Die Prüfung elektrischer Maschinen

365 Pages·1987·11.101 MB·German

by  em. Professor Dr.-Ing. Werner Nürnberg, Professor Dr.-Ing. Rolf Hanitsch (auth.)

Wemer Niimberg . Rolf Hanitsch
Die Prüfung
elektrischer Maschinen
Sechste, vollstăndig iiberarbeitete Auflage
Mit 233 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH 1987
t
em. Professor Or.-Ing. Werner Niirnberg
Professor Or.-Ing. Rolf Hanitsch
Institut fUr elektrische Maschinen
Technische Universităt Berlin
Einsteinufer 11
1000 Berlin 10
ISBN 978-3-662-06674-4
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Niimberg. Werner: Die Priifung elektrischer Maschinen
Werner Niirnberg; Rolf Hanitsch. - 6., volls!. uberarb. Aufl.
Bis 5. Aufl. u. d. T.: Niirnberg, Werner:
Dic Priifung elektrischer Maschinen und die Untersuchung ihrer magnetischen Felder
ISBN 978-3-662-06674-4 ISBN 978-3-662-06673-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-06673-7
NE: Hanitsch, Rolf
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1987
Ursprlinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1987
Softcover reprint of the hardcover 6th edition 1987
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schriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuziehen.
Satz: Thomas Muntzer. GDR
2068/3020/54321
Vorwort zur sechsten Auflage
Nachdem die Reprintausgabe der fünften Auflage nunmehr auch vergriffen ist, war
es an der Zeit, eine Überarbeitung des Buches durchzuführen.
Die von aufmerksamen Lesern des Buches freundlicherweise gegebenen Anregun
gen konnten in der neuen überarbeiteten Auflage berücksichtigt werden.
Bei der Überarbeitung des Buches waren sich die Autoren einig, daß die Prüfung
der elektrischen Maschinen nach wie vor den Kern des Buches bilden sollte. Die not
wendige Erweiterung von verschiedenen Kapiteln durfte jedoch nicht zu einem Buch
über Antriebstechnik, Leistungselektronik oder Meßtechnik führen und folglich
mußten die ergänzenden Ausführungen dieser Zielvorgabe angepaßt werden.
Der weitergehend interessierte Leser wird über das neu aufgenommene Literatur
verzeichnis auf vertiefende Arbeiten hingewiesen.
Dem Verlag gebührt für die konstruktive Zusammenarbeit und die vorzügliche
Buchausstattung erneut der beste Dank.
Berlin, im August 1987 Werner Nürnberg, Rolf Hanitsch
Kurz vor Abschluß der Arbeiten am Manuskript für die 6. Auflage verstarb
Herr Prof. Dr. Werner Nürnberg.
Der Springer-Verlag verliert mit ihm einen seiner bedeutenden Autoren und
engagierten Herausgeber.
Der Verlag wird ihm ein ehrendes Gedenken bewahren.
Aus den Vorworten zu früheren Auflagen
Die eingehende Darstellung der Versuche bei der Prüfung elektrischer Maschinen
unter besonderer Berücksichtigung ihrer Wirkungsweise ist der Zweck des vorliegen
den Buches. Behandelt werden die Transformatoren, die Asynchron-, Synchron- und
Gleichstrommaschine und die Kommutatormaschinen für Ein- und Mehrphasen
strom.
Von den Sonderanwendungen der Asynchronmaschine sind im einzelnen behandelt
die polumschaltbare Maschine, der Einphasenmotor, der Asynchrongenerator, der
Periodenwandler, die synchronisierte Maschine, die elektrische Welle, der Dreh
regler und die Maschinen mit Drehzahl- und Phasenregelung. Die Gleichstrom-
VI Aus den Vorworten zu früheren Auflagen
motoren und Generatoren sind mit allen gebräuchlichen Anordnungen des Erreger
kreises beschrieben. Bei der Synchronmaschine sind auch jene Versuche angegeben,
die die Bestimmung der zahlreichen charakteristischen Werte, wie z. B. der Reaktan
zen in Längs-und Querachse für das mitläufige, das gegenläufige und das Nullsystem
oder der Eigenschwingungszahlen u. a., erlauben.
Die Schaltungsschemas sind bei allen Maschinen und Transformatoren, bei den
Gleichstrommaschinen sogar für beide Drehrichtungen wiedergegeben, da ihre
Kenntnis bei der Prüfung der oft noch nicht fertig oder etwa falsch geschalteten Ma
schine von besonderem Nutzen ist. Die Stromwendung und die Ankerrückwirkung
der mit Wendepolen ausgerüsteten Kommutatormaschinen für Gleich-und Wechsel
strom werden theoretisch kurz, praktisch aber in ausführlicher Weise behandelt.
Das Verständnis bei der Prüfung der einzelnen Maschinengattungen wird durch
Diagramme und Ortskurven vertieft, die in genauer oder in zulässig vereinfachter
Form auf Grund von Leerlauf- und Kurzschlußversuchen oder von Lastablesungen
gezeichnet und ausgewertet werden können.
Die Wirkungsweise der elektrischen Maschine beruht auf dem Auftreten eines
magnetischen Feldes, welches zusammen mit den in den Leitern fließenden Strömen
die mechanischen Nutzkräfte ausbildet und welches in bewegten Leitern bzw. bei
eigener zeitlicher Änderung in ruhenden Leitern die elektrischen Spannungen erzeugt.
Das magnetische Feld wird gekennzeichnet durch seinen Fluß, seine örtliche
Dichte und seine als Feldkurve bezeichnete Verteilung. Es wird bei den Transformato
ren und den ohne eigene Gleichstromerregung arbeitenden Wechsel-oder Drehstrom
maschinen durch ein- oder mehrphasige Blindströme aufgebaut, während es bei
Gleichstrom- und Synchronmaschinen durch ein eigenes gleichstromgespeistes Pol
system im Ständer oder Läufer der Maschine erregt wird.
Der Zusammenhang zwischen Fluß und Erregung wurde bisher bei allen Maschinen
und Transformatoren durch Aufnahme der sogenannten Leerlauf- oder Magneti
sierungskennlinie bestimmt, wobei aber nicht der Fluß selbst, sondern die von ihm
induzierte Leerlaufspannung bzw. die mit ihr nahezu übereinstimmende Klemmen
spannung gemessen wurde. Neue und unmittelbare Wege einer viel weitergehenden
Untersuchung bieten sich bei der Benutzung der beiden modernen Hilfsmittel,
nämlich des Flußmessers und der Hall-Sonde an. Ersterer liefert eine sofortige, stehende
Anzeige von Flußänderungen, die eine entsprechende Veränderung der Erregung
begleiten, letztere zeigt die Dichte des Flusses in Luft sowohl bei konstanten als auch
bei wechselnden Feldern an.
Da die Hall-Sonde darüber hinaus das Produktzweier physikalischer Größen zu
messen gestattet, auch wenn diese schnellen zeitlichen Änderungen unterworfen sind,
kann sie bei der Prüfung oder Überwachung und bei der Regelung oder Steuerung
der Maschinen zur Bestimmung von Leistungen, Drehmomenten, Wicklungsverlusten
usw. benutzt werden, wenn ein oder zwei Sonden zuverlässig und auswechselbar in
einen Hauptpolbogen eingebaut werden. Die Hall-Sonde erlaubt weiter die genaue
Untersuchung der Wendefelder und klärt bei Haupt- und Wendefeldern der Gleich
strommaschine den Unterschied zwischen stationärem und dynamischem Verhalten
bei langsamen oder schnellen Änderungen der Erregung. Vorzüglich geeignet er
scheint sie für die Aufnahme genauer Feldkurven von Gleich- und Synchronmaschi
nen, so daß sich mit ihrer Hilfe unter gleichzeitiger Benutzung des Flußmessers neue
Wege zum tieferen Eindringen in das Verhalten speziell der beiden letztgenannten
Aus den Vorworten zu früheren Auflagen VII
Maschinengattungen eröffnet haben. Diesen magnetischen Untersuchungen ist in
der vierten Auflage ein eigenes neues Kapitel gewidmet worden, welches vor
erst unabhängig lesbar neben den Abschnitten über die gewohnten Prüfmethoden
stehen soll.
Von den Meßgeräten oder Verfahren ist in knapper Form nur das wichtigste ange
geben. Hier müssen zum näheren Studium die einschlägigen Werke benutzt werden.
Die Berechnung der Meßkonstanten und die Erweiterung des Meßbereiches mit
Neben- und Vorwiderständen und mit Strom- und Spannungswandlern ist in aller
Ausführlichkeit durchgeführt. Die zur Messung der mechanischen Größen, also von
Temperatur, Drehzahl, Schwingungen, Geräuschen und Drehmomenten dienenden
Geräte werden kurz gestreift.
Berlin, Januar 1940, Juni 1955, Wemer Nürnberg
April 1959, Januar 1965
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Formeln 0o 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 XV
Einleitung o 0 00 0 o 0 o o0 0 o o0 o oo 0 o o0 0 0 0 o o0 0 0 o 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X IX
1 Allgemeine Maschinenprüfung 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.1 Widerstandsmessung 0o 00 0 o o o0 o o0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
lolol Drehstromwicklungen 0 o0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2
10102 Gleichstromwicklungen 00 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3
1.1.3 Wicklungen der Ein- und Mehrphasenkommutatormaschinen 00 0 0 0 0 0 4
102 Isolationsfestigkeit 00 00 00 0 0 0 00 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5
10201 Wicklungsprobe 00 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5
1°2°2 Sprungwellenprobe o 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5
1.203 Hochfrequenzprüfung 00 0 0 o 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6
102.4 Windungsprobe 00 0 0 0o 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7
1.205 Isolationswiderstand 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7
1.3 Wickelsinn und Wickelachse 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7
1.301 Feldwicklungen von Gleichstrommaschinen 00 0 00 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9
1.302 Feldwicklung von Synchronmaschinen 00 0 0 0 00 00 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10
1.303 Ankerwicklung von Kommutatormaschinen 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11
1.3.4 Wicklungen von Synchron- und Asynchronmaschinen für Drehstrom 12
lo3o5o Ausmessung der gegenseitigen Lage von Primär- und
Sekundärwicklungen 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13
1.4 Leerlaufversuch 00 0 0 00 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15
1.401 Motorverfahren 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15
1.402 Generatorverfahren 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17
1.403 Schleuderprobe 00 0 0 0 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18
1.4.4 Mechanischer Lauf 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18
lo 5 Belastungsversuch 00 0 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 , 00 0 00 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19
1.501 Belastungskennlinien 00 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 " ' 00 0 0 00 0 00 0 0 00 o 0 0 o 0 0 0 0 o 0 0 0 19
1.502 Erwärmungsprobe (Dauerlauf) 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 19
1.503 Erwärmungsmessungt:n 00 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 o 00 0 0 o 0o 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 19
1.5.4 Praktische Durchführung des Dauerlaufs 00 0 0o 0 0o 0 o 0o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 22
1.505 Grenzleistungo 00 0 0 0 00 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0o 0 0 0 00 0 o 0 0 o 0 0 0 0 o 0 0 24
X Inhaltsverzeichnis
1.5.6 Belüftungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.6.1 Luftmengenmessung , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.6.2 Luftwiderstandsmessung und Leistungsbedarf des Lüfters . . . . . . . . . . . 26
1.6 Kurzschlußversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.1 Kurzschlußkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.2 Kurzschlußdrehmoment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.3 Kurzschlußzusatzverluste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Hochlaufversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.7.1 Auswertung.................................................. 31
1.8 Auslaufversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.8.1 Auswertung.................................................. 34
1.8.2 Bestimmung des Trägheitsmoments . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.8.3 Messung und Trennung der Verluste............................. 38
1.9 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.9.1 Direkte Wirkungsgradbestimmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.9.2 Indirekte Wirkungsgradbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.9.3 Rückarbeitsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.9.3.1 Gleichstrommaschinen......................................... 41
1.9.3.2 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.9.4 Einzelverlustverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.9.4.1 Wirkungsgradkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.10 Belastungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.11 Pendelmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.11.1 Wirkungsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.11.2 Aufbau...................................................... 50
1.11.3 Aufnahme von Belastungskennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.11.4 Bestimmung des Wirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.11.5 Bestimmung des Korrekturdrehmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.12 Drehmoment-Drehzahlkennlinien von Antriebs-und
Belastungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.12.1 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.12.2 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.12.3 Stabilität und Instabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2 Besondere Maschinenprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.1 Transformatoren.............................................. 61
2.1.1 Schaltgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.2 Parallelarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.3 Transformatordiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.4 Spannungsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.1.5 Berechfmng des Wirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.1.6 Prüfung des unbewickelten Kerns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.1.7 Prüfung des fertigen Transformators mit ölgefülltem Kessel . . . . . . . . . 75
Inhaltsverzeichnis XI
2.1.8 Erwärmungslauf ............................................. . 76
2.1.9 Transformatoren in Sparschaltung .............................. . 78
2.1.10 Toteranzen 80
0. 0 •• 0 ••••••••••• 0 0. 0 •• 0. 0 ••• 0 •••• 0 0 0 •• 0 0 ••• 0 ••• 0 ••
2.2 Asynchronmaschinen ......................................... . 80
2.2.1 Drehstromasynchronmotor .................................... . 83
2.2.1.1 Leerlaufversuch .............................................. . 84
2.2.1.2 Kurzschlußversuch ........................................... . 86
2.2.1.3 Hochlaufversuch ............................................. . 91
2.2.1.4 Belastungsversuch ............................................ . 93
2.2.1.5 Schlupf ..................................................... . 94
2.2.1.6 Belastungskennlinien ......................................... . 97
2.2.1.7 Dauerlauf ................................................... . 98
2.2.1.8 Wirkungsgrad ............................................... . 99
2.2.1.9 Gewährleistung und Toteranzen ................................ . 103
2.2.2 Kreisbild der Drehstromasynchronmaschine mit Phasenanker ...... . 104
2.2.2.1 Zeichnung des Kreisbilds ...................................... . 104
2.2.2.2 Bestimmung des Schlupfs ...................................... . 107
2.2.2.3 Bestimmung von Anlaßwiderständen und Regelwiderständen ....... . 109
2.2.2.4 Allgemeine Beziehungen ...................................... . 110
2.2.3 Polumschaltbare Asynchronmaschinen .......................... . 111
2.2.4 Asynchrongenerator .......................................... . 113
2.2.5 Einphasenasynchronmotor .................................... . 115
2.2.5.1 Diagramm des Einphasenmotors ohne Hilfswicklung .............. . 116
2.2.5.2. Kurzschlußdiagramm des Motors mit Hilfsphase ................. . 118
2.2.5.3 Erzielung des höchsten Anfahrdrehmoments ..................... . 120
2.2.6 Periodenwandler ............................................. . 120
2.2.6.1 Prüfung ..................................................... . 122
2.2.7 Synchronisierte Asynchronmaschine ............................ . 123
2.2.7.1 Schaltung ................................................... . 123
2.2.7.2 Diagramm .................................................. . 124
2.2.7.3 Überlastbarkeit .............................................. . 126
2.2.8 Elektrische Welle ............................................. . 127
2.2.8.1 Wirkungsweise ............................................... . 128
2.2.9 Stromrichtergespeiste Asynchronmaschinen ... , .................. . 129
2.2.9.1 Asynchronmotor mit Pulsumrichter ............................. . 130
2.3 Synchronmaschinen .......................................... . 133
2.3.1 Streuprobe ohne Induktor ..................................... . 134
2.3.2 Leerlaufversuch ............................................. . 134
2.3.3 Spannungskurve ............................................. . 135
2.3.4 Kurzschlußversuch ........................................... . 136
2.3.5 Stoßkurzschlußversuch ........................................ . 138
2.3.6 Hochlaufversuch ............................................. . 140
2.3.7 Synchronisierung ............................................. . 141
2.3.7.1 Dunkelschaltul)g ............................................. . 142
2.3.7.2 Hellschaltung ............. ·: ................................... . 142
2.3.7.3 Kontrollmöglichkeit .......................................... . 143