Elektrische Maschinen und Antriebe

Transkript

1 Andreas Kremser Elektrische Maschinen und Antriebe Grundlagen, Motoren und Anwendungen

2 Andreas Kremser Elektrische Maschinen und Antriebe Grundlagen, Motoren und Anwendungen 2., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 122 Abbildungen, 10 Tabellen und 14 Beispielaufgaben mit Lösungen Im Teubner B. G. Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

3 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Andreas Kremser ist Leiter des Labors für Elektrische Maschinen an der Georg-Simon Ohm-Fachhochschule in Nürnberg. 1. Auf! , überarb. und erg. Auf!. Mai 2004 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004 Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN ISBN (ebook) DOI /

4 Vorwort Die zahlreichen positiven Kritiken zur ersten Auflage haben mich bewogen, das Buch zu überarbeiten. Neben einigen Fehlerkorrekturen wurde das Kapitel Transfonnatoren gestraffi. Wesentlich erweitert wurde der Abschnitt über Wechselstromasynchronmotoren. Das Verfahren der Symmetrischen Komponenten zur Berechnung des Betriebsverhaltens von Wechselstromasynchronmotoren wird vorgestellt und die Anwendung an zwei Beispielen gezeigt. Als Übungsbeispiele zum Kapitel Gleichstrommotoren wurden ein Seilbahnantrieb sowie die "alte" Nürnberger Straßenbahn gewählt. Ich danke den Finnen Doppelmayr Seilbahnen GmbH und Verkehrsaktiengesellschaft Nümberg fiir die Überlassung der Daten. Neu aufgenommen wurden zwei Übungsbeispiele zum Kapitel Synchronmaschinen. Ergänzt wurde der Abschnitt über Verluste und Wirkungsgrade von Asynchronmaschinen um die freiwillige Vereinbarung der europäischen Maschinenhersteller (CEMEP) zur Wirkungsgradklassifizierung von zwei- und vierpoligen Nonnmotoren mit Bemessungsleistungen bis 90kW. Weiterhin wurde der aktuelle Stand der Nonnung von explosionsgeschützten Motoren dokumentiert. Mein Dank gilt Herrn Dipl.- Ing. Dirk Amold fiir wertvolle Hinweise zu diesem Themenkreis. Das deutsche Produktionsvolumen im Bereich der Antriebstechnik ist von umgerechnet 4 Mrd. im Jahr 1996 auf 5,8 Mrd. im Jahr 2003 angewachsen - eine Steigerung von über 40%. Auch im gesamtwirtschaftlich schwierigen Jahr 2003 wuchs die Produktion im Bereich Antriebstechnik gegenüber dem Vorjahr um 2%. Immerhin beschäftigte die Branche 2002 etwa Arbeitnehmer. Es ist zu hoffen, dass auch weiterhin in Deutschland Produkte aus dem Bereich der Antriebstechnik hergestellt werden und sich dieses Segment als zukunfts sicher erweist. Dies sollte künftig auch die Studienrichtung elektrische Energietechnik wieder an Attraktivität gewinnen lassen. Nürnberg, im Frühjahr 2004 Andreas Kremser

5 Vorwort zur ersten Auflage In der heutigen Zeit, in der die Beschäftigung mit Software von manchen so genannten "Experten" fiir die wichtigste Tätigkeit eines Elektroingenieurs gehalten zu werden scheint, mag es nicht als zwingend erforderlich erscheinen, der beträchtlichen Anzahl Bücher - zum Teil auch sehr guter Werke - über elektrische Maschinen ein weiteres hinzuzufügen. Ich konnte mich während meiner beruflichen Tätigkeit jedoch häufig davon überzeugen, dass es zur Lösung von Antriebsproblemen oft nicht hinreichend ist, die elektrischen Maschinen als "black box" oder als Reihenschaltung von Induktivität und induzierter Spannung zu betrachten. Für den Ingenieur, der antriebstechnische Aufgabenstellungen zu bewältigen hat, sind Grundkenntnisse auch über die elektromagnetisch- mechanische Energiewandlung hilfreich. Daher hat in elektrotechnischen Studiengängen die Grundlagenausbildung im Fachgebiet elektrischer Maschinen durchaus ihre Berechtigung. Das vorliegende Buch soll einerseits den Studierenden bei dieser Ausbildung Hilfestellung geben, andererseits denjenigen in der Praxis tätigen Ingenieuren, die nicht als Entwickler elektrischer Maschinen arbeiten, zur Weiterbildung dienen. Meine eigene Ausbildung im Fachgebiet elektrischer Maschinen verdanke ich Herrn Professor Dr.- Ing. H. O. Seinsch, der sich in hervorragender Weise bemüht hat, die elektrotechnischen Grundlagen am Beispiel der elektrischen Maschinen und Antriebe zu vertiefen. In meiner Vorlesung "Elektrische Maschinen", die ich an der Georg- Simon- Ohm- Fachhochschule Nürnberg fiir die Studierenden der elektrischen Energie- und Automatisierungstechnik halte, und die die Basis fiir das vorliegende Buch bildet, habe ich mich in der Darstellung einiger Themenkreise, wie zum Beispiel des Luftspaltfeldes elektrischer Maschinen, an die meines Lehrers angelehnt. Bei meinem Werkmeister, Herrn Gerhard Kißkalt, möchte ich mich fiir die wertvolle Unterstützung bei der Erstellung der Bilder bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Thomas Schuster, der mir sehr dabei geholfen hat, mein Vorlesungsskript in eine reproduktionsfähige Manuskriptvorlage zu überführen. Meiner Frau danke ich fiir die Unterstützung und das Verständnis während der sehr arbeitsintensiven Zeit der Erstellung der Manuskriptvorlage. Nürnberg, im Frühjahr 1997 Andreas Kremser

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 2 Gleichstrommaschinen Induktionsgesetz Ankerwicklungen von Gleichstrommaschinen Spannungsgleichung der Gleichstrommaschine Nebenschlussverhalten Reihenschlussverhalten Aufbau der Gleichstrommaschine Schutzarten, Bauformen, Wärmeklassen Stromwendung Anschlussbezeichnungen und Schaltbilder 28 2.l0 Das Luftspaltfeld der Gleichstrommaschine Segmentspannung Stromrichterspeisung von Gleichstrommaschinen Dynamisches Verhalten der Gleichstrommaschine Universalmotoren 42 3 Transformatoren 43 3.l Spannungsgleichungen des Einphasentransformators Leerlauf des Einphasentransformators Kurzschluss des Einphasentransformators Einphasentransformator bei Belastung Eisenkerne von Einphasen- und Drehstromtransformatoren Wicklungsausführungen Spannungsgleichungen des Drehstromtransformators Parallelbetrieb von Transformatoren Schaltvorgänge bei Einphasentransformatoren l Zuschalten eines leerlauf enden Transformators an das starre Netz Kurzschluss des leerlaufenden Transformators Schaltgruppen von Drehstromtransformatoren 62 3.l1 Unsymmetrische und einphasige Belastungen von Drehstromtransformatoren 63 3.l2 Spartransformatoren 65

7 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Asynchronmaschinen 4.1 Wicklungen von Asynchronmaschinen Wechselstromwicklungen Drehstromwicklungen 4.2 Ständerfrequenz, Läuferfrequenz, Schlupf 4.3 Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 4.4 Vereinfachtes Ersatzschaltbild der AsM, Stromortskurve Gesetz über die Spaltung der Luftspaltleistung Maßstäbe, Kenngeraden und Parametrierung der SOK Kippmoment, Kippschlupf, Kloss'sche Formel 4.5 Drehmoment- Drehzahl- Kennlinie 4.6 Betriebsverhalten von Schleifringläufermotoren 4.7 Aufbau der Asynchronmaschine 4.8 Anlauf von Antrieben 4.9 Umrichterspeisung von Asynchronmaschinen 4.10 Verluste, Wirkungsgrad 4.11 Motorerwärmung, Explosionsschutz Asynchrongeneratoren Wechselstromasynchronmotoren Beschreibung des Betriebsverhaltens mit Hilfe der Symmetrischen 125 Komponenten Steinmetzschaltung Zweisträngige Motoren Synchronmaschinen 5.1 Luftspaltfeld des Läufers 5.2 Vollpolmaschine Spannungsgleichung und Ersatzschaltbild Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie Potier- Diagramm Bestimmung des Nennerregerstroms Stromortskurve bei konstantem Erregerstrom V- Kurven Regulierkennlinien Drehmomentgleichung für den Betrieb am starren Netz Zweipoliger und einpoliger Dauerkurzschluss 5.3 Besonderheiten der Schenkelpolmaschine Spannungsgleichung und Ersatzschaltbild

8 Inhaltsverzeichnis IX Zeigerdiagramm Drehmomentgleichung für den Betrieb am starren Netz 5.4 Permanenterregte Synchronmaschinen 5.5 Anlauf der Synchronmaschine, Synchronisation 5.6 Stoßkurzschlussstrom 6 Arbeitsmaschinen 7 Lösungen der Beispiele 7.1 Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel Lösung zu Beispiel 5.2 Formelzeichen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis