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Grundlagen elektrischer Maschinen, 10. Auflage

Grundlagen elektrischer Maschinen, 10. Auflage

Germar Müller, Bernd Ponick

ISBN: 978-3-527-41205-1

Nov 2014

699 pages

Vorwort zur 10. Auflage XIII

Vorwort zur 1. Auflage (1970) XVII

0 Einleitung 1

0.1 Schreibweise der Formelzeichen 1

0.2 Formelzeichen 2

0.3 Vorzeichenvereinbarungen 7

0.4 Formulierung der Grundgesetze 10

0.5 Zusammengefasste Darstellung der komplexen Wechselstromrechnung 20

0.6 Einführung und Eigenschaften des symmetrischen Dreiphasensystems 32

0.7 Einführung symmetrischer Komponenten 37

0.8 Darstellung magnetischer Felder 39

1 Transformator 45

1.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 45

1.2 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Einphasentransformators 47

1.2.1 Prinzipielle Ausführungsformen 47

1.2.2 Wirkungsweise 49

1.2.3 Analytische Behandlung 83

1.2.4 Betriebsverhalten am Netz starrer Spannung 89

1.2.5 Betriebsverhalten bei vorgegebenem Strom 102

1.3 Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Dreiphasentransformators 104

1.3.1 Ausführungsformen 104

1.3.2 Wirkungsweise unter symmetrischen Betriebsbedingungen 112

1.3.3 Analytische Behandlung und Betriebsverhalten unter symmetrischen Betriebsbedingungen 129

1.3.4 Betriebsverhalten unter unsymmetrischen Betriebsbedingungen 131

1.3.5 Einsatz der Schaltungskombinationen 142

1.4 Besondere Ausführungsformen 144

1.4.1 Spartransformatoren 144

1.4.2 Stelltransformatoren 148

1.4.3 Stromrichtertransformatoren 150

1.4.4 Messwandler 153

1.5 Energieumsatz 163

1.5.1 Verluste 163

1.5.2 Wirkungsgrad 164

1.6 Prüfung 168

1.6.1 Festgelegte Anforderungen 168

1.6.2 Leerlaufversuch 169

1.6.3 Kurzschlussversuch 171

1.7 Erwärmung und Kühlung 176

1.7.1 Wärmequellen 176

1.7.2 Mechanismus des Erwärmungsvorgangs und der stationären Wärmeströmung 177

1.7.3 Wärmeströmung innerhalb der aktiven Bauteile 181

1.7.4 Kühlungsarten 183

1.7.5 Übertemperatur der Wicklung und Wärmeklassen des Isoliersystems 187

1.7.6 Betriebsarten 188

1.8 Technische Ausführung von Leistungstransformatoren 188

1.8.1 Grundlegendes über die Baugröße 188

1.8.2 Konstruktive und technologische Gestaltung der aktiven Bauteile 191

1.8.3 Äußere Gestaltung 196

1.8.4 Schaltzeichen 198

1.8.5 Schutztechnik 199

1.8.6 Ausführungsbeispiele 203

2 Allgemeine Betrachtungen über rotierende elektrische Maschinen 207

2.1 Aufgaben 207

2.2 Energieumsatz 208

2.2.1 Grundlagen der elektromechanischen Energiewandlung 208

2.2.2 Stationärer Energieumsatz 213

2.3 Konstruktive und technologische Gestaltung 223

2.3.1 Aktive Bauteile 223

2.3.2 Inaktive Bauteile 232

2.3.3 Bauformen 234

2.3.4 Schutzgrade 235

2.4 Magnetisches Feld 237

2.4.1 Aufteilung der Felder und Verkettungsmechanismus 237

2.4.2 Beschreibung des Luftspaltfelds 240

2.4.3 Bestimmung des Luftspaltfelds 243

2.4.4 Spannungsinduktion durch das magnetische Feld 252

2.5 Erwärmung und Kühlung 257

2.5.1 Wärmequellen 257

2.5.2 Erwärmungsvorgang 257

2.5.3 Stationäre Wärmeströmung 263

2.5.4 Kühlmethoden 266

2.6 Prüfung 275

2.6.1 Festgelegte Anforderungen 275

2.6.2 Prüfungsdurchführung 277

2.7 Technische Ausführung 280

2.7.1 Grundlegendes über die Baugröße 280

2.7.2 Zusammenhang zwischen Baugröße und Wirkungsgrad 283

2.7.3 Anforderungen an die Energieeffizienz 284

2.7.4 Elemente der Schaltzeichen 286

2.7.5 Schutztechnik 286

3 Gleichstrommaschine 289

3.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 289

3.2 Aufbau 290

3.2.1 Prinzipieller Aufbau 290

3.2.2 Entwicklung des Kommutatorankers 290

3.2.3 Aufbau der realen Gleichstrommaschine 295

3.3 Analytische Behandlung 302

3.3.1 Luftspaltfeld 302

3.3.2 Spannungsinduktion im Kommutatoranker 310

3.3.3 Spannungsgleichung des Ankerkreises 312

3.3.4 Drehmoment 313

3.3.5 Kommutierung 313

3.4 Gleichstrommaschinen mit Fremd-, Nebenschlussund Permanenterregung 319

3.4.1 Betriebsverhalten als Generator bei konstanter Drehzahl 319

3.4.2 Betrieb an einem Netz starrer Spannung 323

3.4.3 Betrieb im drehzahlvariablen Antrieb 336

3.4.4 Energieumsatz 347

3.5 Gleichstrommaschinen mit Reihenschlusserregung 348

3.5.1 Motorbetrieb am Netz starrer Spannung 348

3.5.2 Anlassen 353

3.5.3 Bremsen 354

3.6 Einsatz 354

3.7 Prüfung 356

3.8 Technische Ausführung 357

3.8.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 357

3.8.2 Schaltzeichen 358

3.8.3 Klemmenbezeichnungen 358

3.8.4 Ausführungsbeispiele 360

4 Allgemeine Betrachtungen über Maschinen mit Drehfeldern als Luftspaltfeld 365

4.1 Drehfeld 365

4.1.1 Definition des Drehfelds 365

4.1.2 Aufbau eines Drehfelds 367

4.1.3 Spannungsinduktion durch ein Drehfeld 379

4.1.4 Entwicklung des mittleren Drehmoments aus Sicht der Drehfelder des Luftspaltfelds 381

4.2 Mechanismus der Hauptwellenverkettung 384

4.2.1 Prinzip der Hauptwellenverkettung 384

4.2.2 Spannungsgleichung des Strangs a 384

4.3 Leistungsfluss und Drehmoment 386

4.3.1 Beziehungen zwischen Ständer- und Läufergrößen 386

4.3.2 Leistungsfluss 392

4.3.3 Entwicklung der verschiedenen Arten von Drehfeldmaschinen 395

4.3.4 Ermittlung des Drehmoments 397

5 Dreiphasen-Induktionsmaschine 399

5.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 399

5.2 Prinzipieller Aufbau 400

5.3 Wirkungsweise 403

5.3.1 Wirkungsweise am starren Netz in erster Näherung – Leerhochlauf und Lastübernahme 404

5.3.2 Wirkungsweise am starren Netz in zweiter Näherung 411

5.3.3 Wirkungsweise am Netz variabler Frequenz 413

5.4 Analytische Behandlung 416

5.4.1 Analytische Behandlung der Maschine mit Schleifringläufer 416

5.4.2 Analytische Behandlung der Maschine mit Käfigläufer 421

5.5 Betriebsverhalten mit kurzgeschlossenem Schleifringläufer bzw. mit stromverdrängungsfreiem Käfigläufer am starren Netz 426

5.5.1 Ströme 426

5.5.2 Ortskurven von Ständer- und Magnetisierungsstrom 430

5.5.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 436

5.5.4 Stromortskurve unter Berücksichtigung des Widerstands der Ständerwicklung 442

5.5.5 Energieumsatz 444

5.6 Betriebsverhalten mit Käfigläufer unter dem Einfluss der Stromverdrängung 445

5.6.1 Maschine mit Einfachkäfig-Hochstabläufer 445

5.6.2 Maschine mit Doppelkäfigläufer 445

5.7 Spezielle Betriebszustände am starren Netz 447

5.7.1 Anlassen 447

5.7.2 Bremsen 456

5.8 Betriebsverhalten mit Schleifringläufer als doppeltgespeiste Induktionsmaschine 459

5.8.1 Aufbau und Leistungsfluss 459

5.8.2 Strom-Spannungs-Verhalten 462

5.8.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien 467

5.9 Betriebsverhalten mit Käfigläufer im drehzahlvariablen Antrieb 469

5.10 Besondere Ausführungsformen 474

5.10.1 Polumschaltbare Maschinen 474

5.10.2 Gegendrehfeld-Erregermaschinen 474

5.11 Einsatz 475

5.12 Prüfung 477

5.12.1 Festgelegte Anforderungen 477

5.12.2 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 478

5.13 Technische Ausführung 483

5.13.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 483

5.13.2 Schaltzeichen 486

5.13.3 Klemmenbezeichnungen 486

5.13.4 Schutztechnik 487

5.13.5 Ausführungsbeispiele 492

6 Dreiphasen-Synchronmaschine 501

6.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 501

6.2 Prinzipieller Aufbau 503

6.3 Wirkungsweise am starren Netz 506

6.3.1 Komponenten des Luftspaltfelds und zugehörige Spannungen 507

6.3.2 Herstellen der Verbindung mit dem Netz 510

6.3.3 Mechanismus der Blindlastübernahme 514

6.3.4 Mechanismus der Wirklastübernahme 516

6.4 Analytische Behandlung 520

6.4.1 Allgemeine Spannungsgleichung und Beziehung für die Ankerdurchflutung 521

6.4.2 Spannungsgleichung der ungesättigten Maschine – Einführung von Reaktanzen 523

6.4.3 Kurzschluss 535

6.5 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine am starren Netz 537

6.5.1 Ankerstrom 537

6.5.2 Drehmoment 539

6.5.3 Statische Stabilität 543

6.5.4 Ortskurven des Ankerstroms 547

6.5.5 V-Kurven 551

6.5.6 Grenzleistungsdiagramm 553

6.6 Betriebsverhalten der ungesättigten Maschine bei Generatorbetrieb auf ein passives Netzwerk 553

6.6.1 Ankerstrom 554

6.6.2 Drehmoment 556

6.6.3 Strom-Spannungs-Kennlinien 558

6.6.4 Bremsbetrieb 561

6.7 Genäherte Behandlung der gesättigten Maschine 562

6.7.1 Leerlauf 563

6.7.2 Kurzschluss 564

6.7.3 Belastung 565

6.7.4 Energieumsatz 570

6.8 Erregung 571

6.8.1 Klassische Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 572

6.8.2 Moderne Erregungssysteme für Synchrongeneratoren 574

6.8.3 Selbsterregte Synchronmaschinen 575

6.8.4 Erregung von Synchronmotoren 577

6.8.5 Entregungsschaltungen 580

6.9 Spezielle Betriebszustände am starren Netz – Anlauf und Synchronisieren 581

6.10 Betriebsverhalten im drehzahlvariablen Antrieb 584

6.10.1 Betriebsverhalten der fremdgeführten Maschine 586

6.10.2 Betriebsverhalten der selbstgeführten Maschine 591

6.10.3 Sinusstromspeisung und Blockstromspeisung 595

6.11 Besonderheiten von Synchronmaschinen mit Permanenterregung 598

6.12 Besonderheiten synchroner Reluktanzmaschinen 602

6.13 Besondere Ausführungsformen 605

6.13.1 Synchronisierte Induktionsmaschine 605

6.13.2 Klauenpolmaschine 606

6.13.3 Torquemotor 607

6.13.4 Außenpol-Erregermaschine 607

6.13.5 Synchronmaschinemit supraleitender Erregerwicklung 609

6.14 Einsatz 610

6.15 Prüfung 614

6.15.1 Festgelegte Anforderungen 614

6.15.2 Betriebskennlinien und Betriebskennwerte 615

6.16 Technische Ausführung 616

6.16.1 Konstruktive und technologische Gestaltung 616

6.16.2 Schaltzeichen 628

6.16.3 Klemmenbezeichnungen 628

6.16.4 Schutztechnik 629

6.16.5 Ausführungsbeispiele 630

7 Maschinen für Betrieb am Einphasennetz 639

7.1 Historische Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung 639

7.2 Einphasen-Induktionsmaschine 640

7.2.1 Prinzipielle Eigenschaften 640

7.2.2 Ausführungsformen 642

7.3 Einphasen-Synchronmaschine 646

7.4 Einphasen-Reihenschlussmaschine (Universalmotor) 648

7.4.1 Ausführungsformen 648

7.4.2 Prinzipielle Eigenschaften 650

7.4.3 Betriebsverhalten am starren Netz 654

8 Weitere Maschinenkonzepte 663

8.1 Weitere aktuelle Maschinenkonzepte 663

8.1.1 Hybridmaschine (Switched-Flux PM Machine) 663

8.1.2 Geschaltete Reluktanzmaschine 666

8.1.3 Transversalflussmaschine 669

8.1.4 Linearmotor 671

8.2 Heute nicht mehr ausgeführte Maschinenkonzepte 673

8.2.1 Drehstrom-Kommutatormaschine 673

8.2.2 Drehtransformator 676

8.2.3 Harzsche Schaltung 677

8.2.4 Hysteresemotor 678

8.2.5 Leonardschaltung 679

8.2.6 Mittelfrequenzgenerator 679

8.2.7 Querfeldmaschine 680

8.2.8 Repulsionsmotor 681

8.2.9 Verstärkermaschine 681

9 Maschinen für andere Arten der Einspeisung 683

9.1 Schrittmotoren 683

9.1.1 Prinzipielle Eigenschaften 683

9.1.2 Ausführungsformen 688

9.2 Bürstenlose Maschinen für Gleichstrombetrieb 690

9.2.1 Prinzipielle Eigenschaften 690

9.2.2 Ausführungsformen 692

Anhang 695

A.1 Fourier-Koeffizienten 695

A.2 Nennspannungen und Nennfrequenzen 698

A.2.1 Nennspannungen nach IEC 60038 (DIN IEC 60038) (Angaben in V) 698

A.2.2 Nennfrequenzen von 16,7Hz bis 10 000 Hz nach DIN IEC 40005 (Angaben in Hz) 698

A.3 Zusammenstellung der wichtigsten Normen 698

Weiterführende Literatur 705

Stichwortverzeichnis 707