Elektromschinen in Theorie und Praxis

Transkript

1 Prof. Dr.-Ing. Ali Farschtschi Elektromschinen in Theorie und Praxis Aufbau, Wirkungsweisen, Anwendungen, Auswahl- und Auslegungskriterien VDE VERLAG Berlin Offenbach

2 Inhalt Formelzeichen 19 0 Einführung Geschichtliche Entwicklung Leistungsklassen Anwendungsgebiete Elektrische Energieversorgung Volkswirtschaftliche Aspekte 28 1 Allgemeine Grundlagen Größen und Einheiten Zählpfeilsysteme Einführung in die Wechselstromtechnik Drehstrom _ Grundlagen Schaltungen bei Drehstrom Unsymmetrische Belastung Dreileiternetz Vierleiternetz Symmetrische Komponenten Aufgaben zum Wechsel-und Drehstrom Kennlinien Stabilität Grundgesetze Durchflutungsgesetz und magnetische Feldstärke Ohmsches Gesetz der magnetischen Kreise, magnetischer Fluss und Induktion Magnetisierungskennlinie (Hystereseschleife) Energie und Kraft im magnetischen Feld Induktionsgesetz...." 75

3 1.8.6 Selbstinduktion und Selbstinduktivität Gegeninduktion und Gegeninduktivität Induzierte Spannung in einer rotierenden Spule Aufgaben zum magnetischen Kreis 85 2 Transformatoren Einleitung Funktionsweise und Aufbau Unterteilung nach der Form des Eisenkerns Unterteilung nach der Form der Wicklungen Unterteilung nach der Kühlung, der Isolierung und des Schutzes Magnetisierungsstrom, Oberschwingungsverhalten Betriebsverhalten, Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm Idealer Transformator Technischer Transformator Spezielle Betriebszustände Leerlauf Vereinfachtes Ersatzschaltbild und Kurzschluss Betrieb im Bemessungspunkt Änderungen der Sekundärspannung bei Belastung Grafische Darstellung (Kappsches Dreieck) Parallelschaltung von Transformatoren Ungleichheit der Übersetzungsverhältnisse Ungleichheit der relativen Kurzschlussspannungen Schaltungen und Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren Spartransformator Stromtransformator Verluste in elektrischen Maschinen Eisenverluste Wirbelstromverluste Hystereseverluste Kupferverluste Wirkungsgrad Aufgaben zu Transformatoren 141

4 3 Gleichstrommaschinen Einleitung Aufbau Magnetischer Kreis (Entstehung des magnetischen Felds und der Pole) Wicklungsarten des Ankers Induzierte Spannung im Anker und Kommutation Strombelag Vereinfachte Schaltung, Drehmoment, Wirkungsweise und Ersatzschaltbild Energiebilanz (Sankey-Diagramm) Leistungsbeziehungen (innere und äußere Leistung) Gleichstrommotoren Besonderheiten, Betriebskennlinie, spezielle Anwendungen und Drehzahlverstellung Fremderregter Motor und Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Doppelschlussmotor Anlassen des Motors mit Hilfe der Ankervorwiderstände Gleichstromgeneratoren Fremderregter Generator Selbsterregter Generator Ankerrückwirkung, Wendepol und Kompensationswicklung Kennzeichen der Anschlüsse Ergänzungen Aufgaben zu Gleichstrommaschinen Grundlagen der Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen Einleitung Vergleich mit Gleichstrommaschinen Vergleich von Wechselstrom-mit Drehstrommaschinen Hauptunterteilung rotierender elektrischer Maschinen Unterteilung nach Strangzahl Unterteilung nach Außen-bzw. Innenpol Drehfeld < Entstehung und Beschreibung Drehfeld durch rotierendes Polrad (für Synchronmaschinen) 200

5 Drehfeld durch dreisträngige symmetrische Wicklung (für Asynchronmaschinen) Induzierte Spannung des Drehfelds Wicklungsfaktor (Zonen-und Sehnungsfaktor) Asynchronmaschinen Qualitative Betrachtung Einleitung Aufbau Anschlussbezeichnungen und Verschaltung der Klemmen Funktionsweise und Betriebsverhalten (Schlupf, Drehzahlen, Frequenzen, Spannungen und Drehmoment) Zeigerdiagramm der Induktions- und Strombelagsschwingungen Betriebskennlinie (Drehmoment-Schlupf-Abhängigkeit, Klosssche Formel) Energiebilanz (Sankey-Diagramm), Betriebszustände ausgedrückt durch Luftspalt-, Läuferverlust- und mechanische Leistung Asynchrongenerator Anlass-und Bremsverfahren Anlassverfahren Läuferanlasser Schleifringläufer Käfigläufer Standeranlasser Anlasstransformator Unsymmetrische Speisung der Ständerwicklung (Kusa-Schaltung) Anlassen mit veränderbarer Frequenz (Umrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) Stern-Dreieck-Anlauf Bremsverfahren Gegenstrombremse Erhöhung des Schlupfs Reduzierung der Frequenz Gleichstrombremsung Bremsung mit niederfrequentem Wechselstrom Polpaarzahländerung

6 5.2 Quantitative Betrachtung (Ständerstromortskurve bzw. Ossana- Heyland-Kreis) Ohne Berücksichtigung von Ständerkupfer-, Eisen- und Zusatzverlusten Ermittlung wichtiger Punkte des Kreises Leistungsaufteilung Mit Berücksichtigung von Ständerkupfer-und Eisenverlusten Konstruktion des Kreisdiagramms Bestimmung der Kippmomente Bestimmung der Schlupfgeraden Zusammenfassung und Ergänzung Mögliche Ursachen für die Veränderung der Stromortskurve Aufgaben zu Asynchronmaschinen Ausgewählte Kapitel der elektrischen Messtechnik Einleitung Strom- und Spannungsmessung Messbereichserweiterung Strommesser Spannungsmesser Leistungsmesser Eigenverbrauch eines Messinstruments Auswahl und Benutzung der Messinstrumente Widerstandsmessung Indirekte Methode (mit Hilfe der U- und /-Messung) Direkte Methode (mit Hilfe von Messbrücken) Messung von Leistung und Arbeit Induktivitäts- und Kapazitätsmessung Temperaturmessung Zeit- und Frequenzmessung Magnetfeldmessung Drehzahlmessung Drehmomentmessung Geräuschmessung

7 7 Ausgewählte Kapitel der Leistungselektronik Einleitung Grundlagen der Halbleiterbauelemente Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung der Bauelemente Widerstände, Kondensatoren und Spulen Transistoren Diode Thyristor Spezielle Anwendungen von Diode und Thyristor Speisung des Gleichstrommotors durch das Wechselspannungsnetz Gleichrichterschaltungen Mit Wechselstrom Mit Drehstrom Glättung Prinzipschaltung von Gleichrichterschaltungen (Stromrichter) Antiparallel- bzw. Zweiwegschaltung (Triac) Halbleiterbauelemente als Schalter Prinzipschaltung von Wechselrichtern Prinzipschaltung von Gleichstromstellern Umrichter /-, U- und Direktumrichter Synchronmaschinen Qualitative Betrachtung Besonderheiten, Anwendung und Aufbau Betriebsverhalten am starren Netz Leerlauf Drehfeld in Folge des Ständerstroms Drehfeld in Folge des Erregerstroms Drehfeld in Folge von Ständer- und Erregerstrom Lastfall Pendelungen der Synchronmaschine Synchronmaschine mit Dämpferwicklung und asynchroner Anlauf Drehmoment bei der Schenkelpolsynchronmaschine Anlauf und Synchronisierung des Synchrongenerators

8 8.2 Quantitative Betrachtung der Vollpolsynchronmaschine Spannungsgleichung, Ersatzschaltbild und Potiersche Dreiecke Kreisdiagramm der Vollpolsynchronmaschine Leerlauf-und Kurzschlusskennlinie des Generators Drehmoment und Leistung V-Kurven (Abhängigkeit des Ständerstroms vom Erregerstrom bei konstanter Wirkleistung) Vergleich von Synchron- und Asynchronmaschinen Aufgaben zu Synchronmaschinen Drehzahlverstellung von Drehstromasynchronmotoren Schlupfänderung Polpaarzahländerung (Polumschaltbare Motoren) Unterbringung von Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahl Dahlander-Schaltung Kaskadenschaltung von Drehstromasynchronmaschinen Speisefrequenzänderung Dynamischer Frequenzwandler Asynchroner Frequenzwandler Frequenzwandler in Leonard-Schaltung Integrierter dynamischer Frequenzwandler (Schräge-Richter- bzw. Scherbius-Maschine) Statischer Frequenzwandler Statischer Frequenzwandler im Läuferkreis Drehstrom-Gleichstrom-Kaskade Drehzahlverstellung mit Frequenzwandler im Läuferkreis Statischer Frequenzwandler im Ständerkreis (stromrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) Einleitung Grundlagen Verfügbare Umrichtersysteme (/-, U- und Direktumrichter) Entstehung der Drehmomentoberschwingungen Auswirkungen der Oberschwingungen Auswertung

9 Reduzierung der umrichterbedingten parasitären Erscheinungen Zusammenfassung Kleinmaschinen Spezielle Asynchronmaschinen Anwendung vom Drehstromasynchronrnotor im Wechselstromnetz (unsymmetrischer Betrieb vom Drehstromasynchronmotor) Betriebsverhalten Pulsierendes (stehendes), elliptisches und kreisförmiges Wechselfeld Kusa-Schaltung Anlassen von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz (Steinmetz-Schaltung) Nachteile der Anwendung von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz Einsträngige Induktionsmaschinen (Wechselstrommaschinen) Betriebsverhalten und Funktionsweise Modifikationen Spaltpolmotor Motor mit Hilfswicklung (Hilfswicklung mit erhöhtem Widerstand) Motor mit Hilfswicklung und Betriebskondensator Motor mit Hilfswicklung und Anlasskondensator Motor mit Hilfswicklung, Betriebs- und Anlasskondensator Vergleich von einsträngigen Induktionsmotoren Wechselstrom-Kommutatormotoren Universalmotor Schrage-Richter-Motor(Scherbius-Maschine) Motoren mit eisenlosem Läufer Ferrarismotor Scheibenläufer Massivläufer Tachogenerator Spezielle Synchronmaschinen Hysteresemotor

10 Klauenpolmaschine (Lichtmaschine) Schrittmotoren Einleitung Klassifizierung Aufbau Wirkungsweise Eckdaten und Einsatzgebiet Zusammenfassung Spezielle Gleichstrommaschinen Mit Permanentmagneterregung Elektronikmotor (EC-Motor bzw. bürstenloser Gleichstrommotor) im Vergleich mit Schrittmotor Sondermaschinen Linearmotor Elektrische Welle Ausgewählte Kapitel der elektrischen Antriebstechnik (Zusammenwirken von Motor und Arbeitsmaschine) Aufbau eines Antriebs Drehmomentkennlinien Betriebskennlinien von Motoren (M a ) Widerstandsmoment von Arbeitsmaschinen (A/ w ) M w =/(«) M w =f(t) M w =f(a) Bewegungsgleichung Impulssatz Getriebe Leistung und Arbeit Der stationäre Betriebspunkt (Stabilität) Berechnung der Anlaufzeiten Leerlauf Leerlauf eines Gleichstromnebenschlussmotors Leerlauf eines Asynchronmotors Anfahren unter Last Geschlossene Methode

11 Numerische Methode Erwärmung und Kühlung Wachstumsgesetze Isolationsklassen Lebensdauer Temperaturerfassung Temperaturmessung Temperaturberechnung Elektrische Maschine als homogener Körper Elektrische Maschine als inhomogener Körper Auswahl des geeigneten Motors Das mittlere quadratische Drehmoment Betriebsarten Dauerbetrieb (Betriebsart Sl) Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) Aussetzbetrieb (Betriebsart S3) Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs (Betriebsart S4) Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und elektrischer Bremsung (Betriebsart S5) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung (Betriebsart S6) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und elektrischer Bremsung (Betriebsart S7) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Drehzahländerung (Betriebsart S8) Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last-und Drehzahländerung (Betriebsart S9) Betrieb mit einzelnen konstanten Belastungen (Betriebsart S10) Mechanische Betrachtung des Antriebssystems als Punktmasse Geräuschentwicklung elektrischer Maschinen Einleitung Geräuscharten und deren Entwicklung in elektrischen Maschinen Simulation Maßnahmen zur Geräuschminderung

12 Möglichkeiten zur Reduzierung des magnetischen Geräuschs Primärmaßnahmen Sekundärmaßnahmen Möglichkeiten zur Reduzierung des aerodynamischen Geräuschs Möglichkeiten zur Reduzierung des Lagergeräuschs Beispiele (Simulation-Messung-Vergleich) Zusammenfassung ~\ Leistungsschildangaben Einführung in das dynamische Verhalten rotierender elektrischer Maschinen (Ursachen, Wirkungen, Darstellung und Betrachtung) Einleitung Ausgleichsvorgänge bei Gleichstrommotoren (Zeitabhängigkeit von Ankerstrom, Drehmoment und Drehzahl sowie Drehmoment-Drehzahl-Abhängigkeit im dynamischen Zustand) Ausgleichsvorgänge bei Asynchronmotoren und Synchronmotoren Elektromagnetischer Ausgleichsvorgang (Zeitabhängigkeit der Ströme und des magnetischen Felds im dynamischen Zustand) Elektromechanischer Ausgleichsvorgang (Drehmoment-Drehzahl- sowie Drehzahl-Zeit-Verhalten) Allgemeine Aufgaben Grundzüge der Simulation elektrischer Maschinen Einleitung Simulation der Einflussgrößen Magnetische Einflussgrößen (Feldverteilung, Leistung, Drehmoment, Kräfte etc.) Analytische Methoden Numerische Methoden Feldberechnung (Aufstellung der Feldgleichungen) Lösung der Feldgleichungen Modellierung

13 Feldverteilung Strategien zur Berechnung von Leerlauf- und Lastkennlinie Erfahrungen mit dem Programmsystem ANSYS Thermische Einflussgrößen (Temperaturverteilung stationär und instationär) Strömungstechnische Einflussgrößen (Strömungsverhalten) Schwingungs- und verformungstechnische und akustische Einflussgrößen Praktische Prüfungen Prüfstand Messeinrichtung Auswerteeinheit und Auswertung Belastungseinheit für Generatorprüfstand Lösungen der Aufgaben Lösungen zu Wechsel-und Drehstrom" Lösungen zu Magnetischer Kreis" Lösungen zu Transformatoren" Lösungen zu Gleichstrommaschinen" Lösungen zu Asynchronmaschinen" Lösungen zu Synchronmaschinen" Lösungen zu Allgemeine Aufgaben" 639 Fragen zur Selbstkontrolle 645 Literaturverzeichnis 655 Sachwortverzeichnis