Elektrische Maschinen. mit Einfuhrung in die Leistungselektronik

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1 Elektrotechnik fur Fachschulen Elektrische Maschinen mit Einfuhrung in die Leistungselektronik Von Studienrat Hans-Ulrich Giersch, Studiendirektor Hans Harthus und Studiendirektor Norbert Vogelsang, Osnabruck 4., uberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 770 Bildern, 50 Tabellen, 128 Beispielen und 321 Aufgaben 83 â3 Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Elektrotechnik fur Fachschulen. - Stuttgart ; Leipzig: Teubner Elektrische Maschinen : mit Einfiihrung in die Leistungselektronik ; mit 50 Tabellen, 128 Beispielen und 321 Aufgaben I von Hans Ulrich Giersch... [Hauptbd.l. - 4., iiberarb. und erw. Aufl ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Făllen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages Springer Fachmedien Wiesbaden UrsprOnglich erschienen bei B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig 1998 Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1998 Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

3 Vorwort Dieses Buch wendet sich an Schuler der berufsbildenden Schulen, die vertieft das Fachgebiet der elektrischen Maschinen erarbeiten, wie Fachschulen fur Technik, Fachoberschulen und Fachgymnasien. Hier schlie~t es eine seit langem bestehende Lucke. Auch in Meisterkursen und Fortbildungslehrgiingen wird das Buch dienlich sein. Schwerpunktmii~ig beschreibt das Buch die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten der wichtigsten elektrischen Maschinen. Dabei wird gro~er Wert auf eine praxisnahe Darstellung gelegt und auf theoretische Erorterungen bewusst verzichtet. Aufgenommen wurden auch die Wicklungen, das Prufen und die Fehlersuche sowie die Normung der Maschinen. Von den zahlreichen Son dermaschinen wurden besonders die Servomotoren ausfuhrlicher behandelt; sie sind in der automatisierten Fertigung als Stellmotoren von Bedeutung. Voraussetzung fur das Verstiindnis der Darstellungen sind die Grundlagen der Elektrotechnik. Viele Beispiele und Aufgaben helfen dem Schuler beim Erarbeiten und Vertiefen des Stoffgebiets. Die 4. Auflage berucksichtigt neue Normen und Schaltzeichen. Dieses Werk folgt der reformierten Rechtschreibung und Zeichensetzung. Ausnahmen bilden Texte, bei denen kunstlerische, philologische und lizenzrechtliche Grunde einer Anderung entgegenstehen. Die wichtigste Ausnahme ist der technische Fachworterschatz, der fester gewachsener Bestandteil der Begriffssprache der Mathematik, Physik und Technik ist und der deshalb auch in diesem Lehrbuch erhalten werden musste. Der technische Fachworterschatz wird von der ausschlie~lich auf den Allgemeinwortschatz gerichteten Rechtschreibreform nicht beruhrt. Osnabruck, Fruhjahr 1998 H.-U. Giersch H. Harthus N. Vogelsang

4 Inhaltsverzeichnis Grundlagen Magnetisches Feld Bewegte Leiterschleife im Magnetfeld Ruhende Leiterschleife im magnetischen Wechselfeld Stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld Grundlagen der Antriebstechnik Drehmomenterzeugung in Elektromotoren Gleichungen zur Antriebsberechnung Bauelemente der Leistungselektronik Dioden Transistoren Bipolarer Transistor Feldeffekttransistor (Unipolartransistor) IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor Thyristoren Symmetrisch sperrender Thyristor (SCR) 40 Weitere Thyristorarten 46 SteuersiHze 49 Grundschaltungen der Leistungselektronik 51 Netzgefuhrte Strom richter 51 Einpuls-Mittelpunktschaltung Ml 52 Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2 65 Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3 66 Vollgesteuerte Bruckenschaltungen 72 Halbgesteuerte Bruckenschaltungen 75 Netzgefuhrte Wechselrichter 79 Halbleiterschalter und -steller fur Wechsel- und Drehstrom 82 Halbleiterschalter fur Wechselstrom Halbleitersteller fur Wechselstrom Halbleiterschalter fur Drehstrom Halbleitersteller fur Drehstrom Selbstgefuhrte Strom richter Gleichstromschalter (Chopper) SelbstgefUhrte Wechselrichter Frequenzumrichter Gleichstrommaschinen Spannungse~eugung Drehmomenterzeugung und Leistungsumsatz Generatorbetrieb und Motorbetrieb Aufbau der Gleichstrommaschine Stator Rotor Magnetische Felder Hauptfeld Ankerfeld Gesamtfeld (Resultierendes Feld) Ankerruckwirkung Entstehung Beseitigung Stromwendung (Kommutierung) Ursachen des Burstenfeuers Stegspannung (Lamellenspannung)

5 Inhaltsverzeichnis 2 Gleichstrommaschinen, Fortsetzung 2.8 Betriebseigenschaften Generatoren Motoren Anlassvorgang 2.9 Elektrische Bremsung Senkbremsung Nachlaufbremsung 2.10 Drehzahlsteuerung Ankerstellbereich Feldstellbereich Betrieb am Wechselstromnetz Einquadrantenbetrieb (1-Q-Betrieb) Zweiquadrantenbetrieb (2-Q-Betrieb) Vierquadrantenbetrieb (4-Q-Betrieb) Betrieb am Gleichstromnetz 2.11 Verluste und Wirkungsgrad Verlustarten Wirkungsgrad 2.12 Gleichstrom-Ankerwicklungen Ringwicklung Trommelwicklung Umschalten bzw. Umwickeln einer Maschine Transformatoren Aufgaben und Arten Einphasentransformator Wirkungsweise des idealen Transformators Grundgleichungen Spannungsubersetzu ng Strom ubersetzu ng Widerstandstransformation Betriebsverhalten Ersatzschaltung des realen Transformators Leerlaufbetrieb Lastbetriebsverhalten Spannungsverhalten bei normaler Belastung Parallelschaltung von Transformatoren Energieumsatz im Transformator Verluste Voillastwirkungsgrad/Bemessungslastwirkungsgrad Jahreswirkungsgrad Drehstromtransformator Transformatorenbank Konstruktive Vereinigung von drei Einphasentransformatoren zu einem Drehstromtransformator Schaltgruppen Betriebsverhalten von Drehstromtransformatoren unter einphasiger oder extrem unsymmetrischer Belastung Besondere Ausfuhrungsformen des Transformators Spartransformator Stelltransformator Transformatoren fur Messzwecke Konstruktive und technologische Gestaltung der aktiven Transformatorbauteile Anordnung der aktiven Bauteile

6 6 Inhaltsverzeichnis 3 Transformatoren, Fortsetzung Werkstoffe und Aufbau des Eisenkerns Blechschnitte und konstruktive Zusammenfassung der Kernbleche Wicklungen Au~ere Gestaltung Transformatorenschutz Innere Fehler Schutzeinrichtungen Wechselstrommaschinen 4.1 Grundlagen der Drehstromwicklungen 4.2 Wicklungsfaktoren Verteilte Wicklung - Zonenfaktor Gesehnte Wicklung - Sehnungsfaktor Bedeutung der Wicklungsfaktoren 4.3 Magnetische Felder Felderregerkurve und Feldkurve Konzentrierte Wicklung Verteilte Wicklung Nutzfluss und Streufluss Drehfelder 4.4 Entwurf von Wechselstromwicklungen Einschicht-Ganzlochwicklungen Zweisch icht-ganzlochwickl u ngen Einschicht-Bruchlochwicklungen Zweischicht-Bruchlochwicklungen Polumschaltbare Wicklungen (Dahlander) Polumschaltbare Sonderwicklungen Einphasenwicklungen Umwickeln von Maschinenwicklungen 4.5 Drehstrom-Asynchronmaschine Aufbau Wirkungsweise Liiuferfrequenz und Liiuferspannung Leistungsaufteilung Ersatzschaltung und Zeigerdiagramm Drehmoment Stromaufnahme Kreisdiagramm Leerlauf und Kurzschlussversuch Auswertung Bedeutung des Kreisdiagramms Belastungskennlinien Anlauf und Anlassen Hochlaufvorgang Anlaufstrom Schleifringliiufer mit Anlasswiderstiinden Stromverdriingungsliiufer Stern-Dreieck-Anlaufschaltung Sanftanlasser mit Drehstromsteller Anlasstransformator Weitere Anlassverfahren Drehzahlsteuerung Steuerungsmoglichkeiten Andern der Stiinderspannung Schlupfwiderstiinde

7 Inhaltsverzeichnis 4 Wechselstrommaschinen, Fortsetzung Uiufergegenspannung Frequenzverstellung Statische Frequenzumrichter Polumschaltung Bremsen 4.6 Einphasen-Asynchronmotoren Einstriingiger Motor - Anwurfmotor Zweistriingiger Motor Zweiphasiger Anschluss Einphasiger Anschluss Kondensatormotor Einphasenmotor mit Widerstandshilfsphase Spaltmotor Drehstrommotor im Einphasenbetrieb 4.7 Synchronmaschinen Aufbau und Arten AuBenpolmaschine Innenpolmaschine Erregung Wirkungsweise Leerlauf Belastung Ersatzschaltung und Zeigerdiagramm Kurzschluss Drehmoment Generatorbetrieb Inselbetrieb Parallelbetrieb Motorbetrieb Betriebsverhalten Mechanische Pendelungen Anlauf Drehzahlsteuerung Besonderheiten der Schenkelpolmaschine Weitere Maschinenarten Gleichstrom-Querfeldmaschinen Transformatoren Streufeldtransformator Stromrichtertransformator (SRT) Wechselstrom masch inen Servomotoren Bauarten Erregerkreiswerkstoffe Motorkenndaten Gleichstrom-Scheibenliiufermotor Aufbau und Wirkungsweise Betriebsverhalten Gleichstrom-Langliiufermotor Aufbau und Wirkungsweise Betriebsverhalten Biirstenloser Gleichstrom-Servomotor Drehstrom-Servomotoren Schrittmotoren Aufbau, Bauarten und Wirkungsweise Ansteuerungsarten/Betriebsarten

8 8 Inhaltsverzeichnis 5 Weitere Maschinenarten, Fortsetzung Schrittarten Steuerlogik Treiberstufen Betriebsverhalten Zusammenfassung und Erliiuterungen Umformer Prufen der Maschinen Elektrische Prufung Korperschluss (Prufung der Isolation) Windungsschluss Unterbrechung Erwiirmungsprufung Stromuberlastbarkeit von Generatoren und Transformatoren und DrehmomentUberlastbarkeit von Motoren Mechanische Prufung Storungen und Fehlersuche im Betrieb Normung der Maschinen Ubersicht uber die einschliigigen Normen elektrischer Maschinen Bauformen und Baugro~en Schutzarten Bemessung und Betrieb Betriebsarten Erwiirmung - Wiirmeklassen Kuhlung, Umgebungs- und Kuhlmitteltemperatur Bemessungsspannungen Leistungsschilder Anschlussbezeichnungen und Drehsinn drehender elektrischer Maschinen Anhang 409 Bildquellenverzeichnis 411 Sachwortverzeichnis 412 Hinweise auf DlN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei Abschluss des Manuskriptes. Ma~gebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblatter des DIN Deutsches Institut fur Normung e.v. im Format A4, die durch die Beuth-Verlag GmbH, Berlin Wien Zurich, zu beziehen sind. - Sinngema~ gilt das Gleiche fur aile in diesem Buch angezogenen amtlichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw.