Elektrische Niederspannungsschaltgeräte [Reprint 2021 ed.] 9783112467442, 9783112467435

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Kussy,

Elektrische Niederspannungsschaltgeräte

Elektrische

Niederspannungsschaltgeräte von

Dr. Ing. Werner

Mit 342

Kussy

Textabbildungen

BERLIN

1950

T E C H N I S C H E R VERLAG H E R B E R T

CRAM

Gedruckt im Druckhaus Tempelhof, Berlin

Inhalt Einleitung

1

Kapitel I : Allgemeine Theorie der Schaltgerätc Widerstand von Stromschienen

3

Erwärmung von Stromschienen

10

Berechnung des Kurzschlußstromes

30

Dimensionierung von Stromschienen

38

Theorie der K o n t a k t e

45

Ausgleichs Vorgänge

60

Theorie und konstruktive Mittel zum Ein- und Ausschalten von Gleichstrom

66

Theorie und konstruktive Mittel zum Ein- und Ausschalten von Wechselstrom

82

Kapitel I I : Widerslände Allgemeines

92

Allgemeines über Anlasser

97

Allgemeines über Regler Anlasser und Ankerregler f ü r Gleichstromnebenschlußmotoren Regler für gleichbleibendes Drehmoment

99 101 103

Regler für mit der Drehzahl quadratisch abnehmendes Drehmoment

103

Regler für mit der Drehzahl abnehmendes Drehmoment

105

Regler f ü r Maschinen m i t gleichbleibender Leistung

106

Anlassen mittels Schlupfwiderständen

106

Regelung durch Ankerparallelwiderstände

106

Berechnung von Bremswiderständen

107

VI Anlassen, Ankerregelung und Bremsung von Hauptstrommotoren • Regler für gleichbleibendes Moment Regler für mit der Drehzahl quadratisch abnehmendes Drehmoment

108 110 110

Ankerparallehvidei stände

111

Bremsung von Hauptstrommotoren

112

Regelungen im Feld von Motoren

115

Feldschutzwiderstände

116

Feldregelung bei Generatoren

117

Hauptstromfeldregler bei Generatoren

121

Anlaßgeräte für Drehstrommotoren

122

Läuferanlasser und Regler

122

Einschalten und Regeln von Einphasenmotoren Anwendung der Berechnungsformeln für Hebezeuge

125 126

Fahlbremsschaltung

128

Senkbremsschaltungen

129

Senkkraftschaltungen

132

Fahrschaltung eines Drehstrommotors

136

Verkürzte Senkschaltung

136

Gegenstrombremsung

137

Sonderbremsschaltungcn

137

Widerstände für andere Zwecke als für Verwendung an Motoren und Generatoren . . . .

148

Einschalten von Kondensatoren

148

Vor- und Zuschaltwiderstand von Spulen

151

Widerstände zum Laden von Akkumulatorenbatterien

151

Heiz-, Badstrom-Verdunklungsregler

152

Kapitel III: Berechnung von Magneten Gleichstrom-Magnete

155

Hauptstrommagnete

173

Nullspannungs,- Rückstrom- und Fernschaltermagnete

176

Wechselstrommagnete

177

Mehrschenkel- und Mchrphasen-Magnete

193

Ferraris-Laufwerke

199

VII Kapitel IV: Mechanik der Schaltgcräte Kriechwege und Luftabstände

202

Isolierstoffe

203

Füll- und Löschmittel

209

Sicherangen

210

Schalter ohne Zwischenglieder

219

Walzenschalter und Schalter mit Rastung

222

Walzenschalter-Schaltungen

232

Schalter mit Momentschaltung

243

Selbsttätige Steuerungen

247

Aufzugsgeräte

253

Steuergeräte für Werkzeug- und Waschmaschinen

271

Geräte für Pumpen und Kompressoren

276

Allgemeine Kinematik der Schaltgeräte

288

Schnellschalter

301

Fernantriebe

307

Spannungsrückgangs-Auslösung

311

Magnetische und thermische Auslöser

315

1. Bimetallstreifen

317

2. Hitzdrahtauslöser

325

3. Schmelzlotauslöser

325

Unverzögerte magnetische Auslöser

327

Schaltung und Charakteristik der Auslöser

331

Rückstrom-Auslöser

333

Verzögerungseinrichtungen

334

Berührungsschutzschalter

344

Register

348

Einleitung Soviel Literatur über Motoren und Generatoren erschienen ist, so wenig Lehrbücher gibt es über den Niederspannungsschaltgerätebau. In den letzten 20 J a h r e n , in denen der Schaltgerätebau sehr starken Veränderungen unterworfen war, ist meines Wissens in deutscher Sprache überhaupt kein zusammenfassendes Lehrbuch erschienen; aber auch in der englischen und französischen Literatur ist das Gebiet sehr stiefmütterlich behandelt worden. Der junge Ingenieur k e n n t meist weder die rechnerischen noch die konstruktiven Unterlagen und m u ß sich diese mühsam zusammensuchen. Dies f ü h r t dazu, daß jeder junge K o n s t r u k t e u r und Berechner leicht u n d häufig Fehler b e i m Entwurf von Apparaten m a c h t oder sich Dinge erarbeiten muß, die bereits Allgemeingut der Technik sein sollten. Ich habe nun versucht, sowohl die theoretischen Fragen, die f ü r den Ingenieur, der sich im Niederspannungsschaltgerätebau

betätigen will, wichtig sind, zu-

sammenzufassen, als auch die konstruktiven Grundlagen darzustellen. Mit Absicht habe ich es vermieden, Fotografien von fertigen Apparaten in das Buch aufzunehmen, da diese im allgemeinen nur ein undeutliches Bild über den B a u der Geräte geben und weil alle Apparatekonstruktionen starken Veränderungen unterworfen sind. Dagegen soll die große Zahl von konstruktiven, skizzenhaften Darstellungen, wie sie vor allem im 4. Kapitel gezeigt werden, dem Konstrukteur an H a n d von Beispielen die Anregung geben, von sich aus — aus den vorhandenen Lösungen — neue Wege bei der Lösung von Fragen des Sehaltapparatebaues zu finden. Ich habe mich bemüht, Beispiele von möglichst vielen Fabriken darzustellen, wobei ich in vielen Fällen Vereinfachungen und Änderungen gegenüber den wirklich ausgeführten K o n s t r u k t i o n i n der Deutlichkeit halber vorgenommen habe. E s ist jedoch natürlich, daß mir die Unterlagen der von mir geleitefen F i r m a „ R h e o s t a t " Specialfabrik elektrotechn. Apparate G.m.b.H., Dresden, am besten zugänglich waren und ich daher in besonders vielen Fällen auf diese zurückgegriffen habe. 1 Kussy, Elektr. Niederspannungssdialtgeräte

2 Auf die benützte Literatur ist im allgemeinen an den Stellen im Buch verwiesen, wo auf diese zurückgegriffen wurde. Ich bitte jedoch meine Leser, zu entschuldigen, wenn dies in dem einen oder anderen Falle einmal unterblieben sein sollte, ebenso dann, wenn ich hin und wieder einmal eine Firma nicht angegeben habe, von der eine Ausführungsform s t a m m t . Dies kommt daher, daß in den Kriegsereignissen es wohl gelungen ist, den ersten Entwurf des Manuskriptes zu erhalten, dagegen leider die Unterlagen, in denen ich die Literatur, die ich benutzte, aufgezeichnet habe, abhanden gekommen sind, und ich diese daher aus dem Gedächtnis oder Rekonstruktionen, die ich nach dem Kriege vorgenommen habe, wieder ergänzen mußte. Ich habe das Buch nach dem Kriege zu Ende geführt und mich bemüht, auch die allerneuesten Forschungsergebnisse, soweit sie mir zugänglich waren, mit zu verwenden. F ü r viele Anregungen, die mir nieine Mitarbeiter, insbesondere die Herren Seidel, Nedeß, Vetter, Zumpe, sowie Herr Dipl.-Ing. Lappe gaben, möchte ich an dieser Stelle danken, ebenso H e r r n Grundke und Herrn Kiißner, die die Zeichnungen ausgeführt haben. Besonderer D a n k aber gebührt meiner F r a u , durch deren Wirken das erste Manuskript gerettet wurde.

Allgemeine Theorie der Schaltgeräte Widerstand von Stromschienen

Leitungsträger in Schaltapparaten sind Klemmen, Kontakte, Litzen, Widerstandsdrähte, Spulen und andere Stromschienen. Für die Größe des Schaltapparates ist in erster Linie die Bemessung und Ausbildung dieser Leitungsträger von ausschlaggebender Bedeutung. Die Abmessungen richten sich nach der Temperatur, die in den Leitungsträgern auftreten darf, der Wärmemenge, die in ihnen erzeugt wird, nach den Abkühlungsmöglichkeiten und nach den mechanischen Erfordernissen. Die Temperatur, die in Stromschienen auftreten kann, ist von der zugeführten Wärme abhängig und von den Abkühlungsmöglichkeiten. Die zugeführte Wärme ist bekanntlich 1 2 R, wobei I die elektrische Stromstärke in Amp. und R der Ohmsche Widerstand ist. Die Berechnung dieser Größe macht im allgemeinen bei Gleichstrom keine Schwierigkeiten. Die Größe I ist, von wenigen Ausnahmen abgesehen, die später behandelt werden, im allgemeinen im Apparatebau bekannt, und die Größe R ergibt sich bei Gleichstrom aus dem Ohmschen Gesetz. .1 • p

Hierbei ist der Gesamtwiderstand R = wobei 1 die Länge der Schiene in Metern

^

,

(la)

q der Querschnitt in mm 2 ist. Die Werte von p für die wichtigsten Metalle sind in folgender Tabelle zusammengestellt 1 ) ; Spezifischer Widerstand Widerstandszunahme Silber Kupfer Aluminium Eisendraht Gußeisen . . Messing . . . Konstantan Chromnickel Graphit . . . Nickelin . . . Isabellin . . . !) S. auch Hütte 2 Bd. 1941.

l*

bei 20° C C 0,0163 0,0175 0,029 0,125

1,00

0,065—0,085 0,5 1,12

12—40 0,4-0,44 0,5

pro ° C in %o 0,41 0,40 0,40 0,6

0,1 0,12—0,20 0,013

0,01

• —0,05

0,018—0,021 —0,005

4 Schwieriger ist die Bestimmung des Wechselstrom-Widerstands, insbesondere von massiven Leitern bei höheren Frequenzen 1 ). In einem Leiter (Abb. 1) sei die Stromrichtung in der gezeichneten Weise angenommen. Sobald sich der Strom im dargestellten Stromfaden ändert, entstehen veränderliche Felder um den Stromfaden, die wiederum ihrerseits Strom erzeugen. Diese Ströme kehren sich ebenso wie der Strom I um. Wie man aus der Abbildung erkennen kann, wird gegen die Mitte des H z Leiters zu die Stromdichte vermindert, nach außen zu o erhöht. Der Strom ist also nicht mehr gleichmäßig über den ganzen Leiter verAbb. 1 teilt. Berechnet man die Veränderung, die diese ungleichmäßige Stromverteilung in einer rechteckigen Stromschiene hervorruft, so betrachten wir zunächst einen Leiter, dessen Dicke 2 d im Verhältnis zur Länge und zur Höhe klein ist, so daß Randwirkungen vernachlässigt werden können. In einem Abb. 2 a solchen Leiter betrachten wir einen Stromfaden von der Höhe 1 und der Stärke 9y. Denkt man sich in * der Mitte des Leiters, wie ihn Abb. 2 a zeigt, ein Koordinaten-System, so ergibt das erste Maxwellsche Gesetz folgende Gleichung:

O

- ^ = 0 , 4 3 * öy

(lb)

Hierbei ist 3 die Stromdichte in Amp./cm2, H die magnetische Feldstärke in Gauß Nach dem zweiten Maxwellschen Gesetz ergibt sich l ^ l f - . i o V ) 0y 9t

(2)

Hierbei ist 0(5 die Zunahme der elektrischen Feldstärke in Volt/cm. Wir untersuchen nun den Fall des einwelligen Wechselstromes von der veränderlichen magnetischen Feldstärke

£ = H m sin co t

oder

in komplexer Schreibweise ausgedrückt § = Hme-jrat Frankel, Theorie der Wechselströme. 3. Aufl. S. 124ff. 2)

Mißt m a n £ m Oerstedt, dann muß Gleichung 2 lauten - - - • = p 0 0 y 1 Gauß

i s t |j0

=

1 Oerstedt

• 10 S t

8,

hierbei

5 Es ergibt sich

(2 a)

j wHLei"'1

0t

Unter Berücksichtigung der Gleichungen 1 b und 2 ergibt sich : 0(5

8y

=

8 p - 3 - = •j

r

6y

A-88 • 110 (3)

j ^ - i o - ^ p - i - 0 1 ® . J 0,4 TT 6 y -

82. ^ i = «Cje+Mi H ) y + s j ( 2 e - k ( i + j i y

(4)

^

Das Koordinaten-System ist genau in die Mitte des Leiters gelegt, wie Abb. 2a zeigt. Im Koordinaten-Anfangspunkt, also für v = 0 ist die Stromdichte ein Minimum. Es ist also gemäß Gleichung l'o 0.4 tt

0 = 21, k 2 (1 + j) 2 e ^ d+i) + 2i2 k 2 (1 + j) 2 e~ky (>+ü

8 3

öy

öy

2

Hieraus folgt ^ = — 9t2 = 9t = A j/2 e ^ 1 Diesen Wert setzen wir in die Gleichung für die magnetische Feldstärke ein und erhalten

£ = A |/li ei ('> eky — A ]/'2 ei

1

~ *y> e~ky

Nach der Gleichung 1 b ist aber jetzt

leicht zu errechnen, denn 0y nach Gleichung 5 gilt: 0,4 7i 5 = 9t k (1 + j) | e k ( 1 + i ) y + e~ k t1 + i> y )

(V

Es ist also jetzt die Stromdichte bekannt. Für die Erwärmung ist maßgebend die Größe I 2 p 1/q = Q 2 p lq. Der Widerstand bei Wechselstrom wird daher scheinbar erhöht, und zwar im Verhältnis des Mittelwertes der Quadrate der effektiven Stromdichten J2eff zum Quadrat des Mittelwertes der Stromdichte J n 2 (Abb. 2 b).

Abb. 2 b

(G)

G D a s Q u a d r a t des Mittelwertes der Stromdichte f ü r eine Leiterhälfte ergibt sich als Q u a d r a t der durchschnittlichen Stromdichte über den Querschnitt einer Leiterd hälfte: \2 -Jo 3dyJ (8) Der Mittelwert der Q u a d r a t e der effektiven Stromdichte f ü r eine Leiterhälfte d

J2

=

I

j 32

d y

(g)

(J

J 2 dy Es ist also die W i d e r s t a n d s e r h ö h u n g v

Rw

(10)

kr Jdy F ü r den hier u n t e r s u c h t e n Fall der rechteckigen langen Stromschienen d 1

' 3 dy = - ~ _ (e k d + i-' — e ~ k J d + i)) (11) 0,4 7t d 0 Das Q u a d r a t des Mittelwertes der Stromdichte errechnet m a n nach der symbolischen Methode d u r c h Multiplikation m i t dem k o n j u g i e r t komplexen Vektor. Das Q u a d r a t einer S t r o m d i c h t e multipliziert m i t einem Ohmschen Widereso «v.» S vi l1 stand ergibt eine Leistung. In der / Leistung erscheint die Differenz der * p / Phasenwinkel zwischen Strom u n d S p a n n u n g u n d der F a k t o r e' oA fällt fort, daher wird die Leistung durch N J ^ ! y / \ Multiplikation des S t r o m v e k t o r s m i t d e m k o n j u g i e r t komplexen S p a n n u n g s v e k t o r errechnet. Die imaqm are Rc hs e effektive Leistung E • I • cos 9 berechnet m a n in folgender Weise: Abb. 3 In der komplexen E b e n e A b b . 3 sind die Vektoren @ u n d Q u n d infolgedessen auch der Vektor \5o — •

( £ 3 = E • I (cos 9 — j sin 9) = E I e " i » = W w i r k + j W b l gegeben. Hierbei ist W«,;^ die Wirkleistung u n d W b i die Blindleistung.

(12)

Wie man aus der Abb. 3 erkennt, wird die Wirkleistung und die Blindleistung dadurch bestimmt, daß man den Vektor © mit dem Vektor 8 ' , der konjugiert komplex zu dem V e k t o r 3 ist, multipliziert. Man muß daher, um das Quadrat des Mittelwertes der Stromdichten zu bestimmen, auch den Vektor ¡30 (Gleichung 11) mit dem zu ihm konjugiert komplexen multiplizieren, da das Quadrat des Mittelwertes der P' 1 Stromdichten multipliziert mit eine Leistung ergibt. J 2=

A2

I fe krt i1 dM

L 1

i — e"1«1

+ j'l le k l 1 '' - i — e~ kd • CL CaCv2^

=

Cv-Cg-^L Cu

=

X, a

=

q

= x

x

'

Aus diesen 4 Beziehungsgleichungen kann man jetzt bestimmte Zahlen ableiten, die dimensionslos sind und die sich aus bestimmten Größen errechnen. Diese Zahlen

21 müssen am Versuchskörper und am Modell in bestimmten Fällen die gleichen sein, j e nachdem, welche physikalische Ähnlichkeit man untersuchen will. Es sind dies die folgenden Zahlen; 0 p

L o

9 p'

L o'

SL

ctv2

0 L'

crv' ;

v - c L o

v' (t7 Lo'

u

u'

v L o

v' L o'

a

a'

er a u

a'

G'

u'

a Lo

a' Lo'

X

X'

-=

E u (Eulersche Zahl)

(42)

=

Re (Reynoldsche Zahl)

(43)

=

Pe (Pecletsche Zahl)

(44)

=

St (Stantonsche Zahl)

(45)

=

K

(46)

Hier interessiert ausschließlich die Frage, von welchen Konstantenverhältnissen die Wärmeübergangszahl bei ruhiger Konvektion abhängig ist. Die Frage der künstlichen Kühlung ist im Apparatebau allgemein uninteressant, da Schaltapparate nur in ganz seltenen Fällen künstlich gekühlt werden. E s kann also nur eine Zahl in Frage kommen, die von der Geschwindigkeit des Kühlmediums unabhängig ist. Infolgedessen ist die Stantonsche Zahl für die Berechnung der Wärmeübergangszahl maßgebend. Neben den aufgeführten 5 Zahlen ist aber für die Wärmeübergangszahl noch eine Ähnlichkeit der Raumausdehnung zwischen dem Kühlmedium am Modell und am Prüfkörper notwendig. P e r Raumausdehnungskoeffizient ß =

1/L

—

dr

(

4

7

)

Die Ähnlichkeit der Raumausdehnung bleibt bestehen, wenn die Gleichung •

= 1

(48)

gilt. Hieraus folgt, daß die Ähnlichkeit der Raumausdehnung bestimmt bestehen bleibt, wenn

£ t •£ ß =

1, d. h. t • ß =

k o n s t =

^

(49)

Beachten wir weiter, daß das Navier-Stokesche Gesetz nur erfüllt bleibt, wenn auch

v2 — = Lg

k« =

Konst.

so ergibt sich folgende neue Bezeichnung: k.t

(oo)

'22

Weiter folgt aus 41: Cv - C o - C L Cn U

(Tw

" u2

T o )

'

= 1

CT2

= Ko =

L2 Gr (Grashoffsche Zahl)

(51)

Hierbei ist T w die Wandtemperatur und T 0 die mittlere Umgebungstemperatur. In dieser Gleichung kommen alle die Größen vor, die maßgebend sind für die Ähnlichkeit der Raumausdehnung und für die Beibehaltung gleicher Strömungsverhältnisse. Auch von dieser Zahl muß also die Wärmeübergangszahl abhängig sein. Daneben beruht die Konstanz der Wärmeübergangszahl auf der Konstanz der geometrischen Verhältnisse. Weiterhin aber ist sie direkt proportional, wie es sich aus Versuchen ergeben hat, der Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums und einer geometrischen Maßstabseinheit, die z. B. für kreisförmige Drähte dem Durchmesser proportional ist, da die Oberfläche eine lineare Funktion dieser Größe ist. Es ergibt sich also, daß die Wärmeübergangszahl die folgende Bezeichnung hat: « = X/Lo