Elektrische Maschinen

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 Eckhard Spring Elektrische Maschinen Eine Einfiihrung 2., durchgesehene Auflage Mit 229 Abbildungen Sprin er

3 Professor (em.) Dipl.-Ing. Eckhard Spring Fachhochschule Giefien Friedberg University of Applied Sciences Fachbereich Informationstechnik - Elektrotechnik - Mechatronik Fachgebiet Elektrische Energietechnik / Electric Energy Systems Privat: Thiiringer Str Darmstadt EckhardSpring@compuserve.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber abrufbar. ISBN Aufi. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufi. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998, 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dafi solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. SoUte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fiir die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gtiltigen Fassung hinzuziehen. Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Herstellung: LE-TgX Jelonek, Schmidt & Vockler GbR, Leipzig Gedruckt auf saurefreiem Papier 7/3142/YL

4 Vorwort Das Wissen der Menschheit wachst explosionsartig. Das gilt insbesondere fur die Naturwissenschaften und die Technik, darunter die Elektrotechnik. Man versucht der Fulle des Wissens durch Spezialisierung Herr zu werden. Diese Spezialisierung, die im Einzelfall wunschenswert und notig sein kann, birgt jedoch Gefahren in sich. Mit zunehmender Spezialisierung kann der Uberblick uber das Ganze verlorengehen und Zusammenhange werden unter Umstanden nicht mehr gesehen. Eine Zusammenarbeit von Vertretern verschiedener Fachrichtungen oder Facher, vielfach notig, wird schwierig oder gar unmoglich, weil einer den anderen nicht mehr versteht. GroB ist auch die Gefahr, dab Spezialwissen veraltet und der Spezialist sich mit seiner Spezialisierung in eine Sackgasse manovriert hat. Aus diesem Grund ist die Spezialisierung in Ausbildung und im Beruf mit Vorsicht zu betreiben. In der Ausbildung sollte vor allem ein breites Grundlagenwissen vermittelt werden, das die Voraussetzungen fiir eine erfolgreiche Tatigkeit auf moglichst vielen Feldern des gewahlten Faches schafft und die Einarbeit in neue Arbeitsgebiete erleichtert. Dazu sind Lehrbiicher notig, die das Wesentliche eines Faches in fundierter Weise einfach darstellen und damit eine krafte- und zeitsparende Aneignung des behandelten Stoffes erlauben. Ihre Aufgabe ist es nicht, alles und jedes erschopfend darzulegen. Hier konnen im Bedarfsfall Spezialliteratur und Handbiicher weiterhelfen und gute Dienste leisten. In diesem Sinne habe ich mir wesentlich erscheinendes ausgewahlt und dargestellt. Die immer komplexer werdenden Systeme der elektrischen Energietechnik - man denke an die ganze Kontinente iiberspannenden Verbundnetze der elektrischen Energieversorgung und die vielfach vernetzten Antriebe der Industrie - konnen nur dann sicher betrieben und erfolgreich weiterentwickelt werden, wenn die Wirkungsweise ihrer Komponenten, und dazu gehoren vor allem die elektrischen Maschinen, gelaufig ist. Behandelt werden die Gleichstrommaschine, der Transformator, die Asynchronmaschine und die Synchronmaschine. Im Vordergrund der Darstellung steht das den Betreiber der Maschine interessierende Betriebsverhalten. Durch die Art der Darstellung soil vor allem das Verstandnis fiir die physikalischen Vorgange geweckt werden. Von einer vorwiegend mathematischen Darstellung wird deswegen Abstand genommen. Zahlreiche Beispiele souen das Verstandnis des Stoffes vertiefen und ein Gefiihl fiir die iiblichen GroBenordnungen liefem. Nach Durcharbeiten des Buches soil der Leser nicht nur mit der Wirkungsweise der elektrischen Maschinen vertraut sein, sondern auch in der Lage sein, sie experimentell und rechnerisch zu untersuchen.

5 VI Vorwort Bei der Verwirklichung meines Vorhabens hat mich meine Frau tatkraftig und seibstlos unterstiitzt, indem sie mir beim Schreiben des Manuskriptes mit einem Textverarbeitungssystem und beim Korrekturlesen geholfen hat. Dafur mochte ich ihr an dieser Stelle danken. Bedanken mochte ich mich auch beim Springer-Verlag fiir die angenehme und gute Zusammenarbeit. Darmstadt, Januar 1998 Eckhard Spring Vorwort zur 2. Auflage Da das Buch gut aufgenommen wurde, unterscheidet sich die zweite Auflage nur wenig von der ersten. Ausgemerzt wurden kleinere Fehler, die sich eingeschhchen batten. GelegentUch wurde das Fehlen eines Literaturverzeichnisses beanstandet. Dem wurde abgeholfen. Dabei wurden auch gute altere Darstellungen beriicksichtigt. Die Form des umfangreichen Sachverzeichnisses wurde iibersichthcher gestaltet und damit das Auffinden bestimmter Stichworte leichter gemacht. Photographische Aufnahmen von den dargestellten Maschinen werden bewubt nicht gezeigt, da sie zum Verstandnis der Maschinen kaum etwas beitragen. Fur Anregungen zur Verbesserung des Buches bin ich dankbar. Darmstadt, Juni 2005 Eckhard Spring

6 Inhaltsverzeichnis Die elektrischen Maschinen - Eine Kurzgeschichte der elektrischen Energietechnik 1 1 Gleichstrommaschine ElektromechanischeEnergiewandlung Generatorbetrieb Motorbetrieb Ubergang vom Motor- in den Generatorbetrieb Die Grundform der Gleichstrommaschine Generator Motor Der Aufbau der Gleichstrommaschine Leiterschleife Doppel-T-Anker Ringanker Trommelanker Gleichstromgenerator Fremderregter Generator NebenschluBgenerator ReihenschluBgenerator DoppelschluBgenerator Gleichstrommotor Fremderregter Motor NebenschluBmotor ReihenschluBmotor Die magnetischen Felder der Gleichstronmiaschine Das Ankerfeld Wendepolwicklung Kompensationswicklung oder zusatzliche Erregerwicklung Klemmenbezeichnungen bei der Gleichstronrniaschine Verluste und Wirkungsgrad DieUnmiagnetisierungsverlustleistung Die Wirbelstromverlustleistung Reibungsverlustleistung und weitere Verluste Der LeistungsfluB der Maschine 82

7 VIII Inhaltsverzeichnis Der Wirkungsgrad der Maschine Weitere Beispiele fiir den Einsatz der Gleichstrommaschine 94 2 Transformator Idealer Transformator Das Spannungsgleichgewicht Der Transformator als Spannungswandler DasDurchflutungsgleichgewicht Ill Der Transformator als Stromwandler Der belastete Transformator Realer Transformator Eisenverlustleistung Der Transformator mit Eisenverlustleistung im Leerlauf Der Transformator mit Eisenverlustleistung bei Belastung Kupfer- oder Stromwarmeverlustleistung in den Wicklungen Magnetischer StreufluB Ersatzschaltung des Transformators Idealer Transformator mit gleichen Wicklungswindungszahlen Realer Transformator mit gleichen Wicklungswindungszahlen Idealer Transformator mit ungleichen Wicklungswindungszahlen Realer Transformator mit ungleichen Wicklungswindungszahlen Vereinfachte Ersatzschaltung Untersuchung und Betrieb des Transformators Der Leerlaufversuch Der KurzschluBversuch Der Wirkungsgrad StoBkurzschluBstrom und EinschaltstromstoB Parallelbetrieb von Transformatoren Wanderwellenverhalten des Transformators Spannungs- und Stromwandler Spannungswandler Stromwandler Dreiphasenwechselstrom- oder Drehstromtransformator Spartransformator Wachstumsgesetze Dreiwicklungstransformator Asynchronmaschine Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine Der Aufbau der Maschine Das Spannungsgleichgewicht auf der Statorseite Die Entstehung des Drehfeldes 230

8 Inhaltsverzeichnis IX Das Drehfeld induziert in den Rotorleitern eine Spannung Der Rotor dreht sich Spannungs-und Durchflutungsgleichgewicht Vor- und Nachteile des Asynchronmotors Kafiglaufer und Schleifringlaufer Das Drehmoment Der Strom Kafiglaufer Schleifringlaufer Moglichkeiten der Drehzahlverstellung Drehrichtungsumkehr und Bremsen LeistungsfluB des Asynchronmotors Die Ersatzschaltung der Asynchronmaschine Entwicklung der Ersatzschaltung Die Ersatzschaltung fiir die Rotorseite Die vollstandige Ersatzschaltung LeistungsfluB und Ersatzschaltung Berechnung des Betriebsverhaltens der Maschine mit Hilfe der Ersatzschaltung Die experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltung Der KurzschluBversuch Der Leerlaufversuch Vereinfachte Ersatzschaltung fiir grobe Asynchronmaschinen Das Kreisdiagramm der Asynchronmaschine Die Impedanzortskurve fiir den Rotor Die Admittanzortskurve fiir den Rotor Die Ortskurve fiir den Rotorstrom Das vereinfachte Kreisdiagramm fiir Maschinen grober Leistung Das allgemeingiiltige Kreisdiagramm Generatorbetrieb der Maschine Bremsbetrieb Experimentelle Ermittelung des Kreisdiagramms Die Asynchronmaschine als Generator Die Asynchronmaschine als Generator am Netz konstanter Spannung und Frequenz Die Asynchronmaschine als Generator im Inselbetrieb Blindstromkompensation bei der Asynchronmaschine Die Asynchronmaschine am Netz variabler Frequenz Synchronmaschine Aufbau und Wirkungsweise der Synchronmaschine Grundsatzlicher Aufbau Inselbetrieb und Betrieb am Netz konstanter Spannung und Frequenz 328

9 Inhaltsverzeichnis Drehfeld und Motorbetrieb Generatorbetrieb Dampf-und Wasserkraftgeneratoren Ersatzschaltung der Vollpolmaschine Die Ersatzschaltung Die Leerlaufkennlinie Die KurzschluBkennlinie Die Synchronreaktanz Synchronisation Dunkelschaltung Gemischte Schaltung Belastungseinsteilung Wirkleistungsverhaltnisse Blindleistungsverhaltnisse Das Stromdiagramm der Vollpolmaschine Das Zeigerdiagramm Das Stromdiagramm Die Belastungsgrenzen Belastungseinsteilung im Stromdiagramm Berechnung des Betriebsverhaltens der Vollpolmaschine Generator-und Motorbetrieb Blindleistungsabgabe und Blindleistungsaufnahme Die Schenkelpolmaschine Die Synchronreaktanz der Vollpolmaschine Die Reaktanzen der Schenkelpolmaschine Messung der Reaktanzen der Schenkelpolmaschine Wirkleistung und Blindleistung Der KurzschluB Verlauf des KurzschluBstroms Die Reaktanzen der Maschine, Die Lenz^sche Regel Die Zeitkonstanten der Maschine KurzschluBberechnung Inselbetrieb Belastungskennlinien Regulierkenniinien Einphasenwechselstrommotoren Universalmotor Asynchronmotor Synchronmotor 417 Literatur. 419 Sachverzeichnis 425