Table Of ContentKlaus Fuest
Elektrische Maschinen
und Antriebe
Klaus Fuest
Elektrische
Maschinen und Antriebe
Lehr- und Arbeitsbuch
Mit 144 Bildern, zahlreichen durchgerechneten
Beispielen und Ubungen
2., durchgesehene Auflage
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig I Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Fuest, Klaus:
Elektrische Maschinen und Antriebe: Lehr-u.
Arbeitsbuch / Klaus Fuest. - 2., durchges. Aufl. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1985.
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-13: 978-3-528-14076-2 e-ISBN-13: 978-3-322-85548-0
DOl: 10.1007/978-3-322-85548-0
1. Auflage 1983
2., durchgesehene Auflage 1985
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1985
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Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
Satz: Vieweg, Braunschweig
v
Inhaltsverzeichnis
Einfiihrung 1
1 Transformator .......................................... 4
1.1 Aufgaben des Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Bauteile eines Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Der Eisenkern ................................... . . 5
1. 2.1.1 Kernbauart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1.2 Mantelbauart................................ 6
1.2.2 Die Wicklungen .................................... 7
1.2.2.1 Die Scheibenwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2.2 Zylinderwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Die Kiihlung ...................................... 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 Ersatzstrornkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Zeigerdiagrarnm im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.3.2.2 Der Leerlaufversuch ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.3 Der Transformator bei KurzschluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
1.3.3.1 Das Zeigerdiagramm bei KurzschluB . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3.2 Der Kurzschluf1,versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 Autbau der Gleichstrommaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
2.1.1 Der Stander. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
2.1.2 Der Laufer ....................................... 33
VI In ha Itsverzeich nis
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 Schaltungsarten 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-Nebenschlu~maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
2.4.3.1 Der Gleichstrom-Nebenschlu~generator .............. 54
2.4.3.2 Der Gleichstrom-Nebenschlu~motor. . . . . . . . . . . . . . . .. 60
2.4.4 Die Gleichstrom-Reihenschlu~maschine .................... 61
2.4.4.1 Der Gleichstrom-Reihenschluf.\generator . . . . . . . . . . . . .. 61
2.4.4.2 Der Gleichstrom-Reihenschluf.\motor . . . . . . . . . . . . . . .. 62
2.4.5 Die Gleichstrom-Doppelschlu~maschine .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67
2.4.5.1 Der Gleichstrom-Doppelschlu~generator . . . . . . . . . . . . .. 68
2.4.5.2 Der Gleichstrom-Doppelschlu~motor . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Standerstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.4 Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
4.3.5 Das vereinfachte Kreisdiagramm ......................... 92
4.4 Der Schleifringlaufer mit Vorwiderstanden im Liiuferkreis . . . . . . . . . . .. 94
4.5 Anl~methode fur KUIZschlu~laufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
4.6 Drehzahlsteuerung und elektrische Bremsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
4.7 Zusammenstellung der wichtigsten Beziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
4.8 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
I nhaltsverzeichnis VII
5 Drehstrom-Sy nchronmasch ine 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 Standerstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
5.4.2 Das Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
5.4.3 Anlaufvon 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-Reihenschlufilmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
6.2 Die Einphasen-Asynchronmaschine ........................... 127
6.3 Die Einphasen-Synchronmaschine .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
Anhang A: Losungen zu den Aufgaben 130
Anhang B: Kennzeichnung der AnschlUsse elektrischer Betriebsmittel .. 131
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133
Vorwort
Das Buch vermittelt das Grundwissen tiber die Wirkungsweise elektrischer Maschinen und
Antriebe. Rezepte fUr die Auslegung von Maschinen werden nicht gegeben, denn Berech
nung und Konstruktion k6nnen 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 dartiber ver
mitteln, was in den Maschinen vor sich geht und wie sie sich im Betrieb verhalten. FUr
die daflir zur Verfligung stehende Zeit verlangt dies allein bereits viel Arbeitsaufwand,
so d~ eine ernsthafte Beschliftigung mit zusatzlicher Literatur flir den Studierenden
kaum m6glich ist. Deshalb wird auf Literaturhinweise verzichtet!
Die mathematischen Formulierungen werden bewuBt auf einfache Zusammenhiinge
reduziert; Differential-und Integralrechnung werden nicht verwendet.
Bremerhaven Klaus Fuest
Einfuhrung
AIle elektrischen Maschinen, ob Motoren, Generatoren oder auch Transformatoren,
kann man unter dem Sammelbegriff elektro-magnetische Energiewandler zusammen
fassen.
AIs 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 verHiuft der Vorgang umgekehrt; sie nehmen mechanische Energie
auf, d. h. sie mussen angetrieben werden, - z. B. durch Dieselmotor, Dampf-, Wind-oder
Wasserturbine -, und wandeln diese Energie urn in elektrische Energie, die in Form von
Spannung und Strom zur Verfligung 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 muB.
Ihre breite Anwendung verdanken aile elektrischen Maschinen dem hohen Wirkungsgrad
bei der Energieumwandlung; d. h. der groBte Tell der aufgenommenen Energie wird als
Nutzenergie wieder abgegeben und nur ein geringer Prozentsatz geht in Form von Wiirme
verloren.
Unabhiingig von diesem ftir den Anwender direkt wirksamen Vortell ist es aus energie
wirtschaftlicher Sicht notwendig, die fossllen Primiirenergietriiger, wie Kohle und Erdol,
an dem Ort zu verbrauchen, wo dies mit dem besten Wirkungsgrad erfolgen kann, d. h.
moglichst in GroBkraftwerken zur Elektrizitiitserzeugung, urn dann dem Endverbraucher
die Energie in Form von elektrischer Energie zur Verfligung zu stellen.
Es gibt eine Reihe weiterer Griinde flir die bevorzugte Anwendung der elektrischen
Maschinen in Industrie, Gewerbe, Haushalt und Buro:
Bedienbarkeit und Sauberkeit:
Auch groBe Maschinen konnen durch einen einzigen Knopfdruck betrieben werden;
der Benutzer benotigt keinerlei Fachwissen zur Bedienung. Umweltverschmutzung
tritt nicht auf.
Betriebssicherheit:
Elektrische Maschinen sind nur in sehr geringem MaBe storanfallig. 1m Gegensatz zu
Verbrennungskraftmaschinen konnen sie kurzzeitig hoher uberlastet werden und
geben auch im Stillstand ein noch nennenswertes Drehmoment abo
Betriebsbereitschaft:
Maschinen bis zu mehreren Megawatt (ca. 5 MW) mit selbsttiitiger Schmierung konnen
jederzeit ohne Vorbereitung eingeschaltet und belastet werden.
2 Einfiihrung
Anpassung an die Arbeitsmaschine:
Aufstellmoglichkeit in jeder Lage und einfache konstruktive Anpassung an die Arbeits
maschine durch Verwendung von Ein- oder Anbaumotoren lassen Fundamente tiber
fltissig werden. Das unterschiedliche Drehmoment-Drehzahlverhalten der verschiedenen
Arten von elektrischen Maschinen erleichtert die Anpassung im Drehmomentbedarf.
Gerauscharmer und erschtitterungsfreier Lauf.
Nach ihrer Wirkungsweise lassen sich die elektrischen Maschinen in folgende Gruppen
einteilen:
Transformatoren
Gleichstrommaschinen
Drehstrommaschinen
Wechselstrommaschinen
Als wichtigste Typen sollen genannt werden flir die Gruppe der
Transfonnatoren
- Einphasentransformator
- Drehstromtransformator
Gleichstrommaschinen
Gleichstrom-Ne benschluBmaschine
- Gleichstrom-ReihenschluBmaschine
- Gleichstrom-DoppelschluBmaschine
Drehstrommaschinen
- Drehstrom-Asynchronmaschine
- Drehstrom-Synchronmaschine
Wechse1strommaschinen
Einphasen-Asynchronmotor
- Einphasen-ReihenschluBmotor
- Einphasen-Synchronmotor
Die fortschreitende Automatisierung verlangt Antriebe mit groBem Drehzahlsteuerbereich
und guten Regeleigenschaften. Obwohl im allgemeinen keine Gleichstromnetze zur Verfli
gung stehen, werden vorwiegend Gleichstrom-Nebenschlue,motoren und -DoppelschluB
motoren eingesetzt, da sie fUr die vorher genannten Forderungen besonders gut geeignet
sind und sich eine Einspeisung tiber steuerbare Stromrichter preiswert realisieren lae,t.
Ftir den Antrieb elektrisch betriebener Fahrzeuge verwendet man Gleichstrom- und Ein
phasen-ReihenschluBmotoren, z. B. in Strae,enbahnen (meist Gleichstrom) und E-Loko
motiven (meist Wechselstrom, neuerdings Drehstromasynchronmotoren). Einphasen
ReihenschluBmotoren trifft man auch in Elektrowerkzeugen und Haushaltsmaschinen
an; ebenfalls den Einphasen-Asynchronmotor (Waschmaschine). Einphasen-Synchron
motoren dienen aufgrund ihrer konstanten Drehzahl als Antrieb fUr Tonband- und Plat
tenspieler ulld als Kleinstmotoren in Programmschaltwerken.
Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der am weitesten verbreitete Elektromotor. Dank
seines einfachen und robusten Aufbaus ist er unempfindlich gegen Oberbelastung und
auBerst wartungsarm, so dae, bei einer Antriebsplanung zuerst die Moglichkeit des Ein-
Einfiihrung 3
satzes dieser Maschinen gepriift wird. Deshalb ist sein Einsatzgebiet auch so gro~, d~ man
kaum spezielle Bereiche angeben kann.
Der Drehstromsynchronmotor wird gem in der Industrie als gro~er, langsamlaufender
Elektromotor zum Antrieb von Kolbenverdichtem eingesetzt. Zudem kann er - aufgrund
seines kapazitiven Betriebsverhaltens - den induktiven Antell des Laststromes gro~er
Verbraucher kompensieren.
Mit den bisher genannten elektrischen Maschinen wird das Gebiet der elektrischen An
triebstechnik abgedeckt. Die gesamte Erzeugung elektrischer Energie ist heute das Spezial
gebiet der Drehstromsynchrongeneratoren. (Eine Ausnahme stellt nur der Gleichstrom
Doppelschlu~generator, der in Einzelfallen noch zur Erzeugung von Gleichspannungen
eingesetzt wird.) In den Dampf-und Wasserkraftwerken arbeiten riesige Synchronmaschi
nen mit 200 MW Leistung in Standardausflihrung bis hinauf zu H6chstleistungsmaschinen
mit 1300 MW.)
