8. Betriebsbedingungen elektrischer Maschinen

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1 8. Beriebsbedingungen elekrischer Maschinen Neben den Forderungen, die die Wirkungsweise an den Aufbau der elekrischen Maschinen sell, müssen bei der Konsrukion noch die Bedingungen des Aufsellungsores und der Schuz des Menschen gegen Berührung spannungsführender oder umlaufender Teile und der Schuz gegen eine Beschädigung der Maschine selbs berücksichig werden. Dies wird durch genorme Bauformen und Schuzaren gewährleise. Bauformen und Schuzaren Bei den Transformaoren unerscheide man Trockenransformaoren (bis 1000 kva), Gießharzransformaoren (100 kva bis 15 MVA) und Ölransformaoren (50 kva bis 1500 MVA). Die Bauformen der drehenden Maschinen sind nach VDE 0530 Teil 7 (früher DIN ) genorm. Es bedeuen die Kennbuchsaben A Maschinen ohne Lager, waagereche Anordnung; B Maschine mi Schildlagern, waagereche Anordnung; C Maschine mi Schild- und Sehlagern, waagereche Anordnung; D Maschine mi Sehlagern, waagereche Anordnung; V Maschine mi Führungslagern, Traglagern oder Schildlagern, senkreche Anordnung. In Nachfolge von DIN finde heue die inernaionale Norm DIN IEC 34 Teil 7 mi den IEC-Codes I und II (IM = Inernaional Mouning) Anwendung. Die wichigsen Bauformen sind B3 (Fußmoor) und B5 (Flanschmoor). Die Baugrößen dieser Maschinen sind in DIN 747 fesgeleg. IM B3 IM B5 IM V1 Bauformen elekrischer Maschinen (Auswahl DIN 42950) Zur Kennzeichnung des Schuzgrades werden nach DIN bzw. VDE 0530 Teil 5 je eine Ziffer verwende, der die Buchsaben IP (Inernaional Proecion) vorangesell sind. Für den Berührungs- und Fremdkörperschuz gib es fünf, für den Wasserschuz sogar ach verschiedene Schuzgrade. allgemeine Kennbuchsaben für Schuzar IP Kennziffer, Grad des Berührungs- und Fremdkörperschuzes 2. Kennziffer, Grad des Wasserschuzes Die wichigsen Schuzaren für elekrische Maschinen sind IP12, IP21, IP22, IP23, IP44, IP54, IP55. G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 91

2 Schuzaren elekrischer Maschinen, Schuzgrad 1. Kennziffer Berührungs- und Fremdkörperschuz Schuzumfang 2. Kennziffer Wasserschuz Schuzumfang 0 Kein Berührungsschuz hinsichlich 0 Kein Wasserschuz uner Spannung sehender oder sich bewegender Teile 1 Schuz gegen zufällige großflächige Berührung mi der Hand, Fremdkörper ø > 50 mm 2 Schuz gegen Berührung mi den Fingern, Fremdkörper ø > 12 mm 3 Schuz gegen Berührung mi Werkzeugen, Fremdkörper ø > 2,5 mm 4 Schuz gegen Berührung mi Werkzeugen, Fremdkörper ø > 1 mm 1 Schuz gegen senkrech fallendes Tropfwasser 2 Schuz gegen Tropfwasser aus senkrecher oder schräger Richung bis 15 zur Senkrechen 3 Schuz gegen Sprühwasser aus beliebiger Richung bis 60 zur Senkrechen 4 Schuz gegen Sprizwasser aus allen Richungen 5 Schuz gegen Srahlwasser aus allen Richungen 5 Vollsändiger Schuz gegen 6 Schuz bei Überfluung Berühren mi Hilfsmieln jeglicher Ar, Saubschuz im Inneren 7 Schuz beim Einauchen, fesgelege Druck und Zeibedingungen 6 Saubdiche Maschine 8 Schuz beim Unerauchen (dauernd) Werden elekrische Maschinen in Bereichen eingesez, in denen ein Funke infolge des Beriebs des Moors oder schon seine Oberflächenemperaur eine Explosion hervorrufen kann, so sind hinsichlich der Moorausführung besondere Besimmungen einzuhalen. Diese sind in einer Reihe von Normen für "Elekrische Beriebsmiel für schlagweer- und explosionsgefährdee Bereiche" fesgeleg und eine gesezlich bindende Vorschrif für Herseller und Bereiber. Je nach den Eigenschafen des explosionsgefährdeen Bereichs werden die Beriebsmiel in zwei Gruppen eingeeil. Gruppe I erfass Maschinen für schlagweergefährdee Grubenbaue, Gruppe II alle anderen Bereiche, wobei hier ensprechend den Gaseigenschafen die weiere Unereilung in IIA, IIB, IIC vorgenommen wird. Zur Klassifizierung der Maßnahmen gegen Explosionsgefahr sind eine Reihe von Zündschuzaren in den VDE-Besimmungen 0170/0171 definier, sie simmen mi den Europanormen EN überein. Für elekrische Maschinen kommen zur Anwendung: - Erhöhe Sicherhei EEx e; - Druckfese Kapselung EEx d; - Überdruckkapselung EEx p. Die Ausführung einer elekrischen Maschine in Schlagweer- bzw. Explosionsschuz muss auf dem Leisungsschild eindeuig vermerk sein. G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 92

3 Erwärmung und Kühlung In elekrischen Maschinen reen sromunabhängige Verluse (Eisenverluse, mechanische Lagerund Bürsenreibungsverluse, Lüfungsverluse), sromabhängige Verluse (Sromwärmeverluse in Wicklungen, Übergangsverluse in Kohlebürsen), lasabhängige Zusazverluse und Erregerverluse auf. Der Wirkungsgrad wird bei größeren Maschinenleisung meisens indirek über die aufsummieren Teilverluse P V angegeben. P2 PV η = = 1 (8.1) P P + P 1 2 V Die in einem Maschineneil ensehende Verluswärme erhöh dessen Temperaur gegenüber der Umgebung. Für die Zeispanne d gil folgende Energiebilanz. Erzeuge Wärme = abgegebene Wärme + gespeichere Wärme P V d = α O Θ d + c m dθ (8.2) P V = Verlusleisung α = Wärmeübergangszahl O = Oberfläche Θ = Temperaurdifferenz zwischen dem Körper und dem Kühlmiel c = spezifische Wärmekapaziä m = Masse des Körpers dθ = Änderung der Temperaurdifferenz Die Erwärmung erfolg prinzipiell nach einer Exponenialfunkion. Mi konsaner Kühlmielemperaur gil: T ( 1 E ) Θ = ϑ = ϑ (8.3) 1 e mi der Endüberemperaur des Körpers gegenüber dem Kühlmiel (Umgebung) PV ϑ1 = (8.4) α O und der Zeikonsanen c m T E = (8.5) α O Die zulässige Erwärmung elekrischer Maschinen is mi Rücksich auf die Wärmebesändigkei der Isoliersoffe begrenz. Je nach eingesezem Maerial sind unerschiedliche Höchswere zulässig. In VDE 0530, Teil 1 werden mehrere Isoliersoffklassen unerschieden und diesen jeweils höchszulässige Daueremperauren zugeordne. Die Einhalung der zulässigen Temperaurwere is mi Rücksich auf die Lebensdauer der Maschinen von großer Bedeuung. G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 93

4 Isoliersoffklassen und höchszulässige Daueremperaur (Umgebungsemperaur 40 C, Aufsellungshöhe bis 1000 m, Auswahl aus VDE 0530, Teil 1) Klasse Höchszulässige Daueremperaur Isoliersoffe A 105 C E 120 C B 130 C F 155 C H 180 C Baumwolle, Naurseide, Kunsseide, Papier, Holz, Pressspan mi Lacken geränk Drahlacke verschiedener Ar, Presseile mi mineralischen Füllsoffen Glasfaser, Glimmerproduke, Presseile mi Zellulosefüllsoff Drahlacke auf Imid-Polyeserbasis Glasfaser, Glimmerproduke, Drahlacke auf Imid- Polyeserbasis Glasfaser, Glasfaser mi Silikon-Harzen behandel, Silikon-Kauschuk Bei gegebenen Verlusen einer Maschine läss sich die Endemperaur im wesenlichen nur durch eine inensivere Kühlung senken. Man unerscheide zwischen den Kühlaren: Selbskühlung; die Maschine wird ohne Verwendung eines Lüfers durch Lufbewegung und Srahlung gekühl. Eigenkühlung; die Kühlluf wird durch einen am Läufer angebrachen oder von ihm angeriebenen Lüfer beweg. Fremdkühlung; die Maschine wird durch einen Lüfer gekühl, der nich von der Welle der Maschine angerieben wird, oder sa der Luf durch ein anderes fremdbeweges Kühlmiel gekühl. Mi Rücksich auf eine gue Maerialausnuzung is man besreb die zulässige Grenzüberemperaur im Nennberieb annähernd zu erreichen. Um diese Aufgabe zu erleichern, legen die Besimmungen in VDE 0530, Teil 1 unerschiedliche Nennberiebsaren fes, denen jeweils ein charakerisisches Belasungsprogramm zugrunde lieg. Dauerberieb - Beriebsar S1: Die Nennbelasung dauer so lange an, dass der hermische Beharrungszusand, d.h. die Endemperaur erreich wird. Im Dauerberieb is P N die mögliche Belasung. Kurzzeiberieb - Beriebsar S2: Die Nennbelasung is von so kurzer Dauer, dass der hermische Endzusand nich erreich wird. In der spannungslosen Pause kann die Maschine prakisch wieder voll abkühlen. Am Ende der Belasungszei B darf wie bei Dauerberieb die zulässige Grenzüberemperaur der bereffenden Isoliersoffklasse aufreen. 1 = ϑ2 e ( B T 1- E ) ϑ (8.6) Nimm man vereinfach an, dass die Wicklungsemperaur nur von den Sromwärmeverlusen abhängig is, so erhäl man aus der Dauerleisung P N die Kurzzeileisung (P N ) S2. 1 (PN ) S2 = PN (8.7) B T 1- e E G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 94

5 B (P N ) S2 ϑ 2 T E Verlauf von Abgabeleisung und Wicklungsüberemperaur bei Kurzzeiberieb S2 ϑ 1 ϑ B T A Periodischer Aussezberieb - Beriebsar S3: Belasungen in der Zei B mi der Leisung (P N ) S3 wechseln sich in periodischer Folge mi Sillsandszeien S ab. Die VDE-Besimmungen definieren die Spieldauer S und die relaive Einschaldauer r. B S = B + S r = (8.8) Für die zulässige Belasung gil: (P N ) S3 = P N S TE 1 r B 1+ 1 TA r T (8.9) E B S Für die Abkühlzeikonsane T A gil bei oberflächengekühlen Mooren T A /T E = 4 bis 6. (P N ) S3 S ϑ 1 ϑ Verlauf von Abgabeleisung und Wicklungsüberemperaur bei Aussezberieb S3 Periodischer Aussezberieb mi Einfluss des Anlaufvorganges - Beriebsar S4: Das Lasspiel ensprich dem Berieb S3, nur wird die zusäzliche Erwärmung während der Anlaufzei A berücksichig. S A P B S Einfluss des Anlaufvorganges beim Aussezberieb S4 G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 95

6 Periodischer Aussezberieb mi elekrischer Bremsung - Beriebsar S5: Das Lasspiel ensprich dem Berieb S3, nur wird die zusäzliche Erwärmung durch Anlauf und elekrische Bremsung berücksichig. S A P B Br Aussezberieb S5 mi Einfluss von Anlauf und elekrischer Bremsung S Ununerbrochener periodischer Berieb mi Aussezbelasung - Beriebsar S6: Die Maschine wird in den Laspausen nich abgeschale. Für die zulässige Leisung gil: 1 S ( PN ) S6 = PN (1 r ) (8.10) T r E Ununerbrochener periodischer Berieb mi elekrischer Bremsung - Beriebsar S7: Das Lasspiel ensprich dem Berieb S5 mi S = 0, d.h. nach der elekrischen Bremsung erfolg soforiger Wiederanlauf. Ununerbrochener periodischer Berieb mi Las-/Drehzahländerungen - Beriebsar S8: Lasspiel mi wechselnden Drehzahlen und Belasungen (z.b. polumschalbare Asynchronmaschinen). Berieb mi nich periodischen Las- und Drehzahländerungen - Beriebsar S9: Die Belasung und die Drehzahl können sich im zulässigen Bereich nichperiodisch ändern. Berieb mi einzelnen konsanen Belasungen - Beriebsar S10: Ein Berieb mi nich mehr als vier einzelne Belasungswere. Toleranzen von Beriebsweren elekrischer Maschinen sind in VDE 0530 Teil 1, Tafel 8.8 zusammengesell. Die zulässigen Toleranzen weisen eilweise erhebliche Were auf. Die Toleranzen für die Gesamverluse von Maschinen P > 50 kw beragen ±10%. Die Toleranzen für den Nennschlupf von Asynchronmaschinen P 1 kw beragen ±20% und bei Asynchronmaschinen P < 1 kw beragen sie sogar ±30%. Auf dem Leisungsschild einer elekrischen Maschine sind alle für den Einsaz der Maschine wichigen Daen, insbesondere die bei Nennberieb aufreenden Were für Leisung, Spannung, Srom und Drehzahl aufgeführ. Der Umfang der erforderlichen Angaben is in VDE 0530 Teil 1 fesgeleg. G. Schenke, Grundlagen der Elekroechnik III FB Technik, Ab. E+I 96