Grundlagen elektrischer Maschinen
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Cermar Müller, Bernd Ponick Grundlagen elektrischer Maschinen Neunte, völlig neu bearbeitete Auflage WILEYVCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA XIII Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 9. Auflage V Vorwort zur 1. Auflage IX 0 Einleitung 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Schreibweise der Formelzeichen 1 Formelzeichen 2 Vorzeichenvereinbarungen 6 Formulierung der Grundgesetze 9 Zusammengefasste Darstellung der komplexen Wechselstromrechnung Einführung und Eigenschaften des symmetrischen Dreiphasensystems Einführung symmetrischer Komponenten 36 Darstellung magnetischer Felder 38 1 Transformator 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 43 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Einphasentransformators 45 Prinzipielle Ausführungsformen 45 Wirkungsweise 47 Analytische Behandlung 80 Betriebsverhalten am Netz starrer Spannung 87 Betriebsverhalten bei vorgegebenem Strom 98 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Dreiphasentransformators 101 Ausführungsformen 101 Wirkungsweise unter symmetrischen Betriebsbedingungen 208 Analytische Behandlung und Betriebsverhalten unter symmetrischen Betriebsbedingungen 125 Betriebsverhalten unter unsymmetrischen Betriebsbedingungen 127 Einsatz der Schaltungskombinationen 139 Besondere Ausführungsformen 141 Spartransformatoren 141 1.3.4 1.3.5 1.4 1.4.1 1 19 30 43 Grundlagen elektrischer Maschinen, 9. Auflage. Germar Müller und Bernd Ponick Copyright © 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 3-527-40524-0 XIV Inhaltsverzeichnis 1.4.2 1.4.3 IAA 1.5 1.5.1 1.5.2 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.7.5 1.7.6 1.8 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 1.8.5 1.8.6 Stelltransformatoren 145 Stromrichtertransformatoren 148 Messwandler 150 Energieumsatz 159 Verluste 159 Wirkungsgrad 162 Prüfung 264 Festgelegte Anforderungen 264 Leerlaufversuch 266 Kurzschlussversuch 268 Erwärmung und Kühlung 172 Wärmequellen 172 Mechanismus des Erwärmungsvorgangs und der stationären Wärmeströmung 273 Wärmeströmung innerhalb der aktiven Bauteile 278 Kühlungsarten 280 Übertemperatur der Wicklung und Wärmeklassen des Isoliersystems 183 Betriebsarten 285 Technische Ausführung von Leistungstransformatoren 185 Grundlegendes über die Baugröße 185 Konstruktive und technologische Gestaltung der aktiven Bauteile 288 Äußere Gestaltung 293 Schaltzeichen 295 Schutztechnik 295 Ausführungsbeispiele 299 2 Allgemeine Betrachtungen über rotierende elektrische Maschinen 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 Aufgaben 203 Energieumsatz 204 Grundlagen der elektromechanischen Energiewandlung 204 Stationärer Energieumsatz 220 Konstruktive und technologische Gestaltung 229 Aktive Bauteile 229 Inaktive Bauteile 228 Bauformen 232 Schutzgrade 232 Das magnetische Feld 234 Aufteilung der Felder und Verkettungsmechanismus 234 Beschreibung des Luftspaltfelds 236 Bestimmung des Luftspaltfelds 239 Spannungsinduktion durch das magnetische Feld 247 Erwärmung und Kühlung 252 203 Inhaltsverzeichnis 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.6 2.6.1 2.6.2 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7A Wärmequellen 252 Erwärmungsvorgang 253 Stationäre Wärmeströmung 259 Kühlmethoden 262 Prüfung 272 Festgelegte Anforderungen 272 Prüfungsdurchführung 273 Technische Ausführung 276 Grundlegendes über die Baugröße 276 Zusammenhang zwischen Baugröße und Wirkungsgrad Elemente der Schaltzeichen 280 Schutztechnik 280 3 Cleichstrommaschine 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.4 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 283 Aufbau 284 Prinzipieller Aufbau 284 Entwicklung des Kommutatorankers 285 Aufbau der realen Gleichstrommaschine 290 Analytische Behandlung 297 Luftspaltfeld 297 Spannungsinduktion im Kommutatoranker 303 Spannungsgleichung des Ankerkreises 306 Drehmoment 306 Kommutierung 307 Gleichstrommaschinen mit Fremd-, Nebenschluss- und Permanenterregung 322 Betriebsverhalten als Generator bei konstanter Drehzahl 323 Betrieb an einem Netz starrer Spannung 326 Betrieb im drehzahlvariablen Antrieb 330 Energieumsatz 342 Gleichstrommaschinen mit Reihenschlusserregung 342 Motorbetrieb am Netz starrer Spannung 342 Anlassen 348 Bremsen 348 Einsatz 348 Prüfung 350 Technische Ausführung 352 Konstruktive und technologische Gestaltung 352 Schaltzeichen 352 Klemmenbezeichnungen 353 Ausführungsbeispiele 354 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.6 3.7 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 279 283 XV XVI Inhaltsverzeichnis 4 Allgemeine Betrachtungen über Maschinen mit Drehfeldern als Luftspaltfeld 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 Drehfeld 359 Definition des Drehfelds 359 Aufbau eines Drehfelds 362 Spannungsinduktion durch ein Drehfeld 372 Entwicklung des mittleren Drehmoments aus Sicht der Drehfelder des Luftspaltfelds 375 Mechanismus der Grundwellenverkettung 377 Prinzip der Grundwellenverkettung 377 Spannungsgleichung des Strangs a 377 Leistungsfluss und Drehmoment 379 Beziehungen zwischen Ständer- und Läufergrößen 379 Leistungsfluss 385 Entwicklung der verschiedenen Arten von Drehfeldmaschinen 388 Ermittlung des Drehmoments 391 5 Dreiphasen-Induktionsmaschine 5.1 5.2 5.3 5.3.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 393 Prinzipieller Aufbau 395 Wirkungsweise 397 Wirkungsweise am starren Netz in erster Näherung Leerhochlaufund Lastübernahme 398 Wirkungsweise am starren Netz in zweiter Näherung 405 Wirkungsweise am Netz variabler Frequenz 408 Analytische Behandlung 420 Analytische Behandlung der Maschine mit Schleifringläufer 420 Analytische Behandlung der Maschine mit Kurzschlussläufer 425 Betriebsverhalten mit kurzgeschlossenem Schleifringläufer bzw. mit Stromverdrängungsfreiem Kurzschlussläufer am starren Netz 421 Ströme 422 Ortskurven von Ständer- und Magnetisierungsstrom 423 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 428 Stromortskurve unter Berücksichtigung des Widerstands der Ständerwicklung 434 Energieumsatz 435 Betriebsverhalten mit Kurzschlussläufer unter dem Einfluss der Stromverdrängung 436 Maschine mit Einfachkäfig-Hochstabläufer 436 Maschine mit Doppelkäfigläufer 438 Spezielle Betriebszustände am starren Netz 439 Anlassen 439 Bremsen 447 5.3.2 5.3.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.7 5.7.1 5.7.2 393 359 Inhaltsverzeichnis 5.8 5.9 5.10 5.10.1 5.10.2 5.11 5.12 5.12.1 5.12.2 5.13 5.13.1 5.13.2 5.13.3 5.13.4 5.13.5 Betriebsverhalten mit Schleifringläufer als doppeltgespeiste Induktionsmaschine 451 Betriebsverhalten mit Kurzschlussläufer im drehzahlvariablen Antrieb Besondere Ausführungsformen 462 Polumschaltbare Maschinen 462 Gegendrehfeld-Erregermaschinen 462 Einsatz 462 Prüfung 464 Festgelegte Anforderungen 464 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 465 Technische Ausführung 468 Konstruktive und technologische Gestaltung 468 Schaltzeichen 472 Klemmenbezeichnungen 472 Schutztechnik 473 Ausführungsbeispiele 477 6 Dreiphasen-Synchronmaschine 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.4 6.4.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 485 Prinzipieller Aufbau 487 Wirkungsweise am starren Netz 490 Komponenten des Luftspaltfelds und zugehörige Spannungen 492 Herstellen der Verbindung mit dem Netz 494 Mechanismus der Blindlastübernahme 498 Mechanismus der Wirklastübernahme 500 Analytische Behandlung 504 Allgemeine Spannungsgleichung und Beziehung für die Ankerdurchflutung 505 Spannungsgleichung der ungesättigten Maschine Einführung von Reaktanzen 507 Kurzschluss 528 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine am starren Netz 520 Ankerstrom 521 Drehmoment 522 Statische Stabilität 526 Ortskurven des Ankerstroms 529 V-Kurven 534 Grenzleistungsdiagramm 535 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine bei Generatorbetrieb auf ein passives Netzwerk 536 Ankerstrom 537 Drehmoment 538 6.4.2 6.4.3 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6 6.6 6.6.1 6.6.2 485 456 XVII XVIII Inhaltsverzeichnis 6.6.3 6.6.4 6.7 6.7.1 6.7.2 6.7.3 6.7.4 6.8 6.8.1 6.8.2 6.8.3 6.8.4 6.8.5 6.9 6.10 6.10.1 6.10.2 6.11 6.11.1 6.11.2 6.11.3 6.11.4 6.11.5 6.11.6 6.12 6.13 6.13.1 6.13.2 6.14 6.14.1 6.14.2 6.14.3 6.14.4 6.14.5 Strom-Spannungs-Kennlinien 542 Bremsbetrieb 543 Genäherte Behandlung der gesättigten Maschine 544 Leerlauf 545 Kurzschluss 546 Belastung 547 Energieumsatz 553 Erregung 553 Klassische Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 554 Moderne Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 556 Selbsterregte Synchronmaschinen 557 Erregung von Synchronmotoren 559 Entregungsschaltungen 562 Spezielle Betriebszustände am starren Netz Anlauf und Synchronisieren 563 Betriebsverhalten im drehzahlvariablen Antrieb 567 Betriebsverhalten der fremdgeführten Maschine 568 Betriebs verhalten der selbstgeführten Maschine 573 Besondere Ausführungsformen 577 Synchronisierte Induktionsmaschine 577 Klauenpolmaschine 577 Synchronmaschine mit Permanenterregung 579 Torquemotor 580 Aussenpol-Erregermaschine 581 Synchronmaschine mit supraleitender Erregerwicklung 583 Einsatz 584 Prüfung 587 Festgelegte Anforderungen 587 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 588 Technische Ausführung 589 Konstruktive und technologische Gestaltung 589 Schaltzeichen 600 Klemmenbezeichnungen 602 Schutztechnik 602 Ausführungsbeispiele 602 7 Maschinen für Betrieb am Einphasennetz 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung Einphasen-Induktionsmaschine 624 Prinzipielle Eigenschaften 624 Ausführungsformen 626 Einphasen-Synchronmaschine 620 623 623 Inhaltsverzeichnis 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 Emphasen-Reihenschlussmaschine (Universalmotor) Ausführungsformen 622 Prinzipielle Eigenschaften 624 Betriebsverhalten am starren Netz 628 8 Weitere Maschinenkonzepte 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.2.7 8.2.8 8.2.9 Weitere aktuelle Maschinenkonzepte 635 Hybridmotor 635 Geschalteter Reluktanzmotor 638 Transversalflussmotor 640 Linearmotor 642 Heute nicht mehr ausgeführte Maschinenkonzepte Drehstrom-Kommutatormaschine 643 Drehtransformator 646 Harzsche Schaltung 647 Hysteresemotor 648 Leonardschaltung 649 Mittelfrequenzgenerator 650 Querfeldmaschine 650 Repulsionsmotor 652 Verstärkermaschine 652 9 Maschinen für andere Arten der Einspeisung 9.1 9.1.1 9.1.2 9.2 9.2.1 9.2.2 Schrittmotoren 653 Prinzipielle Eigenschaften 653 Ausführungsformen 658 Bürstenlose Maschinen für Gleichstrombetrieb Prinzipielle Eigenschaften 660 Ausführungsformen 662 Anhang 635 653 660 665 I II Fourier-Koeffizienten 665 Nennspannungen und Nennfrequenzen III Zusammenstellung der wichtigsten Normen Literaturverzeichnis Sachverzeichnis 675 673 622 666 667 643 XIX
