Elektrische Maschine
Unter einer Elektrischen Maschine oder kurz Elektromaschine versteht man im engeren Sinn eine Maschine, die elektrische in mechanische Energie (oder umgekehrt) umwandelt. Elektrische Maschinen bilden das Fundament der elektrischen Energietechnik, einem Grenzgebiet zwischen Maschinenbau und Elektrotechnik).
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Die meisten Wandler machen sich das Magnetfeld zur Transformation der Energie zu Nutze, obwohl sie als elektrische (nicht magnetische) Maschinen bezeichnet werden. Es gibt aber auch tatsächlich Maschinen, die sich das elektrische Feld zu Nutze machen, jedoch nur bei Kleinstantrieben im mikro- bis milli-Watt Bereich.
Alle magnetisch arbeitenden Wandler machen sich sowohl das ampersche Durchflutungsgesetz als auch das Induktionsgesetz der
Elektrophysik zu Nutze. Das erste beschreibt die Erregung magnetischer Felder, das zweite die Erzeugung von Spannungen. Fließt in einem Stromkreis der Maschine der Nutzstrom I und wird in diesem Kreis eine elektrische Spannung U induziert, so wandelt die Maschine mit dem betroffenen Stromkreis die elektrische Leistung P = U*I um.
Mitunter kann der Leistungsumsatz mehrerer Stromkreise verteilt werden. Man spricht dann von Mehrphasenmaschinen. Meist werden 3 Phasen verwandt. Jeder elektromechanische Leistungswandler braucht zwei konstruktiv voneinander getrennte Reaktionsteile, die eine Relativ-Geschwindigkeit (bzw. Relativ-Drehgeschwindigkeit) zueinander aufweisen. Das Produkt aus Relativgeschwindigkeit v (bzw. Winkelgeschwindigkeit w) und der inneren elektromechanischen Kraft F (bzw. Drehmoment T) ist gleich der gewandelten Leistung Pmech = v * F. Die elektrisch gewandelte Leistung entspricht aufgrund des Energieerhaltungssatzes IMMER der mechanisch gewandelten Leistung. Differenzen existieren jedoch zwischen zugeführter und abgegebener Leistung, die zu einer Minderung der Wandlereffizienz führt.(-> Wirkungsgrad).
Verfolgt man den elektrischen Energiefluss vom Kraftwerk bis zum Endverbraucher, so findet man eine Reihe unterschiedlicher Wandler: Der Kraftwerksgenerator wird durch eine Turbine (Dampfturbine, Gasturbine, Windturbine, Wasserturbine) mechanisch über eine Welle angetrieben. Es handelt sich im allgemeinen (und insbesondere bei großen Kraftwerken) um so genannte Synchronmaschinen (-> Synchronmaschine). Die mechanisch zugeführte Leistung wird größtenteils in elektrische Leistung umgeformt.
Ein meist dreiphasiges Leitungssystem transportiert die Leistung über den Maschinentransformator und etliche Netztransformatoren des europäischen Verbundnetzes in die örtlichen Stadtnetze.
Je nach Anschlussleistung liegt die Spannung des Endverbrauchers zwischen 100V und 25KV. Typische Endverbraucher sind (neben Licht- & Wärmeerzeugern, chemischen Anlagen und elektrischen Energiespeichern) meist wieder elektrische Energiewandler. Die Vielzahl und die Vielartigkeit unter den kleinen Motoren ist sehr groß. Im Gegensatz zu den Kraftwerksgeneratoren werden sie jedem der vielen möglichen Anwendungszwecke angepasst. Aufgrund der oben beschriebenen Übertragungskette ist es offensichtlich, dass ein elektrisches Energienetz immer genauso viele Verbraucher als auch Erzeuger aufweisen muss. (Damit es stabil betrieben werden kann, sind jedoch Überkapazitäten auf Seiten der Energieerzeuger unerlässlich.) Die gesamte Leistungswandlung wird etwa 50% von Kleinmaschinen umgesetzt, deren Nennleistung kleiner als 1 kW ist.
Elektrische Energiewandler lassen sich nach vielen Gesichtpunkten klassifizieren. Am häufigsten geschieht dies anhand des Verwendungszwecks (Kraftwerksgenerator, Lüftermotor, Lichtmaschine, Erregermaschine etc.) Oder man unterscheidet die Motoren von den Generatoren (-> Motor,Generator)aufgrund der Richtung der Leistungswandlung elektrisch -> mechanisch oder umgekehrt. (Weil JEDE elektrische Maschine grundsätzlich sowohl als Motor als auch als
Generator betrieben werden kann, ist dies genau genommen mehr eine Unterscheidung der Betriebsart als eine Klassifizierung von Maschinen !) Auch bezüglich der Leistungsfähigkeit unterscheidet man die Wandler: Mikro-, Kleinst-, Klein-, Mittel- und Großmaschinen sind hier zu nennen. Die elektrischen und mechanischen Betriebsgrößen lassen die Unterscheidung von Nieder-, Mittel- und Hochspannungsmaschinen oder auch Langsamläufer bzw. Schnell- (oder Turbo-)läufer zu. Die Zeitabhängigkeit der elektrischen Betriebsgrößen teilt die Maschinen in Gleich-, Misch- und Wechselstrom-Maschinen. Mehrphasige Wechselstrom-Maschinen werden als Drehstrommaschinen bezeichnet. Oft wird auch der Begriff Drehfeldmaschine benutzt, der auf das relativ zum ruhenden Beobachter drehende Magnetfeld hinweist. Klassische Bauarten der Drehfeldmaschinen sind die Synchronmaschinen (-> Synchronmaschine) und Asynchronmaschinen (-> Asynchronmaschine),
deren Rotor relativ zum Drehfeld synchron (d.h. ohne Geschwindigkeitsdifferenz) oder asynchron (d.h. mit Geschwindigkeitsdifferenzen von wenigen Promillen bis Prozenten der Rotordrehzahl) umläuft. Entsprechend der Felderregung unterscheidet man die permanent erregten Maschinen(-> Dauermagnetmaschinen) von den elektrisch erregten Maschinen.
Unter Fachleuten ist es üblich, die Wandler gemäß der Art und Weise der Leistungswandlung zu unterscheiden. Allen elektromagnetischen Wandlern ist gemein, dass sich eine Induktionsspule relativ zu einem Magnetfeld (oder umgekehrt) bewegt. Apparativ ist es möglich beides voneinander zu trennen. Man spricht dann von einer Erregung (dient der Feldproduktion, kann elektrisch oder
permanent ausgeführt sein)und einem Ankerkreis (dient der Spannungsinduktion). Der Name 'Anker' stammt von einer frühzeitlichen Bauform von Gleichstrommotoren (-> Gleichstrommaschine), bei denen die Induktionswicklung als Formspulen auf Eisenschenkeln aufgebracht war. Synchronmaschinen und Elektronikmotoren (-> Elektronikmotor) haben die Erregung auf dem rotierenden Teil, Gleichstrommaschinen auf dem ruhenden. Es gibt allerdings auch Wandler, die beide Aufgaben - die Felderregung und die Induktion von Spannung - untrennbar voneinander auf mehrere elektrische Kreise verteilen. Es handelt sich hierbei um die Asynchronmaschinen. Auch die Gleichstrommaschine hat ein Feld, dass relativ zum Rotorwicklungssystem
dreht. Das Wandlerprinzip entspricht also dem der Synchronmaschine, nur mit dem Unterschied des Beobachterstandpunktes; die Funktionen von Rotor- und Stator bei der Leistungswandlung sind vertauscht. Bezüglich des Wirkungsprinzips lassen sich ALLE Wandler in asynchron arbeitende und synchron arbeitende Maschinen typisieren. Je nach Gestaltung des magnetischen Kreises und der Art der Drehfelderzeugung sind weitere verfeinerte Klassifizierungen möglich, wie z.B. Elektronikmotor, Transversalflussmaschine, Unipolarmaschine, Spaltpolmotor, Kondensatormotor, Reluktanzmaschinen, Axialflussmaschinen. Die Leistungselektronik zur Stellung eines Drehfeldes und die Regel- und Steuerelektronik zur Realisierung spezieller mechanischer Eigenschaften gehört
nach dem heutigen Stand der Technik zum Wandler dazu. Dies führt zum Fachgebiet der Mechatronik (frühere Bezeichnung: Antriebstechnik), die den elektrischen Energiewandler weniger von der Seite der Leistungswandlung betrachtet, sondern ihn vielmehr als Stellglied der Regelungstechnik sieht. Hier interessiert weniger die mechanische Leistung als Ausgangsgröße, sondern vielmehr gezielt steuer- und regelbare mechanische Größen Winkel, Drehzahl und Beschleunigung. Anders wie bei der elektrischen Energietechnik wird der Wandler weniger anhand seiner Effizienz beurteilt, sondern vielmehr anhand von kybernetischen Gesichtpunkten (Zeitkonstanten durch elektrische und mechanische Trägheiten, Schwingungs-
Eigenschaften, Genauigkeit der Ausgangsgrößen etc.). Ein typischer Wandler der Mechatronik ist der Schrittmotor, der nach dem Prinzip der Synchronmaschine die Leistung wandelt aber für die Anwendung in der Regelungstechnik auf die Ausführung von Winkelschritten optimiert ist.
Die Leistungsfähigkeit eines Wandlers ist eines der wichtigsten Kenngrößen. Das mit der Nennleistung angegebene Limit ist im allgemeinen bestimmt durch die bei der Wandlung entstandenen Wärme, die zusammen mit den Kühlverhältnissen (erzwungene bzw. freie bzw. direkte oder indirekte Luft- / Wasser oder Wasserstoffkühlung) zu einer für die Bauteile kritischen Temperatur führt. Man unterscheidet hier verschiedene Temperatur-Betriebsklassen (B = 130°C, F = 150 °C, H = 170°C).Funktionsprinzip
Typen
