Elektrische Energietechnik: Geräte

414 Pages·1978·11.312 MB·German

by  G. Leiner (auth.), Prof. Dr.-Ing. Walter Böning (eds.)

HÜTTE Elektrische Energietechnik Band 2
• •
HUTTE Taschenbücher
der Technik
Herausgegeben vom
Wissenschaftlichen Ausschuß des Akademischen Vereins Hütte e.v.
29. Auflage
Elektrische
Energietechnik
Band 2 Geräte
Bandherausgeber W. Böning
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978
Bandherausgeber :
Prof. DrAng. Walter Böning, Siemens AG, 1000 Berlin 13.
Mitarbeiter dieses Bandes:
Dipl.-Ing. Gerhard Albrecht, Transformatoren Union AG, 7312 Kirchheim (2.4)
Dr.-Ing. Werner Dietrich, Transformatoren Union AG, 8500 Nürnberg, (2.1 + 2.2)
Dipl.-Ing. Dietrich Dobschall, AEG Telefunken, 1000 Berlin (2.3)
Dr. Magda Froehlich, 3300 Braunschweig (4.2.9)
Dr. Dirk Schalch, 6300 Lahn-Gießen (4.5-4.9)
Prof. Dr.-Ing. Karl-Joachim Euler, Gesamthochschule Kassel, 3500 Kassel (4)
Prof. DrAng. Klemens Heumann, AEG Telefunken, 1000 Berlin (1)
Dr. techno Gustav Leiner, 8521 Weisendorf (0)
Dipl.-Ing. Franz Jose! Pollmeier, Siemens AG, 1000 Berlin (3.1 + 3.2)
Dipl.-Ing. Hermann Reizuch, Siemens AG, 8520 Eriangon (3.3)
Prof. Dr. rer. nat. Arthur Scharmann, Universitat Gieben 63.00 Lahn-Gießen (4)
Dr.-Ing. Werner Stein, Transformatoren Union AG, 8500 Nürnberg (2.1+2.2)
Dr.-Ing. Helmut Wiedemann, Stanfor University, Standord, Calif USA (5)
Mit 272 Abbildungen
ISBN 978-3-642-46363-1 ISBN 978-3-642-46362-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-46362-4
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Hütte: Taschenbücher d. Technik/hrsg. vom Wissenschaft!. Ausschuß d. Akad.
Vereins Hütte e.v. - Berlin, Heidelberg, New Vork: Springer. Teilw. hrsg. von Hütte, Ges. für Techn. Informationen mbH, Berlin.
NE: Akademischer Verein Hütte/Wissenschaftlicher Ausschuß; Hütte, Gesellschaft für Technische Informationen (Berlin, West).
Elektrische Energietechnik. Bd. 2. Geräte/Bandhrsg.: W. Böning. - 29. Aufl. - 1978.
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© by Springer-Verlag, BerlinjHeidelberg 1978.
Softcover reprint of the hardcover 29th edition 1978
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auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und
Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Gesamtherstellung : Brühlsche Universitätsdruckerei, Lahn-Gießen
2061/3020-543210
Vorwort zur 29. Auflage
1957 erschien der Band HÜTTE IV A ELEKTROTECHNIK (Starkstromtechnik und
Lichttechnik) der 28. Auflage. Diese Buchreihe, bekannt unter dem Namen HÜTTE DES
INGENIEURS TASCHENBUCH, ist seit mehr als hundert Jahren für Ingenieure ein zuverlässi
ges Nachschlagewerk und Informationsmittel.
Mit der 29. Auflage hat sich das Bild der HÜTTE geändert; sie erscheint seit einigen Jahren
unter dem Namen HÜTTE TASCHENBÜCHER DER TECHNIK beim Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York. Nach einem von Herausgeber und Verlag neu entwickeltem Konzept wird
jetzt die Buchreihe ELEKTRISCHE ENERGIETECHNIK herausgebracht, die folgende Bände
umfassen soll:
Band 1 Maschinen
1. Allgemeine Grundlagen
2. Grundzüge der Projektierung und Berechnung
3. Kenngrößen und Betriebsverhalten
4. Prüfung und Betriebsüberwachung
Band 2 Geräte
1. Stromrichter
2. Transformatoren, Drosselspulen, Meßwandler, Überspannungsableiter
3. Starkstrom-Kondensatoren
4. Direkte Energieumwandlung
5. Geräte der Hochenergiephysik
Band 3 Netze
Schaltgeräte und Schaltanlagen
Leitungen
Übertragungs- und Verteilungsnetze
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Band 4 Anwendungen
Dieser in Vorbereitung befindliche Band wird darstellen, in welcher Form elektrische
Energie in Industrie und Haushalten verwendet wird. Außerdem werden Rechtsfra
gen und Fragen der Elektrizitätswirtschaft behandelt.
Jeder Band setzt sich zusammen aus Beiträgen bewährter Fachleute, die auf dem jeweils
dargestellten Gebiet in Forschung, Entwicklung oder Fertigung tätig sind oder zur Zeit der
Abfassung ihres Beitrages tätig waren. Dadurch wurde eine sachlich fundierte, praxis nahe und
aktuelle Stoffauswahl und Darstellungsweise angestrebt.
VI Vorwort zur 29. Auflage
Dem jetzt vorliegenden Band 2 ist ein allgemeiner Abschnitt mit Formelzeichen, Schaltzeichen
und einer Liste der für das behandelte Gebiet geItenden nationalen und internationalen Normen,
Vorschriften und Empfehlungen vorangestellt. Dem in der Berufspraxis stehenden Ingenieur, für den
die Anwendung von Normen selbstverständlich ist, soll dieser Abschnitt zum bequemen Nach
schlagen dienen. Mindestens ebenso wichtig ist aber, daß dadurch Studierende der Hoch- und
Fachhochschulen mit einem System bekannt gemacht werden, welches erfahrungsgemäß in den
Vorlesungen oftmals zu wenig berücksichtigt wird.
Der erste Hauptabschnitt über Stromrichter ist wegen der immer noch zunehmenden Bedeutung
der Leistungselektronik in der Energietechnik vergleichsweise ausführlich gehalten. Neben den
Grundlagen, hierbei vor allem den Kommutierungs- und Führungsarten sowie der Taktgebung,
wird zunächst das Verhalten der Halbleiterventile für sich und im Zusammenwirken mit den
gebräuchlichen Beschaltungselementen behandelt. Es folgen Unterabschnitte über die Wirkungs
weise von Ventilen, deren Bedeutung zum Teil stark abgenommen hat, die aber noch in zahlreichen
älteren Anlagen in Betrieb sind. Hierzu zählen vor allem die Quecksilberdampfventile. Nach einem
Überblick über die Stromrichterschaltungen werden die Eigenschaften der wichtigsten Stromrich
tergeräte und -anlagen dargestellt. Es folgen die Steuerung und Regelung, Angaben über
Stromrichterzubehör, hierbei hervorzuheben die Schutz-und Überwachungseinrichtungen. Erwäh
nenswert ist noch der abschließende Unterabschnitt über die Rückwirkungen der Stromrichter auf
das Netz, welche in der Praxis in zunehmendem Maße Gegenstand kritischer Betrachtungen sind.
Der Hauptabschnitt 2 befaßt sich zunächst mit den schaltungstechnischen und theoretischen
Grundlagen der Leistungstransformatoren. Als wesentliche Einflußgrößen des Verhaltens im Nor
malbetrieb werden danach in knapper Form die Streufelder und die Kurzschlußspannungen
behandelt. Wegen ihrer Bedeutung hervorzuheben sind die Unterabschnitte über Stromkräfte und
Überspannungs-Beanspruchungen sowie über die EinsteIlbarkeit des ÜbersetzungsverhäItnisses.
Für den Studierenden dürfte die vergleichsweise ausführliche Darstellung des konstruktiven
Aufbaus von besonderem Wert sein, weil hiervon aus Zeitmangel in den üblichen Vorlesungen nur
wenig gebracht werden kann. Abschnitte über Sondertransformatoren und Transformatorprüfung
beenden das Kapitel.
Im folgenden Abschnitt "Drosselspulen" werden zunächst die Arten und der Aufbau von Eisen
und Luftdrosseln behandelt. Hervorzuheben ist der Unterabschnitt über Transduktoren, die als
Steuerelemente in zahlreichen in Betrieb befindlichen Anlagen noch im Einsatz sind.
Der sich anschließende Abschnitt über Meßwandler erfordert zu Beginn die Darstellung der
Theorien der Spannungs- und Stromwandler, weil diese in der rur die genannten Meßwandler
zugeschnittenen Form von der Theorie der Leistungstransformatoren abweichen. Die folgenden
Unterabschnitte über Werkstoffe, Bauformen und das Betriebsverhalten bilden den praxisnahen
Abschluß dieses Gebietes.
Obwohl die Wirkungsweise von Überspannungsableitern nicht auf dem Induktionsgesetz
beruht, wurden die Überspannungsableiter mit in den Hauptabschnitt über Tranformatoren und
Drosselspulen hineingenommen, weil sie wichtige Beschaltungs-bzw. SchutzeIernente rur Transfor
matoren sind. Von den in der Energietechnik angewendeten Überspannungsableitern hat heute nur
noch der Ventilableiter praktische Bedeutung. Sein Arbeitsprinzip und sein Aufbau werden
behandelt. Bei der Schilderung der Anwendungen und der Überwachung im Betrieb wird auch der
Problemkreis der Isolations-Koordination und der Ansprechzähler in gebotener Kürze gestreift.
Im Hauptabschnitt 3 werden die Grundlagen und Anwendungen von Kondensatoren in der
Energietechnik behandelt. Im Vordergrund steht wegen ihrer Bedeutung die Blindleistungskompen
sation, wegen des steigenden Einsatzes von Stromrichtern werden aber auch die Filterkreis
Kondensatoranlagen berücksichtigt.
Der Hauptabschnitt 4 behandelt Akkumulatoren, Primärzellen und Energie-Direktumwandlung.
Hier wird unseres Wissens erstmalig in einem Handbuch der Energietechnik ein Überblick über ein
Gebiet gegeben, welches aus sehr verschiedenen Gründen in den letzten Jahren in den Brennpunkt
Vorwort zur 29. Auflage VII
des Interesses gerückt ist. Es sind dies vor allem der Umweltschutz, die zunehmende Knappheit bei
den "klassischen" Primärenergieträgern Kohle und Öl sowie die Weltraumfahrt. Neben den seit
langem bekannten, jedoch stetig weiter entwickelten galvanischen Primär- und Sekundärzellen
werden eine große Anzahl von Entwicklungen der neueren Zeit erläutert und in ihrer Bedeutung
und ihren künftigen Erfolgsaussichten bewertet.
Auch die Aufnahme des Hauptabschnitts 5 über Geräte der Hochenergiephysik in ein Handbuch
der Energietechnik dürfte neu sein. Redaktion und Herausgeber gingen bei der Entscheidung
darüber von der Tatsache aus, daß auf dem Gebiet der Teilchenforschung und der Plasmaphysik
starkstromtechnische Geräte und Maschinen eine immer größere Bedeutung erlangen. An der
Projektierung und am Bau derartiger Anlagen sind Ingenieure des Elektromaschinenbaus und der
Energietechnik heute maßgeblich beteiligt. Daher ist ein Einblick in das Gebiet der Hochenergie
physik heute sowohl für Studierende der Energietechnik als auch bereits in der Praxis tätige
Ingenieure gleichermaßen zweckmäßig.
Bei den Bemühungen, diesem Band eine ansprechende Form zu geben, haben wir von vielen
Seiten Rat und Hilfe erhalten; wir sind dafür sehr dankbar. Besonders danken wir den Autoren. Sie
haben trotz beruflicher Belastung ihr Wissen und ihre Erfahrung zur Verfügung gestellt und den
Wünschen des Bandherausgebers und der Schriftleitung verständnisvoll Rechnung getragen.
Dem Springer-Verlag danken wir für die vorzügliche Ausstattung des Bandes.
Berlin, im Juni 1978
Prof. Dr.-Ing. W. Böning
Bandherausgeber
Dipl.-Ing. W. Stenger
Hauptschriftleiter der HÜTTE-Taschenbücher
Dipl.-Ing. W. Fredrich
Vorsitzender des Wissenschaftlichen Ausschusses
des Akademischen Vereins Hütte eV, Berlin
Inhalt
O. Allgemeine Grundlagen
(G. Leiner)
0.1 Formelzeichen, Größen und Einheiten
0.2 Normen und Bestimmungen 7
0.3 Schaltzeichen 14
1. Stromrichter
(K. HeL/ma1111)
1.0 Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen 19
1.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.1 Bezeichnungen und Begriffe. . . . 25
1.1.2 Stromrichterarten (äußere Wirkungsweise) 26
1.1.2.1 Grundfunktionen von Stromrichtern . 26
1.1.2.2 Steuerung und Richtung des Energieflusses 27
1.1.3 Schaltvorgänge und Kommutierung 28
1.1.3.1 Natürliche Kommutierung .... 29
1.1.3.2 Erzwungene Kommutierung . . . 30
1.1.4 Stromrichterarten (innere Wirkungsweise) . 30
1.1.4.1 Fremdgeftihrte Stromrichter . . 31
1.1.4.2 Selbstgeftihrte Stromrichter. . . 31
1.1.4.3 Wechselstromschalter und -steIler 32
1.1.5 Taktgebung der Stromrichter . . . 32
1.1.5.1 Fremdgetaktete Stromrichter 32
1.1.5.2 Eigengetaktete Stromrichter 33
1.2 Stromrichterventile . . . . . 33
1.2.1 Halbleiterventile . . . . 33
1.2.1.1 Selengleichrichter 38
1.2.1.2 Siliziumdioden . 41
1.2.1.3 Thyristoren . . 45
1.2.1.4 Leistungstransistoren 49
1.2.2 Schaltverhalten . . . . . . 51
1.2.3 Beschaltung . . . . . . . 54
1.2.3.1 Halbleiterventilbeschaltung. 55
1.2.3.2 Netz-, Transformator-und Lastbeschaltung . 56
1.2.3.3 Reihenschaltung 57
1.2.3.4 Parallelschaltung 57
1.2.4 Zündung. . . . . . . 58
Inhalt IX
1.2.5 Kühlung. . . . . . . . . . . . 60
1.2.5.1 Thermische Ersatzschaltung 61
1.2.5.2 Kühlarten . . . 64
1.2.6 Quecksilberdampfventile 67
1.2.6.1 Thyratrons. 68
1.2.6.2 Excitrons . 68
1.2.6.3 Ignitrons. . 68
1.2.7 Hochvakuumventile 68
1.2.8 Mechanische Ventile. 68
1.2.8.1 Kontaktumformer . 68
1.2.8.2 Quecksilberstrahl-Wechselrichter 69
1.3 Stromrichterschaltungen, -geräte und -anlagen 70
1.3.1 Stromrichterschaltungen . . . . 70
1.3.1.1 Mittelpunktschaltungen . . . 72
1.3.1.2 Brückenschaltungen. . . . . 73
1.3.1.3 Verdoppler-und Vervielfacherschaltungen 78
1.3.1.4 Wechselwegschaltungen . . . . . . . . 78
1.3.1.5 Polygonschaltungen . . . . . . . . . . 78
1.3.1.6 Ergänzende Kennzeichen von Stromrichterschaltungen . 79
1.3.1.7 Zusammengesetzte Stromrichterschaltungen . 80
1.3.2 Eigenschaften wichtiger Stromrichter . . . . . 85
1.3.2.1 Netzgeftihrte Gleich-und Wechselrichter . 86
1.3.2.2 Netzgeftihrte Umkehrstromrichter . 95
1.3.2.3 Netzgeftihrte Direktumrichter . 101
1.3.2.4 Lastgeftihrte Wechselrichter 104
1.3.2.5 Wechselstromschalter 108
1.3.2.6 Wechselstromsteller . 112
1.3.2.7 Gleichstromschalter . 115
1.3.2.8 Gleichstromsteller . . 118
1.3.2.9 Selbstgeftihrte Wechselrichter. 124
1.3.2.10 Pulswechselrichter. . . . . . 129
1.3.2.11 Halbgesteuerte Schaltungen. . 131
1.3.2.12 Schaltungen mit Abschnitt-und Sektorsteuerung . 133
1.3.2.13 Blindleistungs-Stromrichter. . . . 136
1.3.3 Stromrichtertransformator . . . . . . . . 138
1.3.4 Magnetische. und elektrische Energiespeicher 141
1.3.4.1 Drosselspulen . . . . . . 143
1.3.4.2 Kondensatoren. . . . . . 145
1.3.4.3 Filter, Sieb-und Saugkreise . 146
1.3.5 Steuerung von Stromrichtern . 149
1.3.6 Regelung von Stromrichtern 154
1.3.7 Stromrichterzubehör 155
1.3.g Betriebsbedingungen . . . 160
1.3.9 Lastarten . . . . . . . . 161
1.3.10 Betriebsarten und Belastungsklassen . 163
1.3.11 Prüfungen. . . . . . . . 166
1.3.12 Verluste und Wirkungsgrad 168
1.3.13 Netzrückwirkungen . 170
Literatur zu 1. Stromrichter . . . . . 184
x
Inhalt
2. Transformatoren, Drosselspulen, Meßwandler und
Überspannungsableiter
2.1 Transformatoren (w. Dietrich und W. Stein) 191
2.1.1 Allgemeine Begriffe; Arten von Transformatoren .. 191
2.1.2 Auslegung, Wirkungsweise und Verhalten im Betrieb 192
2.1.2.1 Kenngrößen . . . . . 192
2.1.2.2 Allgemeine Theorie. . . . . . . . . . . 197
2.1.2.3 Verhalten im Leerlauf. . . . . . . . . . 200
2.1.2.4 Streufeld, Kurzschlußprüfung und -verluste 202
2.1.2.5 Kurzschlußbeanspruchungen . 204
2.1.2.6 Verhalten bei Überspannungen. . . . . . 207
2.1.2.7 Parallelbetrieb. . . . . . . . . . . . . 209
2.1.2.8 Erwärmung, Lebensdauer, Überlastbarkeit. 209
2.1.2.9 EinsteIlbarkeit der Übersetzung 211
2.1.2.10 Geräuschverhalten . . . 213
2.1.2.11 Überwachung im Betrieb 214
2.1.3 Konstruktiver Aufbau 214
2.1.3.1 Eisenkern. 214
2.1.3.2 Wicklung. . 216
2.1.3.3 Isolierung. . 218
2.1.3.4 Abstütz-und Preßkonstruktion 219
2.1.3.5 Stufenschalter und Umsteller . 219
2.1.3.6 Durchflihrungen. 220
2.1.3.7 Kessel, Transport . . . . . 220
2.1.3.8 Kühleinrichtung . . . . . . 221
2.1.3.9 Schutz-und Überwachungseinrichtungen 221
2.1.4 Sondertransformatoren . . . . . . 222
2.1.5 Prüfungen . . . . . . . . . . . . . 223
2.2 Drosselspulen (w. Dietrich und W. Stein) . . . . 225
2.2.1 Allgemeines; Aufbau von Drosselspulen. 225
2.2.2 Arten von Drosselspulen . . . . . 226
2.2.2.1 Kurzschluß-Drosselspulen. . . 226
2.2.2.2 Parallellauf-Drosselspulen. . . 227
2.2.2.3 Kompensations-Drosselspulen. 227
2.2.2.4 Erdschlußlöschspulen. . . . . 228
2.2.2.5 Sternpunkt-Erdungsdrosselspulen 229
2.2.2.6 Sternpunktbildner und Erdungstransformatoren 229
2.2.2.7 Transduktoren. . . . 230
2.2.2.8 Sonstige Drosselspulen 232
2.3 Meßwandler (D. Dobschall) . 232
2.3.1 Aufgaben und Arbeitsprinzip 232
2.3.2 Theorie . . 232
2.3.3 Werkstoffe . . . 237
2.3.4 Bauformen . . . 239
2.3.5 Betriebsverhalten 245
2.3.5.1 Anforderungen. 245
2.3.5.2 Erdschluß . . . 245
Inhalt XI
2.3.5.3 Überströme, Erwärmung 245
2.3.5.4 Übertragungsvermögen . 246
2.3.5.5 Kippschwingungen. . 246
2.3.5.6 Gefahrenquellen. . . 246
2.4 Überspannungsableiter (G. Albrecht) . 247
2.4.1 AufgabensteIlung . . . . . . 247
2.4.2 Arten von Überspannungsableitern . 247
2.4.3 Ventilableiter . . . . . . 247
2.4.3.1 Arbeitsprinzip . . . 248
2.4.3.2 Ableitwiderstände . 248
2.4.3.3 Löschfunkenstrecke 249
2.4.3.4 Steuerung. . . . . 251
2.4.3.5 Druckentlastungseinrichtung .. 251
2.4.4 Anwendung von Ventilableitern . . . . 252
2.4.4.1 Isolationskoordination, Schutzpegel. 252
2.4.4.2 Schutzbereich 252
2.4.4.3 Erdung. . . . . 253
2.4.4.4 Schutzstrecke . . 253
2.4.5 Überwachung im Betrieb . 253
2.4.5.1 Abbildfunkenstrecke 253
2.4.5.2 Ansprechzähler . . 254
2.4.6 Begriffserklärungen . . . . . . . .. ..... 254
Literatur zu 2. Transformatoren, Drosselspulen, Meßwandler und Überspannungsableiter 255
3. Kondensatoren
3.1 Grundlagen (F. J. Pol/meier) 259
3.1.1 Der Kondensator an Wechselspannung. 259
3.1.2 Parallel-und Reihenschaltung. . . . . 261
3.1.3 Schaltungen bei Drehstrom. . . . . . 262
3.2 Bemessung, Dielektrika, Aufbau und Prüfung (F. J. Pol/meier) . 263
3.2.1 Bemessungsfragen . . . . . . . . 263
3.2.1.1 Elektrische Beanspruchung. 263
3.2.1.2 Thermische Beanspruchung. 264
3.2.1.3 Alterung und Lebensdauer . 266
3.2.2 Dielektrikumsarten und ihre Eigenschaften 267
3.2.2.1 Baustoffe. . . . . 267
3.2.2.2 Dielektrikumsarten 268
3.2.3 Konstruktiver Aufbau . . 270
3.2.3.1 Wickelarten . . . 270
3.2.3.2 Wickelkontaktierung 271
3.2.3.3 Einbau der Wickel in Gehäuse 271
3.2.3.4 Schutzeinrichtungen bei Leistungskondensatoren 273
3.3 Anwendungen (H. Reizuch) 275
3.3.1 Übersicht . . . . . 275
3.3.2 Leistungskondensatoren 275
3.3.3 Reihenkondensatoren . 285