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Asynchronmaschinen: Sriptum für Elektrotechniker und Maschinenbauer ab 4. Semester PDF

231 Pages·1969·6.418 MB·German
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Heinz Jordan · Michael Weis Asynchronmaschinen Sriptum für Elektrotechniker und Maschinenbauer ab 4 Semester Heinz Jordan I Michael Weis Asynchronmaschinen Sriptum für Elektrotechniker und Maschinenbauer ab 4. Semester Mit 183 Abbildungen Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1969 Copyright© 1969 bySpringer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg+Sohn GmbH· Braunschweig 1969. ISBN 978-3-663-19872-7 ISBN 978-3-663-20211-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-20211-0 Alle Rechte vorbehalten Best.-Nr. 3302 Vorwort Die im 5. und 6. Semester an der Technischen Universität Hannover ge haltenen Vorlesungen über elektrische Maschinen befassen sich zu einem großen Teil mit der zwar baulich einfachsten, jedoch am schwersten zu verstehenden Maschine, dem Drehstromasynchronmotor. Er stellt gera dezu ein Musterbeispiel für die Erziehung zu einer Denkweise der Ingeni eure dar. Wer das Wesen der Drehstromasynchronmaschine verstanden hat, dem ist es ein leichtes, auch ihre Varianten zu verstehen: den Dreh regler, den asynchronen Frequenzumformer, die elektrische Welle, die Einphasenmotoren usw. Zur sachgerechten Formulierung der mit dieser Maschinenart verknüpften technischen Aufgaben bedarf es nur relativ weniger mathematischer Kennt nisse, dafür aber einer erheblichen Vertrautheit mit den physikalischen Grundgesetzen, vor allem mit dem Induktions- und dem Durchflutungsge setz, also mit den raum-zeitlichen Vorgängen im elektromagnetischen Feld. Die elegante Formulierung dieser Gesetze läßt dabei die Schwierig keit ihrer Handhabung auch in sehr einfachen Fällen von vornherein gar nicht vermuten. Verständlicherweise kann man ohne elementare Vorkenntnisse von rotie renden elektrischen Maschinen, ihrem konstruktiven Aufbau und ihrer Wirkungsweise eine solche Vorlesung nicht mit Vorteil hören. So muß man z. B. von den einführenden Vorlesungen vor dem Vorexamen her wissen, daß man das Strom- und Drehmomentverhalten von elektrischen Maschi nen so vorausberechnen kann, als wenn die Leiter des Läufers auf der Läuferoberfläche im Luftspalt liegen und vom Feld "geschnitten" werden, daß die an der Welle abgegebene mechanische Leistung mit einer entspre chenden elektrischen Leistung bezahlt werden muß usw. Nur darf man nicht glauben, daß man auf eine solche "primitive" Weise auch Aufschluß über die Kräfte auf eben diese Leiter erhält. Aber all das langt bei wei tem nicht, man muß natürlich auch wissen, wie ein Asynchronmotor aus sieht, wie seine wichtigsten Bauteile heißen und wie sich sein Netzstrom und sein Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl ändern, wie seine technisch interessierenden Belastungskennlinien (Leistungsfaktor, Wir kungsgrad und Schlupf) aussehen. Für die Vermittlung solcher Art von im Grunde doch recht oberflächlichen Kenntnissen benötigt man keine Vor lesungen auf einer technischen Hochschule. Dazu genügen ganz elementa re Bücher. Vorlesungen sollen vielmehr eine konsequente Verknüpfung des Geschehens zeigen und unmerklich auch ein wenig die technischen Forderungen und Fragestellungen einfließen lassen, in die sich dann ja ein der Physik fremdes Element, die Wirtschaftlichkeit einschmuggelt. Der Wunsch der Verfasser, diese Vorlesungen als Skripten und nicht als wohlgesetztes Lehrbuch erscheinen zu lassen, hat zwei Wurzeln· Einerseits sollte man bemüht sein, das Stundenplangefüge der Studienre form mit etwas "Inhalt" zu erfüllen. Das geht andererseits aber nur, wenn dem Studierenden die Möglichkeit gegeben wird, die schriftlichen Informa tionen zu einem angemessenen Preis zu erstehen. Darüber hinaus erschien es uns besser, die doch recht schwierigen Dinge in einer mehr saloppen und gleichzeitig persönlichen Form zu bringen, die vor allem erkennen läßt, daß es sich hierbei um etwas Lebendiges handelt, das vom lebenden Menschen ohne Perfektion der Darstellung gebracht wer den sollte. Eine saloppe Sprache kann einzelne Tatbestände, so wie etwa ein Dialekt, durchaus kurz und präzise ausdrücken. Kein Prüffeldmonteur redet von der "Winkelgeschwindigkeit des Läufers" in Radian/s, sondern von der "Drehzahl". Er spricht auch nicht von einem "Wicklungsstrang", sondern von einer "Phase", und doch weiß jeder, daß es sich dabei eben nicht um einen Zeitphasenunterschied handelt, sondern um einen bestimm ten Teil einer Wicklung. Die "wissenschaftliche Strenge" liegt vielmehr in der sauberen Definition der vorkommenden Größen und in der Betonung der jeweils zugrunde liegenden Voraussetzungen, die leider meist in den Lehrbüchern nicht erwähnt werden. Vor einer irrtümlichen Auffassung sei nachdrücklich gewarnt. Weder die "Berechnung" noch den "Bau" (die Konstruktion) von Turbogeneratoren oder auch nur von Kleinstmotoren kann man aus Vorlesungen oder Büchern erlernen. Dies ist nämlich nicht mit einigen "Rezepten" getan; denn die "Berechnung" besteht ja nicht nur in der Ermittlung des "Kreisdiagramms ". "Lernen" kann man im Grunde nur das, was unbedingt zu beachten ist und das, was nicht sein darf. Der "Bau von elektrischen Maschinen" ist eben eine Kunst und verlangt nicht nur einige Semester Vorlesungen und Rechen oder Laborübungen. Die Verfasser sind dem Verlag sehr dankbar, daß er ihren eigentlich un bescheidenen Wünschen nachgekommen ist. Es sei nicht verschwiegen, daß es sich hierbei um ein Kind mit vielen "Vätern" handelt. Sie sind dem Amte allerdings bekannt. Es sind nämlich alle Mitarbeiter (und -innen) des In stituts für Elektrische Maschinen der TU Hannover. Hannover 1968 Heinz Jordan Michael Weis Inhaltsverzeichnis Vorwort 1. Konstruktiver Aufbau 1 2. Luftspaltfelder 6 3. Wicklungen 27 4. Drehstromasynchronmotor mit Schleifringläufer 36 4. 1. Flußverkettungen und Induktivitäten 36 4. 2. Spannungsgleichungen 43 4. 3. Ersatzbild, Kreisdiagramm 53 4. 4. Leistungsbilanz, asynchrone Drehmomente 60 5. Drehstromasynchronmotor mit Käfigläufer 70 5. 1. Ermittlung der stationären Ströme 70 5. 2. Oberfelderscheinungen 86 5. 3. Leerlaufstrom und Kurzschlußstrom 100 6. Anlauf und Anlaßverfahren, Schaltwärme 107 7. Drehstromasynchronmotor mit Doppelnutläufer 120 8. Drehstromasynchronmotor mit Hoch- bzw. Keilabläufer 134 9. Drehzahlstellen 142 10 . Unsymmetrische Schaltungen 156 10. 1. Methode der symmetrischen Komponenten 158 10. 2. Einphasiger Betrieb von Drehstromasynchronmaschinen 171 10. 3. Unsymmetrische Läuferwicklung 182 11. Sonderbetriebsarten 184 11. 1. Asynchrongenerator 184 11. 2. Drehregler 186 11. 3. Asynchrone Frequenzumformer 190 11. 4. Elektrische Welle 193 11. 5. Gleichstrombremse 198 12. Technische Fragen 203 12. 1. Berechnungsfragen 203 12. 2. Prüfung 210 12. 3. Betriebs- und Herstellungsschäden 211 Sachwortverzeichnis 221 Nachweis der Abbildungen AEG-Werkbilder: 1.6, 9.5, 9.10 Bödefeld, Tl)., "Elektrische Maschinen" Sequenz, TH.: Springer-Verlag 1962: 4.8, 4.9. 4.17 Garbe-Lahmeyer Handbuch 1966: 3.3 Nürnberg, W.: "Die Asynchronmaschine", Springer-Verlag 1952: 3.1, 5.26 Siemens-Werkbild 1.1 1. Konstruktiver Aufbau Vor Ihnen steht ein Drehstromasynchronmotor. Es ist ein kleiner Motor von 1 kW Leistungsabgabe an der Welle. "Klein" bezieht sich dabei auf die Leistung oder, genauer gesagt, auf sein Drehmo~ent. Das letztere bestimmt nämlich die Abmessungen. Es gibt noch viel kleinere Dreh strommotoren von nur wenigen Watt Leistung und natürlich auch noch viel größere von vielen 1000 kW. Seine Einzelteile erkennen Sie aus der "Ex plosionszeichnung" (Abb. 1. 1). Wer soll die alle und darüber hinaus die Abb. 1.1 a Lageraecifel t Lagersenlid BS 1 Klemmenxaslen, OeCXet h Lagerschild AS g Außerlüfter mF uß c St~naerwicklung n LifterniJIJheiStam OZWGufii n.Künlfannen II Käfigliiufa' IKITZScl'luiJrilgi i J(Jemmenore" o Welle e Sllinllergehause k Klemmenkdslen, ooerleil p Rillenkugellager entsprechenden Normen behalten? Ich kann es jedenfalls nicht; und wer das wirklich kann, der weiß vermutlich nur wenig über das funktionelle Verhalten dieser Maschine. Möglicherweise wird er noch nicht einmal wissen, wann für einen Elektroantrieb gerade ein solcher Drehstromasyn chronmotor und nicht ein Synchron- oder Gleichstrommotor zu verwenden ist. In dieser Hinsicht kann man allerdings keinen so großen Fehler bege hen; denn etwa 90% aller Antriebsmotoren sind eben solche Drehstrom asynchronmotoren oder wie wir in der Folge etwas kürzer sagen wollen, Drehstrommotoren. Es ist daher verständlich, daß die Kenntnis der wich tigsten Eigenschaften dieser so weit verbreiteten Motoren zum Bildungs bestand eines jeden Elektroingenieurs gehören sollte. Sieht man von Einzelheiten ab, so ist der Drehstrommotor eigentlich ein relativ einfaches Gebilde. Auch die Differentialgleichungen, die sein elektromagnetisches Verhalten beschreiben, lassen sich letzten Endes 1 auf eine einfache Form bringen. Nur der Weg von diesem einfachen Auf bau zu diesen einfachen Gleichungen führt über die elektromagnetischen Felder und ist sehr mühevoll, weil man es immer gleichzeitig mit räum lichen und zeitlichen Vorgängen zu tun hat. Das ist aber nicht alles; denn der Ingenieur muß in jedem Augenblick auch an die wirtschaftliche und technische Fragestellung denken. Die unerläßlichen physikalischen Grundgesetze nützen ihm nur dann, wenn er gleichzeitig imstande ist, einfache Gedankenmodelle zu ersinnen, die eine durchsichtige Lösung gestatten und die ihn damit eigentlich erst handlungsfähig machen. Schluß mit den philosophischen Betrachtungen und gleich zum: 1. Aufbau der Asynchronmaschinen Die Asynchronmaschine besteht aus einem stillstehenden Teil, dem Stän der und dem rotierenden Läufer. Sie sind durch einen kleinen Luftspalt (Bruchteile eines mm) voneinander getrennt. Als aktive Teile bezeichnet man das Ständer- und Läuferblechpaket sowie die Ständer- und Läuferwick lung, die in gleichmäßig am Umfang verteilten Nuten untergebracht sind. Einen solchen Blechschnitt für einen Kleinmotor zeigt die Abb. 1. 2. Abb. 1.2 Die Dynamoblechtafeln haben natürlich nur begrenzte Abmessungen. Infol gedessen müssen die Blechpakete großer Motoren aus einzelnen Segmen ten (Abb. 1. 3) aufgebaut werden, wobei man die unvermeidlichen Stoßfu gen überlappt schichtet. Dabei darf die "Teilung" der Segmente mit Rück sicht auf sog. Lagerströme nicht beliebig und etwa nur nach konstrukti ven Gesichtspunkten erfolgen. Wir werden später darauf noch eingehen. Das ganze Blechpaket wird nach dem Schichten zusammengepreßt und durch geeignete Maßnahmen unter einer gewissen Vorspannung gehalten. 2 Abb. 1.3 In die Ständernuten wird die Drehstromwicklung eingelegt. Im Läufer be findet sich entweder ebenfalls eine Drehstromwicklung, deren Enden an Schleifringe (isoliert auf der Welle sitzend) geführt werden, um dort zu gänglich zu sein, oder die Läuferwicklung besteht aus einer Anzahl von Stä ben, die an den beiden Endseiten durch sog. Kurzschlußringe miteinander verbunden sind. Man spricht von Schleifring- oder Käfigläufern. Die näch sten Abb. 1. 4 und 1. 5 zeigen einen solchen Schleifringläufer bzw. Käfig läufer. Moderne Käfigwicklungen werden heute bis zu Leistungen von etwa 250 kW aus Aluminiumpreßguß (oder Schleuderguß) hergestellt. Abb. 1.4 Abb. 1,5 3

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