Elektromaschinen in Theorie und Praxis

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1 Prof. Dr.-Ing. Ali Farschtschi Elektromaschinen in Theorie und Praxis Aufbau, Wirkungsweisen, Anwendungen, Auswahl- und Auslegungskriterien 2., aktualisierte und erweiterte Auflage VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach

2 Inhalt Formelzeichen 23 0 Einführung Geschichtliche Entwicklung Leistungsklassen Anwendungsgebiete Elektrische Energieversorgung Volkswirtschaftliche Aspekte 32 1 Allgemeine Grundlagen^ Größen und Einheiten Zählpfeilsysteme Einführung in die Wechselstromtechnik Drehstrom Grundlagen ' Schaltungen bei Drehstrom Unsymmetrische Belastung Dreileiternetz Vierleiternetz * Symmetrische Komponenten ; Aufgaben zum Wechsel-und Drehstrom Kennlinien 61 '1.7 Stabilität Grundgesetze Durchflutungsgesetz und magnetische Feldstärke Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises, magnetischer Fluss <3> und Induktion B 67

3 1 j i 1 11 i Magnetisierungskennlinie (Hystereseschleife), Weich- und Permanentmagnete Energie und Kraft im magnetischen Feld 76 L8.5 Induktionsgesetz Selbstinduktion und Selbstinduktivität Gegeninduktion und Gegeninduktivität Induzierte Spannung in einer rotierenden Spule im äußeren Magnetfeld Aufgaben zum magnetischen Kreis 89 2 Transformatoren Einleitung Funktionsweise und Aufbau Unterteilung nach der Form des Eisenkerns Unterteilung nach der Form der Wicklungen Unterteilung nach der Kühlung, der Isolierung und des Schutzes Magnetisierungsstrom und Oberschwingungsverhalten Betriebsverhalten, Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm Idealer Transformator Technischer Transformator Spezielle Betriebszustände Leerlauf Vereinfachtes Ersatzschaltbild und Kurzschluss Betrieb im Bemessungspunkt Änderungen der Sekundärspannung bei Belastung Grafische Darstellung (Kappsches Dreieck) Parallelschaltung von Transformatoren Ungleichheit der Übersetzungsverhältnisse Ungleichheit der relativen Kurzschlussspannungen Schaltungen und Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren Spartransformator Stromtransformator Verluste in elektrischen Maschinen Eisenverluste Wirbelstromverluste Hystereseverluste Kupferverluste : Bürstenübergangsverluste Erreger- und Gleichrichterverluste

4 Lagerreibungs-, Luft-, Bürstenreibungs- und Lüfterverluste Zusatzverluste." : Wirkungsgrad ' Life-Cycle-Cost elektrischer Antriebe Aufgaben zu Transformatoren Gleichstrommaschinen Einleitung Aufbau ' Magnetischer Kreis (Entstehung des magnetischen Felds und der Pole) , Wicklungsarten des Ankers Induzierte Spannung im Anker und Kommutation Strombelag Vereinfachte Schaltung, Drehmoment, Wirkungsweise und Ersatzschaltbild.' Energiebilanz (Sankey-Diagramm) Leistungsbeziehungen (innere und äußere Leistung) Gleichstrommotoren Besonderheiten, Betriebskennlinie, spezielle Anwendungen und Drehzahlverstellung../ Fremderregter Motor und Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Doppelschlussmotor Anlassen des Motors mit Hilfe der Ankervorwiderstände Gleichstromgeneratoren ' Fremderregter Generator Selbsterregter Generator Ankerrückwirkung, Wendepol und Kompensationswicklung Kennzeichen der Anschlüsse Ergänzungen Aufgaben zu Gleichstrommaschinen Grundlagen der Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen Einleitung Vergleich mit Gleichstrommaschinen Vergleich von Wechselstrom- mit Drehstrommaschinen

5 4.1.3 Hauptunterteilung rotierender elektrischer Maschinen Unterteilung nach Strangzahl Unterteilung nach Außen-bzw. Innenpol Drehfeld Entstehung und Beschreibung Drehfeld durch rotierendes Polrad (für Synchronmaschinen) Drehfeld durch dreisträngige symmetrische Wicklung (für Asynchronmaschinen) Induzierte Spannung des Drehfelds Wicklungsfaktor (Zonen- und Sehnungsfaktor) Asynchronmaschinen Qualitative Betrachtung Einleitung Aufbau Anschlussbezeichnungen und Verschaltung der Klemmen bei Drehstrom- und Wechselstrommaschinen Funktionsweise und Betriebsverhalten (Schlupf, Drehzahlen, Frequenzen, Spannungen und Drehmoment) Zeigerdiagramm der Induktions- und Strombelagsschwingungen Betriebskennlinie (Drehmoment-Schlupf-Abhängigkeit, Klosssche Formel) Energiebilanz (Sankey-Diagramm), Betriebszustände ausgedrückt durch Luftspalt-, Läuferverlust- und mechanische Leistung Asynchrongenerator Anlass- und Bremsverfahren l.l.1 * Anlassverfahren 248 Läuferanlasser 248 Schleifringläufer 248 Käfigläufer 249 Ständeranlasser 251 Anlasstransformator 251 Unsymmetrische Speisung der Ständerwicklung (Kusa-Schaltung) Anlassen mit veränderbarer Frequenz (Umrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) Stern-Dreieck-Anlauf

6 Bremsverfahren Gegenstrombremse '. : Erhöhung des Schlupfs Reduzierung der Frequenz Gleichstrombremsung Bremsung mit niederfrequentem Wechselstrom Polpaarzahländerung Quantitative Betrachtung (Ständerstromortskurve bzw. Ossana-Heyland-Kreis) Kreisdiagramm ohne Berücksichtigung von Ständerkupfer-, Eisen- und Zusatzverlusten Ermittlung wichtiger Punkte des Kreises Leistungsaufteilung Kreisdiagramm mit Berücksichtigung von Ständerkupferund Eisenverlusten Konstruktion des Kreisdiagramms Bestimmung der Kippmomente Bestimmung der Schlupfgeraden Zusammenfassung und Ergänzung Mögliche Ursachen für die Veränderung der Stromortskurve Aufgaben zu Asynchronmaschinen. c Ausgewählte Kapitel der elektrischen Messtechnik Einleitung Strom- und Spannungsmessung Messbereichserweiterung Strommesser Spannungsmesser Leistungsmesser Eigenverbrauch eines Messinstruments Auswahl und Benutzung der Messinstrumente Widerstandsmessung Indirekte Methode (mit Hilfe der U- und /-Messung) Direkte Methode (mit Hilfe von Messbrücken) Messung von Leistung und Arbeit Induktivitäts- und Kapazitätsmessung Temperaturmessung Zeit- und Frequenzmessung

7 6.8 Magnetfeldmessung Drehzahlmessung Drehmomentmessung Geräuschmessung Einleitung Methoden zur Bestimmung von Kraft und Schwingungen Piezoelektrischer Kraftaufnehmer Schwingungsmessung mit Kondensatormikrofon Schwingungsmessung mit induktivem magnetoelastischem Kraftaufnehmer Schwingungsmessung mit transformatorischem magnetoelastischem Kraftaufnehmer Methoden der Geräuscherfassung Schalldruckmessung Schallintensitätsmessung Schallintensitätsmessung mit Microflown-Schallschnelle-Sensor Experimentelle Modalanalyse Ausgewählte Kapitel der Leistungselektronik Einleitung Grundlagen der Halbleiterbauelemente Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung der Bauelemente Widerstände, Kondensatoren und Spulen Transistoren Diode Thyristor Spezielle Anwendungen von Diode und Thyristor Speisung des Gleichstrommotors durch das Wechselspannungsnetz Gleichrichterschaltungen Mit Wechselstrom Mit Drehstrom Glättung Prinzipschaltung von Gleichrichterschaltungen (Stromrichter) Antiparallel- bzw. Zweiwegschaltung (Triac) Halbleiterbauelemente als Schalter Prinzipschaltung von Wechselrichtern Prinzipschaltung von Gleichstromstellern

8 7.4.7 Umrichter /-, U- und Direktumrichter Synchronmaschinen Qualitative Betrachtung Besonderheiten, Anwendung und Aufbau Betriebsverhalten am starren Netz Leerlauf Drehfeld in Folge des Ständerstroms Drehfeld in Folge des Erregerstroms Drehfeld in Folge von Ständer- und Erregerstrom Lastfall Pendelungen der Synchronmaschine Synchronmaschine mit Dämpferwicklung und asynchroner Anlauf Drehmoment bei der Schenkelpolsynchronmaschine Anlauf und Synchronisierung des Synchrongenerators Quantitative Betrachtung der Vollpolsynchronmaschine Spannungsgleichung, Ersatzschaltbild und Potiersche Dreiecke / Kreisdiagramm der Vollpolsynchronmaschine Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie des Generators Drehmoment und Leistung V-Kurven (Abhängigkeit des Ständerstroms vom Erregerstrom bei konstanter Wirkleistung) Vergleich von Synchron- und Asynchronmaschinen ' Permanentmagneterregte Synchronmotoren ' Aufgaben zu Synchronmaschinen 396 ' # 9 Drehzahlverstellung von Drehstromasynchronmotoren * I 9.1 Schlupfänderung Polpaarzahländerung (Polumschaltbare Motoren) Unterbringung von Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahl Dahlander-Schaltung Kaskadenschaltung von Drehstromasynchronmaschinen Speisefrequenzänderung

9 9.3.1 Dynamischer Frequenzwandler Asynchroner Frequenzwandler 406 i: Frequenzwandler in Leonard-Schaltung Integrierter dynamischer Frequenzwandler I (Schräge-Richter-bzw. Scherbius-Maschine) 409 jj,j Statischer Frequenzwandler 411!'; Statischer Frequenzwandler im Läuferkreis 411 ii Drehstrom-Gleichstrom-Kaskade 411 :,: Drehzahlverstellung mit Frequenzwandler im Läuferkreis 412,\ Statischer Frequenzwandler im Ständerkreis ',[ (stromrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) 414 ] ] Einleitung 414 : i Grundlagen 416 I Verfügbare Umrichtersysteme (/-, U- und Direktumrichter) ' Entstehung der Drehmomentoberschwingungen 417! Auswirkungen der Oberschwingungen 422 V Auswertung 423 ;' Reduzierung der umrichterbedingten parasitären i. Erscheinungen 428 V Zusammenfassung Kleinmaschinen :, Spezielle Asynchronmaschinen Anwendung vom Drehstromasynchronmotor im Wechsel- Stromnetz (unsymmetrischer Betrieb vom Drehstromasynchronmotor) Betriebsverhalten Pulsierendes (stehendes), elliptisches und kreisförmiges Wechselfeld Kusa-Schaltung Anlassen von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz (Steinmetz-Schaltung) Nachteile der Anwendung von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz Einsträngige Induktionsmaschinen (Wechselstrommaschinen) Betriebsverhalten und Funktionsweise Modifikationen :! Spaltpolmotor '.'

10 O.< , Motor mit Hilfswicklung (Hilfswicklung mit erhöhtem Widerstand) 441 Motor mit Hilfswicklung und Betriebskondensator 441 Motor mit Hilfswicklung und Anlasskondensator 441 Motor mit Hilfswicklung, Betriebs- und Anlasskondensator Vergleich von einsträngigen Induktionsmotoren 441 Wechselstrom-Kommutatormotoren 444 Universalmotor 444 Schrage-Richter-Motor (Scherbius-Maschine) 444 Motoren mit eisenlosem Läufer 444 Ferrarismotor 444 Scheibenläufer 446 Massivläufer 447 Tachogenerator 448 Spezielle Synchronmaschinen 448 Hysteresemotor 448 Klauenpolmaschine (Lichtmaschine) 449 Schrittmotoren 457 Einleitung 457 Klassifizierung 458 Aufbau 460 Wirkungsweise.../. 465 Eckdaten und Einsatzgebiet./ Zusammenfassung 468 Spezielle Gleichstrommaschinen 469 Mit Permanentmagneterregung 469 Elektronikmotor (EC-Motor bzw. bürstenloser Gleichstrommotor) im Vergleich zum Schrittmotor Sondermaschinen Linearmotor Elektrische Welle *