Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Das Buch führt in einem weiten Bogen von den physikalischen Grundlagen zum Verständnis des stationären und des dynamischen Betriebsverhaltens elektrischer Maschinen und Antriebe. Besonderes Augenmerk wird auf die aktuellen Motorentwicklungen gelegt. Dazu werden die Grundlagen elektrischer Maschinen anhand der drei Grundtypen Asynchronmaschine, Synchronmaschine und Gleichstrommaschine ausführlich besprochen, Bauweisen werden erläutert, und das stationäre Betriebsverhalten wird hergeleitet.

Neben der anschaulichen Beschreibung anhand modern ausgeführter Maschinen wird die mathematisch fundierte Grundlage von Anfang an mitentwickelt. Bewusst wird die Drehstromtechnik in den Vordergrund gestellt, da sie die klassische Gleichstromtechnik immer weiter in Nischen verdrängt. Aktuelle Motorentwicklungen vor allem im Zusammenhang mit Umrichterspeisung werden ausführlich besprochen. Auch auf Sonderprobleme wie zusätzliche Verluste und Geräusche bei Umrichterspeisung wird ausführlich eingegangen.

An die stationäre Theorie schließt sich im zweiten Teil die dynamische Theorie für alle drei Grundtypen von E-Maschinen an, so dass Anlaufvorgänge, plötzliche Kurzschlüsse oder Lastwechsel verstanden werden.

Jedes Kapitel enthält durchgerechnete Praxisbeispiele, die oft mit Messergebnissen unterlegt sind. Die Beispiele reichen von Netz- und Umrichter gespeisten Motoren bis hin zu Großgeneratoren im Kraftwerksbereich.

In der zweiten Auflage wurden einige Textpassagen überarbeitet und an manchen Stellen nötige Korrekturen durchgeführt, aber der Inhalt im Wesentlichen beibehalten.

Eine Aufgabensammlung mit durchgerechneten Anwendungsbeispielen desselben Autors erscheint in einer erweiterten zweiten Auflage als gesonderter Band.

Die Zielgruppen

Ingenieurinnen, Ingenieure und Studierende der Fachrichtungen „Elektrotechnik“, „Mechatronik“, „Antriebstechnik“, „Energietechnik“ und „Maschinenbau“

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen elektromechanischer Energiewandler

In Kap. 1 werden nach einem Überblick über die Vielfalt unterschiedlicher elektromechanischer Energiewandler und Schwerpunkte ihrer Einsatzgebiete die elektrotechnischen Grundlagen zusammengestellt, die für das Verständnis der Funktionsweise der elektromechanischen Energiewandlung notwendig sind. Auf weiterführende Literatur wird in allen Kapiteln durch Nennung entsprechender Literaturstellen im Text verwiesen, die im Anhang detailliert aufgelistet sind. Dabei wurde hauptsächlich deutschsprachige und englischsprachige Literatur aufgeführt. Eine Übersetzung englischer Fachbegriffe ins Deutsche (und umgekehrt) gelingt ausgezeichnet mit dem Fachwörterbuch (Bezner 1993).

Andreas Binder

2. Wicklungen für Drehfelder in elektrischen Maschinen

In diesem Kapitel werden die verteilten ein- und mehrsträngigen Wicklungssysteme dargestellt, die zur Erzeugung von magnetischen Dreh- und Wanderfeldern in elektrischen Drehfeld- bzw. Wanderfeld-Maschinen benötigt werden. Es wird zwischen Ein- und Zweischichtwicklungen, Ganzloch- und Bruchlochwicklungen unterschieden. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt bei dreisträngigen Wicklungssystemen. Anhand eines vereinfachten Berechnungsverfahrens werden die von diesen stromdurchflossenen Wicklungssystemen erregten magnetischen Luftspaltfelder für unendlich permeablen Eisenrückschluss bestimmt.

Andreas Binder

3. Mathematische Analyse von Luftspaltfeldern

In diesem Kapitel wird mit der Fourier-Reihenentwicklung der Luftspaltfeldkurve die Zerlegung des Luftspaltfelds in Feldwellen unterschiedlicher Wellenlänge, Geschwindigkeit und Amplitude gezeigt. Es wird zwischen der für die Funktion der elektrischen Drehfeld- bzw. Wanderfeld-Maschinen wichtigen Arbeitsdrehwelle und den restlichen Ober- und ggf. Unterwellen unterschieden. Als Ergebnis stehen die Wicklungsfaktoren unterschiedlicher Wicklungstypen zur Verfügung, die die Größe der Wellenamplituden mitbestimmen. Für die Arbeitswelle soll der Wicklungsfaktor nahe dem Wert Eins sein.

Andreas Binder

4. Induzierte Spannung und magnetische Kräfte in Drehstrommaschinen

In diesem Kapitel wird die Spannungsinduzierung durch Drehfeldwellen in eine verteilte Drehstromwicklung gezeigt. Der in Kap. 3 eingeführte Wicklungsfaktor tritt in den Amplituden der vom Grundfeld und den Oberfeldern induzierten, sinusförmig veränderlichen Spannungen auf. Er bewirkt, dass die Amplituden der Spannungen der Oberfelder i. A. deutlich kleiner sind als die Grundschwingungsspannung. Anschließend werden die bei Stromfluss auftretenden tangentialen und radialen elektromagnetischen Kräfte in den Nutenleitern und das sich aus der Tangentialkraft ergebende elektromagnetische Drehmoment besprochen.

Andreas Binder

5. Die Schleifringläufer-Asynchronmaschine

In diesem Kapitel werden der Aufbau und die Funktionsweise von Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer behandelt. Die in Kap. 4 eingeführten Induktivitäten von Drehstromwicklungen werden zur Herleitung eines Vierpol-Ersatzschaltbilds verwendet. Der Leistungsfluss im Generator- und Motorbetrieb, die Verlustleistungen und der Wirkungsgrad werden erläutert (Nürnberg 1976). Für die Bestimmung der Betriebspunkte bei konstanter Ständerspannung und Ständerfrequenz werden die aus dem Ersatzschaltbild abgeleiteten Gleichungen für Ständer- und Läuferstrom, elektromagnetisches Drehmoment und Läuferdrehzahl verwendet. Die Ortskurve des Ständerstroms bei veränderlicher Läuferdrehzahl wird als Kreisdiagramm diskutiert. Abschließend sind einige grundsätzliche Anwendungen von Schleifringläufer-Asynchronmaschinen angegeben. Weitere Einsatzgebiete werden in Kap. 7 behandelt.

Andreas Binder

6. Die Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine

In diesem Kapitel werden der Aufbau und die Funktionsweise von Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Käfigläufer behandelt (Amin 2001). Dabei wird an die in Kap. 5 dargestellten Grundlagen zur Betriebsweise von Asynchronmaschinen bei Speisung mit einem Sinus-Drehspannungssystem angeknüpft. Die Besonderheiten der Käfigläuferwicklung wie die Vielphasigkeit, die zu einem gegenüber Kap. 5 geänderten Stromübersetzungsverhältnis führt, die Ausnutzung der Stromverdrängung in den Käfigstäben zur Erhöhung des Anlaufmoments und die damit verbundenen Grenzen der Beschreibung des Betriebsverhaltens mit einem Kreisdiagramm werden erläutert.

Andreas Binder

7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine

In diesem Kapitel wird der Einsatz der Asynchronmaschine mit Schleifring- und Käfigläufer als Antrieb in unterschiedlichen Anwendungsfällen besprochen. Die Asynchronmaschine ist der am häufigsten eingesetzte industrielle Antrieb, sowohl am starren Netz als „Festdrehzahl“-Antrieb (diese Bezeichnung deshalb, da die Drehzahlabweichung von der Synchrondrehzahl im Dauerbetrieb klein ist) als auch als drehzahlveränderbarer Antrieb mit Umrichterspeisung (Kümmel 1985, 1986). Weiter wird die Besonderheit der doppeltgespeisten Asynchronmaschine mit rotorseitigem Umrichter vor allem als Generator für Windturbinen erläutert.

Andreas Binder

8. Die elektrisch erregte Synchronmaschine

In diesem Kapitel werden die elektrisch erregten Synchronmaschinen in ihren Ausführungsformen mit zylindrischem Läufer und Schenkelpolläufer im stationären Betrieb besprochen. Es wird das Betriebsverhalten bei sinusförmigen Strömen und Spannungen sowohl am starren Netz als auch im Inselbetrieb erläutert. Die speziellen Ausführungen der permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine und der Synchronmaschine mit Reluktanzläufer sind in den Kap. 9 bzw. 10 dargestellt. Die instationären Vorgänge wie z.B. beim plötzlichen Klemmenkurzschluss in Verbindung mit den flüchtigen Reaktanzen und die transiente Stabilität werden in Kap. 16 dargestellt (Concordia 1951; Bonfert 1962).

Andreas Binder

9. Permanentmagneterregte Synchronmaschinen

In diesem Kapitel werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen einerseits mit Umrichterspeisung und Polradlagegebersteuerung und andererseits mit Anlaufkäfig für Netzbetrieb behandelt. Es werden die unterschiedlichen Läufertopologien mit Oberflächenmagneten und vergrabenen Magneten beschrieben. Die Sonderform der modularen Permanentmagnet-Synchronmaschine mit Zahnspulentechnologie wird erläutert.

Andreas Binder

10. Reluktanzmaschinen und Schrittmotoren

In diesem Kapitel werden die geschaltete Reluktanzmaschine, die ein umrichtergespeister Antrieb ist, und die bereits in Kap. 8 kurz erläuterte synchrone Reluktanzmaschine sowohl bei Netz- als auch bei Umrichterbetrieb besprochen. Reluktanzmaschinen sehr kleiner Leistung sind die Reluktanz-Schrittmotoren, auf die hier am Ende des Kapitels gemeinsam mit den permanenterregten Schrittmotoren und den Hybrid-Schrittmotoren eingegangen wird (Stölting und Kallenbach 2001).

Andreas Binder

11. Gleichstromantriebe

In diesem Kapitel werden die Funktionsweise und das stationäre Betriebsverhalten elektrisch erregter Gleichstrommaschinen in den unterschiedlichen Konfigurationen der fremderregten Gleichstrommaschine, der Nebenschluss- und Reihenschluss-Maschine und der daraus kombinierten Verbundschaltung besprochen. Der drehzahlveränderbare Betrieb bei Stromrichterspeisung und die Sonderform der Einphasen-Reihenschluss- Maschine bei Betrieb am Wechselstromnetz sowie die Unipolarmaschine als „echte“ Gleichstrommaschine werden ebenfalls erläutert. Dynamische Vorgänge bei der Gleichstrommaschine sind in Kap. 13 dargestellt.

Andreas Binder

12. Dynamik elektrischer Maschinen

In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Berechnung elektrodynamischer Ausgleichsvorgänge elektrischer Maschinen gegeben. Dazu wird ein kurzer Überblick über die analytischen und numerischen Lösungsmethoden von Differentialgleichungen gegeben. Eine genauere Behandlung von Lösungsmethoden für gewöhnliche Differentialgleichungen bzw. Differentialgleichungssysteme findet man in der einschlägigen mathematischen Literatur (siehe z. B. Zurmühl 1965; Dirschmid 1992, 1996, Polyanin und Zaitsev 1996). Des Weiteren existieren am Markt zahlreiche Softwarepakete zur numerischen Lösung von linearen und nichtlinearen Differentialgleichungen im Zeitschrittverfahren, wie z.B. Matlab/Simulink®, Dymola/Modelica® und Simplorer®. Die genauere Behandlung der Dynamik elektromagnetischer Ausgleichsvorgänge erfolgt für die Gleichstrommaschine in Kap. 13, für die Asynchronmaschine in Kap. 15 und für die Synchronmaschine in Kap. 16.

Andreas Binder

13. Dynamik der Gleichstrommaschine

In diesem Kapitel werden elektromagnetische und mechanische Ausgleichsvorgänge vor allem der fremderregten Gleichstrommaschine behandelt. Die dafür erforderlichen dynamischen Systemgleichungen werden angegeben. Sie werden zur Beschreibung der Gleichstrommaschine in geregelten Antrieben verwendet. In diesem Kapitel wird hauptsächlich die fremderregte Gleichstrommaschine als wichtigster Vertreter drehzahlveränderbarer Gleichstromantriebe in der Industrie besprochen. Die Dynamik der Gleichstrom-Reihenschlussmaschine z. B. als Fahrmotor in der elektrischen Traktion ist ausführlich z. B. in Fischer (1965) dargestellt. Ein grundlegendes Beispiel dazu ist Aufgabe A13.3 im begleitenden Band „Elektrische Maschinen und Antriebe: Übungsbuch“. Für die Details zur Regelung der Gleichstrommaschine als drehzahlveränderbarer Antrieb wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen (z.B. Bühler 1962; Pfaff 1990; Leonhard 1996; Schröder 2009).

Andreas Binder

14. Raumzeigerrechnung und bezogene Größen

In diesem Kapitel werden symmetrische Dreiphasen-Wicklungssysteme von Synchron- und Asynchronmaschinen bei Speisung mit zeitlich beliebig veränderlichen Strom- und Spannungsverläufen behandelt. Die von diesen Stromverläufen erregten Luftspaltfelder sind wegen der in Nuten verteilten Drehstromwicklungen in ihrer radialen und tangentialen Komponente räumlich annährend sinusförmig verteilt, sodass mit der durch Fourier-Analyse gewonnenen Feldgrundwelle die Feldverteilung auch für die dynamische Analyse ausreichend genau beschrieben wird (Kovacs und Racz 1959).

Andreas Binder

15. Dynamik der Asynchronmaschine

In diesem Kapitel werden die dynamischen Gleichungen der Asynchronmaschine hergeleitet, wobei die Raumzeigertheorie aus Kap. 14 verwendet wird. Die Käfigwicklung der Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine wird dabei in eine äquivalente dreisträngige Läuferwicklung umgerechnet. Dadurch ergeben sich für Schleifring- und Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine (vgl. Kap. 5 und 6) formal dieselben Gleichungen.

Andreas Binder

16. Dynamik der Synchronmaschine

In diesem Kapitel werden die dynamischen Grundgleichungen der elektrisch erregten und permanenterregten Synchronmaschine mit und ohne Dämpferwicklung behandelt. Ausgehend von der Raumzeigerrechnung für dreisträngige Wicklungssysteme wird die Zweiachsentheorie eingeführt, die berücksichtigt, dass bei Synchronmaschinen durch die Gleichfelderregung im Läufer zwischen einer magnetischen Längs- und Querachse unterschieden wird.

Andreas Binder

Backmatter

Weitere Informationen

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

INDUSTRIE 4.0

Der Hype um Industrie 4.0 hat sich gelegt – nun geht es an die Umsetzung. Das Whitepaper von Protolabs zeigt Unternehmen und Führungskräften, wie sie die 4. Industrielle Revolution erfolgreich meistern. Es liegt an den Herstellern, die besten Möglichkeiten und effizientesten Prozesse bereitzustellen, die Unternehmen für die Herstellung von Produkten nutzen können. Lesen Sie mehr zu: Verbesserten Strukturen von Herstellern und Fabriken | Konvergenz zwischen Soft- und Hardwareautomatisierung | Auswirkungen auf die Neuaufstellung von Unternehmen | verkürzten Produkteinführungszeiten
Jetzt gratis downloaden!

Bildnachweise