Table Of ContentDie synchronen
Wechselstrommaschinen.
Generatorell, Motorell und U mformer.
Ihre Theorie, Konstruktion, Berechnung
und Arbeitsweise.
Von
E. Arnold und J. L. la Cour.
Zweite, vollstandig umgearbeitete Auflage.
Mit 530 Textfiguren und 18 Tafeln.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1913
ISBN 978-3-642-88977-6 ISBN 978-3-642-90832-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-90832-3
Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 1913
Aile Rechte, insbesondere das der
Ubersetznng in fremde Sprachen, vorbehalten.
Vorwort.
Die vorliegende zweite Auflage der synchronen Wechselstrom
maschinen erscheint leider ein Jahr nach dem Tode des Geh. Hof
rats Prof. Dr.-Ing. E. Arnold. Das Manuskript dieses Bandes der
Wechselstromtechnik wurde noch vom Geh. Hofrat Arnold und
unter seiner Leitung ausgearbeitet und war bei seinem Ableben
fast vollstăndig druckfertig.
Seit dem Erscheinen der ersten Auflage ist der Fortschritt auf
dem Gebiete der Synchronmaschinen ein stetiger gewesen; el' ist
ohne bedeutimde Umwălzungen vor sich gegangen.
Mit um so mehr FleiJ3 wurde an dem weiteren Ausbau der
Theorie gearbeitet, die vieI zur vollstăndigeren KIărung der kom
plizierten physikalischen Vorgănge und Erscheinungen in Wechsel
strommaschinen beigetragen hat, so daJ3 eine gen au ere Ubereinstim
mung zwischen gerechneten und gemessenen GroJ3en moglich wurde.
Die Einteilung des Stoffes brauchte daher nicht wesentlich ge
ăndert zu werden; es war abel' notig, viele Abschnitte zu ergănzen
und einige neue hinzuzufUgen.
So erschien eine ausfUhrliche Behandlung der Ankerruckwirkung
der Einphasenmaschinen erwunscht, was an Hand der Zerlegung
des inversen Drehfeldes in zwei Wechselfelder, ein Lăngsfeld und
ein Querfeld, inoglich wurde.
Wegen der immer zunebmenden Bedeutung' der Turbogenera
toren war eine genaue Behandlung der Vollpolmaschinen geboten.
Dementsprechend sind in einem besonderen Kapitel die Ankerruck
wirkung, die Spannungsănderung und die Feldamperewindungen
dieser Maschinen analytisch und graphisch ausfiihrlich verfolgt, und
in dem Kapitel uber Vorausberechnung ist den Turborotoren ein
besonderer Abschnitt gewidmet. Auch wurde ein ausgefUhrter
groJ3erer Turbogenerator mit Vollpolen durchgerechnet, und bei der
Behandlung der konstruktiven AusfUhrung der Wechselstrom
maschinen die Konstruktion der 'rurbogeneratoren entsprechencl
berucksichtigt.
VI Vorwort.
Die Kompoundierungsanordnungen wurden systematisch zu
sammengestellt; in vielen Făllen konnte eine wesentlich klirzere
Darstellung gewăhlt werden, als in der ersten Auflage, weil die
Kompoundierungsanordnungen den damals an sie gestellten Er
wartungen, die Herstellung von billigeren Generatoren mit gro13er
Ankerbelastung zu ermoglichen, nicht entsprochen haben. Da die
Erfahrung gezeigt .hat, da13 die elektromechanischen Regulatoren im
allgemeinen eine befriedigende Losung des Problemes bieten, schien
es wlinschenswert, in dem Kapitel liber selbsttătige Regulierung
der Wechselstrommaschinen die elektromechanischen Regulatoren
aufzunehmen, was durch die freundliche Mitarbeit des Herrn Prof.
Dr. A. Schwaiger moglich wurde.
Eine Erweiterung erfuhr auch das Kapitel liber Pendelerschei
nungen, besonders hinsichtlich der Berechnung des Drehmoments
der Dămpferwicklungen und der Untersuchung der freien Schwin
gungen der Maschinen im Par!111elbetrieb.
Schon im Vorwort der zweiten Auflage des dritten Bandes
wurde auf die starken mechanischen Beanspruchungen der Wick
lungen bei plOtzlichen StromsW13en und Kurzschllissen hingewiesen.
Ein neues Kapitel liber Kurzschlu13erscheinungen der synchronen
Wechselstrommaschinen wurde notig, in dem die physikalischen
Vorgănge bei plOtzlichen Kurzschlussen ausftihrlich erlăutert und
die Wicklungs beanspruchungen zahlenmă13ig verfolgt sind.
Bei der Behandlung der Verluste und des Wirkungsgrades von
Wechselstrommaschinen fanden die Lagerstrome entsprechende Be
rucksichtigung.
Einen gro13en Fortschritt weisen die Einankerumformer seit
dem Erscheinen der ersten Auflage dieses Bandes auf; den Er
fahrungen des modernen Maschinenbaues mit raschlaufenden Ma
schinen mit hohen Umfangsgeschwindig·keiten ist es zu verdanken,
daB auch die Ausftihrung hochperiodiger Einankerumformer mit
verhăltnismăBig kleiner Polzahl und entsprechend hoher Tourenzahl,
unter Verwendung von Wendepolen, moglich wurde. Dadurch er
langte das Kommutierungsproblem eine groBere Bedeutung; eine
ausflihrliche Behundlung desselben mit besonderer Berucksichtigung
der Wendepole wurde daher erforderlich.
Als Neuerung auf dem Gebiete der Umformer ist der Spaltpol
umformer zu verzeichnen; er gelangte bis jetzt in Europa nicht
zur Ausftihrung und scheint keine sehr gro13e Zukunft zu haben,
so duB eine ausftihrliche Darstellung nicht gerechtfertigt erschien.
Auch die Drehfeldumformer, die keine wesentliche praktische Be
deutung erI an gen konnten, sind nur kurz behandelt.
Vorwort. VII
Dureh viele Beispiele ausgefUhrter :Masehinen ist die Voraus
bereehnung und die Konstruktion der synehronen Weehselstrom
generatoren und Motoren und der Einankerumformer besonders
fUr den Anfănger wesentIieh erleiehtert.
Wir spreehen allen Firmen, sowie Herrn Oberingenieur F. Sie
bel' , die uns wertvolles Material zur VerfUgung stellten, unseren
besten Dank aus.
InfoIge des unerwarteten Ablebens des Herausgebers fieI mir
die Dberwaehung der FertigstelIung des Buehes zu, und in dieser
Arbeit hat Herr Privatdozent Dr.-Ing. H. S. Hallo mir in dankens
werter Weise zur Seite gestanden. Wegen der Herausgabe des
dritten und fiinften (Teil II) Bandes der Weehselstromteehnik konnte
die FertigsteIlung des vorliegenden Bandes erst jetzt erfoIgen.
An der Bearbeitung und der Drueklegung der Neuauflage
haben im ersten Teile die Herren Dipl.-Ing. M. Liwsehitz und
Dr.-Ing. W. O. Sehumann und im zweiten Teile des Buehes Herr
Privatdozent Dr.-Ing. H. S. Hallo teilgenommen. Herr Dipl.-Ing.
W. Gerhartz iiberwaehte die FertigsteIlung der Zeiehnungen.
Ieh moehte nieht verfehlen, aueh an dieser Stelle diesen Herren,
die dureh ihre wertvolle Mitarbeit das Erseheinen dieses Bandes
gefOrdert haben, meinen verpindIiehsten Dank auszuspreehen.
Vesterăs, im November 1912.
J. L. la Cour.
Inhaltsverzeichnis.
Erster TeU.
Die synchronen Generatoren und Motoren.
Erstes Kapitel.
Die Ankerriickwirkung.
Seite
1. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Allgemeines uber die Ankerriickwirkung. . . . . . . . . . . . . 4
3. Ankerriickwirkung einer Mehrphasenmaschine mit ausgeprăgten Polen 5
4. Der AnkerstreufluJ.l PSl und die von ihm induzierte EMK ESl • • • 8
5. Die magnetomotorische Kraft des Ankerstromes 20
6. Zerlegung des synchronen Drehfeldes in ein quer- und ein Iăngs·
magnetisierendes Drehfeld . . . . . . _. ....•. 27
7. Berechnung des Iăngs- und quermagnetisierenden Kraftflusses PS2
und PS3 bzw. der EMKe Es~ und Esa . 29
8. Ankerruckwirkung der Einphasenmaschine . . . . 35
9. Analytische Theorie . . . . . . . . . . . . . . 35
10. Zerlegung des inversen Drehfeldes in zwei Wechselfelder 40
11. Mittel zur Dămpfung des inversen Drehfeldes 46
12. Berechnung der Dămpferwicklung ..... 50
13. Effektiver Widerstand der Statorwicklullg • 52
Zweites Kapitel.
Anderung der Klemmenspannung elnes Generators mit der
Belastung und mit der Tourenzahl.
14. Spannungsdiagramme einer Wechselstrommaschille . . . . . .. 55
15. Spannungsabfall und Spannungserhăhullg eines Generators mit aus-
geprăgten Polen. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
16. Bestimmung der Spannungsănderungen unter Benutzung der Leer-
lallfcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . 60
17. Bestimmung der Spannungsănderungen ohne Benutzung der Leer-
laufcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . 63
18. Spannungsănderung eines Generators bei konstanter Erregung, kon
stantem Belastnngsstrome J nnd verănderlicher Phasenver-
schiebnng (ţJ • • • • • • • • • • • • • • • • • 65
19. Ănderung der Klemmenspannnng mit der Tonrenzahl ...... 66
Drittes Kapitel.
Berechnung der Feldamperewindungen einer Maschine mit
ausgeprăgten Polen.
20. Berechnung der Feldamperewindnngen bei Leerlanf. Leerlauf·
charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
21. Die Berechnllng der Feldstrennng bei Leerlanf. . . . . 87
22. Die Berechnllng der Feldamperewindnngen bei Belastnng . 94
x Inhaltsverzeichnis.
Seite
Viertes Kapitel.
Ankerriickwirkung, Spannnngsănderung und Feldamperewindungen
von Maschinen mit Vollpolen.
23. Die Ankerriickwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . 101
24. Ănderung der Klemmenspannung mit der Bclastnng . . . 104
25. Feldamperewindungen bei Leerlauf. Leerlaufcharakteristik 106
26. Feldamperewindung'lll bei Belastung. . . . . . • . • . . 110
Fiinftes Kapitel.
Charakteristische Kurven eines Wechselstromgenerators.
27. Berechnung der ăuJ3eren Charakteristik 112
28. KurzschluJ3charakteristik . . . . . . 119
29. Belastungscharakteristiken . . . . . . 120
30. Berechnung der Reguliernngskurvcn 121
Sechstes Kapitel.
Die Erregung der synchronen Wechselstrommaschinen.
31. Verschiedene Arten der Erregung. '. . . 125
32. Regulierung der Erregung . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Siebentes Kapitel.
Selbsttătige Regulierung der synchronen Wechselstrommaschinen.
33. Einteilung der Anordnungen zur selbsttătigen Regulierung der syn·
chronen Wechselstrommaschinen . . . . . 129
34. Einteilung der elektromechanischen Regulatoren 130
35. Dia indirekt (mittelbar) wirkenden Regulatoren 131
36. Die direkt wirkenden Regulatoren. . . . . . 136
37. Die Schnellregulatoren . . . . . . . . . . . 139
38. Einteilung der Kompoundierungs[l,nordnungen 149
39. Der Kompoundtransformator . . . . . . . . 150
40. Kommutatoren zum Gleichrichten des Erregerstromes . 154
41. Umformer zum Gleichrichten des Erregerstromes . . . 155
Freilaufender Umformer . . . . . . . . . . . . . . 155
Mechanisch gekuppelter Umformer ........ . 156
Freilaufender Umformer mit Sicherung gegen AuJ3ertrittfallen 157
Drehfeldumformer ' ............. . 157
42. Spezielle Erregermaschincn .. . . . . . . . . . . . 160
Kompoundierungsanordnung von P. Boucherot ... 160
Kompoundierungsanordnung von Hutin und Leblanc 160
43. Ruhende Einrichtungen zum Gleichrichten des Erregerstromes 162
44. Kompoundierung durch Einfiihrung des riickwirkenden Stromes in
die Erregermaschine (kompoundierende Erregermaschine) . 162
45. Besondere Ausbildung der Generatorpole zur Kompoundierung 171
Kompoundierung von E. Arnold . 171
Kompoundierung von M. Walker . . . . . . . . . . . . . . 172
Kompoundierung von A. Heyland 173
46. Einrichtungen zur Beein/lussung der Erregermaschine durch den
Ankerstrom . . . . . . . . 173
Kompoundierung von Parsons. . 173
Kompoundierung van Crompton . 174
Kompoundierung von M. Seidner 174
Achtes Kapitel.
Die Arbeitsweise eines Synchronmotors.
47. Die Synchronmaschine als Motor . . . . • 175
48. Die Arbeitsgleichungen des SYllchronmotors . . • . • 177
Inhaltsverzeichnis. XI
Seite
49. Arbeitsdiagramm des Synchronmotors . . . . . . . . . . . . 181
50. Die synchronisierende Kraft der Synchronmaschino. . . . . . 187
51. EinfluB der Impedanz Z1 und der Erregung auf die Arbeitsweise des
Synchronmotors . . . . . . . . . . . . . 189
.52. Kraftiibertragung mit zwei Synchronmaschinen 194
Neuntes Kapitel.
Die V-Kurven eines Synchronmotors und seine Anwendung
als Phasenregler.
53. Das Stromdiagramm eines Synchronmotors bei konstanter Klemmen-
spannung und konstantem Drehmoment . 195
54. Die V-Kurven der Synchronmaschine 198
.55. Vollstăndiges Diagramm eines Synchronmotors 205
56. Anwendung der Synchronmotoren als Phasenregler . 206
57. Selbsttătige Phasenregler. . . . . . . . . 210
Zehntes Rapitel.
Der EinfJ.uB der variablen Reaktanz auf die Arbeitsweise einer
Synchronmaschine.
58. Spannungsgleichung und Drehmoment der Synchronmaschine bei
Beriicksichtigung der variablen Reaktanz . . . . . . . . . . 214
59. EinfluB der Variation der Re.aktanz auf die Arbeitsweise einer Syn·
chronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
60. EinfluB der Variation der Reaktanz auf uie V-Rurven. . . . . . . 225
61. Die Synchronmaschine ohne Felderregung. (Die Reaktionsmaschine) 228
l!Jlftes Rapitel.
EinfiuB der Form der EMK-Kurven auf die Arbeitsweise
synchroner Maschinen.
62. Die GraBe und Leistul1g der Oberstrame im synchronen Betrieb . 232
63. EinfluB der Oberstrame auf den stabilen Gang der Synchronmotoren 234
Zwalftes Rapitel.
Das ParalIelschalten synchroner Maschinen.
64. Das Zusammenarbeiten mehrerer Maschinen . . 244
65. Das Parallelschalten von Einphasengeneratoren. . 246
66. Das Parallelschalten von Mehrphasengeneratorell . 251
67. Methoden zur Einregulierung der Periodenzahl VOl" UOl" Parallel-
schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
68. Parallelschaltung von Maschillen mit selbsttătiger Regulierung 258
1. Regulierung mittels elektromechanischer Regulatoren 258
II. Kompoundierte Generatoren. . . . . . . . . 260
69. Automatische Parallelschaltung und Synchronisierung 261
70. Das Anlassen von Synchronmotoren. . . . . 270
Dreizehntes Rapitel.
Das Parallelarbeiten synchroner Maschinen.
71. Das Parallelarbeiten mehrerer Generatoren ........... 274
72. EinfluB des Ungleichfarmigkeitsgrades der Geschwindigkeitsregula
toren auf die Belastungsverteilung parallel geschalteter Ge-
neratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
73. Belast.ungsănderung parallel geschalteter Generatoron . . . " 279
74. Stromverteilung parallel geschalteter Generatoren ... . .. 281
75. Die synchronisierenden Rrăfte mehrerer parallel geschalteter Ge-
neratoren . . . • . . . . . . . • • . . . • . . • . . . 284
XII Inhaltsverzeichnis.
Seite
Vierzehntes Kapitel.
Pendelerscheinungen parallel geschalteter Synchronmaschlnen.
Einleltendes.
76. Die Erscheinung des Pendelns und ihre Ursache . . . . . . . . 287
77. Die Ungleichftlrmigkeit des Tangentialdruckgramms der Kraft-
maschine ........................ . 292
78. Der Ungleichftlrmigkeitsgrad und die Winkelabweichung des Schwung-
rades. . . . . . . . . . . . . . .. , ....... . 295
a) Bestimmung des Ungleichftlrmigkeitsgrades aus dem Tangential
druckdiagramm . . . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
b) Berechnung der Winkelabweichung au;' der Kurve der Winkel
geschwindigkeit . . . . . . . .' . . . . . . . . . . . . . . 300
79. Synchronisierende Kraft und synchronisierendes Drehmoment der
Maschine mit konstanter Klemmenspannung und konstanter
Erregung. Die Uberlastungsfăhigkeit. . . . • . . . . . . . 303
80. Synchronisierende Kraft und synchronisierendes Drehmoment zweier
parallel geschalteter Maschinen mit konstanter Erregung . 313
8\. Synchronisierende Kraft und synchronisierendes Drehmoment bei
Maschinen mit elektromechanischem Regulator ..•.. 316
82. Synchronisierende Kraft und synchronisierendes Drehmoment bei
kompoundierten Generatoren . . . . . . . . . . . . • . 318
83. Das Drehmoment der Dămpferwicklung bei kleinen Schwingungen 320
84. Abhăngigkeit' des Drehmoments der Dămpferwicklung von der Ari
ordnung der Dămpferstăbe und VOIl den Maschinenkonstanten.
Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
85. Die Kăfigwicklung als Dămpferwicklung . . . . . . . . . . • . . 333
86. Abhăngigkeit des Drehmomentes einer Kăfigwicklung als Dămpfer
wicklung von der Wicklungsanordnung und den Maschinen
konstanten. Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . 335
87. Die Pendelbewegung eines einzelnen Generators, der nicht parallel
geschaltet ist. Ableitung der Differentialgleichung. . . . . . 338
88. Die Analogie zwischen der Gleichung der mechanischen Bewegung
und der des elektrischen Stromkreises .......•.. 341
Funfzehntes Kapite!.
Pendelerscheinungen parallel geschalteter Synchronmaschinen infolge
des ungleirhfOrmigen Antriebsmoments der Kraftmaschinen.
1. Die Pendelbewegung einer Maschine, die an ein
unendlich starkes Netz angeschlossen ist.
89. Ableitung der Differentialgleichung und ihre Integration 350
90. Das Diagramm der Leistungen . . . . . . . . . . . . . 358
91. Der Einflull einer Dămpferwicklung auf die elektrischen Vorgănge 359
92. Der zulăssige Ungleichftlrmigkeitsgrad fur die verschiedenen Arten
der Kraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
93. Die Ănderung der Eigenschwingungszahl einer Maschine . . 366
94. Zusammenfassung der verschiedenen Bedingungen fur ein gutes
Parallelarbeiten . . . . . . • • . . . . . . . . . . . 369
95. Fernere Ursachen von Schwingungen. Die Erwărmung durch den
Ausgleichstrom. Praktische Beispiele . . . . . . . . . " 373
96. Freie Schwingungen und Interferenzerscheinungen . . . . . ., 378
II. Das Pendeln beliebig vieler parallel geschalteter
Maschinen.
97. Differentialgleichung zweier parallel geschalteter Maschinen. " 379
98. Ltlsung des Problems fur n parallel geschaltete Maschinen, ohne Be-
rucksichtigung der Dămpfung. Der allgemeine Resonanzfall 384
