Die elektrische Kraftübertragung Von Dipl.-Ing. Herbert Kyser 0 beringenieur I. Band: Die Motoren, Umformer und Transformatoren Ihre Arbeitsweise, Schaltung, Anwendung und Ausführung Mit 277 Textfiguren und 5 Tafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1912
Copyright 1912 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin.1912 S o f t c o v e r r e p r i n t o f t h e h a r d c o v e r 1 s t e d i t i o n 1 9 1 2 ISBN 978-3-662-01880-4 ISBN 978-3-662-02175-0 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-02175-0
Die stetig zunehmende Verwendung des elektrischen Stromes auf allen Gebieten des öffentlichen und privaten Lebens und die zahlreichen Ausführungsmöglichkeiten für die Stromerzeugung, die Fortleitung, Verteilung und Nutzbarmachung elektrischer Energie zwingen heute den Elektro- und Maschineningenieur und auch schon den Studierenden, sich mit dem ganzen Gebiete der Starkstromtechnik nach der theoretischen, praktischen und wirtschaftlichen Seite eingehend bekannt zu machen. Nur so wird der Ingenieur unter richtiger Berücksichtigung aller Vorteile in der Lage sein, ein wirtschaftlich gutes, betriebstechnisch befriedigendes und konkurrenzfähiges Projekt zusammen zu stellen. In dem Bestreben, hier den Ingenieur und auch den Studierenden ratend und erklärend zu unterstützen, ist das vorliegende Werk entstanden, das also gewissermaßen die praktische Seite bei der Projektierung oder Begutachtung einer Anlage oder von Teilen einer solchen behandelt. Es soll also auch anregend nach der Richtung wirken, daß durch sein Studium eine zweckmäßige und gewinnbringende Verwertung der technischen Zeitschriftenliteratur, der Besichtigung ausgeführter Anlagen usw. ermöglicht wird. Dadurch verdichtet und festigt sich zu praktisch brauchbarem Wissen namentlich für den Studierenden das auf den Hochschulen mehr theoretisch Gelehrte, das Interesse an dem von ihm erwählten Berufe wird gehoben, und er ist leichter imstande, die ersten an ihn herantretenden Aufgaben bei seinem Übertritt in die Praxis mit guten Aussichten auf Erfolg zu lösen. In möglichst knapper Form werden nun im vorliegenden I. Bande besprochen: die Motoren aller Gattungen, die Umformer und die Transformatoren, während der II. Band die Leitungsanlagen in mechanischer und elektrischer Hinsicht, die Apparate und Instrumente und die Stromerzeugung mit den Schaltanlagen usw. umfassen wird. Diese Reihenfolge in der Stoffeinteilung ist aus dem Grunde gewählt worden, weil zunächst die Arbeitsbedingungen und die Arbeitsweise der Stromverbraucher (Elektromotoren, elektrische Öfen, Landwirtschaft usw.) bekannt sein müssen, bevor man die vorteilhafteste Stromart und Spannung als Grundlage für ein Projekt feststellen kann. Um dem Leser im I. Abschnitte zu zeigen, z. B. welche Motorgattung zum Antriebe einer bestimmten Arbeitsmaschine die günstigste ist, wie sich Drehmoment, Drehzahl, Leistung usw. mit Rücksicht auf die anzutreibende Maschine bei wechselnder Belastung zueinander verhalten,
IV Vorwort. welche Stromart demnach zu wählen ist und ähnliches, sind jeder Motorgattung die Grundgleichungen vorangestellt. An Hand derselben und der notwendigen charakteristischen Kurven ist die Arbeitsweise im allgemeinen, das Anlassen, Regeln usw. abgeleitet. Der II. Abschnitt behandelt die Umformung der elektrischen Energie. Da auch hierfür verschiedene, im gegenseitigen Vergleich ganz besonders zu beachtende Ausführungen möglich sind, so sei auf das reiche Tabellenmaterial besonders hingewiesen. Ferner ist der II. Abschnitt mit einer umfassenderen Einleitung versehen, die dem projektierenden Ingenieur neben allgemeineren Gesichtspunkten auch für Erläuterungsberichte u. dgl. manche Fingerzeige geben wird. Den größten Umfang besitzt der III. Abschnitt, der von der Transformierung handelt. Auch hier ist aus den gleichen Gründen wie beim II. Abschnitte die Einleitung ausführlicher gehalten. Eines besonderen Hinweises bedarf noch die kritische Betrachtung der Schaltungsschemata und der ausgeführten Transformatorenstationen jeden Charakters und für alle Zwecke der Benutzung. In den einzelnen Kapiteln ist schließlich, soweit die Notwendigkeit und Zweckmäßigkeit es als wünschenswert erscheinen ließ, auf Vorhergegangenes verwiesen worden, um den Leser gewissermaßen zu zwingen, sich des früher Gesagten zu erinnern und mit dem fortschreitenden Aufbau eines größeren Projektes nichts von Vorteil außer acht zu lassen. Von der Beschreibung einzelner Konstruktionen, der Benutzung von Katalogmaterial u. ähnl. wurde mit Rücksicht auf die allgemeine Bestimmung des Werkes gänzlich abgesehen. So übergebe ich denn diesen I. Teil der "Kraftübertragung" der Öffentlichkeit, und ich werde stets mit Freude alle Mitteilungen über den weiteren Ausbau des Werkes begrüßen. Den Elektrizitätsfirmen Siemens-Schuckertwerke, Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, Maschinenfabrik Oerlikon, Brown-Boveri & Cie., A.-G., sei auch an dieser Stelle nochmals für die reiche und freundliche Unterstützung bestens gedankt. Berlin-Friedenau, April 1912. Kyser.
Inhaltsverzeichnis. I. Abschnitt. Die Motoren. A. Die Gleichstrommotoren.... I. Die Arbeitsweise der Gleichstrommotoren im allgen:teinen 2. Der Gleichstrom-Hauptstrommotor.... 3. Die Regelung des Gleichstrom-Hauptstrommotors a) Die Umkehrung der Drehrichtung... b) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen c) Das Anlassen............. d) Die Reihen-Parallelschaltung...... e) Das Zusammenarbeiten von zwei Motoren. Seite 1 bis 47 1 3 10 10 13 13 17 f) Die Regelung durch Änderung des wirksamen Kraftflusses <P g) Die elektrische Bremsung.......... h) Die Apparate im äußeren Stromkreise.... 4. Der Gleichstrom-Nebenschlußmotor.... 5. Die Regelung des Gleichstrom-Nebenschlußmotors a) Die Umkehr der Drehrichtung.... b) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen.. c) Das Anlassen............... d) Die 4-.nderung der Drehzahl durch Än.~erung der induzierten EMK. e) Die Anderung der Drehzahl durch Anderung der Erregung, also des Kraftflusses <P 37 f) Das Zusammenarbeiten mehrerer Motoren 39 g) Die elektrische Bremsung...... 40 h) Die Apparate im äußeren Stromkreise.. 43 6. Der Gleichstrom-Compoundmotor...... 45 7. Die Regelung des Compoundmotors..... 47 B. Die Ein- u. Mehrphasen-Wechselstrom-Induktionsmotoren 48 bis 87 8. Der Ein- und Mehrphasen-Wechselstrommotor im allgemeinen. 48 9. Der a,synchrone Drehstrom-Induktionsmotor... 49 10. Die Regelung des asynchronen Drehstrommotors. 54 a) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen 54 b) Das Anlaufdrehmoment......... 54 c) Das Anlassen des Schleifringankermotors. 56 d) Die Umkehr der Drehrichtung...... 61 e) Das Anlassen des Kurzschlußankermotors. 61 f) Das Anlassen durch Änderung der Frequenz....... 68 g) Die Regelung der Drehzahl durch Änderung der Schlüpfung 69 h) Die Kaskadenschaltung................. 70 i) Die Regelung der Drehzahl durch Änderung der Polzahl.. 74 k) Die Regelung der Drehzahl durch besondere Regelmaschinen 80 1) Die elektrische Bremsung................ 81 m) Die Apparate im äußeren Stromkreise.......... 83 11. Der asynchrone Einphasen-Induktionsmotor......... 86 12. Das Anlassen und die Regelung des asynchronen Einphasenmotors 87 19 20 21 23 26 29 29 31 31 33
VI Inhaltsverzeichnis. Seite 0. Die Ein- u. Mehrphasen-Wechselstrom-Kollektormotoren 89 bis 111 13. Der Einphasen-Kollektormotor im allgemeinen... 89 14. Der Wechselstrom-Reihenschlußmotor....... 90 15. Die Regelung des Wechselstrom-Reihenschlußmotors 94 16. Der Repulsionsmotor....... 95 17. Die Regelung des Repulsionsmotors... 97 a) Das Anlassen und die Regelung... 97 b) Der Doppel-Repulsionsmotor 100 c) Die Apparate im äußeren Stromkreise 100 18. Der Repulsions-Induktionsmotor.... 100 19. Die Regelung des Repulsions-Induktionsmotors 101 20. Der kompensierte Wechselstrom-Reihenschlußmotor (Doppelschlußmotor)... 103 21. Die Regelung des kompensierten Wechselstrom-Reihenschlußmotors 105 22. Der Drehstrom-Kollektormotor im allgemeinen... 106 23. Der Drehstrom-Kollektormotor mit Hauptstromcharakteristik (Reihenschlußmotor) und seine Regelung................ 107 24. Der Drehstrom-Kollektormotor mit Nebenschlußcharakteristik (Nebenschlußmotor) und seine Regelung... 111 II. Abschnitt. Die Umformer. 25. Der Zweck der Umformung und die Einteilung der Umformer.. 113 D. Der Motorgenerator.......... 117 bis 144 26. Der Motorgenerator im allgemeinen... 117 27. Der Motorgenerator mit Synchronmotor. 121 a) Der Drehstrom-Synchronmotor.... 121 b) Der selbstanlaufende Synchronmotor.... 127 28. Das Anwerfen des Synchron-Motorgenerators durch eine besondere äußere Kraft................. 129 a) Die eigene Erregermaschine als Anwurfsmotor 129 b) Der Gleichstromgenerator als Anwurfsmotor.. 131 c) Der Anwurf durch einen besonderen Asynchronmotor 132 29. Der asynchrone Motorgenerator 134 30. Die Apparate im äußeren Stromkreise 138 a) Der Synchron-Motorgenerator... 138 b) Der asynchrone Motorgenerator.. 144 E. Der Einankerumformer....... 146 bis 173 31. Der Einankerumformer im allgemeinen. 146 32. Die Erregung und die Spannungsregelung 151 a) Die Erregung............. 151 b) Die Spannungsregelung mittels Drosselspulen und Streutransformatoren.......................... 153 c) Die Spannungsregelung durch Änderung der Transformatorspannung... 155 d) Die Spannungsregelung mittels einer besonderen Zusatzmaschine 157 e) Die Spannungsregelung durch Benutzung von Spaltpolen. 160 33. Die Arbeitsweise des Einankerumformers. 161 a) Die Drehstrom-Gleichstrom-Umformung 161 b) Die Apparate im äußeren Stromkreise. 167 c) Die Gleichstrom-Drehstromumformung........... 170 d) Die Wechselstrom-Gleichstrom- und Gleichstrom-Wechselstrom Umformung.............. 171 e) Der Doppelstromgenerator....... 172 f) Der Parallelbet.rieb des Einankerumformers 173
Inhaltsverzeichnis. F. Der Kaskadenumformer.... 34. Der Kaskadenumformer im allgemeinen. 35. Die Arbeitsweise des Kaskadenumformers a) Die Drehzahl und die Spannungsverhältnisse b) Das Anlassen.............. e) Die Spannungsregelung......... d) Die Verwendung des Kaskadenumformers 36. Ausgeführte Umformeranlagen.... vn Seite 173 bis 181 173 175 175 179 180 181 182 III. Abschnitt. Die Transformatoren. G. D~e Gleichstrom-Transformierung a) Motorgenerator.......... b) Teilweise Transformierung..... H. Die Wechselstrom-Transformierung 37. Die Arbeitsweise der Transformatoren im allgemeinen. 192 bis 193 192 193 195 bis 27l 195 38. Die Schaltung der Transformatorwieklungen im allgemeinen (Innere Schaltung).................. 204 a) Der Einphasentransformator......... 204 b) Der Zweiphasentransformator........ 205 e) Der Dreiphasen- oder Drehstromtransformator 207 d) Das Parallelarbeiten........... 212 39. Die Bauart der Transformatoren im allgemeinen. 215 a) Kern- und Manteltransformator....... 215 b) Der konstruktive Aufbau.......... 216 e) Die Isolation des Transformators und die Kühlung im allgemeinen 217 40. Die Trockentransfqrmatoren...... 218 41. Die Wärmeentwicklung und Wärmebeseitigung in Transformatorenanlagen........ 219 a) Die Wärmeentwicklung........ 219 b) Die Raumtemperatur......... 220 c) Die natürliche Belüftung eines Raumes 221 d) Die künstliche Belüftung eines Raumes 228 e) Die künstliche Belüftung der Transformatoren selbst 231 f) Die Berechnung der Belüftungskanäle 233 g) Die Ventilatoren.............. 236 42. Die Öltransformatoren im allgemeinen und das Öl 241 43. Die künstliche Kühlung der Öltransformatoren 245 a) Die besondere Belüftung des Transformatorenraumes 245 b) Die Kühlung des Öles durch Berieselung der Kesselwände 248 c) Die unmittelbare Kühlung des Öles.......... 250 44. Die besondere Schaltung von Transformatoren (Äußere Schaltung) 256 a) Die Zweiphasen-Dreiphasen-Umformung........... 256 b) Der Spar- oder Autotransformator............. 259 c) Schaltung zur Verminderung der Transformator-Leerlaufsverluste 261 d) Die Benutzung von Einphasentransformatoren in Drehstromnetzen 263 45. Die Spannungsregelung in Wechselstromnetzen... 264 a) Die Spannungsregelung im allgemeinen... 264 b) Der Transformator mit Wicklungsunterteilung..... 266 c) Der drehbare Zusatztransformator (Induktions- oder Potentialregler)........................... 271 J. Der Aufbau vollständiger Transformatorenanlagen im allgemeinen................... 278 bis 300 46. Das Schaltungsschema, die Apparate und die Instrumente im allgemeinen....................... 278
VIII Inhaltsverzeichnis. Seite a) Das Schaltungsschema...... 278 b) Die Trennmesser ( Trennschalter, Abschalter). 280 c) Sicherungen und Schalter........... 284 d) Die Verteilung der Sicherungsvorrichtungen im Schaltungsschema 288 e) Die Meßinstrum~p.te........ 291 f) Der Blitz- und Uberspannungsschutz............. 294 g) Die Sammelschienen.................... 297 h) Der Aufbau der Schaltanlage und die Aufstellung der Transformatoren... 300 K. Ausgeführte Transformatorenstationen... 306 bis 352 47. Transformatorenstationen innerhalb vorhandener Gebäude 306 48. Selbständige Transformatorenstationen für Überlandzentralen u. dgl. mit einem oder zwei Transformatoren bis etwa 15 000 Volt Oberspannung.... 49. Transformatorenstationen innerhalb großer Städte a) Oberirdische Aufstellung der Transformatoren. b) Unterirdische Aufstellung der Transformatoren 50. Große selbständige Transformatorenstationen 51. Masttransformatorstationen..... a) Allgemeines über die Ausführung. b) Die Schaltung......... c) Ausgeführte Stationen..... 52. Fahrbare Transformatorstationen...... Zusammenstellung der in den Formeln verwendeten Buchstaben Zusammenstellung der Zeichnungsabkürzungen.... Alphabetisches Sachregister................. 313 322 322 322 325 344 344 346 348 353 359 362 364 Berichtigung. Auf Seite 185, Zeile 32 von oben muß es heißen 45000 Volt statt 5000 Volt.