Elektromotoren. Ihre Eigenschaften und ihre Verwendung für Antriebe. Dr.-Ing. W. Schuisky. Von. Springer-Verlag Wien GmbH. Mit 384 Textabbildungen

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1 Elektromotoren Ihre Eigenschaften und ihre Verwendung für Antriebe Von Dr.-Ing. W. Schuisky Västeräs, Schweden Mit 384 Textabbildungen Springer-Verlag Wien GmbH 1951

2 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1951 by Springer-Verlag Wien Originally published by Springer-Verlag in Vienna in Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1951

3 Meinem hochverehrten Lehrer Herrn Professor Dr.-Ing. Rudolf Richter gewidmet

4 Vorwort. Die Elektromotoren sind bereits in mehreren Büchern behandelt worden. Die meisten dieser Bücher aber betrachten den Motor vom physikalischen Standpunkt aus. Es werden vorwiegend die elektrischen und magnetischen Vorgänge in den Maschinen ausführlich beschrieben. Von allen elektrischen Maschinen sind die Motoren am weitesten verbreitet. Neben den elektrischen und magnetischen Eigenschaften sind die rein motorischen Eigenschaften der Maschine für die Praxis von besonderer Bedeutung. Es interessieren den Praktiker, der mit Motoren zu tun hat, hauptsächlich Probleme wie Anlauf, Drehzahlregelung, Bremsung, Wirkungsgrad usw. Diesen Fragen ist aber in den bestehenden Büchern über elektrische Maschinen nur ein kleiner Platz eingeräumt. Aber gerade auf dem Gebiet des elektromotorischen Antriebs sind in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden. Das Verwendungsgebiet des Elektromotors ist viel umfangreicher geworden. Neben der ursprünglichen Bestimmung, die Quelle der mechanischen Kraft zu sein, hat der Elektromotor im Laufe der Zeit noch andere Aufgaben erhalten, wie z. B. die Drehzahlregelung, das Bremsen, das Einhalten eines Gleichlaufes usw. Zur Erfüllung dieser Aufgaben sind mehrere Sonderausführungen von Motoren und Sonderschaltungen entstanden. Ihre Beschreibung findet man in mehreren Büchern zerstreut. Wird man in der Praxis vor eine besondere Aufgabe gestellt, so muß man zuerst lange suchen, bevor man an die Arbeit gehen kann. 'Veiter fehlen oft Angaben und Zahlen für die praktische Ausführung. Für einen Planungs- oder Betriebsingenieur sind jedoch diese Zahlen unentbehrlich. In mehreren Schaltungen kommen z. B. Widerstände vor, welche in engem Zusammenhang mit der Maschine arbeiten. Die Bemessung dieser Widerstände gehört dann zu dem Entwurf der elektromotorischen Anlage. Aus dem Gesagten folgt der Plan des Buches: es soll dem in der Praxis tätigen Ingenieur ein Hilfsbuch bei Planung, Entwurf und Beurteilung des elektrischen Antriebes sein. Es sind alle Aufgaben über die verschiedenen Motoren und ihre Eigenschaften zur Verwendung für normale und Sonderzwecke zusammengestellt. Obwohl grundsätzliche Kenntnisse von elektrischen Maschinen vorausgesetzt sind, ist die Wirkungsweise der Motoren kurz wiedergegeben, und zwar in einfacher und für den praktischen Gebrauch geeigneter Form. Das Hauptgewicht wird dabei auf die Kennlinien der Motoren gelegt. Bei der Behandlung des Stoffes hat als Richtlinie gegolten: alle berechneten Werte mit den gemessenen zu vergleichen, um zu sehen, inwieweit die theoretischen Überlegungen mit der Wirklichkeit übereinstimmen. Vollständige Schaltungsschemata sind nicht angegeben. Es würde zu weit geführt haben, alle Einzelheiten der Hilfs- und Steuereinrichtung zu besprechen. Übrigens bietet dies auch nichts Neues, erfordert aber die Kenntnis der örtlichen Situation. Bei der Bearbeitung des Manuskriptes hat Professor DrAng. H. SEQUENZ mich freundlicherweise unterstützt sowie einen Teil der Abbildungen aus seinem Buch zur Verfügung gestellt. An dieser Stelle möchte ich ihm meinen besten Dank aus.

5 VI Vorwort. sprechen. Weiter danke ich den Firmen, die mir Lichtbilder überlassen haben, und dem Verlag, der meinen Wünschen bereitwillig entgegengekommen ist. Schließlich möchte ich noch darauf hinweisen, daß Deutsch nicht meine Muttersprache ist. Ich bitte daher um Nachsicht, falls Ausdrücke vorkommen, die im allgemeinen nicht so gebräuchlich sind. Västeras (Schweden), im Frühjahr w. Schuisky.

6 Inhaltsverzeichnis. Seite I. Allgemeines über Elektromotoren... 1 A. Aufbau von elektrischen l\faschinen Gleichstrommaschinen 3 2. Synchronmaschinen 7 3. Induktionsmotoren Kommutatormotoren für Wechsel- und Drehstrom 9 11 B. Ausführungsformen, Schutzarten C. Angaben über die elektrische Ausführung von Gleichstrom und Dreh strommotoren nach DIN YDE Normblättern.. D. Leistungsschild und Klemmenbezeichnungen E. Preis und Gewicht der Motoren F. Kupplung des Motors mit der Arbeitsmaschine 28 G. Die Maschinenreihe und ihre Eigenschaften Wirkungsweise und Kennlinien von Elektromotoren A. Gleichstrommotoren Wirkungsweise und Grundbegrüfe Die Drehzahlkennlinien der verschiedenen Erregerschaltungen Die Kennlinien unter Berücksichtigung der Ankerrückwirknng nnd Eisensättigung B. Induktionsmotoren Wirkungsweise und Grundbegriffe Kreisdiagramm Die wichtigsten Größen in analytischer Behandlung. C. Einphaseninduktionsmotoren D. Synchronmotoren Grundbegrüfe der Y ollpolmaschine Besonderheiten der Schenkelpolmaschine E. Kommutatormotoren Allgemeines Drehstromnebenschlnßmotor 3. Drehstromreihenschlußmotoren Einphasenreihenschlußmotor Repulsionsmotor Anlaufzeit A. Allgemeines B. Anlauf eines Kurzschlußmotors oder Schleifringmotors mit festem Läuferwiderstand C. Anlauf des Gleichstrommotors mit festem Y orschaltwiderstand. 90 D. Anlauf des Drehstrom Schleifringmotors und Gleichstrom.Neben schluß motors mit Anlasser IV. Anlaufwärme A. Anlaufwärme des Kurzschlußmotors Kurzschlußmotor ohne Stromverdrängung beim Leeranlauf Doppelkäfigmotor im Leeranlauf Anlaufwärme des Motors beim Lastanlauf B. Anlauf- und Bremswärme der polumschaltbaren Motoren... C. Anlaufwärme beim Anlauf eines Gleichstromnebenschlußmotors mit 99 festem Y orschaltwiderstand D. Die Anlaufwärme des Drehstromanlassers 103 E. Schalthäufigkeit

7 VIII Inhaltsverzeiclmis. Seite V. Anlauf von ]}lotoren. 107 A. Allgemeines 107 B. Induktionsmotoren Kurzschlußläufermotoren für direktes Einschalten Besonderheiten der Stromverdrängungsmotoren Anlassen der Induktionsmotoren von der Ständerseite 118 a) Anlassen mit Vorschaltwiderständen 118 b) Anlaßtransformator c) Sterndreieckanlasser d) Umschalten der Ständerwicklung e) Verschiedene andere Anlaßverfahren. 127 a) Doppelständermotor (3) Anlassen mit Anwurfmotor y) Ständerwicklungen verschiedener Polzahl Fliehkraftkupplungen a) Fliehkraftkupplung ohne Federvorspannung b) Fliehkraftkupplung mit Federvorspannung c) Kupplung mit Zeitverzögerung (Albo-Kupplung) Anlassen mit dem 'Viderstand im Läuferkreis. 132 a) Allgemeines b) Symmetrischer Anlasser. 134 c) Unsymmetrischer Anlasser 135 d) 'Vahl des Anlassers e) Berechnung des Anlassers Anlassen mit Umschaltung im Läuferkreis 146 C. Gleichstrommotoren Direktes Einschalten Anlauf mit Vorschaltwiderständen Anlassen mit Teilspannung D. Anlassen von Einphasenmotoren Vergleich der verschiedenen Anlaßverfahren Einphasenmotor mit Hilfswicklung und Kondensator 164 E. Anlauf von Synchronmotoren Allgemeines W"enig verbreitete Anlaß verfahren 168 a) Anlassen mit dem Hilfsmotor 168 b) Frequenzanlauf Verfahren zur Begrenzung des Anlaufstromes beim Synchronmotor Selbstanlauf a) Ersatzschaltullg und Alllaufstrom 170 b) Das Anlaufmoment c) Schleifringspannung beim Anlauf Der Synehronisierungsvorgang eines Synchronmotors 178 F. Anlassen von Komlllutatormotoren G. Einfluß der Fnter- und Ohcrwellen auf den Anlauf 184 VI. Drehzahlrc!('clung A. Allgemeine Bemerkungen B. Drehzahlregelung von Drehstrominduktionsmotoren 'Vidcrstandsregelung a) Regelung mit konstantem Belastungsmoment. 191 b) Regelung bei quadratisch abnehmendem Belastungsmoment 192 c) Regelung bei konstanter Leistung Regelung durch Polumschaltung a) Motoren mit getrennten "Wicklungen b) Motoren mit polumschaltbaren Wicklungen Mehrfachläufermotoren (mechanische Kaskade) Regelung durch Doppelmotorschaltung Doppelgespeiste ~~lduktionsmaschine Regelung durch Anderung der Netzfrequenz 203 a) Allgemeines b) Speisung durch Synchrongeneratoren 205 c) Speisung durch asynchrone Frequenzumformer 207

8 Inhaltsverzeiclmis. Seite 7. Kaskadenschaltungen a) Kaskadenschaltung zweier Induktionsmaschinen 211 b) Gleichstromregelsätze c) Drehstromregelsätze a) Allgemeine Begriffe und die Größe der Hintermaschine ß) Regelsätze mit Nebenschlußverhalten mit Reihenschlußverhalten 229. y) Regelsätze C. DrehzahIregelung des Einphaseninduktionsmotors 232 D. Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren Regelung durch Feldänderung Regelung durch Vorschaltwiderstände Regelung durch Spannungsänderllng 241 a) Allgemeines b) Leonard-Schaltung c) Gesteuerte Gleichrichter d) Andere Möglichkeiten der Spaullungsiinderullg Die Metadyne oder Zwischenbürstenmaschine E. Drehzahlregelung von Synchronmotoreu F. Drehzahlregelung von KommutatorJl1otorell DrehstromllebenschlußmotorplI liiit Ställderspeisllng 261 a) Doppeldrehregler b) Einfachdrehregler mit St:üldprhilfswicklung und Bürstcnver 261 schiebung c) Sonderschaltungen des Drp]u'('g-Icr8 264 d) Anschaffungskosten e) Schlupfleistllng Drehstromnebenschlußmotorell Illit Läuferspeisuug Drehstromreihenschiußmotorell Einphasenreihenschlußmotor Repulsionsmotoren G. Das Umkehren der Drchrichtung DrehstrominduktionsmotoreIl liud SYllchronmotoren Gleichstrommotoren Einphaseninduktionsmotor Einphasenreihenschlußmotot't'n Repulsionsmotoren Drehstromreihenschlußmotoren Drehstromnebenschlußmoton'll 271 a) Mit Ständerspeisung 271 b) Mit Läuferspeisung 273 VII. Weichlaufschaltungen 274 A. Induktionsmaschinen im IcHeichlauf ohne AusgleichsIllaschinen. 274 B. Die Induktionsmaschinen als AusglekbsIIuuwhinen. 278 C. Gleichlauf von GleichstromlJlotorell I. RPlativer Gleichlauf a) Krellzschaltung von Verbundwieklllllgen 281 h) Schaltung mit Erregermaschinen A hsoluter Gleichlauf a) Schaltungen mit Hilfsregel vorrichtungen 283 (1) Mechanisehe Vergleiehsvorriehtung 28:3. (-J) Elektrische VergleiclJsvorrichtung 283. h) S(~haltung mit Allsgleiebsleitllllgc~n. 284 VIII. Bremsen A. Bremsen von Induktionsmotoren Bremsen mit Gegenstrom und übersynehrones Bremsen Bremsen dureh Gleichstromerregung Die einphasige Schaltung von SSW Doppelmotorsehaltung Unsymmetrisehe Sehaltung VOll BBC 293 B. Bremsen von Gleichstrommotoren Verlustbremsung Kurzschlllßbremsllng des Rpihenschlußmotors bei Selbsterregung Die Nutzbremsung IX

9 x Inhalts~erzeichnis. C. Bremsen von Synchronmotoren D. Bremsen von Kommutatormotoren Bremsen von Drehstromkommutatormotoren 2. Bremsen von Einphasenreihenschlußmotoren Selbsterregung von Kommutatorreihenschlußmaschinen. Seite IX. Erwärmung A. Bestimmung der Erwärmung B. Erwärmung eines Körpers und einer Maschine C. Kurzzeitiger Betrieb und Dauerbetrieb mit kurzzeitiger Belastung 322 D. Der aussetzende Betrieb und Dauerbetrieb mit aussetzender Belastung 325 E. Beliebig wechselnde Belastung F. Erwärmung und Lebensdauer der Wicklung 331 G. Kühlung der ventilierten Maschinen 332 X. Überlastbarkeit 334 A. Gleichstrommotoren 334 B. Induktionsmotoren. C. Synchronmotoren Statische überlastbarkeit 338 a) Vollpolmaschine... b) Schenkelpolmaschine Dynamische überlastbarkeit. D. Wechsel- und Drehstromkommutatormotoren XI. Wirkungsgrad und Leistungsfaktor A. Allgemeines B. Die Verluste des Motors und ihre Eigenschaften. 345 C. Wirkungsgrad bei wechselnder Belastung. 347 D. Wirkungsgrad bei der Drehzahlregelung Gleichstrommotor mit Fremderregung und Regelung durch Spannungsänderung Gleichstromreihenschlußmotor bei Regelung durch Spannungsänderung Gleichstromnebenschlußmotor mit Feldregelung Drehstrommotor mit Widerstandsregelung E. Zahlenangaben F. Der Leistungsfaktor Allgemeines Der Induktionsmotor. 3. Synchronmotoren Kommutatormotoren Kommutatornebenschlußmotor a) Die erforderliche Kompensationsspannung b) Praktisch erreichbare Kompensationsspannung 363 XII. Kommutierung A. Geradlinige Kommutierung B. Verzerrte Kommutierung C. Mittel zur Erleichterung der Kommutierung bei Gleichstrom D. Kommutierung bei Wechsel- und Drehstrom XIII. Elektrische Ausgleichvorgänge A. Allgemeine Betrachtungen B. Einschalten von Induktionsmotoren C. Ausschalten von Induktionsmotoren. D. Plötzlicher Kurzschluß von Induktionsmotoren E. Der Kurzschluß des Synchronmotors..... F. Praktische Schlüsse G. Das Ein- und Ausschalten von Gleichstrommotoren XIV. Pendeln von ]}Iotoren.... A. Allgemeine Bemerkungen... B. Pendeln von Synchronmotoren

10 Inhaltsverzeichnis. Seite XV. Besonderheiten einiger Antriebe A. Schwungmoment und Leistungspendelungen beim Betrieb mit periodisch schwankender Belastung Der Induktionsmotor Der Synchron- und der Gleichstrommotor Zahlenbeispiel B. Motorleistung bei Zusammenarbeit des Motors mit dem Sehwungrad 407 c. Der Antrieb von Zf'ntrifugen 413 D. Hubschaltu.ngen Allgemeine Betrachtungen Schaltungen mit Drehstrominduktionsmotoren a) Übersynchrones Bremsen b) Gegenstromsenkbremsschaltung e) Einphasige Bremsschaltung der S. S. W d) Doppelmotorschaltung e) Schaltung mit polumschaltbarem SchleifringmotoJ" f) Sonderschaltung Schaltungen mit Gleichstrommotoren E. Schwerer Anlauf F. Wahl der stetigen Drehzahlregelung G. Die elektromotorischen Antriebe mit häufigem Umsteuern 427 XVI. Schutz von Motoren XVII. Schaltgeräte und Leitungen 435 XVIII. Schaltpläne A. Allgemeine Begriffe und Richtlinien zum Entwurf der Schaltanlagen 440 B. Handsteuerung C. Fern und Selbststeuerung Drehstrom a) Wahl der Hilfsspannung b) Ein polumschaltbarer Motor mit getrennten Wicklungen 446 c) Selbsttätige Sterndreieckanlasser mit Widerstandsstufen vor der Stern- und Dreieeksehaltung. Bedienung durch Druekknöpfe 447 d) Fernbedienung eines Kurzsehlußmotors mit der Möglichkeit des Rücklaufes und der N otreversierung c) Bedienung eines Schleifringmotors durch eine Steuerwalze f) Fernbedienung eines Motors mit großem Regelbereich g) Selbsttätige Fernsteuerung einer elektrischen Welle h) Selbsttätige Anlaufsteuerung eines Synchronmotors mit gekop. peltem Erreger i) Selbsttätige Anlaufsteuerung eines Synchronmotors in einem explosionsgefährdeten Raum k) Ferngesteuerter Antrieb einer Karusselldrehbank durch einen 453 ständergespeisten Drehstromkommutatormotor Gleichstrom a) Antrieb einer Hobelmaschine durch Leonard-Sehaltung mit Schnellerregung b) Antrieb einer Walzenstraße durch Leonard-Schaltung Steuer- und Impulsgeräte für selbsttätige Steuerung. 460 XIX. Wichtigste Antriebe A. Elektrische Ausrüstung von Hebezeugen B. Elektrische Ausrüstung der Förderanlagen..... C. Elektrische Ausrüstung von Brücken und Sehleusen D. Zentrifugenantriebe E. Walzwerkantriebe... F. Antrieb von Aufwickelvorrichtungen G. Schiffsantriebe H. Elektrische Antriebe in der Textilindustrie 484 I. Elektrischer Antrieb von Druckmaschinen 487 K. Antrieb von Werkzeugmaschinen L. Elektrischer Antrieb von Pumpen und Ventilatoren 490 Li teraturver zeichnis. Sachverzeichnis XI