Speicher für ihre Bürger installieren und damit ein bischen Energiewende selber mitbestimmen. ABB hat nun zusammen mit den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) eine Batterie mit einer Leistung von 1 MW in Dietikon installiert. Damit ist sie die grösste und erste dieser Art in der Schweiz. Sie kann Energie bis 500 kWh speichern und ins Mittelspannungs-Verteilnetz einspeisen, respektive von dort beziehen. In der Anlage integriert ist ein Umrichter, der über effiziente Leistungshalbleitertechnologie den Wechselstrom aus dem Netz in den Gleichstrom für die Batterie umwandelt und umgekehrt. Ein Transformator sorgt für die Umwandlung von Mittel- auf Niederspannung und umgekehrt. Die Batterie ist mit entsprechenden Steuerungssystemen und Schutztechnik ausgestattet.
In der Batterie werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet, wie sie auch in Handys oder Elektroautos im Einsatz sind. Die rund 10‘000 Lithium-Ionen-Zellen wandeln die elektrische Energie bei der Aufnahme in chemische Energie mit einem Wirkungsgrad von rund 95 Prozent um. Damit ist diese Technologie ideal für ein Speichersystem, weil sie eine hohe Energiedichte und Dynamik aufweist und gleichzeitig wenig Platz beansprucht.