Grundlagen elektrischer Maschinen

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1 Germar Müller Grundlagen elektrischer Maschinen Weinheim New York Basel Cambridge Tokyo

2 Inhaltsverzeichnis 0. Einleitung Schreibweise der Formelzeichen Vorzeichenvereinbarungen Formulierung der Grundgesetze Zusammengefaßte Darstellung der komplexen Wechselstromrechnung Einführung und Eigenschaften des symmetrischen Dreiphasensystems Einführung symmetrischer Komponenten Darstellung magnetischer Felder Formelzeichen 36 A. Transformator 1. Aufgaben des Transformators Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Einphasentransformators Prinzipielle Ausführungsformen Wirkungsweise Festlegung der positiven Zählrichtungen Wirkungsweise des idealen Transformators Abweichungen des realen Transformators vom idealen Transformator Wirkungsweise des noch hinsichtlich der Ströme idealen Transformators Wirkungsweise des noch hinsichtlich der Spannungen idealen Transformators Analytische Behandlung Allgemeine Gleichungen für den stationären Betrieb Gleichungen mit transformierten Größen Ersatzschaltbild Näherungsbeziehungen Leerlaufversuch Kurzschlußversuch 84

3 X Inhaltsverzeichnis 2.6. Betriebsverhalten am Netz starrer Spannung Ortskurven U' 2 = /(/// ) und U' 2 = /(<p B ) Kappsches Diagramm Spannungsänderung bei Belastung Parallelbetrieb Betriebsverhalten bei vorgegebenem Strom Wirkungsweise und Betriebsverhalten der Dreiphasentransformatoren Entwicklung der prinzipiellen Ausführungsformen Transformatorenbank Vereinigung von drei Einphasen-Manteltransformatoren zum Dreiphasen-Manteltransformator Vereinigung von drei Einphasen-Kerntransformatoren zum Dreiphasen-Kerntransformator Fünfschenkel-Transformator Schaltungsmöglichkeiten der Wicklungen Beziehungen zwischen den Spannungen sowie zwischen den Strömen der Wicklungsstränge und denen der äußeren Zuleitungen Wirkungsweise unter symmetrischen Betriebsbedingungen Wirkungsweise als idealer Transformator Wirkungsweise bei noch hinsichtlich der Ströme idealem Verhalten Wirkungsweise bei noch hinsichtlich der Spannungen idealem Verhalten Analytische Behandlung und Betriebsverhalten des Dreiphasentransformators unter symmetrischen Betriebsbedingungen Betriebsverhalten des Dreiphasentransformators unter unsymmetrischen Betriebsbedingungen Problematik des Betriebs unter unsymmetrischen Betriebsbedingungen Erscheinungen im Dreiphasentransformator und deren Folgen bei extrem unsymmetrischer Belastung Verhalten des Dreiphasentransformators gegenüber den symmetrischen Komponenten Einsatz der Schaltungskombinationen von Dreiphasentransformatoren Besondere Ausfiihrungsformen Spartransformatoren Stelltransformatoren 140

4 Inhaltsverzeichnis XI 5. Energieumsatz im Transformator Verluste Wirkungsgrad Erwärmung und Kühlung von Transformatoren Wärmequellen Erwärmungsvorgang und stationäre Wärmeströmung Wärmeströmung innerhalb der aktiven Bauteile des Transformators Kühlungsarten Übertemperatur der Wicklung und Wärmeklassen des Isoliersystems Betriebsarten von Transformatoren Technische Ausführung von Leistungstransformatoren Grundlegendes über die Baugröße Konstruktive und technologische Gestaltung der aktiven Bauteile Magnetischer Kreis Wicklungen Äußere Gestaltung Schutzgrade Klemmenbezeichnung und Klemmenanordnung Hauptabmessungen Technische Forderungen Schaltzeichen Schutztechnik Innere Fehler des Transformators Schutzeinrichtungen Ausführungsbeispiele 175

5 XII Inhaltsverzeichnis 8. Meßwandler Aufgaben der Meßwandler Spannungswandler Stromwandler Technische Ausführung von Meßwandlern 188 B. Allgemeine Betrachtungen über rotierende elektrische Maschinen 9. Aufgaben der rotierenden elektrischen Maschinen Energieumsatz in rotierenden elektrischen Maschinen Grundlagen der elektromechanischen Energiewandlung Allgemeines über den Mechanismus der elektromechanischen Energiewandlung Flußverkettungs- und Spannungsgleichungen verlustloser elektromechanischer Wandler Energetische Verhältnisse in verlustlosen elektromechanischen Wandlern Aussagen des Energiesatzes Kraft-Energie-Beziehung Kraft-Koenergie-Beziehung Sonderfall linearer magnetischer Verhältnisse Sonderfall zyklischer Vorgänge Entwicklung der Ausgangsanordnungen der rotierenden elektrischen Maschinen Stationärer Energieumsatz in rotierenden elektrischen Maschinen Bedingungen für einen stationären Energieumsatz Energiebilanz der realen Maschine Leistungsfluß im stationären Betrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Konstruktive und technologische Gestaltung der rotierenden elektrischen Maschinen Aktive Bauteile Magnetischer Kreis Wicklungen Schleifringe und Kommutatoren 225

6 Inhaltsverzeichnis XIII Inaktive Bauteile Inaktive Bauteile des Läufers Inaktive Bauteile des Ständers Bauformen Schutzgrade Das magnetische Feld in rotierenden elektrischen Maschine Aufteilung der Felder und Verkettungsmechanismus Beschreibung des Luftspaltfelds Bestimmung des Luftspaltfelds Erregung einer Polwicklung Erregung einer in Nuten verteilten Wicklung auf einem rotationssymmetrischen Hauptelement, dem sich ein zweites rotationssymmetrisches Hauptelement gegenüber befindet Erregung einer in Nuten verteilten Wicklung auf einem rotationssymmetrischen Hauptelement, dem sich ein Hauptelement mit ausgeprägten Polen gegenüber befindet Spannungsinduktion durch das magnetische Feld Spannungsinduktion durch das Luftspaltfeld Spannungsinduktion durch Streufelder Erwärmung und Kühlung rotierender elektrischer Maschinen Wärmequellen Erwärmungsvorgang Stationäre Wärmeströmung Kühlmethoden Allgemeines zur technischen Ausführung rotierender elektrischer Maschinen Grundlegendes über die Baugröße Technische Forderungen an rotierende elektrische Maschinen Prüfung rotierender elektrischer Maschinen Elemente der Schaltzeichen rotierender elektrischer Maschinen Schutztechnik rotierender elektrischer Maschinen 280

7 XIV Inhaltsverzeichnis С. Gleichstrommaschine 15. Aufbau der Gleichstrommaschine Prinzipieller Aufbau Entwicklung des Kommutatorankers Aufbau der realen Gleichstrommaschine Allgemeine Gesetzmäßigkeiten und Erscheinungen in Gleichstrommaschinen Luftspaltfeld Spannungsinduktion im Kommutatoranker Spannungsgleichung des Ankerkreises Drehmoment Kommutierung Gleichstrommaschinen mit Fremd-, Nebenschluß- und Permanenterregung Betriebsverhalten als Generator bei konstanter Drehzahl Prinzipielle Wirkungsweise Selbsterregungsvorgang Betriebsverhalten, Strom-Spannungs-Kennlinien Betrieb am Netz starrer Spannung Prinzipielle Wirkungsweise Betriebsverhalten Möglichkeiten der Drehzahlstellung und der Lasteinstellung Anlassen Bremsen Betrieb im drehzahlvariablen Antrieb Antriebsaufgaben und deren prinzipielle Lösung mit Gleichstrommaschinen Drehzahlstellung durch Spannungsstellung im Ankerkreis Realisierung der Spannungsstellung Arbeitsbereiche des drehzahlvariablen Gleichstromantriebs im Dauerbetrieb Arbeitsbereiche des drehzahlvariablen Gleichstromantriebs außerhalb des Dauerbetriebs Energieumsatz Einsatz 334

8 Inhaltsverzeichnis XV 18. Gleichstrommaschinen mit Reihenschlußerregung Motorbetrieb am Netz starrer Spannung Prinzipielle Wirkungsweise Betriebsverhalten Möglichkeiten der Drehzahlstellung Anlassen Bremsen Einsatz Technische Ausführung von Gleichstrommaschinen Konstruktive und technologische Gestaltung Schaltzeichen Anschlußbezeichnungen Technische Forderungen Ausführungsbeispiele 349 D. Allgemeine Betrachtungen über Maschinen mit Drehfeldern als Luftspaltfeld 20. Drehfeld Definition des Drehfelds Aufbau eines Drehfelds Aufbau eines Drehfelds durch ein gleichstromerregtes, rotierendes Polrad Aufbau eines Drehfelds durch eine drehstromgespeiste, dreisträngige Wicklung Spannungsinduktion durch ein Drehfeld Die Entwicklung des mittleren Drehmoments aus der Sicht der Drehfelder des Luftspaltfelds Mechanismus der Grundwellenverkettung Prinzip der Grundwellenverkettung Spannungsgleichung des Strangs a 369

9 XVI Inhaltsverzeichnis 22. Leistungsfluß und Drehmoment von Maschinen mit Drehfeldern als Luftspaltfeld Leistungsfluß in einer Drehfeldmaschine Entwicklung der Maschinenarten mit Drehfeldern als Luftspaltfeld Ermittlung des Drehmoments einer Drehfeldmaschine 379 E. Dreiphasen-Asynchronmaschine 23. Prinzipieller Aufbau Prinzipielle Wirkungsweise der Dreiphasen-Asynchronmaschine mit Schleifringläufer bei Betrieb am starren Netz Prinzipielle Wirkungsweise in erster Näherung - Beobachtung des Leerhochlaufs und der Lastübernahme Prinzipelle Wirkungsweise in zweiter Näherung Analytische Behandlung der Dreiphasen-Asynchronmaschine mit Schleifringläufer Allgemeine Spannungsgleichungen Spannungsgleichungen unter Einführung transformierter Läufergrößen - Ersatzschaltbild Näherungsbeziehungen Behandlung der Dreiphasen-Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer in Form eines Einfachkäfigläufers Betriebsverhalten der Dreiphasen-Asynchronmaschine mit kurzgeschlossenem Schleifringläufer bzw. mit Kurzschlußläufer am starren Netz Ströme Ortskurve des Ständerstroms Entwicklung der Ortskurve Schlupfbezifferung Auswertung des Kreisdiagramms Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie Energieumsatz 413

10 Inhaltsverzeichnis XVII 28. Spezielle Betriebszustände Anlassen von Asynchronmotoren Direktes Einschalten Einschalten über Anlaßtransformator Einschalten über Vorschaltdrosseln Einschalten mit Stern-Dreieck-Schaltung Anlassen des Schleifringläufers mit Hilfe von Anlaßwiderständen im Läuferkreis Energieumsatz in den Läuferkreisen während des Hochlaufs Bremsen der Asynchronmaschine Betrieb des Schleifringläufers mit Zusatzspannung im Läuferkreis Besondere Ausführungsformen von Dreiphasen-Asynchronmaschinen Maschinen mit Hochstabläufer und Doppelkäfigläufer Polumschaltbare Maschinen Einsatz Technische Ausführung von Dreiphasen-Asynchronmaschinen Konstruktive und technologische Gestaltung Schaltzeichen Anschlußbezeichungen Technische Forderungen Betriebskennlinien und Betriebskennwerte Schutztechnik Schutztechnik für kleine und mittlere Maschinen Schutztechnik für große Maschinen Ausführungsbeispiele 439 F. Dreiphasen-Synchronmaschine 32. Prinzipieller Aufbau 445

11 XVIII Inhaltsverzeichnis 33. Prinzipielle Wirkungsweise der Dreiphasen-Synchronmaschine bei Betrieb am starren Netz Das Luftspaltfeld, seine Komponenten und die zugehörigen Spannungen Herstellen der Verbindung mit dem Netz Mechanismus der Blindlastübernahme Mechanismus der Wirklastübernahme Analytische Behandlung der Dreiphasen-Synchronmaschine Allgemeine Spannungsgleichung und Beziehung für die Ankerdurchflutung Spannungsgleichung der ungesättigten Maschine - Einführung von Reaktanzen Vollpolmaschine Schenkelpolmaschine Kurzschluß Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine am starren Netz Ankerstrom Drehmoment Statische Stabilität Ortskurven des Ankerstroms V-Kurven Grenzleistungsdiagramm Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine bei Generatorbetrieb auf ein passives Netzwerk Ankerstrom Drehmoment Strom-Spannungs-Kennlinien Bremsbetrieb 493

12 Inhaltsverzeichnis XIX 37. Genäherte Behandlung der gesättigten Maschine Leerlauf Kurzschluß Belastung Erregung der Synchronmaschine Klassische Erregungssysteme für Synchrongeneratoren Moderne Erregungssysteme für Synchrongeneratoren Selbsterregte Synchronmaschinen Erregung von Synchronmotoren Entregungsschaltungen Anlauf und Synchronisieren Einsatz Besondere Ausführungsformen Technische Ausführung von Dreiphasen-Synchronmaschinen Konstruktive und technologische Gestaltung Schenkelpolmaschine Vollpolmaschine Schaltzeichen Anschlußbezeichnungen Technische Forderungen Energieumsatz Betriebskennlinien und Betriebskennwerte Schutztechnik Ausführungsbeispiele 528

13 XX Inhaltsverzeichnis G. Einphasen-Wechselstrommaschinen 43. Allgemeines zum Einsatz und Verhalten der Einphasen-Wechselstrommaschinen Einphasen-Asynchronmaschinen Einphasen-Synchronmaschinen Einphasen-Reihenschlußmaschinen Ausführungsformen Prinzipielle Eigenschaften Betriebsverhalten am starren Netz Ausführungsbeispiele 552 H. Anhang I. Zuordnung von Isolierstoffen zu Wärmeklassen nach älteren Normen 555 II. Fourier-Koeffizienten 558 III. Kennziffern zur Kennzeichnung des Schutzgrades 559 IV. Nennspannungen und Nennfrequenzen 560 IV/1. Nennspannungen nach IEC-Publ. 38 bzw. DIN IEC IV/2. Nennfrequenzen von 16 2/3 bis Hz nach DIN (Angaben in Hz) V. Schaltzeichen 561 V/1. Schaltzeichen für Transformatoren und Wandler, Auszug nach IEC-Publ ; DIN T V/2. Schaltzeichen für die Elemente elektrischer Maschinen, Auszug nach IEC-Publ ; DIN T V/3. Schaltzeichen für Gleichstrommaschinen, Auszug nach IEC-Publ ; DIN T V/4. Schaltzeichen für Asynchronmaschinen, Auszug nach IEC-Publ ; DIN T.6 563

14 Inhaltsverzeichnis XXI V/5. Schaltzeichen für Synchronmaschinen, Auszug nach IEC-Publ ; DIN T VI. Zusammenstellung der wichtigsten Normen für Transformatoren und rotierende elektrische Maschinen 564 VI/l.IEC-Publikationen 564 VI/2.Normen nach DIN und VDE 573 Literaturverzeichnis 581 Sachwörterverzeichnis 583