6 Vorwort Das vorliegende Buch befasst sich mit Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten der elektrischen Maschinen und Transformatoren. Der Maschinenentwurf wird schon aus Platzgründen nicht behandelt. Dieses nur einen kleineren Leserkreis interessierende Fachgebiet, das heute eng mit der EDV verbunden ist, wäre in einem eigenen Buch darzustellen. Eine Ausnahme wird bei der Auslegung von Dauermagnetkreisen gemacht, da diese Technik auch das Betriebsverhalten der so erregten Maschine beeinflusst und wachsende Bedeutung erlangt. Um dem Leser jedoch Anhaltspunkte für die möglichen spezifischen Belastungen in den Maschinenteilen zu geben, werden der Begriff der Ausnutzungsziffer erläutert und, wo immer sinnvoll, Richtwerte für typische Kenngrößen angegeben. Stoffauswahl und Umfang wurden nach dem Gesichtspunkt festgelegt, ein vorlesungsbegleitendes Buch für das Studium der elektrischen Maschinen während der Ingenieurausbildung anzubieten. Daneben soll es aber auch dem in der Praxis stehenden Ingenieur bei der Auffrischung und Vertiefung seiner Fachkenntnisse von Nutzen sein. Vorausgesetzt sind die Höhere Mathematik der ersten Semester, die komplexe Rechnung und die allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik. Auf die Behandlung so spezieller Maschinentypen wie z. B. Repulsionsmotoren oder die Drehstrom-Kommutatormaschinen, die keine Bedeutung mehr besitzen, wird verzichtet. Dagegen erhalten die Kleinmaschinen der verschiedenen Bauarten, die wie z. B. Universalmotoren in sehr großen Stückzahlen pro Jahr gefertigt werden, in den jeweiligen Hauptkapiteln eigene Abschnitte. Das Gleiche gilt für besondere Bauformen wie die Linearmotoren oder den Turbogenerator großer Leistung. Besonderer Wert ist auf die Darstellung der Methoden zur Drehzahlsteuerung gelegt, wobei hier eingehend die Verbindungen zur Leistungselektronik gezeigt und die dabei auftretenden Maschinenprobleme behandelt werden. Zur Kennzeichnung der Größen sind in der Regel die Formelzeichen nach DIN 1304 Teil 1und Teil 7verwendet; eine Liste aller Zeichen mit ihrer Bedeutung ist im Anhang enthalten. Bezugspfeile werden bei allen Anschlüssen nach dem Verbraucherpfeilsystem gesetzt. Ein ausführliches Literaturverzeichnis ermöglicht bei vielen Teilgebieten einen ersten Zugang zu weiterführenden, speziellen Veröffentlichungen. Rolf Fischer
8 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Grundlagen elektrischer Maschinen Prinzipien elektrischer Maschinen Vorgaben im Elektromaschinenbau Energiewandlung und Bezugspfeile Bauarten und Gliederung elektrischer Maschinen Leistung und Bauvolumen elektrischer Maschinen Der magnetische Kreis elektrischer Maschinen Aufbau magnetischer Kreise Elektrobleche und Eisenverluste Spannungen und Kräfte im Magnetfeld Der magnetischekreis mit Dauermagneten Gleichstrommaschinen Aufbau und Bauteile Prinzipieller Aufbau Bauteile einer Gleichstrommaschine Ankerwicklungen Dauermagneterregte Kleinmaschinen und Sonderbauformen Luftspaltfelder und Betriebsverhalten Erregerfeld und Ankerrückwirkung Spannungserzeugung und Drehmoment Stromwendung Wendepole und Kompensationswicklung Kennlinien und Steuerung von Gleichstrommaschinen Anschlussbezeichnungen und Schaltbilder Kennlinien von Gleichstrommaschinen Verfahren zur Drehzahländerung Dynamisches Verhalten von Gleichstrommaschinen Stromrichterbetrieb von Gleichstrommaschinen Netzgeführte Stromrichterantriebe Antriebe mit Gleichstromsteller Probleme der Stromrichterspeisung Transformatoren Aufbau und Bauformen Eisenkernevon Wechsel- und Drehstromtransformatoren Wicklungen Wachstumsgesetze und Kühlung Betriebsverhalten von Einphasentransformatoren Spannungsgleichungen und Ersatzschaltung Leerlauf und Magnetisierung
Rolf Fischer Elektrische Maschinen Pdf 16
10 Inhaltsverzeichnis Stromrichterbetrieb von Asynchronmaschinen Spannungsänderung mit Drehstromstellern Untersynchrone Stromrichterkaskade Einsatz von Frequenzumrichtern Motorrückwirkung bei Umrichterbetrieb Spezielle Bauformen und Betriebsarten der Asynchronmaschine Stromverdrängungs- und Doppelstabläufer Linearmotoren Asynchrongeneratoren Die elektrische Welle Doppeltgespeiste Schleifringläufermotoren Energiesparmotoren Einphasige Asynchronmaschinen Einphasenmotoren ohne Hilfswicklung Einphasenmotoren mit Kondensatorhilfswicklung Einphasenmotoren mit Widerstandshilfswicklung Der Drehstrommotor am Wechselstromnetz Spaltpolmotoren Synchronmaschinen Aufbau von Synchronmaschinen Bauformen Erregersysteme Synchronmaschinen mit Dauermagneterregung Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen Betriebsverhalten der Vollpolmaschine Erregerfeld und Ankerrückwirkung Zeigerdiagramm und Ersatzschaltung Synchronmaschinen im Alleinbetrieb Synchronmaschinen im Netzbetrieb Besonderheiten der Schenkelpolmaschine Verhalten der Synchronmaschine im nichtstationären Betrieb Drehzahlsteuerung und Stromrichterbetrieb Pendelungen und unsymmetrische Belastung Die Synchronmaschine in Zweiachsendarstellung Stoßkurzschluss Spezielle Bauarten von Synchronmaschinen Turbogeneratoren Die Einphasen-Synchronmaschine Betriebsverhalten dauermagneterregter Synchronmotoren Synchrone Langstator-Linearmotoren Transversalflussmotoren Synchrone Kleinmaschinen Reluktanzmotoren Hysteresemotoren Schrittmotoren
12 1 Allgemeine Grundlagen elektrischer Maschinen 1.1 Prinzipien elektrischer Maschinen Vorgaben im Elektromaschinenbau Bedeutung und Vorgaben. Elektrische Maschinen sind in der Ausführung als Generatoren die Grundlage fast der gesamten Erzeugung elektrischer Energie in Wärme-, Wasser- und Windkraftanlagen eines Landes. Motoren ein entscheidendes Betriebsmittel aller Produktion in Industrie und Gewerbe sowie Bestandteil vieler Konsumgüter. Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. (ZVEI) gibt für das Jahr 2005 ein Produktionsvolumen für das gesamte Gebiet der elektrischen Antriebstechnik im Wert von ca. 6,8 Milliarden Euro an. Darin sind die verschiedenen Bereiche mit den folgenden Anteilen beteiligt. 36,8 % Kleinmotoren 26,6 % Drehstrommotoren 19,3 % Antriebsstromrichter 15,8 % Sonstige Motoren, Zubehör 1,5% Gleichstrommaschinen Nimmt man die Kraftwerkstechnik hinzu, so entsteht vom winzigen Schrittmotor in einer Quarzuhr mit einer Leistung von ca. 10 l W bis zu den größten Drehstromgeneratoren von über 1000 MW eine geschlossene Leistungsreihe von 14 Zehnerpotenzen. Dazwischen liegen mit Stückzahlen von meist mehreren Millionen pro Jahr die Kleinmaschinen der verschiedenen Bauarten, wie z. B. die dauermagneterregten Gleichstrom-Hilfsantriebe im Kfz oder die Universalmotoren in Elektrowerkzeugen oder Hausgeräten. Industrieantriebe werden heute fast immer als Drehstrommotoren listenmäßig bis etwa 1000 kw angeboten, darüber hinaus fertigt man Sondermotoren bis ca. 30 MW. Auch bei Generatoren reicht die Fertigung von Millionen Lichtmaschinen pro Jahr über autarke, transportable Stromversorgungsanlagen (Notstromaggregate) ab einigen kva, über Generatoren für Windrotoren, Blockheizkraftwerke und Staustufen in Flüssen bis in den MVA-Bereich und zu Großmaschinen für Wasser- und Wärmekraftwerke. Beim Bau von elektrischen Maschinen muss der Entwickler eine Vielzahl von Normen und Vorschriften beachten. Sie betreffen die zulässige Ausnutzung der verwendeten Materialien, einzelne Betriebsdaten und vor allem auch die äußere Gestaltung. Diese Vorgaben sind heute fast alle Inhalt von Europanormen EN und werden in Kapitel 8 zumindest in den Grundzügen aufgeführt. In Bild 1.1 sind die wichtigsten Vorgaben im Bezug zur Maschine dargestellt. Baugröße. Zur Vereinheitlichung von Anbaumaßen und damit einer allgemeinen Austauschbarkeit werden vor allem die Industrieantriebe der Serienfertigung nur in abgestuften Baugrößen gefertigt. Als Bezugswert gilt die Achshöhe h in Abstufungen von
13 12 1 Allgemeine Grundlagen elektrischer Maschinen Bild 1.1 Vorgaben im Elektromaschinenbau 56 mm bis zu etwa 450 mm. Bei Drehstrommaschinen sind mit dem IEC-Normmotor auch weitere Anbaumaße festgelegt. Ausgenommen von dieser Vereinheitlichung von Anbaumaßen sind vielfach Kleinmotoren, wenn sie für einen vorbestimmten Einsatz z. B. in einem Kfz oder einem Hausgerät vorgesehen sind. Bauform. Je nach Anwendung benötigt man Maschinen mit unterschiedlicher Anbaumöglichkeit, wie z. B. mit normaler Fußbefestigung oder einem Flanschanschluss. Die hier vorhandenen Unterscheidungen definiert die Bauform nach EN Die jeweilige Ausführung wird durch einen Code aus Buchstaben und Zahlen wie IM B3 ( I nternational M ounting) gekennzeichnet. Schutzart. In der Normreihe EN werden Anforderungen an die Gehäuseausführung festgelegt, die den Schutzumfang vor Berühren unter Spannung stehender Maschinenteile und das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser definieren. Je nach Einsatzfall der Maschine ist ein bestimmter Schutzgrad einzuhalten, der durch die Kombination der Buchstaben IP (I nternational P rotection) mit zwei Zahlen, z. B. IP21, beschrieben wird. Betriebsart. Mit den Vorschriften EN bzw. VDE 0530 Teil 1 werden zwischen Dauerbetrieb S1 und Kurzzeitbetrieb S6 zehn verschiedene Belastungsarten einer elektrischen Maschine geregelt. In keinem Fall darf die Erwärmung der Wicklungen eine der Wärmeklasse der eingesetzten Isoliermaterialien zugeordnete Höchsttemperatur überschreiten. Ferner gibt es Grenzwerte für zulässige Kurzschlussströme, Hochlaufmomente und Oberschwingungen. Leistungsschild. Eine elektrische Maschine erhält ausgenommen sind wieder Kleinantriebe ein Leistungsschild, das dem Anwender alle erforderlichen Betriebsdaten angibt. Dies sind vor allem die Werte für den Bemessungsbetrieb wie: Betriebsart S, Abgabeleistung P N,Spannung U N,Strom I N,Leistungsfaktor cos u,drehzahl n N.Drehmoment und Wirkungsgrad werden nicht angegeben, da sie aus den vorstehenden Angaben zu berechnen sind Energiewandlung und Bezugspfeile Rotierende Energiewandler. Rotierende elektrische Maschinen sind Energiewandler, die eine Umformung zwischen elektrischer und mechanischer Energie vornehmen. Die Leistung wird auf der einen Seite durch die Größen elektrische Spannung U und Strom I,auf der anderen durch das Drehmoment M und die Drehzahl n bestimmt. In Bild 1.2 2ff7e9595c
Comments