Die Motoren, Umformer und Transformatoren: I. Band: Ihre Arbeitsweise, Schaltung, Anwendung und Ausführung

393 Pages·1912·17.338 MB·German

by  Dipl.-Ing. Herbert Kyser (auth.)

Die elektrische
Kraftübertragung
Von
Dipl.-Ing. Herbert Kyser
0 beringenieur
I. Band:
Die Motoren, Umformer und Transformatoren
Ihre Arbeitsweise, Schaltung, Anwendung
und Ausführung
Mit 277 Textfiguren und 5 Tafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1912
Copyright 1912 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin.1912
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1912
ISBN 978-3-662-01880-4 ISBN 978-3-662-02175-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-02175-0
Die stetig zunehmende Verwendung des elektrischen Stromes auf
allen Gebieten des öffentlichen und privaten Lebens und die zahl
reichen Ausführungsmöglichkeiten für die Stromerzeugung, die Fort
leitung, Verteilung und Nutzbarmachung elektrischer Energie zwingen
heute den Elektro- und Maschineningenieur und auch schon den Stu
dierenden, sich mit dem ganzen Gebiete der Starkstromtechnik nach
der theoretischen, praktischen und wirtschaftlichen Seite eingehend be
kannt zu machen. Nur so wird der Ingenieur unter richtiger Berück
sichtigung aller Vorteile in der Lage sein, ein wirtschaftlich gutes, be
triebstechnisch befriedigendes und konkurrenzfähiges Projekt zusammen
zu stellen.
In dem Bestreben, hier den Ingenieur und auch den Studierenden
ratend und erklärend zu unterstützen, ist das vorliegende Werk ent
standen, das also gewissermaßen die praktische Seite bei der Projek
tierung oder Begutachtung einer Anlage oder von Teilen einer solchen
behandelt. Es soll also auch anregend nach der Richtung wirken, daß
durch sein Studium eine zweckmäßige und gewinnbringende Verwertung
der technischen Zeitschriftenliteratur, der Besichtigung ausgeführter An
lagen usw. ermöglicht wird. Dadurch verdichtet und festigt sich zu prak
tisch brauchbarem Wissen namentlich für den Studierenden das auf
den Hochschulen mehr theoretisch Gelehrte, das Interesse an dem von
ihm erwählten Berufe wird gehoben, und er ist leichter imstande, die
ersten an ihn herantretenden Aufgaben bei seinem Übertritt in die Praxis
mit guten Aussichten auf Erfolg zu lösen.
In möglichst knapper Form werden nun im vorliegenden I. Bande
besprochen: die Motoren aller Gattungen, die Umformer und die Trans
formatoren, während der II. Band die Leitungsanlagen in mechanischer
und elektrischer Hinsicht, die Apparate und Instrumente und die Strom
erzeugung mit den Schaltanlagen usw. umfassen wird. Diese Reihen
folge in der Stoffeinteilung ist aus dem Grunde gewählt worden, weil
zunächst die Arbeitsbedingungen und die Arbeitsweise der Strom
verbraucher (Elektromotoren, elektrische Öfen, Landwirtschaft usw.)
bekannt sein müssen, bevor man die vorteilhafteste Stromart und
Spannung als Grundlage für ein Projekt feststellen kann.
Um dem Leser im I. Abschnitte zu zeigen, z. B. welche Motorgattung
zum Antriebe einer bestimmten Arbeitsmaschine die günstigste ist, wie
sich Drehmoment, Drehzahl, Leistung usw. mit Rücksicht auf die an
zutreibende Maschine bei wechselnder Belastung zueinander verhalten,
IV Vorwort.
welche Stromart demnach zu wählen ist und ähnliches, sind jeder Motor
gattung die Grundgleichungen vorangestellt. An Hand derselben und
der notwendigen charakteristischen Kurven ist die Arbeitsweise im
allgemeinen, das Anlassen, Regeln usw. abgeleitet.
Der II. Abschnitt behandelt die Umformung der elektrischen Energie.
Da auch hierfür verschiedene, im gegenseitigen Vergleich ganz besonders
zu beachtende Ausführungen möglich sind, so sei auf das reiche Tabellen
material besonders hingewiesen. Ferner ist der II. Abschnitt mit einer
umfassenderen Einleitung versehen, die dem projektierenden Ingenieur
neben allgemeineren Gesichtspunkten auch für Erläuterungsberichte
u. dgl. manche Fingerzeige geben wird.
Den größten Umfang besitzt der III. Abschnitt, der von der Trans
formierung handelt. Auch hier ist aus den gleichen Gründen wie
beim II. Abschnitte die Einleitung ausführlicher gehalten. Eines be
sonderen Hinweises bedarf noch die kritische Betrachtung der Schal
tungsschemata und der ausgeführten Transformatorenstationen jeden
Charakters und für alle Zwecke der Benutzung.
In den einzelnen Kapiteln ist schließlich, soweit die Notwendigkeit
und Zweckmäßigkeit es als wünschenswert erscheinen ließ, auf Vorher
gegangenes verwiesen worden, um den Leser gewissermaßen zu zwingen,
sich des früher Gesagten zu erinnern und mit dem fortschreitenden
Aufbau eines größeren Projektes nichts von Vorteil außer acht zu
lassen.
Von der Beschreibung einzelner Konstruktionen, der Benutzung von
Katalogmaterial u. ähnl. wurde mit Rücksicht auf die allgemeine Be
stimmung des Werkes gänzlich abgesehen.
So übergebe ich denn diesen I. Teil der "Kraftübertragung" der
Öffentlichkeit, und ich werde stets mit Freude alle Mitteilungen über
den weiteren Ausbau des Werkes begrüßen.
Den Elektrizitätsfirmen Siemens-Schuckertwerke, Allgemeine Elek
trizitäts-Gesellschaft, Maschinenfabrik Oerlikon, Brown-Boveri & Cie.,
A.-G., sei auch an dieser Stelle nochmals für die reiche und freund
liche Unterstützung bestens gedankt.
Berlin-Friedenau, April 1912.
Kyser.
Inhaltsverzeichnis.
I. Abschnitt.
Die Motoren.
Seite
A. Die Gleichstrommotoren ............ . 1 bis 47
I. Die Arbeitsweise der Gleichstrommotoren im allgen:teinen 1
2. Der Gleichstrom-Hauptstrommotor ...... . 3
3. Die Regelung des Gleichstrom-Hauptstrommotors 10
a) Die Umkehrung der Drehrichtung .... 10
b) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen 13
c) Das Anlassen . . . . . . . . . . . . . 13
d) Die Reihen-Parallelschaltung . . . . . . 17
e) Das Zusammenarbeiten von zwei Motoren. 19
f) Die Regelung durch Änderung des wirksamen Kraftflusses <P • 20
g) Die elektrische Bremsung . . . . . . . . . . 21
h) Die Apparate im äußeren Stromkreise ... . 23
4. Der Gleichstrom-Nebenschlußmotor ...... . 26
5. Die Regelung des Gleichstrom-Nebenschlußmotors 29
a) Die Umkehr der Drehrichtung ....... . 29
b) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen . . 31
c) Das Anlassen . . . . . . . . . . . . . . . 31
d) Die 4-.nderung der Drehzahl durch Än.~erung der induzierten EMK. 33
e) Die Anderung der Drehzahl durch Anderung der Erregung, also
des Kraftflusses <P • • • • • • • • • • • 37
f) Das Zusammenarbeiten mehrerer Motoren 39
g) Die elektrische Bremsung . . . . . . 40
h) Die Apparate im äußeren Stromkreise . . 43
6. Der Gleichstrom-Compoundmotor . . . . . . 45
7. Die Regelung des Compoundmotors . . . . . 47
B. Die Ein-u. Mehrphasen-Wechselstrom-Induktionsmotoren 48 bis 87
8. Der Ein- und Mehrphasen-Wechselstrommotor im allgemeinen . 48
9. Der a,synchrone Drehstrom-Induktionsmotor . . . 49
10. Die Regelung des asynchronen Drehstrommotors . 54
a) Die Regelung der Drehzahl im allgemeinen 54
b) Das Anlaufdrehmoment . . . . . . . . . 54
c) Das Anlassen des Schleifringankermotors . 56
d) Die Umkehr der Drehrichtung . . . . . . 61
e) Das Anlassen des Kurzschlußankermotors . 61
f) Das Anlassen durch Änderung der Frequenz . . . . . . . 68
g) Die Regelung der Drehzahl durch Änderung der Schlüpfung 69
h) Die Kaskadenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
i) Die Regelung der Drehzahl durch Änderung der Polzahl . . 74
k) Die Regelung der Drehzahl durch besondere Regelmaschinen 80
1) Die elektrische Bremsung . . . . . . . . . . . . . . . . 81
m) Die Apparate im äußeren Stromkreise . . . . . . . . . . 83
11. Der asynchrone Einphasen-Induktionsmotor . . . . . . . . . 86
12. Das Anlassen und die Regelung des asynchronen Einphasenmotors 87
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
0. Die Ein- u. Mehrphasen-Wechselstrom-Kollektormotoren 89 bis 111
13. Der Einphasen-Kollektormotor im allgemeinen . . . 89
14. Der Wechselstrom-Reihenschlußmotor . . . . . . . 90
15. Die Regelung des Wechselstrom-Reihenschlußmotors 94
16. Der Repulsionsmotor . . . . . . . 95
17. Die Regelung des Repulsionsmotors . . . 97
a) Das Anlassen und die Regelung . . . 97
b) Der Doppel-Repulsionsmotor 100
c) Die Apparate im äußeren Stromkreise 100
18. Der Repulsions-Induktionsmotor . . . . 100
19. Die Regelung des Repulsions-Induktionsmotors 101
20. Der kompensierte Wechselstrom-Reihenschlußmotor (Doppelschluß-
motor) ............................ 103
21. Die Regelung des kompensierten Wechselstrom-Reihenschlußmotors 105
22. Der Drehstrom-Kollektormotor im allgemeinen .......... 106
23. Der Drehstrom-Kollektormotor mit Hauptstromcharakteristik (Reihen
schlußmotor) und seine Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 107
24. Der Drehstrom-Kollektormotor mit Nebenschlußcharakteristik (Neben-
schlußmotor) und seine Regelung ................ 111
II. Abschnitt.
Die Umformer.
25. Der Zweck der Umformung und die Einteilung der Umformer .. 113
D. Der Motorgenerator . . . . . . . . . . 117 bis 144
26. Der Motorgenerator im allgemeinen . . . 117
27. Der Motorgenerator mit Synchronmotor . 121
a) Der Drehstrom-Synchronmotor . . . . 121
b) Der selbstanlaufende Synchronmotor . . . . 127
28. Das Anwerfen des Synchron-Motorgenerators durch eine besondere
äußere Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
a) Die eigene Erregermaschine als Anwurfsmotor 129
b) Der Gleichstromgenerator als Anwurfsmotor . . 131
c) Der Anwurf durch einen besonderen Asynchronmotor 132
29. Der asynchrone Motorgenerator 134
30. Die Apparate im äußeren Stromkreise 138
a) Der Synchron-Motorgenerator . . . 138
b) Der asynchrone Motorgenerator . . 144
E. Der Einankerumformer . . . . . . . 146 bis 173
31. Der Einankerumformer im allgemeinen . 146
32. Die Erregung und die Spannungsregelung 151
a) Die Erregung . . . . . . . . . . . . . 151
b) Die Spannungsregelung mittels Drosselspulen und Streutransfor-
matoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
c) Die Spannungsregelung durch Änderung der Transformatorspan-
nung ..........................• 155
d) Die Spannungsregelung mittels einer besonderen Zusatzmaschine 157
e) Die Spannungsregelung durch Benutzung von Spaltpolen . 160
33. Die Arbeitsweise des Einankerumformers . 161
a) Die Drehstrom-Gleichstrom-Umformung 161
b) Die Apparate im äußeren Stromkreise . 167
c) Die Gleichstrom-Drehstromumformung . . . . . . . . . . • . 170
d) Die Wechselstrom-Gleichstrom- und Gleichstrom-Wechselstrom·
Umformung . . . . . . . . . . . . . . 171
e) Der Doppelstromgenerator . . . . . . . 172
f) Der Parallelbet.rieb des Einankerumformers 173
vn
Inhaltsverzeichnis.
Seite
F. Der Kaskadenumformer ....... . 173 bis 181
34. Der Kaskadenumformer im allgemeinen . 173
35. Die Arbeitsweise des Kaskadenumformers 175
a) Die Drehzahl und die Spannungsverhältnisse 175
b) Das Anlassen . . . . . . . . . . . . . ·. 179
e) Die Spannungsregelung . . . . . . . . . 180
d) Die Verwendung des Kaskadenumformers 181
36. Ausgeführte Umformeranlagen ..... . 182
III. Abschnitt.
Die Transformatoren.
G. D~e Gleichstrom-Transformierung 192 bis 193
a) Motorgenerator . . . . . . . . . . 192
b) Teilweise Transformierung . . . . . 193
H. Die Wechselstrom-Transformierung 195 bis 27l
37. Die Arbeitsweise der Transformatoren im allgemeinen. 195
38. Die Schaltung der Transformatorwieklungen im allgemeinen (Innere
Schaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
a) Der Einphasentransformator . . . . . . . . . 204
b) Der Zweiphasentransformator . . . . . . . . 205
e) Der Dreiphasen- oder Drehstromtransformator 207
d) Das Parallelarbeiten . . . . . . . . . . . 212
39. Die Bauart der Transformatoren im allgemeinen . 215
a) Kern- und Manteltransformator . . . . . . . 215
b) Der konstruktive Aufbau . . . . . . . . . . 216
e) Die Isolation des Transformators und die Kühlung im allgemeinen 217
40. Die Trockentransfqrmatoren ..... · ............. 218
41. Die Wärmeentwicklung und Wärmebeseitigung in Transformatoren-
anlagen . . . . . . . . 219
a) Die Wärmeentwicklung . . . . . . . . 219
b) Die Raumtemperatur . . . . . . . . . 220
c) Die natürliche Belüftung eines Raumes 221
d) Die künstliche Belüftung eines Raumes 228
e) Die künstliche Belüftung der Transformatoren selbst 231
f) Die Berechnung der Belüftungskanäle · 233
g) Die Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . 236
42. Die Öltransformatoren im allgemeinen und das Öl 241
43. Die künstliche Kühlung der Öltransformatoren 245
a) Die besondere Belüftung des Transformatorenraumes 245
b) Die Kühlung des Öles durch Berieselung der Kesselwände 248
c) Die unmittelbare Kühlung des Öles . . . . . . . . . . 250
44. Die besondere Schaltung von Transformatoren (Äußere Schaltung) 256
a) Die Zweiphasen-Dreiphasen-Umformung. . . . . . . . . . . 256
b) Der Spar- oder Autotransformator . . . . . . . . . . . . . 259
c) Schaltung zur Verminderung der Transformator-Leerlaufsverluste 261
d) Die Benutzung von Einphasentransformatoren in Drehstromnetzen 263
45. Die Spannungsregelung in Wechselstromnetzen . . . 264
a) Die Spannungsregelung im allgemeinen ............ 264
b) Der Transformator mit Wicklungsunterteilung . . . . . 266
c) Der drehbare Zusatztransformator (Induktions- oder Potential-
regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
J. Der Aufbau vollständiger Transformatorenanlagen im all-
gemeinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 bis 300
46. Das Schaltungsschema, die Apparate und die Instrumente im all-
gemeinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
a) Das Schaltungsschema . . . . . . 278
b) Die Trennmesser (T rennschalter, Abschalter) . 280
c) Sicherungen und Schalter . . . . . . . . . . . 284
d) Die Verteilung der Sicherungsvorrichtungen im Schaltungsschema 288
e) Die Meßinstrum~p.te . . . . . . . . 291
f) Der Blitz- und Uberspannungsschutz . . . . . . . . . . . . . 294
g) Die Sammelschienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
h) Der Aufbau der Schaltanlage und die Aufstellung der Transforma-
toren ........................... 300
K. Ausgeführte Transformatorenstationen ....... 306 bis 352
47. Transformatorenstationen innerhalb vorhandener Gebäude 306
48. Selbständige Transformatorenstationen für Überlandzentralen u. dgl.
mit einem oder zwei Transformatoren bis etwa 15 000 Volt Ober-
spannung .................. . 313
49. Transformatorenstationen innerhalb großer Städte 322
a) Oberirdische Aufstellung der Transformatoren . 322
b) Unterirdische Aufstellung der Transformatoren 322
50. Große selbständige Transformatorenstationen 325
51. Masttransformatorstationen . . . . . 344
a) Allgemeines über die Ausführung. 344
b) Die Schaltung . . . . . . . . . 346
c) Ausgeführte Stationen . . . . . 348
52. Fahrbare Transformatorstationen . . . . . . 353
Zusammenstellung der in den Formeln verwendeten Buchstaben 359
Zusammenstellung der Zeichnungsabkürzungen ....... . 362
Alphabetisches Sachregister . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Berichtigung.
Auf Seite 185, Zeile 32 von oben muß es heißen 45000 Volt statt 5000 Volt.
I. Abschnitt.
Die Motoren.
A. Die Gleichstrommotoren.
1. Die Arbeitsweise der Gleichstrommotoren
im allgemeinen.
Die Gleichstrommotoren, deren grundsätzliche Bauart als bekannt
vorausgesetzt wird, nämlich daß sich ein mit isolierten Drähten be
wickelter und mit einem Kollektor (Kommutator, Stromwender) ver
sehener Anker in einem von Elektromagneten erzeugten Felde dreht,
werden je nach der Art der Schaltung zwischen Anker (A.) und Feld
wicklung (F.W.) in drei Hauptgruppen eingeteilt, und zwar in:
Hauptstrommotoren,
Nebenschlußmotoren,
Compoundmotoren.
Jede dieser drei Motorgattungen hat besondere charakteristische
Eigenschaften, die derselben das Anwendungsgebiet je nach den an den
Antriebsmotor zu stellenden Bedingungen zuweisen.
Der Behandlung der einzelnen Motorgattungen sollen die Grund
gleichungen vorangestellt werden, die für Gleichstrommotoren all
gemeine Gültigkeit haben, und aus denen man dann das Charakteristikum
für die einzelnen Motorschaltungen leicht ableiten kann. Dabei soll von
der Berechnung1) der Motoren abgesehen und nur das angeführt werden,
was fü:r: den projektierenden Ingenieur von Wichtigkeit ist, um die
Wahl des Motors je nach den vorliegenden Bedingungen für einen be
stimmten Antrieb zweckentsprechend treffen zu können, und zwar in
bezugauf das Verhalten von Drehzahl und Drehmoment bzw. Leistung
beim Anlauf, bei Belastungs- und Spannungsschwankungen, bei der
Regelung u. dgl.
Bezeichnet :
Ek die Klemmenspannung in Volt,
Ea die im Anker induzierte elektromotorische Kraft
(EMK.) in Volt,
J =Ja+ in den aufgenommenen Strom in Amper,
Ja Ankerstrom,
in Strom in der Nebenschlußwicklung,
Wg = Wa +Wh+ Wn den gesamten Motorwiderstand in Ohm,
1) Siehe E. Arnold: Die Gleichstrommaschine. 1908, Band I und II.
Kyser, Kraftübertragung. I. 1