Elektrische Maschinen

Inhalt
Formelzeichen ........................................................................................... 23
0
Einführung . .......................................................................... 29
0.1
0.2
0.3
0.3.1
0.3.2
Geschichtliche Entwicklung ......................................................
Leistungsklassen ........................................................................
Anwendungsgebiete ...................................................................
Elektrische Energieversorgung ..................................................
Volkswirtschaftliche Aspekte ....................................................
1
Allgemeine Grundlagen .................................................. 35
1.1
1.2
1.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.3.1
1.4.3.2
1.4.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.8.1
1.8.2
Größen und Einheiten ................................................................
Zählpfeilsysteme ........................................................................
Einführung in die Wechselstromtechnik ...................................
Drehstrom ...................................................................................
Grundlagen .................................................................................
Schaltungen bei Drehstrom ........................................................
Unsymmetrische Belastung .......................................................
Dreileiternetz ..............................................................................
Vierleiternetz ..............................................................................
Symmetrische Komponenten .....................................................
Aufgaben zum Wechsel- und Drehstrom ...................................
Kennlinien ..................................................................................
Stabilität .....................................................................................
Grundgesetze ..............................................................................
Durchflutungsgesetz und magnetische Feldstärke .....................
Ohmsches Gesetz des magnetischen Kreises, magnetischer
Fluss Φ und Induktion B ............................................................
29
30
30
31
32
35
37
39
45
45
47
51
51
52
53
55
61
63
63
64
67
9
1.8.3
1.8.9
Magnetisierungskennlinie (Hystereseschleife), Weich- und
Permanentmagnete .....................................................................
Energie und Kraft im magnetischen Feld ..................................
Induktionsgesetz . .......................................................................
Selbstinduktion und Selbstinduktivität ......................................
Gegeninduktion und Gegeninduktivität .....................................
Induzierte Spannung in einer rotierenden Spule im äußeren
Magnetfeld .................................................................................
Aufgaben zum magnetischen Kreis ...........................................
2
Transformatoren ............................................................... 97
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Einleitung ................................................................................... 97
Funktionsweise und Aufbau ...................................................... 97
Unterteilung nach der Form des Eisenkerns ............................... 98
Unterteilung nach der Form der Wicklungen ............................ 101
Unterteilung nach der Kühlung, der Isolierung und des
Schutzes ..................................................................................... 101
Magnetisierungsstrom und Oberschwingungsverhalten ............ 103
Betriebsverhalten, Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm ......... 105
Idealer Transformator ................................................................ 105
Technischer Transformator ........................................................ 108
Spezielle Betriebszustände ......................................................... 113
Leerlauf ...................................................................................... 113
Vereinfachtes Ersatzschaltbild und Kurzschluss ....................... 116
Betrieb im Bemessungspunkt .................................................... 120
Änderungen der Sekundärspannung bei Belastung ................... 120
Grafische Darstellung (Kappsches Dreieck) ............................. 122
Parallelschaltung von Transformatoren ..................................... 123
Ungleichheit der Übersetzungsverhältnisse ............................... 124
Ungleichheit der relativen Kurzschlussspannungen .................. 125
Schaltungen und Schaltgruppen der Drehstromtransformatoren 126
Spartransformator ...................................................................... 130
Stromtransformator .................................................................... 132
Verluste in elektrischen Maschinen ........................................... 134
Eisenverluste .............................................................................. 135
Wirbelstromverluste ................................................................... 135
Hystereseverluste . ...................................................................... 140
Kupferverluste............................................................................. 141
Bürstenübergangsverluste ........................................................ 143
Erreger- und Gleichrichterverluste ............................................ 143
1.8.4
1.8.5
1.8.6
1.8.7
1.8.8
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.3.1
2.5.3.2
2.6
2.6.1
2.6.2
2.7
2.8
2.9
2.10
2.10.1
2.10.1.1
2.10.1.2
2.10.2
2.10.3
2.10.4
10
68
76
79
83
85
86
89
2.10.5
2.10.6
2.11
2.12
2.13
Lagerreibungs-, Luft-, Bürstenreibungs- und Lüfterverluste .... 143
Zusatzverluste ............................................................................ 145
Wirkungsgrad.............................................................................. 145
Life-Cycle-Cost elektrischer Antriebe ....................................... 147
Aufgaben zu Transformatoren ................................................... 151
3
Gleichstrommaschinen .................................................... 157
3.1
3.2
3.3
3.10.1.1
3.10.1.2
3.10.1.3
3.10.2
3.11
3.11.1
3.11.2
3.12
3.13
3.14
3.15
Einleitung ................................................................................... 157
Aufbau ........................................................................................ 158
Magnetischer Kreis
(Entstehung des magnetischen Felds und der Pole) .................. 159
Wicklungsarten des Ankers ....................................................... 163
Induzierte Spannung im Anker und Kommutation ................... 165
Strombelag ................................................................................. 170
Vereinfachte Schaltung, Drehmoment, Wirkungsweise und
Ersatzschaltbild .......................................................................... 172
Energiebilanz (Sankey-Diagramm) ........................................... 174
Leistungsbeziehungen (innere und äußere Leistung) ................ 175
Gleichstrommotoren .................................................................. 176
Besonderheiten, Betriebskennlinie, spezielle Anwendungen
und Drehzahlverstellung ............................................................ 176
Fremderregter Motor und Nebenschlussmotor .......................... 176
Reihenschlussmotor .................................................................... 183
Doppelschlussmotor ................................................................... 185
Anlassen des Motors mit Hilfe der Ankervorwiderstände ........ 187
Gleichstromgeneratoren.............................................................. 190
Fremderregter Generator............................................................. 190
Selbsterregter Generator ............................................................ 192
Ankerrückwirkung, Wendepol und Kompensationswicklung ... 194
Kennzeichen der Anschlüsse ..................................................... 197
Ergänzungen ............................................................................... 198
Aufgaben zu Gleichstrommaschinen ......................................... 199
4
Grundlagen der Wechsel- bzw. Drehstrom-
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.10.1
maschinen ............................................................................. 207
4.1
4.1.1
4.1.2
Einleitung ................................................................................... 207
Vergleich mit Gleichstrommaschinen ........................................ 207
Vergleich von Wechselstrom- mit Drehstrommaschinen .......... 208
11
4.1.3
4.1.3.1
4.1.3.2
4.2
4.2.1
4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.2
4.3
Hauptunterteilung rotierender elektrischer Maschinen .............. 208
Unterteilung nach Strangzahl ..................................................... 208
Unterteilung nach Außen- bzw. Innenpol .................................. 209
Drehfeld ..................................................................................... 210
Entstehung und Beschreibung .................................................. 210
Drehfeld durch rotierendes Polrad (für Synchronmaschinen) ... 210
Drehfeld durch dreisträngige symmetrische Wicklung
(für Asynchronmaschinen) ........................................................ 212
Induzierte Spannung des Drehfelds ........................................... 219
Wicklungsfaktor (Zonen- und Sehnungsfaktor) ........................ 221
5
Asynchronmaschinen ....................................................... 225
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
Qualitative Betrachtung ............................................................. 225
Einleitung ................................................................................... 225
Aufbau ........................................................................................ 230
Anschlussbezeichnungen und Verschaltung der Klemmen bei
Drehstrom- und Wechselstrommaschinen ................................. 233
Funktionsweise und Betriebsverhalten (Schlupf, Drehzahlen,
Frequenzen, Spannungen und Drehmoment) ............................ 234
Zeigerdiagramm der Induktions- und Strombelagsschwingungen . ........................................................................... 237
Betriebskennlinie (Drehmoment-Schlupf-Abhängigkeit,
Klosssche Formel) ..................................................................... 238
Energiebilanz (Sankey-Diagramm), Betriebszustände
ausgedrückt durch Luftspalt-, Läuferverlust- und
mechanische Leistung ................................................................ 242
Asynchrongenerator ................................................................... 246
Anlass- und Bremsverfahren ...................................................... 247
Anlassverfahren ......................................................................... 248
Läuferanlasser ............................................................................ 248
Schleifringläufer . ....................................................................... 248
Käfigläufer ................................................................................. 249
Ständeranlasser . ......................................................................... 251
Anlasstransformator ................................................................... 251
Unsymmetrische Speisung der Ständerwicklung
(Kusa-Schaltung) . ...................................................................... 251
Anlassen mit veränderbarer Frequenz
(Umrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) .............. 252
Stern-Dreieck-Anlauf ................................................................. 254
5.1.4
5.1.5
5.1.6
5.1.7
5.1.8
5.1.9
5.1.9.1
5.1.9.1.1
5.1.9.1.1.1
5.1.9.1.1.2
5.1.9.1.2
5.1.9.1.2.1
5.1.9.1.2.2
5.1.9.1.2.3
5.1.9.1.2.4
12
5.1.9.2
5.1.9.2.1
5.1.9.2.2
5.1.9.2.3
5.1.9.2.3.1
5.1.9.2.3.2
5.1.9.2.4
5.2
5.2.1
5.2.1.1
5.2.1.2
5.2.2
5.2.2.1
5.2.2.2
5.2.2.3
5.2.2.4
5.2.2.5
5.3
Bremsverfahren .......................................................................... 257
Gegenstrombremse ..................................................................... 257
Erhöhung des Schlupfs ............................................................ 258
Reduzierung der Frequenz ........................................................ 258
Gleichstrombremsung ................................................................ 258
Bremsung mit niederfrequentem Wechselstrom ........................ 261
Polpaarzahländerung .................................................................. 261
Quantitative Betrachtung
(Ständerstromortskurve bzw. Ossana-Heyland-Kreis) .............. 262
Kreisdiagramm ohne Berücksichtigung von Ständerkupfer-,
Eisen- und Zusatzverlusten ........................................................ 263
Ermittlung wichtiger Punkte des Kreises ................................... 264
Leistungsaufteilung .................................................................... 265
Kreisdiagramm mit Berücksichtigung von Ständerkupferund Eisenverlusten ..................................................................... 266
Konstruktion des Kreisdiagramms ............................................. 266
Bestimmung der Kippmomente ................................................. 267
Bestimmung der Schlupfgeraden ............................................... 267
Zusammenfassung und Ergänzung ............................................ 268
Mögliche Ursachen für die Veränderung der Stromortskurve . 270
Aufgaben zu Asynchronmaschinen ........................................... 270
6
Ausgewählte Kapitel der elektrischen
Messtechnik .......................................................................... 283
6.1
6.2
6.2.1
6.2.1.1
6.2.1.2
6.2.1.3
6.2.2
6.2.3
6.3
6.3.1
6.3.2
6.4
6.5
6.6
6.7
Einleitung ................................................................................... 283
Strom- und Spannungsmessung ................................................. 283
Messbereichserweiterung ........................................................... 288
Strommesser ............................................................................... 288
Spannungsmesser ....................................................................... 289
Leistungsmesser ......................................................................... 290
Eigenverbrauch eines Messinstruments ..................................... 290
Auswahl und Benutzung der Messinstrumente ......................... 291
Widerstandsmessung .................................................................. 291
Indirekte Methode (mit Hilfe der U- und I-Messung) ............... 291
Direkte Methode (mit Hilfe von Messbrücken) ......................... 292
Messung von Leistung und Arbeit ............................................. 295
Induktivitäts- und Kapazitätsmessung ....................................... 297
Temperaturmessung ................................................................... 299
Zeit- und Frequenzmessung ....................................................... 301
13
6.8
6.9
6.10
6.11
6.11.1
6.11.2
6.11.2.1
6.11.2.2
6.11.2.3
6.11.3.4
Magnetfeldmessung ................................................................... 302
Drehzahlmessung ....................................................................... 305
Drehmomentmessung ................................................................. 307
Geräuschmessung ...................................................................... 312
Einleitung ................................................................................... 312
Methoden zur Bestimmung von Kraft und Schwingungen ....... 312
Piezoelektrischer Kraftaufnehmer ............................................. 313
Schwingungsmessung mit Kondensatormikrofon ..................... 313
Schwingungsmessung mit induktivem magnetoelastischem
Kraftaufnehmer .......................................................................... 314
Schwingungsmessung mit transformatorischem magnetoelastischem Kraftaufnehmer ...................................................... 315
Methoden der Geräuscherfassung .............................................. 316
Schalldruckmessung .................................................................. 316
Schallintensitätsmessung ........................................................... 320
Schallintensitätsmessung mit
Microflown-Schallschnelle-Sensor ............................................ 331
Experimentelle Modalanalyse .................................................... 332
7
Ausgewählte Kapitel der Leistungselektronik ...... 337
7.1
7.2
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.4
7.4.1
Einleitung ................................................................................... 337
Grundlagen der Halbleiterbauelemente ..................................... 338
Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung der Bauelemente ..... 342
Widerstände, Kondensatoren und Spulen .................................. 342
Transistoren ................................................................................ 344
Diode .......................................................................................... 349
Thyristor ..................................................................................... 350
Spezielle Anwendungen von Diode und Thyristor .................... 352
Speisung des Gleichstrommotors durch das Wechselspannungsnetz ............................................................................ 352
Gleichrichterschaltungen ........................................................... 353
Mit Wechselstrom ...................................................................... 353
Mit Drehstrom ............................................................................ 355
Glättung ...................................................................................... 356
Prinzipschaltung von Gleichrichterschaltungen (Stromrichter) . 358
Antiparallel- bzw. Zweiwegschaltung (Triac) ........................... 359
Halbleiterbauelemente als Schalter ............................................ 360
Prinzipschaltung von Wechselrichtern ...................................... 361
Prinzipschaltung von Gleichstromstellern ................................. 362
6.11.2.4
6.11.3
6.11.3.1
6.11.3.2
6.11.3.3
7.4.2
7.4.2.1
7.4.2.2
7.4.2.3
7.4.2.4
7.4.3
7.4.4
7.4.5
7.4.6
14
7.4.7
7.4.8
Umrichter ................................................................................... 363
I-, U- und Direktumrichter ......................................................... 363
8
Synchronmaschinen ......................................................... 365
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.2.1
8.1.2.1.1
8.1.2.1.2
8.1.2.1.3
8.1.2.2
8.1.3
8.1.4
Qualitative Betrachtung ............................................................. 365
Besonderheiten, Anwendung und Aufbau ................................. 365
Betriebsverhalten am starren Netz ............................................. 367
Leerlauf ...................................................................................... 367
Drehfeld in Folge des Ständerstroms ......................................... 368
Drehfeld in Folge des Erregerstroms ......................................... 368
Drehfeld in Folge von Ständer- und Erregerstrom .................... 369
Lastfall ....................................................................................... 370
Pendelungen der Synchronmaschine ......................................... 373
Synchronmaschine mit Dämpferwicklung und asynchroner
Anlauf ......................................................................................... 375
Drehmoment bei der Schenkelpolsynchronmaschine ................ 376
Anlauf und Synchronisierung des Synchrongenerators ............. 377
Quantitative Betrachtung der Vollpolsynchronmaschine .......... 379
Spannungsgleichung, Ersatzschaltbild und Potiersche
Dreiecke ..................................................................................... 379
Kreisdiagramm der Vollpolsynchronmaschine ......................... 384
Leerlauf- und Kurzschlusskennlinie des Generators ................. 387
Drehmoment und Leistung ........................................................ 387
V-Kurven (Abhängigkeit des Ständerstroms vom Erregerstrom
bei konstanter Wirkleistung) ...................................................... 388
Vergleich von Synchron- und Asynchronmaschinen ................ 389
Permanentmagneterregte Synchronmotoren .............................. 390
Aufgaben zu Synchronmaschinen ............................................. 396
8.1.5
8.1.6
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.2.1
8.2.2.2
8.2.2.3
8.3
8.4
8.5
9
Drehzahlverstellung von Drehstromasynchronmotoren .................................................................................. 399
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.3
Schlupfänderung ........................................................................ 399
Polpaarzahländerung (Polumschaltbare Motoren) .................... 400
Unterbringung von Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahl 400
Dahlander-Schaltung .................................................................. 400
Kaskadenschaltung von Drehstromasynchronmaschinen .......... 404
Speisefrequenzänderung ............................................................ 406
15
9.3.1
9.3.1.1
9.3.1.2
9.3.1.3
9.3.2.2.5
Dynamischer Frequenzwandler ................................................. 406
Asynchroner Frequenzwandler ................................................. 406
Frequenzwandler in Leonard-Schaltung .................................... 408
Integrierter dynamischer Frequenzwandler
(Schrage-Richter- bzw. Scherbius-Maschine) ........................... 409
Statischer Frequenzwandler ....................................................... 411
Statischer Frequenzwandler im Läuferkreis .............................. 411
Drehstrom-Gleichstrom-Kaskade .............................................. 411
Drehzahlverstellung mit Frequenzwandler im Läuferkreis ........ 412
Statischer Frequenzwandler im Ständerkreis
(stromrichtergespeiste Drehstromasynchronmaschinen) ........... 414
Einleitung ................................................................................... 414
Grundlagen ................................................................................. 416
Verfügbare Umrichtersysteme (I-, U- und Direktumrichter) . ... 416
Entstehung der Drehmomentoberschwingungen ....................... 417
Auswirkungen der Oberschwingungen ...................................... 422
Auswertung ................................................................................ 423
Reduzierung der umrichterbedingten parasitären
Erscheinungen ............................................................................ 428
Zusammenfassung ...................................................................... 429
10
Kleinmaschinen .................................................................. 431
10.1
10.1.1
Spezielle Asynchronmaschinen ................................................. 431
Anwendung vom Drehstromasynchronmotor im Wechselstromnetz (unsymmetrischer Betrieb vom Drehstromasynchronmotor) ........................................................................ 431
Betriebsverhalten ....................................................................... 431
Pulsierendes (stehendes), elliptisches und kreisförmiges
Wechselfeld ................................................................................ 434
Kusa-Schaltung .......................................................................... 435
Anlassen von Drehstromasynchronmotoren im Wechselstromnetz (Steinmetz-Schaltung) ........................................................ 435
Nachteile der Anwendung von Drehstromasynchronmotoren
im Wechselstromnetz ................................................................. 438
Einsträngige Induktionsmaschinen (Wechselstrommaschinen) 438
Betriebsverhalten und Funktionsweise ...................................... 438
Modifikationen ........................................................................... 439
Spaltpolmotor ............................................................................. 440
9.3.2
9.3.2.1
9.3.2.1.1
9.3.2.1.2
9.3.2.2
9.3.2.2.1
9.3.2.2.2
9.3.2.2.2.1
9.3.2.2.2.2
9.3.2.2.2.3
9.3.2.2.3
9.3.2.2.4
10.1.1.1
10.1.1.2
10.1.1.3
10.1.1.4
10.1.1.5
10.1.2
10.1.2.1
10.1.2.2
10.1.2.2.1
16
10.1.2.2.2
10.1.2.2.3
10.1.2.2.4
10.1.2.2.5
10.1.2.3
10.1.3
10.1.3.1
10.1.3.2
10.1.4
10.1.4.1
10.1.4.2
10.1.5
10.1.6
10.2
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.2.3.1
10.2.3.2
10.2.3.3
10.2.3.4
10.2.3.5
10.2.3.6
10.3
10.3.1
10.3.2
Motor mit Hilfswicklung (Hilfswicklung mit erhöhtem
Widerstand) ................................................................................ 441
Motor mit Hilfswicklung und Betriebskondensator .................. 441
Motor mit Hilfswicklung und Anlasskondensator ..................... 441
Motor mit Hilfswicklung, Betriebs- und Anlasskondensator .... 441
Vergleich von einsträngigen Induktionsmotoren ...................... 441
Wechselstrom-Kommutatormotoren ......................................... 444
Universalmotor .......................................................................... 444
Schrage-Richter-Motor (Scherbius-Maschine) .......................... 444
Motoren mit eisenlosem Läufer ................................................. 444
Ferrarismotor .............................................................................. 444
Scheibenläufer ............................................................................ 446
Massivläufer ............................................................................... 447
Tachogenerator ........................................................................... 448
Spezielle Synchronmaschinen ................................................... 448
Hysteresemotor .......................................................................... 448
Klauenpolmaschine (Lichtmaschine) ........................................ 449
Schrittmotoren ............................................................................ 457
Einleitung ................................................................................... 457
Klassifizierung ........................................................................... 458
Aufbau ........................................................................................ 460
Wirkungsweise ........................................................................... 465
Eckdaten und Einsatzgebiet ....................................................... 467
Zusammenfassung ...................................................................... 468
Spezielle Gleichstrommaschinen ............................................... 469
Mit Permanentmagneterregung .................................................. 469
Elektronikmotor (EC-Motor bzw. bürstenloser Gleichstrommotor) im Vergleich zum Schrittmotor ..................................... 471
11
Sondermaschinen .............................................................. 473
11.1
11.2
Linearmotor ................................................................................ 473
Elektrische Welle ....................................................................... 478
17
12
Ausgewählte Kapitel der elektrischen Antriebstechnik (Zusammenwirken von Motor und
Arbeitsmaschine) ............................................................... 485
12.1
12.2
12.2.1
12.2.2
12.2.2.1
12.2.2.2
12.2.2.3
12.3
12.3.1
12.3.2
12.3.3
12.4
12.5
12.5.1
12.5.1.1
12.5.1.2
12.5.2
12.5.2.1
12.5.2.2
12.6
12.6.1
12.6.2
12.6.3
12.6.4
12.6.4.1
12.6.4.2
12.6.4.2.1
12.6.4.2.2
12.6.4.3
12.7
12.7.1
12.7.2
12.7.2.1
12.7.2.2
12.7.2.3
12.7.2.4
Aufbau eines Antriebs ................................................................ 485
Drehmomentkennlinien .............................................................. 486
Betriebskennlinien von Motoren (Ma) ....................................... 486
Widerstandsmoment von Arbeitsmaschinen (Mw) ..................... 487
Mw = f (n) ................................................................................... 487
Mw = f (t) .................................................................................... 488
Mw = f (α) ................................................................................... 488
Bewegungsgleichung ................................................................. 489
Impulssatz .................................................................................. 489
Getriebe ...................................................................................... 491
Leistung und Arbeit ................................................................... 492
Der stationäre Betriebspunkt (Stabilität) ................................... 493
Berechnung der Anlaufzeiten .................................................... 495
Leerlauf ...................................................................................... 495
Leerlauf eines Gleichstromnebenschlussmotors ........................ 495
Leerlauf eines Asynchronmotors ............................................... 497
Anfahren unter Last ................................................................... 498
Geschlossene Methode ............................................................... 499
Numerische Methode ................................................................. 499
Erwärmung und Kühlung ........................................................... 500
Wachstumsgesetze ..................................................................... 500
Isolationsklassen ........................................................................ 503
Lebensdauer ............................................................................... 504
Temperaturerfassung .................................................................. 504
Temperaturmessung ................................................................... 505
Temperaturberechnung .............................................................. 505
Elektrische Maschine als homogener Körper ........................... 505
Elektrische Maschine als inhomogener Körper ....................... 507
Maßnahmen zur Abkühlung elektrischer Maschinen ................ 518
Auswahl des geeigneten Motors ................................................ 519
Das mittlere quadratische Drehmoment ..................................... 519
Betriebsarten .............................................................................. 520
Dauerbetrieb (Betriebsart S1) .................................................... 520
Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) ................................................ 521
Aussetzbetrieb (Betriebsart S3) ................................................. 521
Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs
(Betriebsart S4) .......................................................................... 521
18
12.7.2.5
12.7.2.6
12.7.2.7
12.7.2.8
12.7.2.9
12.7.2.10
12.8.1
12.9
12.9.1
12.9.2
12.9.3.1
12.9.4
12.9.5
12.9.5.1
12.9.5.1.1
12.9.5.1.2
12.9.5.2
12.9.5.3
12.9.6
12.9.7
12.10
13
Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und
elektrischer Bremsung (Betriebsart S5) ..................................... 521
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung
(Betriebsart S6) .......................................................................... 522
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Einfluss des
Anlaufvorgangs und elektrischer Bremsung (Betriebsart S7).... 522
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Drehzahländerung
(Betriebsart S8) .......................................................................... 522
Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und
Drehzahländerung (Betriebsart S9) ........................................... 522
Betrieb mit einzelnen konstanten Belastungen
(Betriebsart S10) ......................................................................... 522
Mechanische Betrachtung des Antriebssystems als
Punktmasse ................................................................................. 526
Geräuschentwicklung elektrischer Maschinen .......................... 529
Einleitung ................................................................................... 529
Entstehung des Geräuschs in rotierende elektrische Maschinen 538
Geräuscharten und deren Entwicklung in elektrischen
Maschinen .................................................................................. 540
Simulation ................................................................................. 543
Maßnahmen zur Geräuschminderung ........................................ 554
Möglichkeiten zur Reduzierung des magnetischen Geräuschs .. 554
Primärmaßnahmen ..................................................................... 554
Sekundärmaßnahmen ................................................................. 554
Möglichkeiten zur Reduzierung des aerodynamischen
Geräuschs ................................................................................... 555
Möglichkeiten zur Reduzierung des Lagergeräuschs ................ 556
Beispiele (Simulation – Messung – Vergleich) ......................... 557
Zusammenfassung ...................................................................... 563
Leistungsschildangaben ............................................................. 567
Einführung in das dynamische Verhalten
rotierender elektrischer Maschinen
(Ursachen, Wirkungen, Darstellung und Betrachtung) ....... 573
13.1
13.2
Einleitung ................................................................................... 573
Ausgleichsvorgänge bei Gleichstrommotoren
(Zeitabhängigkeit von Ankerstrom, Drehmoment und
Drehzahl sowie Drehmoment-Drehzahl-Abhängigkeit im
dynamischen Zustand) ............................................................... 573
19
13.3
13.3.1
13.3.2
13.4
Ausgleichsvorgänge bei Asynchronmotoren und Synchronmotoren ....................................................................................... 579
Elektromagnetischer Ausgleichsvorgang (Zeitabhängigkeit
der Ströme und des magnetischen Felds im dynamischen
Zustand) ..................................................................................... 579
Elektromechanischer Ausgleichsvorgang
(Drehmoment-Drehzahl- sowie Drehzahl-Zeit-Verhalten) ....... 582
Allgemeine Aufgaben ................................................................ 586
14
Grundzüge der Simulation elektrischer
Maschinen ............................................................................. 589
14.1
14.2
14.2.1
Einleitung ................................................................................... 589
Simulation der Einflussgrößen ................................................... 591
Magnetische Einflussgrößen (Feldverteilung, Leistung,
Drehmoment, Kräfte etc.) .......................................................... 591
Analytische Methoden ............................................................... 592
Numerische Methoden ............................................................... 596
Feldberechnung (Aufstellung der Feldgleichungen) ................. 598
Lösung der Feldgleichungen ...................................................... 605
Modellierung .............................................................................. 607
Feldverteilung ............................................................................ 608
Strategien zur Berechnung von Leerlauf- und Lastkennlinie .... 608
Erfahrungen mit dem Programmsystem ANSYS ...................... 610
Thermische Einflussgrößen (Temperaturverteilung stationär
und instationär) .......................................................................... 610
Strömungstechnische Einflussgrößen (Strömungsverhalten) .... 612
Schwingungs- und verformungstechnische und akustische
Einflussgrößen ........................................................................... 612
Praktische Prüfungen ................................................................. 612
Prüfstand .................................................................................... 612
Messeinrichtung ......................................................................... 614
Auswerteeinheit und Auswertung .............................................. 614
Belastungseinheit für Generatorprüfstand ................................ 615
14.2.1.1
14.2.1.2
14.2.1.2.1
14.2.1.2.2
14.2.1.2.3
14.2.1.2.4
14.2.1.2.5
14.2.1.2.6
14.2.2
14.2.3
14.2.4
14.3
14.3.1
14.3.2
14.3.3
14.3.4
20
15
Lösungen der Aufgaben ................................................. 617
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Lösungen zu „Wechsel- und Drehstrom“ .................................. 617
Lösungen zu „Magnetischer Kreis“ ........................................... 632
Lösungen zu „Transformatoren“ ............................................... 641
Lösungen zu „Gleichstrommaschinen“ ..................................... 652
Lösungen zu „Asynchronmaschinen“ ........................................ 667
Lösungen zu „Synchronmaschinen“ .......................................... 686
Lösungen zu „Allgemeine Aufgaben“ ....................................... 693
Fragen zur Selbstkontrolle .................................................................. 699
Literaturverzeichnis ............................................................................... 709
Stichwortverzeichnis .............................................................................. 717
21