Leistungsaufnahme Elektromotor beim Anfahren

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,

ein elektromotor kann ein hohes Moment aus dem Stand herraus liefern. Normalerweise berechnet sich die benötigte elektrische Leistung aus dem Moment und der Drehahl in Verbindung mit dem Wirkungsgrad des Elektromotors.
Beim Anfahren ist meine Drehzahl allerdings gleich Null, was laut Formel bedeuten würde dass keine Leistung benötigt wird, was unrealistisch ist.
Deshalb meine Frage: Wie kann ich die benötigte elektrische Leistung beim Anfahren berechnen? Komme hier nicht weiter. Es kann davon ausgegangen werden, dass das benötigte Moment bekannt ist.

Schon mal vielen Dank für eure Hilfe
Gruß

#2

Hallo!
Ich würde im ersten Moment sagen durch das Ohmsche Gesetz U=R*I um die Stromaufnahme zu berechnen, wobei der Widerstand der Wicklung genommen wird. Hast du die Stromaufnahme, dann kannst du damit die Leistungsaufnahme berechnen.
MFG
Sparmeier

#3

Stehender Motor = Kurzgeschlossener Trafo… vieleicht hilft dir das weiter!

#4

Großmotoren benötigen zum Anfahren eine Anfahrschaltung um den Stromverbrauch in Grenzen zu halten.
Im einfachsten Fall Vorwiderstände oder Stern-Dreieck Schaltungen.

Zur Berechnung:
Gegeben muß sein die erlaubte Anfahrzeit bis zur Nenndrehzahl, das Trägheitsmomment der rotierenden Motormasse und angeschlossener Teile (Getriebe etc.) und eventuelle Belastungen während des Anfahrens.

Aus Anfahrzeit und Trägheitsmoment kannst du das Anfahrmoment berechnen und den dazu nötigen Strom.

Dieser Wert ändert sich ständig bei Stromverorgung mit Vorwiderständen (da die Ankerspannung ansteigt) oder bleibt konstant bei variabler Stromversorgung - es kommt auf die Aufgabe an.

#5

Moin,

ein elektromotor kann ein hohes Moment aus dem Stand herraus
liefern.

„hohes Moment“ ist nicht ganz richtig: Ein Gleichstrommotor ja, ein Dreh- (Wechsel-) -strommotor nur bedingt, sein höchstes Drehmoment liegt i.d.R. etwas unterhalb der Nenndrehzahl, abhängig von der Konstruktion. Im Stillstand, bei Anlauf also, ist das Drehmoment u.U. so gering, dass er leer anlaufen muss.

Beim Anfahren ist meine Drehzahl allerdings gleich Null, was
laut Formel bedeuten würde dass keine Leistung benötigt wird,
was unrealistisch ist.

Doch: Leistung = Drehmoment x Drehzahl. Im ersten Moment wird die gesamte elektrische Leistung in Verluste umgesetzt - klingt komisch, aber es ist so. Du darfst Leistung und Energie (Arbeit) nicht verwechseln. Wenn Du Deinen Arm mit äußerster Kraft gegen eine Wand drückst, strengst Du Dich zwar gewaltig an, Leistung im physikalischen Sinne ist das aber nicht. Das ist genauso, als wenn der Motor blockiert wird: die gesamte elektrische Energie wird dann in Wärme umgesetzt.

Deshalb meine Frage: Wie kann ich die benötigte elektrische
Leistung beim Anfahren berechnen? Komme hier nicht weiter. Es
kann davon ausgegangen werden, dass das benötigte Moment
bekannt ist.

Die benötigte Leistung, Stromaufnahme ergibt sich aus der Konstruktion des Motors, bei einem Gleichstrommotor schlicht aus dem ohmschen Widerstand der Wicklungen, bei einem Drehstrommotor ist das komplizierter.
Das benötigte Drehmoment ergibt sich aus dem Gegenmoment der anzutreibenden Maschine. Das muss der Motor aufbringen, er muss so konstruiert sein, dass (Anker-) Wicklungsstrom und Magnetfeld das bringen.
Insgesmat keine einfache Sache (bei Wechselstrom) und eher kein Stoff für die Allgemeinschule.

Gruss
Laika

#6

Hallo,
das was du suchst, nennt sich „elektrisches Moment“.
Wenn du mir sagst, von welchem Typ elektricher Maschine du sprichst - könnt ich mich vielleicht bemühen die passende Gleichung bereit zu stellen :smile:

Meine Antwort kann jedoch etwas dauern, da ich ab morgen in Urlaub bin.

Grüße,
Olli87

#7

Hi,

dein Denkfehler: Der Wirkungsgrad ist nicht konstant. Von Natur aus muss er sowohl bei Drehzahl = 0 als auch bei Drehmoment = 0 Null sein, also sowohl wenn er blockiert, als auch im Moment des Anlaufs als auch im Leerlauf.

Irgendwo zwischen Drehzahl = 0 und Drehmoment = 0 ist der Wirkungsgrad maximal.

Grüße, Uwe

#8

Deshalb meine Frage: Wie kann ich die benötigte elektrische
Leistung beim Anfahren berechnen?

Hallo,

du berechnest einfach, wieviel Leistung du für die gewünschte Beschleunigung aufbringen musst (der neue Tesla z.B. 0…100 km/h in 4 Sek, Gewicht wahrscheinlich so 1,5 t), und rechnest das in elektrische Leistung um, unter Einbeziehung des Wirkungsgrades.

Es ist sowieso falsch anzunehmen, dass der Motor die benötigte Leistung von sich aus aufnimmt (die Intelligenz von Elektromotoren ist recht beschränkt), in der Praxis betreibt man den Motor z.B. mit einer Konstantstromregelung. Die Elektronik bestimmt die Leistung, nicht der Motor. Den kannst du mit fast beliebiger Leistung betreiben - solange bis er dir wegschmilzt oder verdampft. Jedenfalls die eisenlosen Typen.

Gruss Reinhard

#9

Hallo,

meine Überlegungen beziehen sich auf einen Asynchronmotor. Leider kenne ich mich in der Elektrotechnik nicht so gut aus.
Wünsche dir einen schönen Urlaub

Gruß

#10

Ich nutze meinen Elektromotor (im ersten Ansatz eine Asynchronmaschine) um einer Welle ein Moment zu geben und somit zu beschleunigen. Die Energie hierfür wird aus einer Batterie entnommen. Aus diesem Grund interessiert mich zum Einen die Energie die für das Aufbringen des Moments nötig ist und zum Anderen die Leistung die nötig ist.
Die Energie benötige ich zur Ermittlung des Akkustandes nach der Momentenanforderung. Die Leistung ausschließlich um zu überprüfen ob die Batterie diese Leistung abgeben kann.
Wenn die Welle in Bewegung ist kann ich die Leistung über Moment, Wirkungsgrad in diesem Zustand und Drehzahl berechnen und mit Hilfe einer Zeitspanne auch die Energie.
Nur in den Ersten Zeitschritten fehlt mir der Ansatz. Sprich die Energie und Leistung die benötigt wird um das Moment aufzubringen.

Hoff mein Problem und die Zielsetzung ist plausibler geworden.

Gruß

#11

Ich nutze meinen Elektromotor (im ersten Ansatz eine
Asynchronmaschine) um einer Welle ein Moment zu geben und
somit zu beschleunigen. Die Energie hierfür wird aus einer
Batterie entnommen.

Hast Du einen Wechselrichter zwischen Batterie und „Asynchronmaschine“ (= Wechselstrommasch.)?

Im Übrigen kann ich Dir kaum bei den Berechnungen helfen. Habe nur aus dem Allgemeinwissen, das ich vor fast 50 Jahren gelernt habe geschöpft. Ich denke, dass Du Dich mal etwas intensiver in die Theorie und Praxis von elektrischen Maschinen einarbeiten musst.
Irgendwie habe ich auch den Eindruck, dass Du da einige Dinge ziemlich durcheinander wirfst - Strom, Moment, Leistung, Energie.

Sorry
Laika

#12

ein elektromotor kann ein hohes Moment aus dem Stand herraus
liefern.

„hohes Moment“ ist nicht ganz richtig: Ein Gleichstrommotor
ja, ein Dreh- (Wechsel-) -strommotor nur bedingt, sein
höchstes Drehmoment liegt i.d.R. etwas unterhalb der
Nenndrehzahl, abhängig von der Konstruktion.

Sprechen wir vom Drehstrom-Asynchronmotor, so kann man sagen, dass das Anlaufmoment über dem Nennmoment liegt.
Je nach Typ kannst du im Netz Kennlinien finden, die das 1,1 bis 2,5fache zeigen.

Im Stillstand,
bei Anlauf also, ist das Drehmoment u.U. so gering, dass er
leer anlaufen muss.

Mag für exotischere Varianten gelten. In der Antriebstechnik hat sich nun aber der DASM durchgesetzt.

Deshalb meine Frage: Wie kann ich die benötigte elektrische
Leistung beim Anfahren berechnen? Komme hier nicht weiter. Es
kann davon ausgegangen werden, dass das benötigte Moment
bekannt ist.

Du kannst das nicht berechnen.

Würde man den Motor ungeregelt mit Nennspannung und Nennfrequenz anfahren, dann würde er im Stillstand je nach Bauart das 5 - 8fache des Nennstroms ziehen.

Statt dessen wird man aber natürlich den Motor frequenzgeregelt betreiben. Zudem wird die Spannung geregelt - einmal proportional zur Frequenz, aber zum Anfahren mit einer Überhöhung zur Erzielung höherer Anlaufmomente (die durch das sanfte Anfahren mit niedrigen Frequenzen sonst zu niedrig wären.

Beispiel:
Du fährst an mit 5 Hz.
Demnach dürfte man eigentlich nur 400V/10 = 40V auf den Motor geben. Dann zieht der aber kaum noch, also überhöhst du auf z.B. 50V.

#13

Sprechen wir vom Drehstrom-Asynchronmotor, so kann man sagen,
dass das Anlaufmoment über dem Nennmoment liegt.
Je nach Typ kannst du im Netz Kennlinien finden, die das 1,1
bis 2,5fache zeigen.

Sicher doch. Ich sprach von „nur bedingt“, also abhängig von der Konstruktion. Es gibt Drehstrom-A.motoren, die ein sehr hohes max. Moment haben und, damit verbunden, ein sehr dicht an der Synchrondrehzahl liegende Nenndrehzahl haben. Deren Anlaufmoment ist relativ gering. Das ist kein Problem bei z.B. Lüftermotoren.

Im Stillstand,
bei Anlauf also, ist das Drehmoment u.U. so gering, dass er
leer anlaufen muss.

Mag für exotischere Varianten gelten. In der Antriebstechnik
hat sich nun aber der DASM durchgesetzt.

Weil er äußerst preisgünstig ist und den meisten Anforderungen genügt.

Deshalb meine Frage: Wie kann ich die benötigte elektrische
Leistung beim Anfahren berechnen?

Du kannst das nicht berechnen.

Richtig, ohne tiefere Kenntnisse der Motorkonstruktion unmöglich.

#14

Mag für exotischere Varianten gelten. In der Antriebstechnik
hat sich nun aber der DASM durchgesetzt.

Weil er äußerst preisgünstig ist und den meisten Anforderungen
genügt.

Und weil er eben wartungsfrei ist.

Selbst da, wo ein satter Reihenschluss-Gleichströmer das Optimum wäre (Bergbahnen!), werden nun DASM eingesetzt.
Die alten Zugspitzbahn-Triebwagen haben alle Reihenschlussmotoren, die über Eisenwiderstände (auf dem Dach) gesteuert werden.
Diese Widerstände verheizen auch die Bremsenergie.

Bei den neuen Triebwagen scheinen aber nun DASM eingebaut worden zu sein, zumindest entspräche das dem, was ein Mitarbeiter der Bahn mir sagte. Eigentlich kann ich das kaum glauben, denn wenn man sich mal die Drehmomente anschaut, die so ein tonnenschwerer Zug benötigt, um bei 20% Steigung anzufahren… Hui, hui, hui. Da wäre ein Gleichströmer eigentlich sinnvoller.

An Stelle der unverwüstlichen Eisenpakete versehen nun Umrichter ihren Dienst, die aber Vierquadranten-Betrieb zulassen und auch ins Netz zurückspeisen.

Versorgungsspannung sind da rund 1600V DC. Die erzeugte man zu Anfangszeiten durch Glaskörper-Gleichrichter.
Eine nahezu unglaubliche (Hallo, das war 1928!) technische Leistung, denn wir reden hier von über 1000A zu Spitzenlastzeiten, die auch dauerhaft geliefert werden mussten.

#15

Moin,

Selbst da, wo ein satter Reihenschluss-Gleichströmer das
Optimum wäre (Bergbahnen!), …

Bahnen allgemein, weil die ein sehr hohes Anlaufmoment haben und, da immer mit dem Fahrzeug gekoppelt, nicht durchgehen können.

… werden nun DASM eingesetzt.

Nun ja, in heutigen Zeiten der Leistungs-Stromrichtertechnik geht das.

Bei den neuen Triebwagen scheinen aber nun DASM eingebaut
worden zu sein, zumindest entspräche das dem, was ein
Mitarbeiter der Bahn mir sagte. Eigentlich kann ich das kaum
glauben, denn wenn man sich mal die Drehmomente anschaut, die
so ein tonnenschwerer Zug benötigt, um bei 20% Steigung
anzufahren… Hui, hui, hui. Da wäre ein Gleichströmer
eigentlich sinnvoller.

Tja, muss ja gehen. Wie gesagt, mein Wissen ist lange, lange her. Als ich vor über 50 Jahren eine („Starkstrom-“) Elektrikerlehre gemacht hatte, kamen gerade Siliziumgleichrichter auf. Habe damals ziemlich gestaunt, wie klein die waren bei 100en A, die die machen.

An Stelle der unverwüstlichen Eisenpakete versehen nun
Umrichter ihren Dienst, die aber Vierquadranten-Betrieb
zulassen und auch ins Netz zurückspeisen.

Das scheint da wohl zu gehen, da der Strom von einem anderen aufgenommen wird. Ich habe mal gehört, dass sich das bei Straßenbahnen nur lohnt, wenn im selben Streckenabschnitt ein anderer Zug anfährt - der eingespeiste Strom muss ja irgendwo hin.

#16

An Stelle der unverwüstlichen Eisenpakete versehen nun
Umrichter ihren Dienst, die aber Vierquadranten-Betrieb
zulassen und auch ins Netz zurückspeisen.

Das scheint da wohl zu gehen, da der Strom von einem anderen
aufgenommen wird. Ich habe mal gehört, dass sich das bei
Straßenbahnen nur lohnt, wenn im selben Streckenabschnitt ein
anderer Zug anfährt - der eingespeiste Strom muss ja irgendwo
hin.

Ab ins Stromnetz!

In den Jahren vor 1928 wurde für die Zugspitzbahn auch diskutiert, ob man den Strom rückspeisen könne.
Dagegen sprachen:

  1. Man hätte umlaufende Umrichter (Leonardsätze) haben müssen, die wollte man aber nicht.
  2. Im Steilstück im Tunnel hat man schon genug mit dem Spannungsfall zu kämpfen. Nennspannung sind 1500V (nicht 1600, wie ich vorher schrieb). Die elektrische Ausrüstung der Loks ist für 1350V bis 1500V konstruiert. Bei Rückspeisung hätte man das, was vorher Spannungsfall war, nun als Spannungserhöhung. Dann hätten die Loks 1350V bis 1650V aushalten müssen.
  3. Die Einspeisevergütung war minimal.

Die neuen Triebwagen speisen nun doch zurück. Dazu sitzt am unteren Tunnelmund ein eigener Wechselrichter und ein Trafo, der so ziemlich nah am Lastschwerpunkt den zurückgespeisten Strom aus der Oberleitung aufnimmt und ins öffentliche Mittelspannungsnetz einspeist.
So bekommt man die Spannungserhöhung in den Griff.

Denn durch den Skizirkus gibt es halt am Nachmittag doch Zeiten, in denen viele voll beladene Züge bergab gebremst werden.

#17

Hallo Laika,

Bahnen allgemein, weil die ein sehr hohes Anlaufmoment haben
und, da immer mit dem Fahrzeug gekoppelt, nicht durchgehen
können.

Die SBB-Loks haben einen Schleuderschutz, Antriebsräder önen durchdrehen …

Das scheint da wohl zu gehen, da der Strom von einem anderen
aufgenommen wird. Ich habe mal gehört, dass sich das bei
Straßenbahnen nur lohnt, wenn im selben Streckenabschnitt ein
anderer Zug anfährt - der eingespeiste Strom muss ja irgendwo
hin.

Bei der Gotthartstrecke liefern in etwa 2 Züge welche runterfahren den Strom für einen der rauf fährt. Zumindest da wird seit „ewigen Zeiten“ beim Bremsen Rückgespiesen.

MfG Peter(TOO)