Farschtschi, A. - Elektromaschinen in Theorie und Praxis

Inhalt
Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0 Einf hrung
19
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
0.1 Geschichtliche Entwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . 25
0.2 Leistungsklassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
0.3 Anwendungsgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
0.3.1 Elektrische Energieversorgung. . . . . . . . . . . . . . . 27
0.3.2 Volkswirtschaftliche Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . 28
1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
1.2
1.3
1.4
31
Gr §en und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Z hlpfeilsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Einf hrung in die Wechselstromtechnik . . . . . . . . . .
35
Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Schaltungen bei Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Unsymmetrische Belastung . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3.1 Dreileiternetz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3.2 Vierleiternetz . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Symmetrische Komponenten . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Aufgaben zum Wechsel- und Drehstrom . . . . . . . . . . .
1.6 Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Stabilit t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8 Grundgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8.1 Durchflutungsgesetz und magnetische Feldst rke. . . . . . .
1.8.2 Ohmsches Gesetz der magnetischen Kreise, magnetischer
Fluss und Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8.3 Magnetisierungskennlinie (Hystereseschleife) . . . . . . . .
1.8.4 Energie und Kraft im magnetischen Feld . . . . . . . . . .
1.8.5 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
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59
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75
7
1.8.7 Gegeninduktion und Gegeninduktivit t . . . . . . . . . .
81
1.8.8 Induzierte Spannung in einer rotierenden Spule . . . . . . . 82
1.8.9 Aufgaben zum magnetischen Kreis. . . . . . . . . . . . . 85
2 Transformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.2 Funktionsweise und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.2.1 Unterteilung nach der Form des Eisenkerns. . . . . . . . . . 94
2.2.2 Unterteilung nach der Form der Wicklungen. . . . . . . . . 97
2.2.3 Unterteilung nach der K hlung, der Isolierung
und des Schutzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.3 Magnetisierungsstrom, Oberschwingungsverhalten . . . . . . . 99
2.4 Betriebsverhalten, Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm . . . . 101
2.4.1 Idealer Transformator. . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.4.2 Technischer Transformator . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.5 Spezielle Betriebszust nde . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.5.1 Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.5.2 Vereinfachtes Ersatzschaltbild und Kurzschluss . . . . . .
112
2.5.3 Betrieb im Bemessungspunkt . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.5.3.1 nderungen der Sekund rspannung bei Belastung . . .
116
2.5.3.2 Grafische Darstellung (Kappsches Dreieck) . . . . . . 118
2.6 Parallelschaltung von Transformatoren . . . . . . . . . . . 119
2.6.1 Ungleichheit der bersetzungsverh ltnisse. . . . . . . . .
120
2.6.2 Ungleichheit der relativen Kurzschlussspannungen . . . . . . 121
2.7 Schaltungen und Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Spartransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Stromtransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Verluste in elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . .
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130
2.10.1 Eisenverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.10.1.1 Wirbelstromverluste. . . . . . . . . . . . . . . 131
2.10.1.2 Hystereseverluste . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.10.2 Kupferverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
2.11 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.12 Aufgaben zu Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . 141
8
3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Magnetischer Kreis (Entstehung des magnetischen Felds und
der Pole) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Wicklungsarten des Ankers . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Induzierte Spannung im Anker und Kommutation . . . . . . .
3.6 Strombelag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Vereinfachte Schaltung, Drehmoment, Wirkungsweise und
Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 Energiebilanz (Sankey-Diagramm) . . . . . . . . . . . .
3.9 Leistungsbeziehungen (innere und u§ere Leistung). . . . .
3.10 Gleichstrommotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.10.1 Besonderheiten, Betriebskennlinie, spezielle Anwendungen
und Drehzahlverstellung. . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.1.1 Fremderregter Motor und Nebenschlussmotor . . . .
3.10.1.2 Reihenschlussmotor . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.1.3 Doppelschlussmotor. . . . . . . . . . . . . . .
3.10.2 Anlassen des Motors mit Hilfe der Ankervorwiderst nde . . .
3.11 Gleichstromgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11.1 Fremderregter Generator . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11.2 Selbsterregter Generator . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12 Ankerr ckwirkung, Wendepol und Kompensationswicklung . .
3.13 Kennzeichen der Anschl sse . . . . . . . . . . . . . . . .
3.14 Erg nzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.15 Aufgaben zu Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . .
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4 Grundlagen der Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen. . 197
4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.1.1 Vergleich mit Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . .
4.1.2 Vergleich von Wechselstrom- mit Drehstrommaschinen . . .
4.1.3 Hauptunterteilung rotierender elektrischer Maschinen . . . . .
4.1.3.1 Unterteilung nach Strangzahl . . . . . . . . . . . .
4.1.3.2 Unterteilung nach Au§en- bzw. Innenpol . . . . . . .
4.2 Drehfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Entstehung und Beschreibung . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1.1 Drehfeld durch rotierendes Polrad
(f r Synchronmaschinen) . . . . . . . . . . . . . .
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9
(f r Asynchronmaschinen) . . . . . . . . . . . . . 202
4.2.2 Induzierte Spannung des Drehfelds . . . . . . . . . . . . 209
4.3 Wicklungsfaktor (Zonen- und Sehnungsfaktor). . . . . . . . . 211
5 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.1 Qualitative Betrachtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.1.4
Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anschlussbezeichnungen und Verschaltung der Klemmen . . .
Funktionsweise und Betriebsverhalten (Schlupf, Drehzahlen,
Frequenzen, Spannungen und Drehmoment) . . . . . . . .
5.1.5 Zeigerdiagramm der Induktions- und Strombelagsschwingungen .
5.1.6 Betriebskennlinie (Drehmoment-Schlupf-Abh ngigkeit,
Klosssche Formel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.7 Energiebilanz (Sankey-Diagramm), Betriebszust nde ausgedr ckt durch Luftspalt-, L uferverlust- und mechanische
Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.8 Asynchrongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.9 Anlass- und Bremsverfahren . . . . . . . . . . . . . .
5.1.9.1 Anlassverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.9.1.1 L uferanlasser. . . . . . . . . . . . . .
5.1.9.1.1.1 Schleifringl ufer . . . . . . . .
5.1.9.1.1.2 K figl ufer . . . . . . . . . .
5.1.9.1.2 St nderanlasser . . . . . . . . . . . . .
5.1.9.1.2.1 Anlasstransformator . . . . . . .
5.1.9.1.2.2 Unsymmetrische Speisung der St nderwicklung (Kusa-Schaltung) . . .
5.1.9.1.2.3 Anlassen mit ver nderbarer Frequenz (Umrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) . . . .
5.1.9.1.2.4 Stern-Dreieck-Anlauf . . . . . .
5.1.9.2 Bremsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.9.2.1 Gegenstrombremse . . . . . . . . . . . .
5.1.9.2.2 Erh hung des Schlupfs . . . . . . . . . .
5.1.9.2.3 Reduzierung der Frequenz . . . . . . . . .
5.1.9.2.3.1 Gleichstrombremsung. . . . . . .
5.1.9.2.3.2 Bremsung mit niederfrequentem
Wechselstrom. . . . . . . . . .
5.1.9.2.4 Polpaarzahl nderung . . . . . . . . . . .
10
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251
251
Heyland-Kreis). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Ohne Ber cksichtigung von St nderkupfer -, Eisen- und
Zusatzverlusten .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1.1 Ermittlung wichtiger Punkte des Kreises . . . . . . .
5.2.1.2 Leistungsaufteilung . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Mit Ber cksichtigung von St nderkupfer - und Eisenverlusten . .
5.2.2.1 Konstruktion des Kreisdiagramms . . . . . . . . . .
5.2.2.2 Bestimmung der Kippmomente . . . . . . . . . . .
5.2.2.3 Bestimmung der Schlupfgeraden . . . . . . . . . . .
5.2.2.4 Zusammenfassung und Erg nzung . . . . . . . . . .
5.2.2.5 M gliche Ursachen f r die Ver nderung der Stromortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Aufgaben zu Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . .
252
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260
260
6 Ausgew hlte Kapitel der elektrischen Messtechnik . . . . 273
6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
6.2 Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . 273
6.2.1 Messbereichserweiterung . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1.1 Strommesser . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1.2 Spannungsmesser . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1.3 Leistungsmesser . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Eigenverbrauch eines Messinstruments . . . . . . . . . .
6.2.3 Auswahl und Benutzung der Messinstrumente . . . . . . .
6.3 Widerstandsmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Indirekte Methode (mit Hilfe der U- und I-Messung) . . . . .
6.3.2 Direkte Methode (mit Hilfe von Messbr cken) . . . . . . .
6.4 Messung von Leistung und Arbeit . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Induktivit ts - und Kapazit tsmessung . . . . . . . . . . . .
6.6 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7 Zeit- und Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8 Magnetfeldmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9 Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Drehmomentmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.11 Ger uschmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11
7.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Grundlagen der Halbleiterbauelemente . . . . . . . . . . . .
7.3 Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung der Bauelemente . . .
7.3.1 Widerst nde, Kondensatoren und Spulen . . . . . . . . . .
7.3.2 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.4 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Spezielle Anwendungen von Diode und Thyristor . . . . . . .
7.4.1 Speisung des Gleichstrommotors durch das
Wechselspannungsnetz . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2.1 Mit Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2.2 Mit Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2.3 Gl ttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2.4 Prinzipschaltung von Gleichrichterschaltungen
(Stromrichter) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Antiparallel- bzw. Zweiwegschaltung (Triac) . . . . . . . .
7.4.4 Halbleiterbauelemente als Schalter. . . . . . . . . . . . .
7.4.5 Prinzipschaltung von Wechselrichtern . . . . . . . . . . .
7.4.6 Prinzipschaltung von Gleichstromstellern . . . . . . . . . .
7.4.7 Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.8 I-, U- und Direktumrichter . . . . . . . . . . . . . . . .
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8 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
335
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323
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326
8.1 Qualitative Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
8.1.1 Besonderheiten, Anwendung und Aufbau . . . . . . . . .
8.1.2 Betriebsverhalten am starren Netz . . . . . . . . . . . .
8.1.2.1 Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2.1.1 Drehfeld in Folge des St nderstroms. . . . . .
8.1.2.1.2 Drehfeld in Folge des Erregerstroms. . . . . .
8.1.2.1.3 Drehfeld in Folge von St nder- und
Erregerstrom . . . . . . . . . . . . . .
8.1.2.2 Lastfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Pendelungen der Synchronmaschine . . . . . . . . . . . .
8.1.4 Synchronmaschine mit D mpferwicklung und asynchroner
Anlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.5 Drehmoment bei der Schenkelpolsynchronmaschine . . . . .
8.1.6 Anlauf und Synchronisierung des Synchrongenerators . . . . .
12
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347
8.2.1 Spannungsgleichung, Ersatzschaltbild und
Potiersche Dreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Kreisdiagramm der Vollpolsynchronmaschine. . . . . . . .
8.2.2.1 Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie des Generators . . .
8.2.2.2 Drehmoment und Leistung . . . . . . . . . . . . .
8.2.2.3 V-Kurven (Abh ngigkeit des St nderstroms vom
Erregerstrom bei konstanter Wirkleistung) . . . . . .
8.3 Vergleich von Synchron- und Asynchronmaschinen . . . . .
8.4 Aufgaben zu Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . .
9 Drehzahlverstellung von Drehstromasynchronmotoren
349
354
357
357
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360
365
9.1 Schlupf nderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
9.2 Polpaarzahl nderung (Polumschaltbare Motoren). . . . . . . . . 366
9.2.1 Unterbringung von Wicklungen unterschiedlicher
Polpaarzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.2 Dahlander-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2.3 Kaskadenschaltung von Drehstromasynchronmaschinen. . . .
9.3 Speisefrequenz nderung . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Dynamischer Frequenzwandler . . . . . . . . . . . . .
9.3.1.1 Asynchroner Frequenzwandler . . . . . . . . . . .
9.3.1.2 Frequenzwandler in Leonard-Schaltung . . . . . . . .
9.3.1.3 Integrierter dynamischer Frequenzwandler
(Schrage-Richter- bzw. Scherbius-Maschine) . . . . . .
9.3.2 Statischer Frequenzwandler . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2.1 Statischer Frequenzwandler im L uferkreis . . . . . .
9.3.2.1.1 Drehstrom-Gleichstrom-Kaskade . . . . . .
9.3.2.1.2 Drehzahlverstellung mit Frequenzwandler im L uferkreis. . . . . . . . . . .
9.3.2.2 Statischer Frequenzwandler im St nderkreis
(stromrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) .
9.3.2.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2.2.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2.2.2.1 Verf gbare Umrichtersysteme
(I-, U- und Direktumrichter). . . .
9.3.2.2.2.2 Entstehung der Drehmomentoberschwingungen . . . . . . . .
9.3.2.2.2.3 Auswirkungen der Oberschwingungen . . . . . . . . . . . .
9.3.2.2.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . .
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382
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13
parasit ren Erscheinungen . . . . . . . . 394
9.3.2.2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . 395
10 Kleinmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
10.1 Spezielle Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 397
10.1.1 Anwendung vom Drehstromasynchronmotor im Wechselstromnetz (unsymmetrischer Betrieb vom Drehstromasynchronmotor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1.1 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1.2 Pulsierendes (stehendes), elliptisches und kreisf rmiges Wechselfeld . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1.3 Kusa-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1.4 Anlassen von Drehstromasynchronmotoren im
Wechselstromnetz (Steinmetz-Schaltung) . . . . . .
10.1.1.5 Nachteile der Anwendung von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz . . . . . . . . . . .
10.1.2 Einstr ngige Induktionsmaschinen (Wechselstrommaschinen). .
10.1.2.1 Betriebsverhalten und Funktionsweise . . . . . . .
10.1.2.2 Modifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2.2.1 Spaltpolmotor . . . . . . . . . . . . .
10.1.2.2.2 Motor mit Hilfswicklung (Hilfswicklung mit
erh htem Widerstand) . . . . . . . . . .
10.1.2.2.3 Motor mit Hilfswicklung und Betriebskondensator . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2.2.4 Motor mit Hilfswicklung und Anlasskondensator . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2.2.5 Motor mit Hilfswicklung, Betriebs- und
Anlasskondensator . . . . . . . . . . .
10.1.2.3 Vergleich von einstr ngigen Induktio nsmotoren . . .
10.1.3 Wechselstrom-Kommutatormotoren . . . . . . . . . . .
10.1.3.1 Universalmotor . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.3.2 Schrage-Richter-Motor (Scherbius-Maschine) . . . . .
10.1.4 Motoren mit eisenlosem L ufer . . . . . . . . . . . . .
10.1.4.1 Ferrarismotor . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.4.2 Scheibenl ufer . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.5 Massivl ufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.6 Tachogenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Spezielle Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Hysteresemotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
397
397
400
401
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412
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414
414
414
10.2.3 Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3.2 Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3.4 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3.5 Eckdaten und Einsatzgebiet . . . . . . . . . . . .
10.2.3.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Spezielle Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 Mit Permanentmagneterregung . . . . . . . . . . . . .
10.3.2 Elektronikmotor (EC-Motor bzw. b rstenloser Gleichstrommotor) im Vergleich mit Schrittmotor . . . . . . . . . . .
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434
435
435
437
11 Sondermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
11.1 Linearmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
11.2 Elektrische Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
12 Ausgew hlte Kapitel der elektrischen Antriebstechnik
(Zusammenwirken von Motor und Arbeitsmaschine). . 451
12.1 Aufbau eines Antriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
12.2 Drehmomentkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
12.2.1 Betriebskennlinien von Motoren (Ma) . . . . . . . . . . .
12.2.2 Widerstandsmoment von Arbeitsmaschinen (Mw) . . . . . .
12.2.2.1 Mw = f (n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.2.2 Mw = f (t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.2.3 Mw = f (a ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3 Bewegungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.2 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.3 Leistung und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Der station re Betriebspunkt (Stabilit t) . . . . . . . . . . .
12.5 Berechnung der Anlaufzeiten . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.1 Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.1.1 Leerlauf eines Gleichstromnebenschlussmotors . . . .
12.5.1.2 Leerlauf eines Asynchronmotors . . . . . . . . . .
12.5.2 Anfahren unter Last . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.2.1 Geschlossene Methode . . . . . . . . . . . . . .
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15
12.6 Erw rmung und K hlung . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.1 Wachstumsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.2 Isolationsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.3 Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.4 Temperaturerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.4.1 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.4.2 Temperaturberechnung . . . . . . . . . . . . .
12.6.4.2.1 Elektrische Maschine als homogener
K rper . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.4.2.2 Elektrische Maschine als inhomogener
K rper . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7 Auswahl des geeigneten Motors . . . . . . . . . . . . . .
12.7.1 Das mittlere quadratische Drehmoment . . . . . . . . . .
12.7.2 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7.2.1 Dauerbetrieb (Betriebsart S1) . . . . . . . . . . .
12.7.2.2 Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) . . . . . . . . . .
12.7.2.3 Aussetzbetrieb (Betriebsart S3). . . . . . . . . . .
12.7.2.4 Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs
(Betriebsart S4) . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7.2.5 Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs
und elektrischer Bremsung (Betriebsart S5) . . . . .
12.7.2.6 Ununterbrochener periodischer Betrieb mit
Aussetzbelastung (Betriebsart S6) . . . . . . . . .
12.7.2.7 Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und elektrischer Bremsung (Betriebsart S7) . . . . . . . . . . . . . .
12.7.2.8 Ununterbrochener periodischer Betrieb mit
Drehzahl nderung (Betriebsart S8) . . . . . . . .
12.7.2.9 Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer
Last- und Drehzahl nderung (Betriebsart S9) . . . . .
12.7.2.10 Betrieb mit einzelnen konstanten Belastungen
(Betriebsart S10) . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8 Mechanische Betrachtung des Antriebssystems als Punktmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9 Ger uschentwicklung elektrischer Maschinen. . . . . . . . .
12.9.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.2 Ger uscharten und deren Entwicklung in elektrischen
Maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.3 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.4 Ma§nahmen zur Ger uschminderung . . . . . . .
16
. . . .
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466
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490
. . . . 492
. . . . 496
. . . . 506
Ger uschs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.4.1.1 Prim rma§nahmen . . . . . . . . . . .
12.9.4.1.2 Sekund rma§nahmen . . . . . . . . . .
12.9.4.2 M glichkeiten zur Reduzierung des aerodynamischen
Ger uschs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.4.3 M glichkeiten zur Reduzierung des Lagerger uschs . .
12.9.5 Beispiele (Simulation—Messung—Vergleich) . . . . . . . .
12.9.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.10 Leistungsschildangaben . . . . . . . . . . . . . . . . .
506
506
506
506
507
508
.
514
515
13 Einf hrung in das dynamische Verhalten rotierender
elektrischer Maschinen
(Ursachen, Wirkungen, Darstellung und Betrachtung) . . . . . . 519
13.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
13.2 Ausgleichsvorg nge bei Gleichstrommotoren
(Zeitabh ngigkeit von Ankerstrom, Drehmoment und Drehzahl sowie
Drehmoment-Drehzahl-Abh ngigkeit im dynamischen Zustand). . . 519
13.3 Ausgleichsvorg nge bei Asynchronmotoren und Synchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
13.3.1 Elektromagnetischer Ausgleichsvorgang
(Zeitabh ngigkeit der Str me und des magnetischen Felds im
dynamischen Zustand) . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
13.3.2 Elektromechanischer Ausgleichsvorgang
(Drehmoment-Drehzahl- sowie Drehzahl-Zeit-Verhalten) . . . 528
13.4 Allgemeine Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
14 Grundz ge der Simulation elektrischer Maschinen
. . 535
14.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
14.2 Simulation der Einflussgr §en. . . . . . . . . . . . . . . 537
14.2.1 Magnetische Einflussgr §en (Feldverteilung, Leistung,
Drehmoment, Kr fte etc.) . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.1.1 Analytische Methoden. . . . . . . . . . . . . .
14.2.1.2 Numerische Methoden . . . . . . . . . . . . .
14.2.1.2.1 Feldberechnung (Aufstellung der
Feldgleichungen). . . . . . . . . . . . .
14.2.1.2.2 L sung der Feldgleichungen. . . . . . . .
14.2.1.2.3 Modellierung . . . . . . . . . . . . . .
537
538
542
544
551
553
17
14.2.1.2.5 Strategien zur Berechnung von Leerlauf- und
Lastkennlinie . . . . . . . . . . . . .
14.2.1.2.6 Erfahrungen mit dem Programmsystem
ANSYS . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.2 Thermische Einflussgr §en (Temperaturverteilung station r
und instation r). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.2.3 Str mungstechnische Einflussgr §en (Str mungsverhalten). . .
14.2.4 Schwingungs- und verformungstechnische und akustische
Einflussgr §en . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Praktische Pr fungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.1 Pr fstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Messeinrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 Auswerteeinheit und Auswertung. . . . . . . . . . . . .
14.3.4 Belastungseinheit f r Generatorpr fstand. . . . . . . . . .
554
556
556
558
558
558
558
560
560
561
15 L sungen der Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . 563
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
L sungen zu ªWechsel- und Drehstrom . . . . . . . . . .
L sungen zu ªMagnetischer Kreis . . . . . . . . . . . . .
L sungen zu ªTransformatoren . . . . . . . . . . . . . . .
L sungen zu ªGleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . .
L sungen zu ªAsynchronmaschinen . . . . . . . . . . . .
L sungen zu ªSynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . .
L sungen zu ªAllgemeine Aufgaben . . . . . . . . . . . .
563
578
587
598
613
632
639
Fragen zur Selbstkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663
18