Generatorbremse und Feldschwächung

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Generatorbremse und Feldschwächung

    










BID = 1037155

conoone

Gerade angekommen


Beiträge: 2
 

  


Hallo,

ich habe zwei Fragen, von denen ich die Erklärungen nie verstehe. Darum frage ich hier nach. Fragen zur Generatorbremse und zur Feldschwächung.

Vor langer Zeit habe ich mal erklärt bekommen, wie früher Straßenbahnen funktioniert haben, als es noch keine Antriebssteuerungen gab. Vor den Motor waren Widerstände geschaltet und der Fahrer hat die Fahrstufen geregelt. Mit jeder Fahrstufe wird eine bestimmte Anzahl an Widerständen weggenommen, sodass sich die Motoren schneller drehen können.

In der vorletzten Stufe sind keine Widerstände geschaltet und die Motoren bekommen die maximale Spannung. In der letzten Stufe passiert eine Feldschwächung an den Motoren. Das verstehe ich nicht. Wo ist dieses Feld, das geschwächt wird und darum dreht sich der Motor dadurch noch schneller, obwohl doch in der vorletzten Stufe bereits keine Widerstände mehr vorhanden waren? Wenn man zu lange mit Feldschwächung fährt, werden die Motoren zerstört.

Was genau ist eine Feldschwächung und wie funktioniert sie, damit die Motoren noch schneller sind?



Mir wurde gesagt, dass beim Bremsen ebenfalls Widerstände benutzt werden. Mit jeder Bremsstufe werden Widerstände dazugeschaltet.
Wie funktioniert denn eine stinknormale Generatorbremse? Werden die Anschlüsse der Ankerwicklung miteinander vertauscht, damit die magnetischen Pole sich entgegen der Drehbewegung des Motors anziehen? Warum bremst der Motor dabei sogar ab statt auszurollen?
Speziell bei der Straßenbahn werden mit jeder Bremsstufe Widerstände dazugeschaltet, um die Bremsgeschwindigkeit zu regeln. Warum bremst der Motor nur schwach bei hohem Widerstand und stark bei niedrigem Widerstand?

Ich habe mal gelesen, dass ein Gleichstrommotor stark abbremst, wenn er beim Drehen kurzgeschlossen wird. Woran liegt das und warum bricht dabei das Stromnetz nicht zusammen, weil es doch einen Kurzschluss gibt?



Es sind zwar viele Fragen, doch ich hoffe, dass mir jemand weiterhelfen kann.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: conoone am 13 Apr 2018 23:37 ]

[ Diese Nachricht wurde geändert von: conoone am 13 Apr 2018 23:39 ]

BID = 1037164

Offroad GTI

Urgestein



Beiträge: 11167
Wohnort: Cottbus


Zitat :
von denen ich die Erklärungen nie verstehe.
Schon mal Wiki befragt?
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine



Zitat :
dass ein Gleichstrommotor stark abbremst, wenn er beim Drehen kurzgeschlossen wird.
Richtig.


Zitat :
Woran liegt das
Am großen Strom, der dabei zum Fließen kommt, womit sich ein Starkes Magnetfeld im Motor ausbildet, welches wiederum eine große Bremswirkung hat.


Zitat :
warum bricht dabei das Stromnetz nicht zusammen
Welches Stromnetz? Der Motor wird ja nicht an der Versorgungsspannung hängend kurzgeschlossen.




_________________
Theoretisch gibt es zwischen Theorie und Praxis keinen Unterschied. Praktisch gibt es ihn aber.

 

  








BID = 1037165

123abc

Schreibmaschine



Beiträge: 2044
Wohnort: Hamburg

Um Energie zu erzeugen wird Kraft benötigt, sonst würden sich die Generatoren ja von alleine Drehen.
Je mehr Energie von einem Generator gefordert wird desto mehr Kraft muss eingesetzt werden.

Stell dir den Motor beim Bremsen wie einen Generator vor.
Wird beim Bremsen ein großer Widerstand verwendet gibt es eine geringe Bremswirkung da der Widerstand nur wenig Energie in Wärme umwandelt.
Je kleiner der Widerstand wird desto mehr Kraft wird in Wärme umgewandelt.

Man könnte diese Energie auch zurück in die Oberleitung geben und damit andere Züge versorgen.

BID = 1037185

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Man könnte diese Energie auch zurück in die Oberleitung geben und damit andere Züge versorgen.
Das macht man ja auch.
Als der 16-2/3 Hz Bahnstrom noch synchron mit dem 50Hz-Netz war, konnte ich mit einer Leiterschleife, einem selektiven Verstärker und einem Oszilloskop sogar in 50m Entfernung noch feststellen, wie sich die Stromrichtung umkehrte, wenn die Güterzüge am Vorsignal abbremsten anstatt einfach weiterzufahren.
Bei Personenzügen war das nicht so klar, weil die wegen des nahen Bahnhofs sowieso ausrollten bzw. bremsten.

BID = 1037192

conoone

Gerade angekommen


Beiträge: 2


Zitat :
Schon mal Wiki befragt?
https://de.wikipedia.org/wiki/Gleichstrommaschine

Ja, darum frage ich ja hier. Ich habe schon sehr viel zum Thema gelesen, werde aber bei den Punkten mit dem Bremsen und der Feldschwächung nicht schlau.



Zitat :
Am großen Strom, der dabei zum Fließen kommt, womit sich ein Starkes Magnetfeld im Motor ausbildet, welches wiederum eine große Bremswirkung hat.

Reagiert dieses Magnetfeld mit dem Magnetfeld des Stators? Ist das Magnetfeld beim Bremsen umgekehrt als beim Beschleunigen?



Zitat :
Welches Stromnetz? Der Motor wird ja nicht an der Versorgungsspannung hängend kurzgeschlossen.

Okay, das wusste ich nicht. Beim generatorischen Bremsen wird der Motor vom Stromnetz abgeklemmt und erzeugt somit sein eigenes Stromnetz?



Zitat :

Um Energie zu erzeugen wird Kraft benötigt, sonst würden sich die Generatoren ja von alleine Drehen.
Je mehr Energie von einem Generator gefordert wird desto mehr Kraft muss eingesetzt werden.

Stell dir den Motor beim Bremsen wie einen Generator vor.
Wird beim Bremsen ein großer Widerstand verwendet gibt es eine geringe Bremswirkung da der Widerstand nur wenig Energie in Wärme umwandelt.
Je kleiner der Widerstand wird desto mehr Kraft wird in Wärme umgewandelt.

Welche Kraft bremst denn den Motor? Die Wicklungen des Stators haben durch die Stromversorgung (Beispiel Bahn die Oberleitung) ein Magnetfeld. Der Rotor dreht sich noch und das ist die Kraft. Durch Induktion entsteht an den sich drehenden Rotorwicklungen eine Spannung. Das habe ich so schon verstanden.

An die Enden der Rotorwicklungen wird ein Verbraucher angeschlossen. Zum Beispiel ein Widerstand. Es fließt Strom. Das verstehe ich. Aber wieso wird des Rotor dadurch langsamer? Welche Kraft lässt den Rotor langsamer drehen, sobald Strom fließt?
Aus irgendeinem Grund dreht der Rotor langsamer, sobald Strom fließt und er wird immer langsamer, wenn der Strom höher wird.





Zitat :
Man könnte diese Energie auch zurück in die Oberleitung geben und damit andere Züge versorgen.

Früher hat man sowas wohl noch nicht gekonnt und daher alles durch Widerstände verbrannt.




Was die Feldschwächung bewirkt weiß wohl niemand?

BID = 1037193

Myon

Aus Forum ausgetreten


Zitat :
Früher hat man sowas wohl noch nicht gekonnt und daher alles durch Widerstände verbrannt.

Die Rückspeisung in die Fahrleitung setzt auch ein relativ grosses und leistungsstarkes Stromnetz voraus, das die Energie absorbieren kann ohne Schutzelemente im Unterwerk auszulösen. Der Vorteil liegt vor allem im Verzicht auf die grossen schweren Bremswiderstände resp. eine viel stärkere verschleissfreie Bremse.

Eine seltenere Variante – bekannt ist mir nur die Hie 4/4 I der Brünigbahn – speiste mit der elektrischen Bremse bei der Talfahrt noch die Ventilatoren.

BID = 1037194

Myon

Aus Forum ausgetreten


Zitat :
Was die Feldschwächung bewirkt weiß wohl niemand?

Ich versuche es mal:
Der Rotor ist ja ein bewegter Leiter im Statorfeld. Dieses Statorfeld induziert ergo im rotierenden Anker auch eine Spannung, die naturgemäss ihrer Ursache entgegenwirkt und damit den Rotorstrom mindert. Durch die Feldschwächung wird diese induzierte Gegenspannung kleiner und der Rotorstrom erhöht sich somit.

BID = 1037195

Myon

Aus Forum ausgetreten


Zitat :
Welche Kraft lässt den Rotor [des Generators] langsamer drehen, sobald Strom fließt?

Hallo,
Der Strom fliesst entsprechend der Spannung, die der Stator in den bewegten Motorleitungen induziert. Dieser Strom bewirkt seinerseits ein Magnetfeld, das dieser Ursache entgegenwirkt, in seiner Ausrichtung also der umgekehrten Drehrichtung des Motors entspricht. Dadurch wird die Drehzahl reduziert.

BID = 1037202

Ltof

Inventar



Beiträge: 8008
Wohnort: Hommingberg

Man kann das Ganze auch makroskopisch betrachten, ohne sich im Detail über die Vorgänge im Inneren des Generators Gedanken machen zu müssen. Die Energie, die im Widerstand (bei Kurzschluss der Innenwiderstand des Generators) verheizt wird, muss ja irgendwo herkommen. Sie wird aus der Bewegungsenergie des Gesamtsystems (Fahrzeugmasse in Bewegung, Rotation des Generators, Getriebes, Räder) abgezweigt. Somit wird die Bewegungsenergie immer weniger.

_________________
„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)

BID = 1037227

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Welche Kraft bremst denn den Motor? Die Wicklungen des Stators haben durch die Stromversorgung (Beispiel Bahn die Oberleitung) ein Magnetfeld. Der Rotor dreht sich noch und das ist die Kraft. Durch Induktion entsteht an den sich drehenden Rotorwicklungen eine Spannung. Das habe ich so schon verstanden.
Trotzdem vermengst du offenbar Verschiedenes.

a)
Es ist nur Strom, der die Magnetfelder erzeugt, und weil die Magnetfelder von Anker und Stator (absichtlich) nicht parallel zueinander sind, entsteht eine Kraft bzw. das Drehmoment, mit dem sich die beiden Felder versuchen parallel zu stellen.
Dieses Drehmoment ist recht genau proportional zu Statorfeld und Ankerfeld, sowie dem Sinus des Winkels, den die beiden Felder miteinander bilden.
Das gilt unabhängig davon, ob sich der Motor dreht, oder ob du ihn festhältst.
Beim Gleichstrommotor sorgt der Kollektor dafür, dass die beiden Felder nie parallel zueinander werden können, sondern stets einen Winkel von ca. 90° einschliessen ( sin(90°) = 1 ).

Solange der Motor steht bzw. blockiert ist, werden die Ströme fast nur durch das ohmsche Gesetz (Drahtwiderstand der Wicklungen) und die angelegte Spannung bestimmt.
Weil gemäß ohmschen Gesetz mit zunehmender Spannung beide Ströme steigen, und das Drehmont dem Produkt der beiden Magnetfelder entspricht, steigt bei blockiertem Motor das Drehmoment quadratisch mit der Spannung.

b)
Wenn sich ein Magnetfeld ändert, wird in einer davon durchfluteten Spule eine Spannung induziert, die umso höher ist, je stärker sich das Magnetfeld pro Zeiteinheit ändert. Ein schwaches Feld, das sich schnell ändert, kann also eine genau so hohe Spannung induzieren, wie ein starkes Feld, das sich langsam ändert.
Das ist der Grund für den Drehzahlanstieg bei einer Abschwächung des Statorfeldes,
denn
c)
bei einem sich drehenden Gleichstrommotor wird durch die sich während der Drehung ständig verändernde magnetische Durchflutung der Ankerwicklung, eine (Wechsel)Spannung induziert und durch den Kollektor gleichgerichtet, die umso höher ist, je stärker das Statorfeld ist, und je schneller sich der Anker dreht.
Diese Spannung hat die gleicher Polarität, wie die an den Kohlebürsten angelegte Betriebsspannung des Motors. Man nennt sie die Gegen-EMK.
Dadurch sinkt (bei konstantem Statorfeld) mit zunehmender Drehzahl die Stromaufnahme des Motors, und wird etwas oberhalb der Leerlaufdrehzahl schliesslich Null. Die kleine Drehzahldifferenz "etwas oberhalb" wird benötigt, damit noch etwas Ankerstrom fliessen kann um die Leerlaufverluste des Motors zu decken.
Wenn man durch einen äusseren Antrieb die Drehzahl weiter erhöht, übersteigt die Gegen-EMK die Klemmenspannung, und dann kann der Strom durch die Ankerwicklung in umgekehrter Richtung fliessen: Der E-Motor wird zum Generator.

Wie geschildert, ist die Gegen-EMK proportional zur Feldstärke des Statorfeldes und der Drehzahl. Der Unterschied zur Klemmenspannung bewirkt einen Stromfluß im Anker, der ein Drehmoment erzeugt.
Je nach Stromrichtung versucht dieses Drehmoment den Anker so zu beschleunigen oder abzubremsen, dass Gegen-EMK und Klemmenspannung gleich sind.
Wenn man das Statorfeld reduziert, muss sich deshalb der Anker schneller drehen um die zur Kompensation der Klemmenspannung benötigte Gegen-EMK zu erreichen
Das funktioniert natürlich nur bei einem leer laufenden oder mäßig belasteten Motor, denn insgesamt sinkt durch das schwächere Statorfeld ja das maximal mögliche Drehmoment.




Zitat :
Was die Feldschwächung bewirkt weiß wohl niemand?
Doch, man reduziert einfach den Strom durch die Statorwicklung.
Bei einem Nebenschlußmotor kann man das einfach mit einem Widerstand machen, den man mit der Wicklung in Reihe schaltet.
Dem Statorfeld ist es egal, ob sich der Motor dreht oder nicht, aber seine Stärke beeinflusst das Drehmoment des Ankers und die von der Drehzahl abhängige Gegen-EMK.


Die obigen Überlegungen schildern in erster Linie die Verhältnisse bei einem Nebenschlußmotor.
Bei einem Hauptschlußmotor, auch als Universalmotor bezeichnet, bewirkt schon die mit die Drehzahl ansteigendene Gegen-EMK eine Feldschwächung, wodurch die Leerlaufdrehzahl weiter ansteigt, u.U. bis zur Selbstzerstörung.
Bei kleinen Universalmotoren wie sie z.B. in Mixern oder Handbohrmaschinen verwendet werden, verhindern hauptsächlich die mit der Drehzahl stark ansteigenden Ventilationsverluste einen solchen katastrophalen Drehzahlanstieg im Leerlauf.


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