A. Kremser. Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe

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1 A. Kremser Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe

2 Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe Von Prof. Dr.-Ing. Andreas Kremser Georg -Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg Mit 111 Bildern m B. G. Teubner Stuttgart 1997

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Kremser, Andreas: Grundzüge elektrischer Maschinen und Antriebe / von Andreas Kremser. - Stuttgart : Teubner, 1997 ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1997 Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH, Kar1sruhe Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

4 Vorwort In der heutigeq Zeit, in der die Beschäftigung mit Software von manchen sogenannten "Experten" fur die wichtigste Tätigkeit eines Elektroingenieurs gehalten zu werden scheint, mag es nicht als zwingend erforderlich erscheinen, der beträchtlichen Anzahl Bücher - zum Teil auch sehr guter Werke - über elektrische Maschinen ein weiteres hinzuzufugen. Ich konnte mich während meiner beruflichen Tätigkeit jedoch häufig davon überzeugen, daß es zur Lösung von Antriebsproblemen oft nicht hinreichend ist, die elektrischen Maschinen als "blatk box" oder als Reihenschaltung von Induktivität und induzierter Spannung zu betrachten. Für den Ingenieur, der antriebstechnische Aufgabenstellungen zu bewältigen hat, sind Grundkenntnisse auch über die elektromagnetisch- mechanische Energiewandlung hilfreich. Daher hat in elektrotechnischen Studiengängen die Grundlagenausbildung im Fachgebiet elektrischer Maschinen durchaus ihre Berechtigung. Das vorliegende Buch soll einerseits den Studierenden bei dieser Ausbildung Hilfestellung geben, andererseits denjenigen in der Praxis tätigen Ingenieuren, die nicht als Entwickler elektrischer Maschinen arbeiten, zur Weiterbildung dienen. Meine eigene Ausbildung im Fachgebiet elektrischer Maschinen verdanke ich Hel]11 Professor Dr.- Ing. H. O. Seinseh, der sich in hervorragender Weise bemüht hat, die elektrotechnischen Grundlagen am Beispiel der elektrischen Maschinen und Antriebe zu vertiefen. In meiner Vorlesung "Elektrische Maschinen", die ich an der Georg Simon- Ohm- Fachhochschule Nürnberg fur die Studierenden der elektrischen Energie- und Automatisierungstechnik halte, und die die Basis fur das vorliegende Buch bildet, habe ich mich in der Darstellung einiger Themenkreise, wie zum Beispiel des Luftspaltfeldes elektrischer Maschinen, an die meines Lehrers angelehnt.

5 VI Vorwort Bei meinem Werkmeister, Herrn Gerhard Kißkalt, möchte ich mich fiir die wertvolle Unterstützung bei der Erstellung der Bilder bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Thomas Schuster, der mir sehr dabei geholfen hat, mein Vorlesungsskript in eine reproduktionsfähige Manuskriptvorlage zu überfuhren. Meiner Frau danke ich fiir die Unterstützung und das Verständnis während der sehr arbeitsintensiven Zeit der Erstellung der Manuskriptvorlage. Nürnberg, im Frühjahr 1997 Andreas Kremser

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einrührung 1 2 Gleichstrommaschinen Induktionsgesetz Ankerwicklungen von Gleichstrommaschinen Spannungsgleichung der Gleichstrommaschine Nebenschlußverhalten Reihenschlußverhalten Aufbau der Gleichstrommaschine Schutzarten, Bauformen, Wärmeklassen Stromwendung Anschlußbezeichnungen und Schaltbilder Das Luftspaltfeld der Gleichstrommaschine Segmentsparuiung Strotnrichterspeisung von Gleichstrommaschinen Schwungmassenanlauf eines Gleichstrommotors Universalmotoren 46 3 Transformatoren Spannungsgleichungen des Einphasentransformators Leerlauf des Einphasentransformators Kurzschluß des Einphasentransformators Einphasentransformator bei Belastung Eisenkerne von Einphasen- und Drehstromtransformatoren Wicklungsausfuhrungen Spannungsgleichungen des Drehstromtransformators Parallelbetrieb von Transformatoren Magnetisierungsstrom. eines Transformators unter Einfluß der Eisensättigung Eingeprägte Spannung Stemschaltung der Wicklungen 70

7 vm Inhaltsverzeichnis 3.10 Schaltvorgänge bei Einphasentransfonnatoren Zuschalten eines leerlauf enden Transformators an das starre Netz Kurzschluß des leerlauf enden Transformators Schaltgruppen von Drehstromtransfonnatoren Unsymmetrische und einphasige Belastungen von Drehstromtransfonnatoren Spartransformatoren 78 4 Asynchronmaschinen Wicklungen von Asynchronmaschinen Wechselstromwicklungen 81 4.l.2 Drehstromwicklungen Ständerfrequenz, Läuferfrequenz, Schlupf Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine Vereinfachtes Ersatzschaltbild der AsM, Stromortskurve Gesetz über die Spaltung der Luftspaltleistung Maßstäbe, Kenngeraden und Parametrierung der SOK Kippmoment, Kippschlupf, Kloss'sche Formel Drehmoment- Drehzahl~ Kennlinie Betriebsverhalten von Schleifringläufermotoren Aufbau der Asynchronmaschine Anlauf von Antrieben Umrichterspeisung von Asynchronmaschinen Verluste, Wirkungsgrad MotorerwärInung, Explosionsschutz Asynchrongeneratoren Wechselstromasynchronmotoren Zweisträngige Motoren Dreisträngige Motoren Synchronmaschinen Luftspaltfeld des Läufers Vollpolmaschine Spannungsgleichung und Ersatzschaltbild Leerlauf- und Kurzschlußkennlinie Potier- Diagramm Bestimmung des Nennerregerstroms Stromortskurve bei konstantem Erregerstrom V- Kurven Regulierkennlinien Drehmomentgleichung für den Betrieb am starren Netz Zweipoliger und einpoliger Dauerkurzschluß

8 I~tsverzeictunis 5.3 Besonderheiten der Schenkelpolmaschine Spannungsgleichung und Ersatzschaltbild Zeigerdiagramm Drehmomentgleichung für den Betrieb am starren Netz 5.4 Permanenterregte Synchronmaschinen 5.5 Anlauf der Synchronmaschine, Synchronisation 5.6 Stoßkurzschlußstrom 6 Arbeitsmaschinen 7 Lösungen der Beispiele 7.1 Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel 4.6 Formelzeichen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis IX