Kurzes Lehrbuch der Elektrotechnik

565 Pages·1914·76.125 MB·German

by  Dr. Adolf Thomälen (auth.)

Kurzes Lehrbuch
der
Elektrotechnik
Von
Dr. Adolf rrhomälen
Elektroingenieur
Sechste, verbesserte Auflage
.Mit 427 in den Text gedruckten Figuren
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1914
Alle Rechte, insbesondere das der
Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
ISBN 978-3-662-23406-8 ISBN 978-3-662-25458-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-25458-5
Aus dem Vo rwort zur ersten Auflage.
Das vorliegende "Kurze Lehrbuch der Elektrotechnik" steht in der
Mitte zwischen den allgemein verständlichen Darstellungen und den Spezial
werken. Es will den Studierenden nicht bloß mit den Erscheinungen auf
dem Gebiete der Elektrotechnik bekannt machen, sondern ihn auch zum
"elektrotechnischen Denken" erziehen, d. h. ihm die Vorstellungen und
Anschauungen aneignen, mit deren Hilfe er ~ich die Erscheinungen auf
dem Gebiete der Elektrotechnik erklären kann. Endlich will das vor
liegende Werk den Studierenden in den Stand setzen, die Wirkungsweise
der elektrischen Maschinen auf rechnerischem und zeichnerischem Wege
zu verfolgen. Dabei Rind die Rechnungen möglichst einfach gehalten und
von der höheren Mathematik nur die Anfangsgründe zu Hilfe genommen.
Um den erwähnten Zweck zu erreichen, mußte das Beschreiben
sowie das Eingehen auf Einzelheiten der Ausführung verhältnismäßig
zurücktreten. Das konnte um so mehr geschehen, als wir eine Reihe
von hervorragenden Werken beschreibender und konstruktiver Natur über
Elektrotechnik besitzen.
Altenburg (S.-A.), im Mai 1903.
Vo rwort zur sechsten Auflage.
Die vorliegende sechste Auflage enthält neue Abschnitte über den
Einschaltvorgang bei Transformatoren, die doppelt verkettete Streuung
von Drehstrommotoren und über Phasenkompensierung und Stabilisierung
des DrehstromreihimschIußmotors.
Bei den Gleichstrommaschinen wurde die Bedingung für vollkommene
Kommutierung in einfacher Weise formuliert und das Einschalten größerer
Motoren ohne Anlaßwiderstand behandelt. Die Abschnitte über Gleich
stromwicklungen wurden gekürzt.
Die Darstellung der Kr ä m ersehen Maschine wurde neu aufge
nommen und mit der Beschreibung der Rosenberg-Maschinezu einem
besonderen Abschnitt über Maschinen für konstante Stromstärke zusammen
gesetzt.
IV Vorwort.
Die Ausführungen über Induktionsregler in Abschnitt 83 wurden
erweitert. In Abschnitt 88 über die Streuung von Transformatoren wurde
der Anteil des Streuflusses am Gesamtkraftfluß bei den verschiedenen
Betriebszuständen untersucht.
Abschnitt 101 über das Verhalten der Wechselstrommaschine mit
konstanter Erregung und Klemmenspannung wurde umgearbeitet und ge
kürzt. In dem entsprechend bearbeiteten Abschnitt 108 über Synchron
motoren wurde eine zusammenfassende Darstellung der Wechselstrom
maschine als Generator und Motor gegeben.
In Abschnitt 105 über das Pendeln von Wechselstrommaschinen
wurden die Ableitungen über den Einfluß der Dämpfung etwas erweitert.
In dem Bemühen, die Darstellung so kurz wie möglich zu fassen, scheinen
hier die früheren Auflagen etwas zu weit gegangen zu sein.
Im Abschnitt über genaue Berechnung der elektromotorischen Kraft
von Drehstrommotoren wurden Text und Figur deutlicher gehalten.
Die einfache planimetrische Abteilung des genauen Heylandschen
Kreises ist beibehalten, jedoch ist die Umkehrung des Drehsinnes der
Vektoren, die mit Recht beanstandet werden kann, vermieden.
In den Abschnitten 126 und 127 wurden die Diagramme, die etwas
unvorsichtig als "bequemste Form des Heylandschen Kreises" bezeichnet
waren, vereinfacht (vergl. ETZ 1912, S. 1194).
Beim Drehstrom-Reihenschlußmotor wurde das von Binder gegebene
Diagramm berücksichtigt und die Gleichungen für das Drehmoment und die
Leistung abgeleitet
Eine wesentliche Neuerung ist die Änderung des Drehsinnes der
Vektoren, entsprechend dem Beschluß der Internationalen elektrotechnischen
Kommission. Diese nicht ganz schmerzlose Operation erschien deswegen
erforderlich, weil die Drehung der Vektoren im Sinne des Uhrzeigers, die
der in der Mathematik getroffenen Festsetzung widerspricht und auch
zu Unzuträglichkeiten in den analytischen Ableitungen führt, niemals
allgemein angenommen werden wird. Will man also Einheitlichkeit
schaffen, so kann dies mit einiger Aussicht auf Erfolg nur dadurch
geschehen, daß der Drehsinn der Vektoren entgegen dem Uhrzeiger fest
gesetzt wird. Die Erleichterung, die durch eine solche einheitliche Dar
stellung geschaffen wird, ist derartig groß, daß dagegen alle Sonder
rücksichten verschwinden müssen. Von der Einführung der Zeitlinie muß
aber nunmehr abgesehen werden. Um nämlich dieselben Figuren zu er
halten wie bei drehenden Vektoren, müßte man die Zeitlinie im Sinne des
Uhrzeigers rotieren lassen, wodurch sich aber Schwierigkeiten bei der
Definition der Phase eines Vektors ergeben.
Schlachtensee, im März 1914.
Ad. Thomälell.
Inhaltsverzeichnis.
Erstes Kapitel.
Seite
1. Der elektrische Strom· . 1
2. Die elektromotorische Kraft . . . . 3
3. Das 0 h m sche Gesetz . . . . . . . 5
4. Die Abhängigkeit des Widerstandes vom Material, Querschnitt, Länge
und Temperatur des Leiters . . . . . . . . . . 9
5. Die Kirchhoffschen Regeln . . . . . . . . . 11
6. Widerstand und Stromverteilung bei einer Schleife 14
7. Reihen- und Parallelschaltung von Elementen 17
8. Die Wheatstonesche Brücke· . . . . . 19
9. Spannungsmessung durch Kompensation . . 21
10. Elektrische Arbeit und elektrische Leistung 22
11. Die Potentialdifferenz· . . . . . . . . . 25
12. Die Effektverluste durch Joulesche Wärme· 27
Zweites Kapitel.
13. Die chemischen Vorgänge bei der Elektrolyse 30
14. Die Gewichtsverhältnisse bei der Elektrolyse· 33
15. Die Polarisation . . . . . . . . . . . 36
16. Die Akkumulatoren . . . . . . . . . . 40
17. Die chemischen Vorgänge in Elementen· 43
18. Die Voltameter· . . . . . . . . 46
Drittes Kapitel.
19. Die magnetische Polstärke . . 48
20. Die magnetische Feldstärke . 49
21. Die magnetischen Kraftlinien 51
22. Das magnetische Potential· 53
23. Eisen im magnetischen Feld . 56
24. Der Erdmagnetismus . . . . 58
Viertes Kapitel.
25. Magnetische Wirkung des elektrischen Stromes 59
26. Die elektromotorische Kraft der Induktion . 63
27. Mechanische und elektrische Arbeit . . . . 67
28. Die Feldstärke innerhalb einer Schleife . . 70
29. Das Linienintegral der magnetischen Kraft 72
30. Die Magnetisierungskurven 73
31. Der magnetische Widerstand· 78
32. Die Selbstinduktion . . . . 84
33. Die gegenseitige Induktion· . 90
34. Die Hysteresis . . . . . . . 93
35. Arbeitsleistung eines Elektromagneten 96
36. Wirbelströme ......... . . 99
VI
Inhaltsverzeichnis.
Fünftes Kapitel. Seite
37. Die Einheit der Länge, Masse und Zeit im absoluten Maßsystem 102
38. Dimension und Einheit der Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft 103
39. Dimension und Einheit der Polstärke, Feldstärke und Kraftlinienzahl . 106
40. Dimension und Einheit für elektromotorische Kraft, Stromstärke, Elektri-
zitätsmenge und Widerstand . . . . . . . . . . . . . 108
41. Dimension und Einheit für Arbeit, Wärme und Leistung 110
42 Dimension und Einheit der Induktivität und Kapazität 112
Sechstes Kapitel.
43. Doppel-T-Anker mit zweiteiligem Kommutator 114
44. Zweipolige Ringwicklung 116
45. Zweipolige Trommelwicklung . . 119
46. Ringanker mit Parallelwicklung . 124
47. Trommel mit Parallelwicklung 127
48. Ring mit Reihenwicklung 132
49. Trommel mit Reihenwicklung . 135
50. Reihen-Parallelwicklung . . . 139
Siebentes Kapitel.
51 Die Erregung der Dynamomaschinen. 145
52. Die Feldmagnete . . . . . . . . . . . . . 149
53. Die Bürstenstellung . . . . . . . . . . . . 152
54. Die Ankerrückwirkung und Quermagnetisierung . 154
55. Funkenfreie Kommutierung· . . . . . . . . 158
56. Spannungsteilung . . . . . . . . . . . . . . 168
Achtes Kapitel.
57. Die fremderregte Maschine bei Veränderung der Drehzahl, Erregung und
Belastung ....................... 171
58. Die Hauptstrommaschine bei Veränderung der Belastung· . . 178
59. Die Nebenschlußmaschine und Compoundmaschine im Betriebe . 180
60. Batterie und Maschine in Parallelschaltung' . 185
61. Maschinen für konstante Stromstärke· . . . . 193
62. Der Wirkungsgrad der Nebenschlußmaschinen . 196
Neuntes Kapitel.
63. Drehrichtung der Motoren . . . . . . . . . . . . . . . 202
64. Drehmoment, Drehzahl und Leistung des Gleichstrommotors 206
65. Der Nebenschlußmotor . . . . . . . . . . 210
66. Anlassen und Regeln des Nebenschlußmotors 213
67. Wirkungsweise der Hauptstrommotoren 224
68. Beispiel ............. . 228
69. Die Regelung von Hauptstrommotoren . 231
Zehntes Kapitel.
70. Der Augenblickswert der induzierten elektromotorischen Kraft 236
71. Der elektrolytische Mittelwert der Stromstärke 241
72. Die mittlere Leistung des Wechselstromes . . . 242
73. Das Vektordiagramm . . . . . . . . . . . . . 246
74. Die elektromotorische Kraft der Selbstinduktion· 253
75. Das Ohmsche Gesetz für Wechselstrom .... 257
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
76. Ohmsche und induktive Widerstände in Reihenschaltung. 263
77. Ohmsche und induktive Widerstände in Parallelschaltung 265
78. Die Leistung des Wechselstromes bei Phasenverschiebung· 266
79. Die Kapazitätsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 273
80. Kapazität und Ohm scher Widerstand in Reihenschaltung' 275
81. Das vollständige Ohmsche Gesetz für Wechselstrom 277
82. Selbstinduktion und Kapazität in Parallelschaltung· 279
Elftes Kapitel.
83. Die elektromotorischen Kräfte im Transformator 281
84. Der Magnetisierungsstrom . . . . . . . . . . 284
85. Der Hysterel:!isstrom ..... . . . . . . . 286
86. Der Transformator bei induktionsloser Belastung· 290
87. Der Transformator bei induktiver Belastung· . 297
88. Berücksichtigung der Streuung ....... 300
89. Vorgang beim Einschalten von Transformatoren 306
Zwölftes Kapitel.
90. Aufbau der Synchronmaschinen ............. . . . . 310
91. Die elektromotorische Kraft bei sinusförmigem Feld . . . . . . . . 313
92. Die elektromotorische Kraft bei bestimmter Polbreite und Nutenwicklung 315
93. Die elektromotorische Kraft bei bestimmter Polbreite und glatter Anker
wicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Dreizehntes Kapitel.
94. Das Spannungsdiagramm der Wechselstrommaschine 322
95. Die Kraftllüsse der Wechselstrommaschine 326
96. Das Diagramm der Amperewindungen 328
97. Berechnung der Statorrückwirkung . . . . 330
98. Ermittelung der Statorrückwirkung und Statorstreuung durch den Versuch 333
99. Vorausbestimmung der Erregung und des Spannungsabfalls 335
100. Berücksichtigung der primären Streuung . . . . . . . . . . . . . 337
Vierzehntes Kapit~l.
101. Die Wechselstrommaschine mit konstanter Erregung u. Klemmenspannung 341
102. Vie synchronisierende Kraft der Wechselstrommaschine . 344
103. Das Parallelschalten der Wechselstrommaschinen . . . . 348
l04. Die Wechselstrommaschine bei Änderung der Erregung. 352
105. Das Pendeln von Wechselstrommaschinen . . . . . . 358
106. Selbsttätige Spannungsregelung und Compoundierung. 365
Fünfzehntes Kapitel.
107. Synchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
108. Der Synchronmotor bei kon8tanter Erregung und Klemmenspannung . 372
109. Der Synchronmotor bei konstanter Belastung und veränderter Erregung 378
Sechzehntes Kapitel.
110. Die Entstehung des Drehfeldes beim Dreiphasenmotor 381
111. Die Dreieckschaltung . . . . . . . 384
112. Die Sternschaltung . . . . . . . . 387
113. Die Leistung des Dreiphasenstromes 391
114. Wirkungsweise des Rotors· . . . . 395
VIII Inhaltsverzeichnis.
Siebzehntes Kapitel. Seite
115. Die verteilten Wicklungen· . . . . . . . . 399
116. Die Kraftlinienzahl der Dreiphasenmaschinen 403
117. Berücksichtigung des Eisenwiderstandes . 409
118. Das Drehmoment des Drehstrommotors . . . 413
119. Berechnung der Schlüpfung . . . . . . . . 416
120. Genaue Berechnung der elektromotorischen Kraft 420
Achtzehntes Kapitel.
121. Rotorstrom, Drehmoment und Leistung des streuungslosen Motors in
ihrer Abhängigkeit von der Schlüpfung . . . . . . . . . . 425
122. Das Kreisdiagramm des Drehstrommotors . . . . . . . . . ." 429
123. Die auf den Rotor übertragene Leistung, das Drehmoment und die
Schlüpfung nach dem Kreisdiagramm .............. 435
124. Leistungsfaktor, normale Belastung, Anzugsmoment und größtes Dreh-
moment . . . . . . . . . . . . . . 438
125. Das genaue Heylandsche Diagramm 440
126. Bequemste Form des Kreisdiagramms . 444
127. Praktisches Beispiel. . . . . . 447
128. Der Streuungsfaktor .. . . . 450
129. Die doppelt verkettete Streuung 458
Neunzehntes Kapitel.
130. Die Zerlegung der Wechselerregung des Einphasenmotors in rotierende
Erregungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 462
131. Das Kreisdiagramm des Einphasenmotors . . . . . . . . . .. 465
132. Das Kreisdiagramm des Einphasenmotors auf Grund der Theorie des
Querkraftflusses .. . . . . . . . . . . . . . ., 468
Zwanzigstes Kapitel.
133. Einphasige Kommutatoren . . . . . . . 472
134. Der Reihenschlußmotor für Wechselstrom . 476
135. Der Repulsionsmotor . . . . . . . . . . 480
136. Der Eichberg-Motor und Latour-Motor 486
137. Doppelschlußmotoren .. . . . . . . . . 494
Einundzwanzigstes Kapitel.
138. Der Drehstrom·Kollektormotor . . . . . . . . . . 500
139. Das Spannungsdiagramm des Drehstrom-Reihenschlußmotors 503
140. Das Stromdiagramm des Drehstrom-Reihenschlußmotors . . 509
141. Kompensierung und Stabilisierung des Drehstrom-Reihenschlußmotors 510
142. Drehstrom-Regelsätze mit Hintermotor . . . . . . . 513
143. Drehstrom-Regelsatz mit Frequenzwandler . . . . . . . . . . . . . 516
Zweiundzwanzigstes Kapitel.
144. Allgemeine Wirknngsweise des Einankerumformers . 519
145. Spannungsregelung beim Einankerumformer 522
146. Der Effektverlust im Einankerumformer . . . . . . 525
147. Der Kaskadenumformer . . . . . . . . . . . . . 529
Anhang. Die symbolische Darstellung von Wechselstromgrößen 531
Bezeichnnngen 541
Sachregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Erstes Kapitel.
1. Der elektrische Strom. - 2. Die elektromotorische Kraft. - 3. Das Ohmsche Gesetz.-
4. Die Abhängigkeit des Widerstandes vom Material, Querschnitt, Länge und Temperatur
des Leiters. - 5. Die Klrchhoffschen Regeln. - 6. . Widerstand und Stromverteilung
bei einer Schleife. - 7. Reihen- und Parallelschaltung von Elementen. - 8. Die Wheat
stonesche Brücke. - 9. Spannungsmessung durch Kompensation. - 10. Elektrische Arbeit
und elektrische Leitung. - 11. Die Potentialdifferenz. - 12. Die Effektverluste durch
Joulesche Wärme.
1. Der elektrische Strom.
Wir schreiben die Erhitzung der Leuchtfäden der Glühlampen, die
Arbeitsleistung des Elektromotors, die }ilagnetisiernng des Eisens im Elektro
magneten, die Zersetzung von Flüssigkeiten usw. der Wirkung des elek
trischen Stromes zu.
Die Elektrizität, mit der man es hier zu tun hat, ist ihrem Wesen
nach dieselbe wie die statische oder Reibungselektrizität. Es empfiehlt
sich daher, von der statischen Elektrizität auszugehen. Eine mit Seide
geriebene Glasstange zeigt sich elektrisch, d. h. sie zieht kleine, leichte
Körper an. Ebenso wird eine mit Wolle geriebene Harzstange .elektrisch,
aber entgegengesetzt wie die Glasstange. Dieser Gegensatz besteht vor
allem darin, daß Glas- und Harzelektrizität sich gegenseitig neutralisieren,
d. h. daß zwei Körper, die mit Glas- und Harzelektrizität in gleicher
Menge geladen sind, bei gegenseitiger Berührung unelektrisch werden.
Infolgedessen hat man die Glaselektrizität positiv, die Harzelektrizität
negativ genannt. Der Ausgleich zwischen beiden erfolgt in derselben
'Weise, wie der Ausgleich zwischen Wärme und Kälte oder zwischen Über
druck und Unterdruck. Ähnlich wie das Wasser vom höheren zum
niederen Niveau fließt, oder wie nach unserer Vorstellung die Wärme vom
heißen auf den kalten Körper überströmt, fließt auch die Elektrizität vom
höheren, positiven Niveau zum niederen, negativen Niveau. Dieser Aus
gleich wird der elektrische Strom genannt. Dabei ist es gleichgültig, ob
sich der Ausgleich zwischen zwei Metallkugeln vollzieht, die mit un
gleichnamiger Elektrizitä.t statisch geladen sind oder zwischen den
Klemmen eines Elementes bezw. einer Dynamomaschine.
Indessen muß der Unterschie'd zwischen der Reibungselektrizität und
der durch Elemente oder Dynamomaschinen erzeugten strömenden Elek
trizität ins Auge gefaßt werden. Auf der einen Seite ist die Elektri
zi tätsmenge, die beispielsweise auf einer Leydener Flasche gesammelt
und durch den Funken zur Entladung gebracht wird, verschwindend gering
gegenüber der Menge, die in kurz'er Zeit von einem Daniellelement geliefert
wird, oder gar gegenüber der Elektrizität, die während eines Tages durch
das Kabelnetz einer Stadt fließt. Auf der andern Seite ist die Spannung,
Thomälen, Elektrotechnik. 6. Auf!. 1