Elektrische Maschinen und Antriebe: Lehr- und Arbeitsbuch

226 Pages·2000·7.98 MB·German

by  Klaus Fuest

Klaus Fuest
Peter Döring
Elektrische Maschinen
und Antriebe
Klaus Fuest
Peter Döring
Elektrische Maschinen
und Antriebe
Lehr- und Arbeitsbuch
Mit 258 Abbildungen, zahlreichen durch
gerechneten Beispielen und Übungen sowie Fragen
und Aufgaben zur Vertiefung des Lehrstoffes
5., durchgesehene Auflage
~
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
1. Auflage 1983
2., durchgesehene Auflage 1985
Nachdruck 1987
3., überarbeitete und erweiterte Auflage 1989
4., überarbeitete und erweiterte Auflage 1999
5., durchgesehene Auflage, Oktober 2000
ISBN 978-3-528-44076-3 ISBN 978-3-663-01401-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01401-0
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Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem Papier
v
Vorwort
Das Buch vermittelt das Grundwissen über die Wirkungsweise elektrischer Maschinen
und Antriebe, Rezepte für die Auslegung von Maschinen werden nicht gegeben, denn
Berechnung und Konstruktion können nur durch praktische Erfahrung erlernt werden.
Der Stoffumfang ist abgestimmt auf das Niveau von Fach- und Fachhochschulen. Er soll
dem Studierenden der Elektrotechnik oder des Maschinenbaus ein Wissen darüber
vermitteln, was in den Maschinen vor sich geht und wie sie sich im Betrieb verhalten.
Aufgrund zahlreicher Leseranregungen wurde das Kapitel 7 ,,Elektronische Antriebstech
nik" in das Buch neu aufgenommen. Mit zahlreichen Bildern und Diagrammen werden
die Grundlagen der elektronischen Drehzahlsteuerung dargestellt.
Die hohen elektrischen Verluste, die sich bei der Drehzahlsteuerung ergeben, lassen sich
erheblich mindern mit modernen Bauelementen der Leistungselektronik, wie z.B. Dio
den, Thyristoren und Leistungstransistoren. Steuerbare Gleichrichter, aber auch Gleich
stromsteller spielen hier eine wichtige Rolle.
Die elektronische Drehzahlsteuerung von Drehstromasynchronmaschinen bei konstantem
Drehmoment mit Hilfe von Frequenzumformern ist ein wichtiger Teil des Kapitels. Der
wachsenden Bedeutung dieses wartungsarmen Motors in der Automatisierungstechnik
wird hier Rechnung getragen durch die Beschreibung und Darstellung von Anlaß
möglichkeiten, aber auch der Drehzahlsteuerung mit Hilfe der Frequenzumformer.
Die mathematischen Formulierungen werden bewußt auf einfache Zusammenhänge
reduziert; Differential-und Integralrechnung wurden nicht verwendet.
Für eine Vertiefung des Stoffes stehen Verständnisfragen sowie ein umfangreiches
Übungsangebot bereit.
Für die zur Verfügung stehende Zeit ist die Stoffülle bereits groß, sodaß eine ernsthafte
Beschäftigung mit zusätzlicher Literatur für den Studierenden kaum möglich ist. Deshalb
wird auf Literaturhinweise verzichtet.
Bremerhaven und Recklinghausen Klaus Fuest
Im Oktober 1999 Peter Döring
VI
Inhaltsverzeichnis
Einführung ......................................................................................................................... .
1 Transformator ............................................................................................................. 4
1.1 Aufgaben des Transformators... ................................ .......... .... .... ........ ....... ........ 4
1.2 Bauteile eines Transformators.. ................................ ..... ......... ..... ....... ........ ........ 4
1.2.1 Der Eisenkern ..................................................................................... . 5
1.2.2.1 Kernbauart ......................................................................... . 5
1.2.1.2 Mantelbauart ....................................................................... . 6
1.2.2 Die Wicklungen ................................................................................... . 7
1.2.2.1 Die Scheiben wicklung ....................................................... .. 7
1.2.2.2 Zylinderwicklung ................................................................ . 7
1.2.3 Die Kühlung ......................................................................................... . 8
1.3 Das Betriebsverhalten des Einphasentransformators.......................................... 8
1.3.1 Der Transformator bei Belastung.......................................................... 8
1.3.1.1 Ersatzschaltbild ................................................................... 9
1.3.1.2 Der Ersatzstromkreis ........................................................... . 10
1.3.1.3 Das Zeigerdiagramm .......................................................... . 13
1.3.1.4 Das Kappsche Diagramm ................................................... . 14
1.3.2 Der Transformator im Leerlautbetrieb ................................................ 15
1.3.2.1 Das Zeigerdiagramm im Leerlauf........................................ 16
1.3.2.2 Der Leerlaufversuch ............................................................ 16
1.3.3 Der Transformator bei Kurzschluß ....................................................... 18
1.3.3.1 Das Zeigerdiagramm bei Kurzschluß................................... 18
1.3.3.2 Der Kurzschlußversuch ....................................................... 19
1.3.4 Der Wirkungsgrad des Transformators................................................. 21
1.3.5 Der Drehstromtransformator ................................... ...... ....... ................ 22
1.3.5.1 Die Schaltgruppen von Drehstromtransformatoren ............. 23
1.3.5.2 Der Parallelbetrieb von Drehstromtransformatoren . ........ .... 24
1.4 Zusammenstellung der wichtigsten Formeln...................................................... 25
1.5 Beispiele... .................. ..... .................................................... ..... ..... ....... ........ ...... 26
2 Gleichstrommaschinen................................................................................................ 32
2.1 Der Aufbau der Gleichstrommaschine ............................................................... 32
2.1.1 Der Ständer .......................................................................................... 32
2.1.2 Der Läufer............................................................................................. 33
Inhaltsverzeichnis VII
2.2 Die Wirkungsweise der Gleichstrommaschine .................................................. 35
2.2.1 Grundlagen ....................................................................................... .... 35
2.2.2 Der Trommelanker................................................................................ 36
2.2.3 Der Motorbetrieb ............................. ..................................................... 37
2.2.4 Der Generatorbetrieb ........................................................................... 39
2.2.5 Die Wendepol-und Kompensationswicklung ...................................... 40
2.3 Die Grundgleichungen ....................................................................................... 42
2.3.1 Spannungen .......................................................................................... 42
2.3.2 Leistungen ........................................................................................... 42
2.3.3 Moment ................................................................................................ 42
2.3.4 Drehzahl................................................................................................ 43
2.4 Das Betriebsverhalten ........................................................................................ 44
2.4.1 Schaitungsarten der Erregerwicklung .................................................. 44
2.4.2 Die fremderregte Gleichstrommaschine ............................................... 45
2.4.2.1 Der fremderregte Gleichstromgenerator ............................. 45
2.4.2.2 Der fremderregte Gleichstrommotor.................................... 46
2.4.3 Die Gleichstrom-Nebenschlußmaschine............................................... 54
2.4.3.1 Der Gleichstrom-Nebenschlußgenerator ............................. 54
2.4.3.2 Der Gleichstrom-Nebenschlußmotor ................................... 60
2.4.4 Die Gleichstrom-Reihenschlußmaschine ............................................. 61
2.4.4.1 Der Gleichstrom-Reihenschlußgenerator............................. 61
2.4.4.2 Der Gleichstrom-Reihenschlußmotor ................................. 62
2.4.5 Die Gleichstrom-Doppeischlußmaschine ............................................ 67
2.4.5.1 Der Gleichstrom-Doppelschlußgenerator ............................ 68
2.4.5.2 Der Gleichstrom-Doppeischlußmotor.................................. 69
2.5 Zusammenstellung der wichtigsten Formeln...................................................... 70
2.6 Beispiele............................................................................................................. 70
3 Drehfeld ....................................................................................................................... . 78
4 Drehstrom-Asynchronmaschine. ............................................................................... . 80
4.1 Aufbau der Asynchronmaschine ...................................................................... . 80
4.2 Wirkungsweise der Drehstromasynchronmaschine............................................ 81
4.3 Betriebsverhalten der DAsM.............................................................................. 85
4.3.1 Die Leistungsbilanz .............................................................................. 85
4.3.2 Das Drehmoment.................................................................................. 86
4.3.3 Die Ortskurve des Ständerstromes ....................................................... 86
4.3.4 Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.................................................. 91
4.3.5 Das vereinfachte Kreisdiagramm ......................................................... 92
4.4 Der Schleifringläufer mit Vorwiderständen im Läuferkreis .............................. 94
4.5 Anlaßmethode für Kurzschlußläufer .................................................................. 95
VIII Inhaltsverzeichnis
4.6 Drehzahlsteuerung und elektrische Bremsung ................................................... 98
4.7 Zusammenstellung der wichtigsten Beziehungen .............................................. 99
4.8 Beispiele............................................................................................................. 101
5 Drehstrom-Synchronmaschine ............................................................................ ...... 106
5.1 Die Bauarten der Synchronmaschine ................................................................ 106
5.2 Der Aufbau der Innenpolmaschine..................................................................... 107
5.3 Die Wirkungsweise der Synchronmaschine ....................................................... 108
5.3.1 Der Synchrongenerator ........................................................................ 109
5.3.2 Der Synchronmotor .............................................................................. 112
5.4 Das Betriebsverhalten der Synchronmaschine......................................................... 113
5.4.1 Die Ortskurve des Ständerstromes ....................................................... 113
5.4.2 Das Drehmoment .................................................................................. 118
5.4.3 Anlauf von Synchronmotoren............................................................... 119
5.4.4 Der Synchronisierungsvorgang............................................................. 119
5.5 Zusammenstellung der wichtigsten Beziehungen ............................................. 120
5.6 Beispiele............................................................................................................. 121
6 Wechselstrommaschinen ............................................................................................. 126
6.1 Die Einphasen-Reihenschlußmaschine............................................................... 126
6.2 Die Einphasen-Asynchronmaschine .................................................................. 127
6.3 Die Einphasen-Synchronmaschine..................................................................... 128
7 Elektronische Antriebstechnik ................................................................................... 130
7.1 Einführung.......................................................................................................... 130
7.2 Bauelemente der Leistungselektronik ................................................................ 131
7.2.1 Dioden .................................................................................................. 131
7.2.2 Thyristoren............................................................................................ 133
7.2.3 Schutz der Dioden und Thyristoren ...................................................... 134
7.2.4 SIPMOS-Transistoren........................................................................... 135
7.2.5 IGBT..................................................................................................... 136
7.3 Betrachtungen der Leistungselektronik .............................................................. 138
7.3.1 Gleichrichterschaltungen ...................................................................... 138
7.3.2 Ungesteuerte Gleichrichter ................................................................... 139
7.3.2.1 Einpulsgleichrichter ............................................................. 139
7.3.2.2 Zweipulsgleichrichter (M2, B2)........................................... 140
7.2.3.3 Dreipulsmittelpunktschaltung (M3)..................................... 141
7.3.2.4 Drehstrombrückenschaltung (B6)........................................ 143
7.3.3 Gesteuerte Gleichrichter ....................................................................... 144
7.3.3.1 Thyristor im Halbwellenbereich .......................................... 144
Inhaltsverzeichnis IX
7.3.3.2 Gesteuerter Einweggleichrichter bei
ohmsch-induktiver Last ....................................................... 145
7.3.3.3 Gesteuerter Brückengleichrichter bei
induktiv-ohmscher Last ....................................................... 146
7.3.3.4 Gesteuerte Dreipulsmiuelpunktschaltung bei
induktiv-ohmscher Last ....................................................... 149
7.3.3.5 Gesteuerte Drehstrombrückenschaltung bei
induktiv-ohmscher Last ....................................................... 152
7.4 Übersicht Elektronische Antriebstechnik........................................................... 153
7.5 Elektronische Steuerung von GS-Maschinen..................................................... 156
7.5.1 GS-Maschinen am AC-Netz ................................................................. 158
7.5.1.1 Anlassen von Gleichstrom-Motoren über Stromrichter ....... 158
7.5.1.2 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommaschinen................... 160
7.5.2 GS-MaschinenamDC-Netz ................................................................. 165
7.5.3 BeispieIaufgaben ............................. ..................................................... 170
7.6 Elektronische Steuerung von Drehstrom-Asynchron-Motoren.......................... 172
7.6.1 Allgemeines .......................................................................................... 172
7.6.2 Steuerung der Ständerspannung... ......................................................... 173
7.6.3 Beeinflussung der Läufergrößen........................................................... 175
7.6.4 Drehzahlsteuerung mit elektronischer Frequenzverstellung ................. 178
7.6.4.1 Zwischenkreis-Umrichter .................................................... 180
7.6.4.1.1 Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) .... 181
7.6.4.1.2 Spannungszwischenkreisumrichter ..................... 183
7.6.4.2 Direktumrichter.................................................................... 187
7.6.5 Beispielaufgaben .................................................................................. 188
8 Ansteuerungen ............................................................................................................. 191
9 Repetitorium.................. .............................................................................................. 197
9.1 Verständnisfragen .............................................................................................. 197
9.2 Übungsaufgaben................................................................................................. 205
Anhang A Lösungen zu den Aufgaben .................... .......................... ........................... 210
Anhang B Kennzeichnung der Anschlüsse elektrischer Betriebsmittel.................... 213
Sachwortverzeichnis .......................................................................................................... 214
Einführung
Alle elektrischen Maschinen, ob Motoren, Generatoren oder auch Transformatoren,
kann man unter dem Sammelbegriff elektro-magnetische Energiewandler zusammen
fassen.
Als Motoren dienen sie der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, indem
sie dem Netz elektrische Energie (Spannung X Strom X Zeit) entziehen und an ihrer Welle
mechanische Energie (Drehmoment) bereitstellen, die dann zur Fortbewegung von Fahr
zeugen oder zum Betreiben von Werkzeugmaschinen genutzt wird.
Bei den Generatoren verläuft der Vorgang umgekehrt; sie nehmen mechanische Energie
auf, d. h. sie müssen angetrieben werden, - z. B. durch Dieselmotor, Dampf-, Wind-oder
Wasserturbine -, und wandeln diese Energie um in elektrische Energie, die in Form von
Spannung und Strom zur Verfügung steht, solange der Generator angetrieben wird.
Der Transformator ist eine ruhende elektrische Maschine, die elektrische Energie auf
elektro-magnetischem Wege wieder in elektrische Energie umwandelt. Er findet seinen
Einsatz dort, wo Wechselstromleistung mit gegebener Spannung in Wechselstromleistung
mit einer anderen Spannung aber gleicher Frequenz bereitgestellt werden muß.
Ihre breite Anwendung verdanken alle elektrischen Maschinen dem hohen Wirkungsgrad
bei der Energieumwandlung; d. h. der größte Teil der aufgenommenen Energie wird als
Nutzenergie wieder abgegeben und nur ein geringer Prozentsatz geht in Form von Wärme
verloren.
Unabhängig von diesem fUr den Anwender direkt wirksamen Vorteil ist es aus energie
wirtschaftlicher Sicht notwendig, die fossilen Primärenergieträger, wie Kohle und Erdöl,
an dem Ort zu verbrauchen, wo dies mit dem besten Wirkungsgrad erfolgen kann, d. h.
möglichst in Großkraftwerken zur Elektrizitätserzeugung, um dann dem Endverbraucher
die Energie in Form von elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen.
Es gibt eine Reihe weiterer Gründe für die bevorzugte Anwendung der elektrischen
Maschinen in Industrie, Gewerbe, Haushalt und Büro:
Bedienbarkeit und Sauberkeit:
Auch große Maschinen können durch einen einzigen Knopfdruck betrieben werden;
der Benutzer benötigt keinerlei Fachwissen zur Bedienung. Umweltverschmutzung
tritt nicht auf.
Betriebssicherheit:
Elektrische Maschinen sind nur in sehr geringem Maße störanfällig. Im Gegensatz zu
Verbrennungskraftmaschinen können sie kurzzeitig höher überlastet werden und
geben auch im Stillstand ein noch nennenswertes Drehmoment ab.
Betriebsbereitschaft:
Maschinen bis zu mehreren Megawatt (ca. 5 MW) mit selbsttätiger Schmierung können
jederzeit ohne Vorbereitung eingeschaltet und belastet werden.
K. Fuest et al., Elektrische Maschinen und Antriebe
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2000
2 Einführung
- Anpassung an die Arbeitsmaschine:
Aufstellmöglichkeit in jeder Lage und einfache konstruktive Anpassung an die Arbeits
maschine durch Verwendung von Ein- oder Anbaumotoren lassen Fundamente über
flüssig werden. Das unterschiedliche Drehmoment-Drehzahlverhalten der verschiedenen
Arten von elektrischen Maschinen erleichtert die Anpassung im Drehmomentbedarf.
Geräuscharmer und erschütterungsfreier Lauf.
Nach ihrer Wirkungsweise lassen sich die elektrischen Maschinen in folgende Gruppen
einteilen:
Transformatoren
- Gleichstrommaschinen
- Drehstrommaschinen
- Wechselstrommaschinen
Als wichtigste Typen sollen genannt werden für die Gruppe der
Transformatoren
- Einphasentransformator
- Drehstromtransformator
Gleichstrommaschinen
- Gleichstrom-Nebenschlußmaschine
- Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
- Gleichstrom-Doppelschlußmaschine
Drehstrommaschinen
- Drehstrom-Asynchronmaschine
- Drehstrom-Synchronmaschine
Wechselstrommaschinen
- Einphasen-Asynchronmotor
- Einphasen-Reihenschlußmotor
- Einphasen-Synchronmotor
Die fortschreitende Automatisierung verlangt Antriebe mit großem Drehzahlsteuerbereich
und guten Regeleigenschaften. Obwohl im allgemeinen keine Gleichstromnetze zur Verfü
gung stehen, werden vorwiegend Gleichstrom-Nebenschlußmotoren und -Doppelschluß
motoren eingesetzt, da sie für die vorher genannten Forderungen besonders gut geeignet
sind und sich eine Einspeisung über steuerbare Stromrichter preiswert realisieren läßt.
Für den Antrieb elektrisch betriebener Fahrzeuge verwendet man Gleichstrom- und Ein
phasen-Reihenschlußmotoren, z. B. in Straßenbahnen (meist Gleichstrom) und E-Loko
motiven (meist Wechselstrom, neuerdings Drehstromasynchronmotoren). Einphasen
Reihenschlußmotoren trifft man auch in Elektrowerkzeugen und Haushaltsmaschinen
an; ebenfalls den Einphasen-Asynchronmotor (Waschmaschine). Einphasen-Synchron
motoren dienen aufgrund ihrer konstanten Drehzahl als Antrieb für Tonband- und Plat
tenspieler und als Kleinstmotoren in Programmschaltwerken.
Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der am weitesten verbreitete Elektromotor. Dank
seines einfachen und robusten Aufbaus ist er unempfindlich gegen überbelastung und
äußerst wartungsarm, so daß bei einer Antriebsplanung zuerst die Möglichkeit des Ein-