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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch für die Praxis und das praxisorientierte Studium behandelt die Gleichstrommaschine, den Transformator, die Asynchron- und die Synchronmaschine. Das Betriebsverhalten steht dabei im Vordergrund. Durch die Art der Darstellung wird das Verständnis für die physikalischen Vorgänge geweckt, wobei mathematische Formalismen vermieden werden. Zahlreiche Beispiele und Aufgaben dienen zum Einüben des Lehrstoffes und vermitteln ein Gefühl für sinnvolle Größenordnungen. Nach dem Durcharbeiten des Buches ist der Leser in der Lage, das Betriebsverhalten der behandelten Maschinen experimentell und rechnerisch zu untersuchen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Die elektrischen Maschinen — Eine Kurzgeschichte der elektrischen Energietechnik

Zusammenfassung
Ein Blick aus einem Satelitten im Weltraum auf die Erde bei Nacht zeigt ungleichmäßig verteilt eine Unzahl von Lichtern. Zeichen dafür, in welchem Maß der Mensch von der Erde Besitz ergriffen hat. Hauptlichtquellen sind städtische Ballungsräume auf der Nordhalbkugel, Brandrodungen in Südamerika, das Abbrennen von Grasland in Afrika und das Abfackeln von Erdgas in Sibirien und am Persischen Golf. Der Segnungen der Zivilisation erfreuen sich vor allem die Menschen in den Ballungsräumen auf der Nordhalbkugel. Ihnen steht Tag und Nacht elektrische Energie zur Verfügung. In welchem Maß wir von dieser abhängig sind, ergibt sich daraus, daß in Deutschland jeder im Durchschnitt ständig eine Leistung von etwa 1,5kW in Anspruch nimmt. Bedenkt man, daß der Mensch eine Dauerleistung von etwa 50W zu erbringen imstande ist, so sieht man, daß jeder von uns, könnte er seinen Leistungsbedarf nicht aus dem elektrischen Energienetz decken, sich 30 Sklaven halten müßte. Zur Verfügung gestellt wird die elektrische Energie durch ganze Kontinente überspannende elektrische Energienetze. Wesentlicher Bestandteil dieser Netze sind elektrische Maschinen: Generatoren, die die Netze speisen, und Transformatoren, die die Übertragung der Energie über große Entfernungen und deren Verteilung möglich machen. Auch die Verbraucher im Netz sind neben Beleuchtungsanlagen, Elektroöfen und Elektrolyseanlagen vor allem elektrische Maschinen, die als Antriebe u.a. in der Industrie, im Verkehr und im Haushalt eingesetzt werden. Die Annehmlichkeiten der elektrischen Energie stehen der Menschheit erst seit etwa 100 Jahren zur Verfügung.
Eckhard Spring

1. Gleichstrommaschine

Zusammenfassung
Historisch betrachtet ist die Gleichstrommaschine die älteste elektrische Maschine. Die ersten Kraftwerksgeneratoren (1882 New York, 1884 Berlin) und auch die ersten Elektromotoren waren Gleichstrommaschinen. Doch schon bald erkannte man, daß man mit dem Gleichstrom bei der elektrischen Energieversorgung in eine Sackgasse geraten war. Elektrische Energie läßt sich über größere Entfernungen wirtschaftlich nur mit hohen Spannungen übertragen. Die aber vermag der Gleichstromgenerator nicht zu liefern. Gleichstrommaschinen lassen sich bis zu einer Spannung von maximal etwa 3kV bauen. Aus diesem Grund war man gezwungen, zu einer Energieversorgung mit Wechselstrom überzugehen, genauer gesagt, zu einer Versorgung mit Dreiphasenwechselstrom oder Drehstrom, denn für diesen gab es, anders als beim Einphasenwechselstrom, einen mit vernünftigem Wirkungsgrad arbeitenden Motor, den Asynchronmotor. In den Kraftwerken trat an die Stelle des Gleichstomgenerators der Synchrongenerator in Verbindung mit einem sogenannten Maschinentransformator, der die Maschinenspannung auf die zur wirtschaftlichen Energieübertragung benötigte Spannung heraufsetzte. Der Gleichstrommotor wurde durch den in seinem Aufbau einfacheren und deswegen billigeren Asynchronmotor ersetzt. Damit aber hatte der Gleichstrommotor nicht ausgedient. Er behauptete sich neben dem Asynchronmotor und wurde immer dann eingesetzt, wenn die Drehzahl in weitem Bereich ständig zu ändern war, was beim Asynchronmotor auf Schwierigkeiten stieß. Da es für drehzahlvariable Elektroantriebe viele Anwendungen gibt, ist die Gleichstrommaschine bis auf den heutigen Tag weit verbreitet. So findet man Gleichstromantriebe z.B. bei Bahnen, Walzwerken und Zechenförderanlagen. Dank der Fortschritte in der Leistungselektronik macht ihr allerdings inzwischen auch auf diesem Gebiet die Asynchronmaschine, aber auch die Synchronmaschine, in Verbindung mit einem Frequenzumrichter drehzahlvariabel betrieben, zunehmend Konkurrenz. Die Entscheidung darüber, welche Maschine einzusetzen ist, ist nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu fällen.
Eckhard Spring

2. Transformator

Zusammenfassung
Die Versorgung mit elektrischer Energie kann entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom vorgenommen werden. Eine wirtschaftliche Energieübertragung über große Entfernungen ist wegen der quadratisch mit dem Strom wachsenden Stromwärmeverlustleistung in den Energieübertragungsleitungen nur bei kleinen Strömen möglich. Das setzt bei vorgegebener Übertragungsleistung, die das Produkt von Übertragungsspannung und Leiterstrom darstellt, eine hohe Übertragungsspannung voraus. Gleichstromgeneratoren lassen sich bis zu Spannungen von etwa 3kV, Wechselstromgeneratoren bis zu Spannungen von etwa 30kV bauen. In beiden Fällen ist die Spannung für eine wirtschaftliche Energieübertragung nicht groß genug. Doch selbst wenn sie es wäre, könnte man sie den meisten Verbrauchern aus Sicherheitsgründen nicht zuführen. Bei Gleichstrom gibt es für dieses Problem keine einfache Lösung. Anders beim Wechselstrom. Mit einem Transformator lassen sich Spannungen vorgegebener Größe beliebig vergrößern und verkleinern. Aus diesem Grund sind elektrische Energieversorgungsnetze weltweit fast ausschließlich Wechselstromnetze. Zwischen den Kraftwerksgenerator und die Energieübertragungsleitung wird ein Transformator geschaltet, der die Maschinenspannung auf die gewünschte Übertragungsspannung hinaufsetzt, und am Ende der Energieübertragungsleitung setzt ein Transformator die Übertragungsspannung auf die gewünschte Verbraucherspannung herab. Mit der Spannungswandlung verbunden ist eine Stromwandlung. Das ergibt sich daraus, daß beim idealen Transformator, bei dem weder Wirk- noch Blindverlustleistung auftritt, das Produkt von Spannung und Strom auf der Oberspannungsseite das gleiche ist wie auf der Unterspannungsseite. Beim realen Transformator, bei dem Wirk- und Blindverlustleistung auftritt, die jedoch beide klein im Vergleich zur aufgenommenen oder abgegebenen Leistung sind, unterscheiden sich die Produkte von Spannung und Strom auf der Ober- und Unterspannungsseite so wenig, daß sie als gleich angenommen werden können. Transformatoren werden bis zu Leistungen von etwa 1500MVA und Spannungen von etwa 1000kV gebaut. Das Jahr 1885 gilt als das Geburtsjahr des Transformators und die drei ungarischen Ingenieure Blathy, Deri und Zipernowsky gelten als seine Erfinder. Die Grundidee des Transformators steckt im Induktionsgesetz, das 1831 von Michael Faraday (1791–1867) entdeckt wurde.
Eckhard Spring

3. Asynchronmaschine

Zusammenfassung
Die Asynchronmaschine kann sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden. Der übliche Betrieb ist der Motorbetrieb. Nachteilig beim Asynchrongenerator ist, daß die Maschine zu ihrem Betrieb Blindleistung braucht. Das Netz, in dem Blindleistungsbedarf besteht, mit Blindleistung zu speisen, ist der Asynchrongenerator, anders als die Synchronmaschine, die als Generator in unseren Kraftwerken arbeitet, nicht in der Lage. Die Maschine, insbesondere in ihrer Ausführung mit Käfigläufer, zeichnet sich vor allen anderen elektrischen Maschinen durch einen außerordentlich einfachen Aufbau aus. Dieses einfachen Aufbaus wegen ist sie billiger und robuster als alle anderen elektrischen Maschinen. Aus diesem Grund setzt man, wenn man einen Motor braucht, nach Möglichkeit die Asynchronmaschine ein. Die Leistung von Asynchronmaschinen liegt in einem weiten Bereich, der etwa zwischen 1kW und 30MW liegt. Die Spannungen, für die die Maschinen gebaut wird, liegen zwischen der üblichen Spannung des Niederspannungsnetzes 400V und einigen kV. Die größten Maschinen arbeiten in unseren Wärmekraftwerken und treiben dort die Speisewasserpumpen an, die den beim Austritt aus der letzten Turbinenstufe im Kondensator zu Wasser kondensierten Dampf zum Kessel zurücktransportieren. Ein weiteres Einsatzgebiet von Maschinen sehr großer Leistung sind die Umformerwerke im deutschen Bahnnetz. Während die Frequenz im öffentlichen Dreiphasenwechselstromnetz 50Hz ist, betreibt die Bahn aus historischen Gründen ein Einphasenwechselstromnetz mit einer Frequenz von 16 2/3Hz. Dieses Netz wird von bahneigenen Kraftwerken gespeist.
Eckhard Spring

4. Synchronmaschine

Zusammenfassung
Wie alle drehenden elektrischen Maschinen kann auch die Synchronmaschine sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Ihr Haupteinsatzgebiet ist der Generatorbetrieb. Sie arbeitet als Generator in unseren Kraftwerken und speist unsere elektrischen Energienetze mit Wirkleistung. Die ans Netz angeschlossenen Verbraucher nehmen jedoch nicht nur Wirkleistung auf, sondern brauchen zu ihrem Betrieb zum Teil auch Blindleistung. Zu den Blindleistung aufnehmenden Verbrauchern gehören Asynchronmotoren, Transformatoren und Stromrichter. Diese Blindleistung vermag die Synchronmaschine zu liefern. Daneben ist sie aber auch in der Lage, Blindleistung aufzunehmen. Das wird insbesondere nachts in städtischen Kabelnetzen nötig, wenn die meisten Verbraucher vom Netz abgeschaltet sind und die Kabelleitungen, die bezüglich der Blindleistung wie Kondensatoren wirken, Blindleistung abgeben, für die es dann keine anderen Abnehmer als die Generatoren gibt. Synchrongeneratoren werden bis zu Leistungen von etwa 1500MVA und Spannungen von etwa 30kV gebaut. Als Motor wird die Maschine insbesondere dann eingesetzt, wenn ein Antrieb gebraucht wird, dessen Drehzahl belastungsunabhängig ist. Auch bei diesem Betrieb vermag sie Blindleistung abzugeben, was in Anbetracht der vielen Blindleistungsverbraucher im Netz höchst willkommen ist. Von zunehmender Bedeutung ist der Einsatz der Synchronmaschine in Verbindung mit einem Frequenzumrichter als drehzahlvariabler Antrieb bis hin zu den größten Leistungen. Synchronmotoren werden bis zu Leistungen von etwa 30MW gebaut.
Eckhard Spring

5. Einphasenwechselstrommotoren

Zusammenfassung
Motoren kleiner Leistung, sogenannte Kleinmotoren mit einer Leistung von weniger als etwa 1kW, werden häufig für den Betrieb mit Einphasenwechselspannung gebaut. Ihre prinzipielle Wirkungsweise ist je nach Maschinenart die einer Gleichstrom-, einer Asynchron- oder einer Synchronmaschine. Der Wirkungsgrad ist im Vergleich zu dem der bislang betrachteten Maschinen in der Regel gering. In Anbetracht der kleinen Leistung und in Anbetracht dessen, daß der Motor möglichst billig sein soll, nimmt man im allgemeinen einen schlechten Wirkungsgrad in Kauf.
Eckhard Spring

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