Hallo,
Danke gleichfalls
ich hab mal eine Frage an die Experten. Überall kann man lesen das ein Elektromotor wenn er überlastet wird, heiß läuft und zerstört werden kann - soweit ist alles klar
Aber was passiert da genau in dem Motor? Warum wird er überhaupt heiß? Wieso steigt der aufgenommene Strom?
Mit welchen physikalischen Gesetzen lässt sich der Vorgang beschreiben. Durch welche Gesetzmäßigkeit lässt sich die Erhitzung in den Wicklungen erklären?
Eine ausführliche Erklärung der Vorgänge in der Asynchronmaschine findest Du hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Drehstrom-Asynchronmasc…
und da vor Allem im Abschnitt „Funktion“.
Wir arbeiten mit vielen Asynchron-Drehstrommotoren und mich interessiert einfach was da im Motor vor sich geht wenn mal wieder der Motorschutz auslöst.
Hier mal ein Szenario: Motor läuft und dann kommt es zu einem Lagerschaden oder es verklemmt sich etwas am Förderband. Nun dreht ja der Antrieb gegen einen Widerstand und läuft letztendlich heiß.
Ich will mal versuchen, die Vorgänge so zu erklären, dass auch ein Laie (mit etwas mathematischem Verständnis) sie verstehen kann.
Ein Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie (Rotationsenergie) umwandelt. Die elektrische so wie die mechanische Leistung wird in Watt gemessen. Im vorigen Jahrhundert wurde die mechanische Leistung noch in PS gemessen, aber davon ist man seit etwa dreißig Jahren abgekommen.
Nun ist es ein Physikalisches Gesetz, dass ich zwar Energie von der einen in die andere Form umwandeln kann, aber ich kann weder Energie aus dem Nichts erscheinen lassen (das wäre das Perpetuum Mobile oder Sience Fiktion – da geht das) noch kann ich Energie im Nichts verschwinden lassen.
Welche Energieformen sind beim Elektromotor im Spiel?
Auf der Eingangsseite des Motors ist da die elektrische Leistung, die ich dem Motor zuführe. Diese Leistung P errechnet sich aus der Anschlussspannung U des Motors sowie aus dem Strom I , den der Motor belastungsabhängig aus dem Netz zieht.
Die Formel ist: P = U * I
Diese elektrische Leistung kann ich allerdings nicht verlustfrei in mechanische Nutzenergie umwandeln. Davon gehen die Motorverluste ab. Das sind:
- Reibungsverluste in den Lagern (die Formel erspare ich uns)
- Luftwiderstand am Umfang des Läufers sowie vor Allem am Lüfterrad (die Formel erspare ich uns auch)
- die Stromwärmeverluste. Und da diese direkt Deine Frage berühren, gehen wir mal näher darauf ein
Ein idealer Motor würde sowohl in den Feldspulen als auch im Käfig des Läufers nur aus Induktivitäten, ohne ohmschen Widerstand, bestehen. Da aber unter normalen Bedingungen jeder elektrische Leiter einen – in unserem Falle unerwünschten – ohmschen Widerstand besitzt *), treten an diesem Stromwärmeverluste auf, die sogenannten I²R -Verluste. Die heißen so, da man sie am einfachsten nach der Formel P = I² * R berechnet, wobei I der durch den Motor fließende belastungsabhängige Strom und R der Widerstand der Spulendrähte ist. Und hier ist dann auch die Erklärung für das Erwärmen bzw. Durchbrennen des Motors bei mechanischer Überlastung.
Der Motor nimmt immer so viel elektrische Energie auf, wie er an mechanischer Nutzleistung (plus der verschiedenen Verluste) abgibt.
Ein Motor wird immer für eine bestimmte Maximalleistung ausgelegt. Das heißt: die Wicklungen und der Käfigläufer werden so bemessen, dass der bei Nennleistung fließende Strom die Wicklungen nicht über ein tolerierbares Maß erwärmt. Die maximale Wicklungstemperatur beträgt bei Standardmotoren bei der maximal zulässigen Umgebungstemperatur 90°C.
Nun ist klar, was passiert, wenn ich dem Motor, z.B. durch Festbremsen, mehr mechanische Energie abverlange als er maximal liefern kann. Der Motorstrom steigt über den Nennstrom an, und da der Strom, nach der Formel P = I² * R , quadratisch in die Verlustwärmeberechnung eingeht, wird sehr schnell eine unzulässig hohe Temperatur erreicht.
*) Anmerkung
Ich habe oben erwähnt, dass der ohmsche Widerstand bei elektrischen Maschinen eigentlich unerwünscht ist, und tatsächlich gibt es einen speziellen (militärischen) Antrieb, bei dem man den elektrischen Widerstand fast vollständig ausgeschaltet hat.
Für das Militär werden Hochgeschwindigkeitsschiffe als Katamarane gebaut. Nun sind die beiden Rümpfe dieser Schiffe so schmal, dass ein normales Dieselaggregat darin keinen Platz findet. Deshalb rüstet man diese Schiffe mit dieselelektrischen Maschinenanlagen aus. Die Elektromotoren treiben dabei die Propeller über kurze Wellen an, müssen sehr klein und dabei sehr leistungsfähig sein und dürfen wegen des begrenzten Einbauraums auch kaum Wärmeverluste aufweisen. Deshalb kühlt man die Motoren bis nahe dem absoluten Nullpunkt ab. Die Spulen des Motors werden dabei supraleitend und erzeugen so gut wie keine Stromwärmeverluste mehr. Die Leiter können deshalb mit einem extrem geringen Querschnitt ausgeführt werden, was sich günstig auf die Abmessungen des Antriebs auswirkt.
Natürlich ist dabei – streng genommen – auch kein verlustfreier Antrieb entstanden, denn die Leistung, die für die Kühlaggregate aufgebracht werden muss, ist beträchtlich. Nur tritt die dadurch bedingte Verlustwärme in Bereichen des Schiffes auf, wo sie problemlos beherrscht werden kann.
Ich bin sehr gespannt - Vielen Dank
Uff! Ich komme mir vor, als ob ich mal wieder eine Prüfungsarbeit geschrieben hätte.
Ich hoffe jedenfalls, dass Dir diese Ausarbeitung was bringt.
merimies
