Dynamomaschinen für Gleich- und Wechselstrom und Transformatoren

339 Pages·1894·12.151 MB·German

by  Gisbert Kapp M. Inst. C. E., M. Inst. E. E. (auth.)

Dynamomaschinen
für
Gleich- und Wechselstrom
und
Transformatoren.
Von
Gisbert Kapp,
~1. In;;t. C. E., 11. Inst. E. E.
Autorisirte deutsche Ausgabe
von
Dr. L. Holbol'n und Dr. K. Kahle.
JUt zaltlreiclte1z z'/t dC1Z Text /(edruckte1t Figzere1z.
Berlin. 1894. München.
Julius Springer. R. Oldenbourg.
ISBN 978-3-642-49424-6 978-3-642-49703-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-49703-2
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1894
Vorwort.
Das vorliegende Buch enthält eine einfache Darlegung
der allgemeinen Grundsätze, die bei dem Bau von Dynamo
maschinen und Transformatoren in }i'rage kommen. Soweit es
überhaupt bei einem technischen Werke diesel' Art möglich
ist, bin ich bestrebt gewesen, mathematische Ableitungen und
Methoden zu vermeiden. Die Anwendung mathematischer Hülfs
mittel ist daher soweit beschränkt, dass sowohl der angehende
Elektrotechniker, wie der erfahrene Ingenieur dem Gegen
stande zu folgen vermag, ohne vorher die Gesetze der elek
trischen Erscheinungen besonders studirt zu haben.
Gisbert Kapp.
Inhalt.
Erstes n:al)itel. Seite
1. Definition und Wirkungsgrad der Dynamomaschine 1
2. Messung der elektrischen Energie 2
3. Hauptbestandtheile der Dynamomaschine . 6
4. Unterschied 7.wischen Gleich- und Wechselstrommaschine 8
5. Anwendung und Leistung der Dynamomaschine 9
Zweites Ral)itel.
G. Einleitende Bemerkungen 12
7. Das magnetische Feld 13
8. Feldstärke . 17
9. Elektromagnetische und elektrodynamische Einheiten. 20
10. Mathematische und physikalische Pole . 24
11. Das magnetische Feld eines mathematischen Pols 26
Drittes Ra]>itel.
12. Magnetisches Moment 28
13. Messung schwacher magnetischer Felder 30
14. Die Anziehungskraft von Magneten 31
15. Praktische Beispiele 39
Viertes Rapitel.
16. Wirkung eines elektrischen Strome~ auf einen Magnet 42
17. Das magnetische Feld eines Stromes 42
18. Die Stärke eines vom Strom erzeugten Feldes . 44
19. Einheit der elektrischen Stromstärke 48
20. liechanische Kräfte zwischen elektrischen Strömen und Magneten 49
21. Praktische Beispiele 51
Fünftes Rapitel.
22. Elektromagnet 53
23. Solenoid 55
24. Magnetische Permeabilität 57
VI Iuha It.
Seite
25. 1Iagnetisircnde Kraft. 58
26. Linienintegral der magneti~clten Kraft. 59
27. Getiammte Feldstärke (j2
28. Praktitiches Beispiel . li3
2!). Erweiterung der Theorie von den Elektromagneten (i-!
30. 1Iagnetischer Widerstand . liS
Sechstes n:al)itel.
31. Magnetische Eigenschaften des Eisens. 72
32. Experimentelle Bestimmung der Permeahilität 75
33. Hopkinson's Methode filr die 1Jntersuchung der magnetischen
Eigenschaften eines Metalls. 77
34. Energie der Magnetisirunp: . 81
35. H ysteresi" 84
Siebentes n:apitel.
36. Indncirte elektromotorische Kraft 87
37. Gesammte elektromotorioche Kraft einer zweipoligen Maschine 93
38. Einheit dCti elektrischen \Viderotandes im C.G.S.-System 95
Achtes n:apitel.
39. Elektrolllotorische Kraft des Ankers 97
40. Geschlossene Ankerwicklungen 103
41. Zweipolige Wicklung. 103
42. Mehrpolige Wicklung mit Parallelschaltung. 113
43. Mehrpolige Wicklung mit Serienschaltung 122
44. Mehrpolige gemischte Wicklung . 136
Neuntes n:apitel.
45. Offene Ankerwicklungen 138
46. Die Brllsh'sche Wicklung . 143
47. Die Thomson-IIonston'sche Wicklung 145
Zehntes n:apitel.
48. Feldmagnete. 147
49. Zweipolige Magnetsysteme . 148
50. Mehrpolige Magnetsysteme . 152
51. Gewicht der Magnetsysteme 157
52. Bestimmung der erregenden Kraft 159
53. Vorausbestimmung der Charakteristik 170
Inhalt. VII
Elftes Kapitel.
Seite
54. Statische und dynamische elektromotorische Kraft 176
55. Kommutiren des Stromes 177
56. Gegenwindungen des Ankers . 182
57. Dynamische Charakteristik. 185
58. Aeussere Charakteristik. 188
59. Querwindungen des Ankers 190
60. Funkenfreier Kommutator 196
Zwölftes Kapitel.
61. Einfluss der linearen Dimensionen der Dynamomaschinen auf
ihre Leistung 199
62. Kleine Dynamomaschinen 200
63. Grosse Dynamomaschinen 204
64. Vorzüge der mehrpoligen Dynamomaschinen 212
Dreizehntes Kapitel.
65. Energieverluste in Dynamomaschinen . 215
66. Wirbelströme in den Polschuhen 218
67. Wirbelströme in den äussern Ankerdrähten . 219
68. Wirbelströme im Ankerkern 221
69. Wirbelströme im Innern des Ringankers. 221
70. Experimentelle Bestimmung der Energieverluste 222
Vierzehntes Kapitel.
71. Beispiele von Dynamomaschinen 226
72. Dynamomaschine von Ronald Scott 226
73. Dynam~maschine von Johnson & Phillips 229
74. Die Oerlikoner Dynamomaschine 236
Fünfzehntes Kapitel.
75. Einfachster Fall einer Wechselstrommaschine 239
76. Messung der elektromotorischen Kraft. . . 242
"77. Die Dynamomaschlne von Fawcus & Cowan 247
78. Elektromotorische Kraft der Wechselstrommaschinen 247
79. Selbstinduktion im Anker der W:echselstrommaschinen . 256
80. Graphische Darstellung von Wechselstromproblemen 259
81. Energie eines Wechselstroms . 263
82. Bedingungen für das Maximum der Energie 265
83. Anwendung auf Motoren 267
Inhalt.
VIII
Sechzehntes Kapitel. Seite
84. Betriebsbedingungen 268
85. Einfluss der Selbstinduktion. . 269
86. Einfluss der Kapacität. . . . 270
87. Das Arbeiten zweier Wechselstrommaschinen auf denselben
Stromkreis . . . . . . . . 272
88. Rückwirkung des Ankers. . . 281
89. Bedingung für einen stationären Gang 286
90. Allgemeine Schlussfolgerungen . 296
Siebzehntes Kapitel.
91. Einfachster Fall eines Transformators 297
92. Mantel- und Ringtransformatoren . . . 298
93. Einfluss der magnetischen Strömung. 300
94. Primäre Stromstärke bei offenem sekundärem Kreise 302
95. Arbeitsdiagramme 305
Achtzehntes Kapitel.
96. Eintheilung der Wechselstrommaschinen 313
97. Die Maschine von Siemens • 314
98. Die Maschine von Ferranti . 316
99. Die Maschine von Kapp (Johnson & Phillips) 319
100. Die Maschine von Elwell-Parker (Electric Construction Corpo-
ration). . . . . . 322
101. Die Maschine von Fricker (Gulcher Company) 324
102. Die Maschine von Mordey 327
103. Die Maschine von Kingdon . 329
Kapitel.
J~rstes
1. Definition und 'Virknng'sg-rad der Dynamomaschine. - 2. :\Iessung'
der elektrischen Energie. - :3. Hauptbestandtheile der Dynamo
maschine. - 4. Unterschied zwischen Glcichstrom- und 'Vechselstrom
masehinr. - 5. Anwendung' und Leistung' der Dynamomaschinen.
1. Definition und Wirkungsgrad der Dynamomaschine.
Im weitem Sinne bezeichnet man als Dynamomaschine einen
Apparat, bei dem die mechanische Energie einer rotirenden Bewegung
durch die elektromagnetische Induktion in elektrische Energie und
umgekehrt verwandelt wird. Hierbei ist es gleichgültig, ob der elek
trische Strom, den die durch irgend eine Kraft angetriebene Dynamo
maschine liefert, immer dieselbe Richtung hat oder abwechselnd in
entgegengesetzter Richtung fliesst; dasselbe gilt für den Strom, der
der Maschine von einer äussern Quelle zugeführt wird. Dass wir
bei der Erzeugung der mechanischen Energie nur die drehende Be
wegung berücksichtigen, geschieht deshalb, um durch die Definition
eine Reihe von Apparaten auszuscbliessen, deren Wirkung gleichfalls
auf der Anwendung der elektromagnetischen Induktion beruht. So
wird auch bei einer gewöhnlichen elektrischen Klingel, dem Mo rse
sehen Schreibapparat oder bei den Blocksignalen der Eisenbahnen
die Energie elektrischer Ströme in mechanische Energie umgesetzt,
ohne dass für diese Apparate die Bezeichnung Dynamomaschinen
zutreffend wäre. Anderseits ist die Ho 1t z' sehe Influenzmaschine
-durch die obige Definition ausgeschlossen, weil bei ihr die mecha
nische Energie der rotirenden Bewegung nicht durch elektromagne
tische, sondern durch elektrostatisc)le Induktion in elektrische Energie
umgesetzt wird. Trotz dieser Einschränkungen bleiben die Grenzen
für den Begriff der Dynamomaschine noch unzweckmässig weit, und
wir wollen deshalb noch Unterabtheilllngen machen. Hierbei sind
zwei Gesichtspunkte leitend: einmal wird entweder die mechanische
Kapp, Dynamomaschinen. 1
2 Erstes Kapitel.
Energie rotirender Bewegung in elektrische umgesetzt oder umge
kehrt; zum andern fliesst entweder Gleichstrom oder Wechselstrom
durch die Leitung. Hiernach unterscheiden wir vier Arten von
Maschinen:
1. Die Gleichstrommaschine, durch welche die mechanische
Energie in die Energie eines Gleichstroms verwandelt wird.
2. Die Wechselstrom maschine, durch welche die mechanische
Energie in die Energie eines Wechselstroms umgesetzt wird.
3. Der Gleichstrommotor, durch welchen die Energie eines
Gleichstroms in mechanische Energie verwandelt wird.
4. Der Wecbselstrommotor, durch welchen die Energie eines
Wechselstromes in mechanische Energie verwandelt wird.
Alle diese Maschinen haben also den Zweck, Energie in eine
andere Form überzuführen ; es ist deshalb klar, dass der Werth
dieser Apparate in gewissem Grade von dem Wirkungsgrad der
Umsetzung abhängt, d. h. von dem Verhältnis der Energiemengen,
die einerseits der Maschine zugeführt, anderseits wieder gewonnen
werden. Je kleiner der Verlust bei dieser Umsetzung ist, umso
besser ist die Maschine. Dass überhaupt ein gewisser Verlust bei
den Dynamomaschinen stattfindet, lässt sieb aus der Analogie mit
ähnlichen Apparaten schliessen. Denn bisher ist keine Maschine
erfunden, die nicht mit einem bestimmten Verlust arbeitet; bei den
Dynamomaschinen ist dieser Verlust aber kleiner als bei den meisten
mechanischen Umsetzungen. Es ist nämlich keineswegs schwierig,
%
Dynamomaschinen zu bauen, die einen Wirkungsgrad von 90
%,
haben, während die besten Centrifugalpumpen kaum 70 die besten
Turbinen 85 % und die Dampfmaschinen nur ausnahmsweise 75 %
erreichen. Sehen wir daher von den einfachen mechanischen Ein
richtungen, die zur Kraftübertragung dienen, wie Seilbetrieb u. s. w.,
ab, so hat die Dynamomaschine gegenwärtig ohne Zweifel den grössten
Wirkungsgrad 'Von allen Maschinen.
2. lUessung der elektrischen Energie.
Es entsteht hier natürlich die Frage, wie der Wirkungsgrad
einer Dynamomaschine oder eines Elektromotors zu bestimmen ist.
Er ist gleich dem Verhältnis der der Maschine zugeführten und
der von ihr wiedergewonnenen Energiemenge. Die eine Energie
form ist jedem Techniker bekannt und lässt sich ohne besondere
2. Messung der elektrischen Energie. 3
Schwierigkeit messen. Wird z. B. die Dynamomaschine durch
Dampfkraft angetrieben, so können wir Diagramme bei voller Be
lastung und beim Leergang aufnehmen und so mit ziemlicher Ge
nauigkeit bestimmen, welche Energiemenge der Dynamomaschine
wirklich zugeführt wird. Noch besser lässt sich die Kraft mit dem
He fn er-Alte neck' sehen Arbeitsmesser bestimmen. Man vermeidet
dabei den geringen Fehler, der von dem Unterschied der Reibung bei
voller Belastung und beim Leergang herrührt. Mit solchen Messungen
ist jeder Techniker vertraut; erst die elektrischen Messungen am Ende
des Uebertragungsprocesses erheischen eine neue Vorbereitung. Die
Beziehung zwischen den magnetelektrischen und den rein mechani
schen Kräften werden wir im vierten Kapitel näher betrachten; für
den vorliegenden Zweck genügt es, wenn wir nur eine einzige Me
thode angeben, wie man die elektrische Energie messen kann.
Fliesst ein Strom durch einen Draht, so wird dieser erwärmt. Die
entwickelte Wärmemenge rührt von der Arbeit her, die der Strom
leistet, wenn er den Widerstand des Drahtes überwindet. Aus dem
Princip von der Erhaltung der Kraft, das für elektrische Processe ebenso
gilt, wie für thermodynamische und rein mechanische, schliessen wir,
dass die vom Drahte abgegebene Wärmemenge ein Maass für die
vom. Strome entwickelte elektrische Energie ist. Die in der Zeit
einheit entwickelte Wärmemenge lässt sich mit einem Kalorimeter
messen und ihr mechanisches Aequivalent in Kilogrammeter oder
Pferdestärken bestimmen. Messen wir gleichzeitig die Stromstärke
und den Spannungsunterschied zwischen den Enden des Stromleiters,
so finden wir, dass bei einem ununterbrochenen Gleichstrom das
Produkt dieser beiden Ablesungen der Anzahl von Kalorien propor
tional ist, die in der Zeiteinheit entwickelt w·erden. Wir können
deshalb die etwas lästige und schwierige kalorimetrische Methode
durch die weit einfachere elektrische ersetzen und sagen: die von
einem ununterbrochenen Gleichstrom in einem Stromleiter entwickelte
Energie wird gemessen durch das Produkt aus Stromstärke und
Spannungsdifferenz . zwischen den Enden des Leiters. Auf diese
Weise findet man die von einer Glühlampe verzehrte Energie, wenn
die Spannung an den Enden der Lampe mit der Stärke des sie
durchfliessenden Stromes multiplicirt wird. Damit die Messung das
richtige Resultat liefert, darf der Stromleiter unter keinen andern
elektrodynamischen Einflüssen stehen. Er soll also nicht in der
Nähe eines Magnetes in Bewegung gesetzt werden, noch soll man
1*