Springer-Lehrbuch
Eckhard Spring Elektrische Maschinen Eine Einfiihrung 2., durchgesehene Auflage Mit 229 Abbildungen Sprin er
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. 57 64297 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 http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN-10 3-540-28241-6 2. Aufi. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-28241-9 2. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-63423-1 1. 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 -543210
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.
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
Inhaltsverzeichnis Die elektrischen Maschinen - Eine Kurzgeschichte der elektrischen Energietechnik 1 1 Gleichstrommaschine 5 1.1 ElektromechanischeEnergiewandlung 5 1.1.1 Generatorbetrieb 6 1.1.2 Motorbetrieb 9 1.1.3 Ubergang vom Motor- in den Generatorbetrieb 14 1.2 Die Grundform der Gleichstrommaschine 16 1.2.1 Generator 17 1.2.2 Motor 19 1.3 Der Aufbau der Gleichstrommaschine 21 1.3.1 Leiterschleife 22 1.3.2 Doppel-T-Anker 23 1.3.3 Ringanker 23 1.3.4 Trommelanker 26 1.4 Gleichstromgenerator 28 1.4.1 Fremderregter Generator 29 1.4.2 NebenschluBgenerator 34 1.4.3 ReihenschluBgenerator 40 1.4.4 DoppelschluBgenerator 43 1.5 Gleichstrommotor 45 1.5.1 Fremderregter Motor 45 1.5.2 NebenschluBmotor 57 1.5.3 ReihenschluBmotor 60 1.6 Die magnetischen Felder der Gleichstronmiaschine 69 1.6.1 Das Ankerfeld 71 1.6.2 Wendepolwicklung 72 1.6.3 Kompensationswicklung oder zusatzliche Erregerwicklung 73 1.6.4 Klemmenbezeichnungen bei der Gleichstronrniaschine 75 1.7 Verluste und Wirkungsgrad 76 1.7.1 DieUnmiagnetisierungsverlustleistung 77 1.7.2 Die Wirbelstromverlustleistung 79 1.7.3 Reibungsverlustleistung und weitere Verluste 81 1.7.4 Der LeistungsfluB der Maschine 82
VIII Inhaltsverzeichnis 1.7.5 Der Wirkungsgrad der Maschine 83 1.8 Weitere Beispiele fiir den Einsatz der Gleichstrommaschine 94 2 Transformator 103 2.1 Idealer Transformator 104 2.1.1 Das Spannungsgleichgewicht 104 2.1.2 Der Transformator als Spannungswandler 109 2.1.3 DasDurchflutungsgleichgewicht Ill 2.1.4 Der Transformator als Stromwandler 112 2.1.5 Der belastete Transformator 112 2.2 Realer Transformator 115 2.2.1 Eisenverlustleistung 115 2.2.1.1 Der Transformator mit Eisenverlustleistung im Leerlauf 119 2.2.1.2 Der Transformator mit Eisenverlustleistung bei Belastung 121 2.2.2 Kupfer- oder Stromwarmeverlustleistung in den Wicklungen 123 2.2.3 Magnetischer StreufluB 124 2.3 Ersatzschaltung des Transformators 130 2.3.1 Idealer Transformator mit gleichen Wicklungswindungszahlen 130 2.3.2 Realer Transformator mit gleichen Wicklungswindungszahlen 133 2.3.3 Idealer Transformator mit ungleichen Wicklungswindungszahlen.. 136 2.3.4 Realer Transformator mit ungleichen Wicklungswindungszahlen... 142 2.3.5 Vereinfachte Ersatzschaltung 144 2.4 Untersuchung und Betrieb des Transformators 147 2.4.1 Der Leerlaufversuch 147 2.4.2 Der KurzschluBversuch 150 2.4.3 Der Wirkungsgrad 155 2.4.4 StoBkurzschluBstrom und EinschaltstromstoB 170 2.4.5 Parallelbetrieb von Transformatoren 175 2.4.6 Wanderwellenverhalten des Transformators 178 2.5 Spannungs- und Stromwandler 181 2.5.1 Spannungswandler 182 2.5.2 Stromwandler 183 2.6 Dreiphasenwechselstrom- oder Drehstromtransformator 184 2.7 Spartransformator 205 2.8 Wachstumsgesetze 213 2.9 Dreiwicklungstransformator 218 3 Asynchronmaschine 227 3.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine 228 3.1.1 Der Aufbau der Maschine 228 3.1.2 Das Spannungsgleichgewicht auf der Statorseite 229 3.1.3 Die Entstehung des Drehfeldes 230
Inhaltsverzeichnis IX 3.1.4 Das Drehfeld induziert in den Rotorleitern eine Spannung 235 3.1.5 Der Rotor dreht sich 236 3.1.6 Spannungs-und Durchflutungsgleichgewicht 243 3.1.7 Vor- und Nachteile des Asynchronmotors 244 3.2 Kafiglaufer und Schleifringlaufer 247 3.2.1 Das Drehmoment 247 3.2.2 Der Strom 251 3.2.3 Kafiglaufer 252 3.2.4 Schleifringlaufer 259 3.2.5 Moglichkeiten der Drehzahlverstellung 260 3.2.6 Drehrichtungsumkehr und Bremsen 262 3.3 LeistungsfluB des Asynchronmotors 262 3.4 Die Ersatzschaltung der Asynchronmaschine 270 3.4.1 Entwicklung der Ersatzschaltung 271 3.4.1.1 Die Ersatzschaltung fiir die Rotorseite 271 3.4.1.2 Die vollstandige Ersatzschaltung 274 3.4.2 LeistungsfluB und Ersatzschaltung 275 3.4.3 Berechnung des Betriebsverhaltens der Maschine mit Hilfe der Ersatzschaltung 278 3.4.4 Die experimentelle Bestimmung der Ersatzschaltung 279 3.4.4.1 Der KurzschluBversuch 282 3.4.4.2 Der Leerlaufversuch 285 3.4.5 Vereinfachte Ersatzschaltung fiir grobe Asynchronmaschinen 289 3.5 Das Kreisdiagramm der Asynchronmaschine 294 3.5.1 Die Impedanzortskurve fiir den Rotor 295 3.5.2 Die Admittanzortskurve fiir den Rotor 296 3.5.3 Die Ortskurve fiir den Rotorstrom 297 3.5.4 Das vereinfachte Kreisdiagramm fiir Maschinen grober Leistung.. 298 3.5.5 Das allgemeingiiltige Kreisdiagramm 301 3.5.6 Generatorbetrieb der Maschine 302 3.5.7 Bremsbetrieb 303 3.5.8 Experimentelle Ermittelung des Kreisdiagramms 304 3.6 Die Asynchronmaschine als Generator 308 3.6.1 Die Asynchronmaschine als Generator am Netz konstanter Spannung und Frequenz 309 3.6.2 Die Asynchronmaschine als Generator im Inselbetrieb 312 3.7 Blindstromkompensation bei der Asynchronmaschine 318 3.8 Die Asynchronmaschine am Netz variabler Frequenz 322 4 Synchronmaschine 327 4.1 Aufbau und Wirkungsweise der Synchronmaschine 327 4.1.1 Grundsatzlicher Aufbau 327 4.1.2 Inselbetrieb und Betrieb am Netz konstanter Spannung und Frequenz 328
Inhaltsverzeichnis 4.1.3 Drehfeld und Motorbetrieb 329 4.1.4 Generatorbetrieb 332 4.1.5 Dampf-und Wasserkraftgeneratoren 332 4.2 Ersatzschaltung der Vollpolmaschine 337 4.2.1 Die Ersatzschaltung 337 4.2.2 Die Leerlaufkennlinie 340 4.2.3 Die KurzschluBkennlinie 342 4.2.4 Die Synchronreaktanz 345 4.3 Synchronisation 349 4.3.1 Dunkelschaltung 351 4.3.2 Gemischte Schaltung... 353 4.4 Belastungseinsteilung 354 4.4.1 Wirkleistungsverhaltnisse 354 4.4.2 Blindleistungsverhaltnisse 355 4.5 Das Stromdiagramm der Vollpolmaschine 359 4.5.1 Das Zeigerdiagramm 359 4.5.2 Das Stromdiagramm 360 4.5.3 Die Belastungsgrenzen 362 4.5.4 Belastungseinsteilung im Stromdiagramm. 363 4.6 Berechnung des Betriebsverhaltens der Vollpolmaschine 375 4.6.1 Generator-und Motorbetrieb 377 4.6.2 Blindleistungsabgabe und Blindleistungsaufnahme 380 4.7 Die Schenkelpolmaschine 388 4.7.1 Die Synchronreaktanz der Vollpolmaschine 388 4.7.2 Die Reaktanzen der Schenkelpolmaschine... 389 4.7.3 Messung der Reaktanzen der Schenkelpolmaschine 391 4.7.4 Wirkleistung und Blindleistung 391 4.8 Der KurzschluB 394 4.8.1 Verlauf des KurzschluBstroms 394 4.8.2 Die Reaktanzen der Maschine,. 395 4.8.3 Die Lenz^sche Regel 396 4.8.4 Die Zeitkonstanten der Maschine 398 4.8.5 KurzschluBberechnung 398 4.9 Inselbetrieb 403 4.9.1 Belastungskennlinien 404 4.9.2 Regulierkenniinien 406 5 Einphasenwechselstrommotoren 409 5.1 Universalmotor 409 5.2 Asynchronmotor 411 5.3 Synchronmotor 417 Literatur. 419 Sachverzeichnis 425