Elektrotechnik: Ein Leitfaden für Unterricht und Praxis [3. Aufl., Reprint 2020] 9783112319482, 9783112308219

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Däschler- Bornemann, Elektrotechnik

Däschler - Bornemann

Elektrotechnik Ein Leitfaden für Unterricht und Praxis

Dritte Auflage Mit 6 Tafeln und 391 Figuren

Technischer Verlag Herbert Cram

Berlin 1967

Umschlag bild Zwei Dampfturbosätze im Kraftwerk Heyden, Lahde (Westf.) der Preußischen Elektrizitäts-AG, Hannover Jeder Satz ist a u s g e l e g t f ü r : Generator-Scheinleistung bei cos q> = 0,8 u n d H 2 - D r u c k Generator-Scheinleistung bei cos q> = 0,75 u n d H 2 - D r u c k

Leistung n o r m / m a x 90/100 M W Frischdampfdruck norm/max 179/185 atü F r i s c h d a m p f t e m e r a t u r n o r m / m a x 530/535 °C Kühlwassertemperatur 12 °C

( W e r k f o t o : Siemens

125 M V A 1 atü 133 M V A 1,5 atü

Aktiengesellschaft)

© C o p y r i g h t 1966 by A . D ä s c h l e r , Z ü r i c h Prlnted In G e r m a n y — A l l e Rechte der O b e r s e t z u n g , d e s N a c h d r u c k s , der A n f e r t i g u n g v o n F o t o k o p i e n u n d M i k r o f i l m e n , auch a u s z u g s w e i s e , v o r b e h a l t e n S a t z u n d D r u c k : F r a n z Spiller, Berlin

A u s dem V o r w o r t zur 11. schweizerischen Auflage Im M a i 1964 erschien die 10. Auflage, neu bearbeitet und in einigen Kapiteln erweitert. Sie fand inzwischen eine gute Aufnahme, und ich schließe daraus, daß sie den derzeitigen Bedürfnissen gerecht wurde. Es bestand somit keine Veranlassung, in der nun vorliegenden 11. Auflage Änderungen grundsätzlicher Art

anzubringen.

Sie ist daher auch hinsichtlich Inhalt, Umfang und Anlage praktisch gleich geblieben. Es wurden lediglich kleinere Berichtigungen und Ergänzungen gemacht, und w o es als angebracht

erschien, die typographische

Darstellung

verbessert.

Auf

wiederholten Wunsch hin wurde nun ein Sachwortverzeichnis beigefügt. Dieser Leitfaden ist im besonderen zur Verwendung

im Elektrotechnik-Unterricht

an gewerblichen Berufsschulen gedacht, sei es an Lehrlingsklassen oder auch auf der Stufe der Weiterbildung. Im weiteren wird er zum Selbststudium der G r u n d lagen und Anwendungen der Elektrotechnik sehr dienlich sein. Erneut danke ich allen denen, die mir auch bei der Bearbeitung dieser Auflage irgendwie behilflich waren. M ö g e auch diese 11. Auflage eine günstige Aufnahme finden und damit wiederum zur beruflichen Ausbildung beitragen.

April 1966

A. Däschler,

dipl. Ing.

V o r w o r t zur ersten deutschen Auflage Die vorliegende erste deutsche Auflage wurde eingehend überarbeitet. Alle Schaltbilder wurden, soweit dadurch keine Beeinträchtigung des Verständnisses der dargestellten V o r g ä n g e oder Zusammenhänge eintrat, den Schaltungsnormen der V D E

angepaßt

oder durch diese neben der ursprünglichen Darstellung ergänzt, um den Lernenden gleich von Anfang an die Wirkungsweise und schaltungsmäßige Darstellung einer elektrischen Maschine oder eines Gerätes einzuprägen. G r o ß e r Wert wurde darauf gelegt, die VDE-Vorschriften stets heranzuziehen, die betreffende VDE-Arbeit mit ihrer Bezeichnungsnummer zu erwähnen, wo auf Vorschriften, Festsetzungen oder Tabellen eingegangen werden mußte. Unter VDE-Vorschriften wird das Vorschriftenwerk des »Verbandes Deutscher Elektrotechniker« Frankfurt/M. verstanden.

V

Verlag und Bearbeiter hoffen somit, daß das vorliegende W e r k , das sich in der Schweiz schon in vielen Auflagen sehr bewährt hat, bei Lehrenden und Lernenden der gewerblichen Berufsschulen Deutschlands den gleichen Anklang finden wird und so für den jungen Menschen in der Ausbildung eine wertvolle Hilfe werden kann, auch zu späterer Mitarbeit am Wiederaufbau Deutschlands. August 1949

H. B o r n e m a n n . Baurat Dozent für Elektrotechnik an der Ingenieurschule Beuth, Berlin

V o r w o r t zur dritten deutschen Auflage Die vorliegende dritte deutsche Auflage ist die für deutsche Verhältnisse überarbeitete 11. Schweizer Auflage. W i e aus dem Vorwort von H e r r n Däschler hervorgeht, wurde sie vollständig von ihm überarbeitet und wesentlich ergänzt. In dieser 3. deutschen Auflage wurden die V D E - V o r s c h r i f t e n und die N o r m b l ä t t e r in besonderem D r u c k gesetzt, um ihre Wichtigkeit herauszuheben. Die Multiplikationspunkte in den Buchstabenformeln wurden gemäß D I N 1338 fortgelassen und alle Formeln entsprechend dem Normblatt D I N 1313 als sogenannte Größengleichungen geschrieben, d. h. bei jeder Zahlenwertangabe steht die zugehörige Dimension. Auch ich würde mich freuen, wenn diese 3. Auflage einen ebenso freudigen Leserkreis finden würde, wie die beiden vorangegangenen. H. B o r n e m a n n , Baurat i.R. ehem. Dozent für Elektrotechnik an der Staatl. Ingenieurschule Beuth, Berlin

Inhaltsverzeichnis Elektrotechnische G r u n d l a g e n Wirkungen des elektrischen Stromes Der Elektrische Stromkreis Stromarten Der Ohmsche Widerstand Schaltung von Widerständen Widerstandsmessung Spannungsverhältnisse in einer Verbraucherleitung Betriebsverhalten einer Spannungsquelle Schaltung von Spannungsquellen Arbeit, Energie und Leistung der Mechanik Leistung und Arbeit des elektrischen Stromes Wirkungsgrad elektrischer Maschinen Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie Elektrizitäts-Tarife

1 2 9 10 15 22 26 30 32 34 36 40 45 52

Elektrowärme Grundlagen Kochgeräte Heißwasserbereiter Elektrische Raumheizung Industrielle Anwendungen

57 59 62 66 68

M a g n e t i s m u s und Induktion Grundbegriffe des Magnetismus Elektromagnetismus Dauermagnete Magnetische Kraftwirkungen Spannungserzeugung durch Induktion Selbstinduktion Wirbelströme

69 73 84 86 90 97 100

Elektrische M e ß g e r ä t e Strom- und Spannungsmesser

105

Leistungsmesser Sonder-Meßgeräte

113 115

Gleichstrom-Maschinen Gleichstrom-Generatoren Gleichstrom-Motoren

120 128 VII

Wechselstrom Einphasen-Wechselstrom

135

Leistung bei Einphasen-Wechselstrom

144

Drehstrom

153

D r o s s e l s p u l e n und K o n d e n s a t o r e n Drosselspulen

169

Kondensatoren

173

U m s p a n n e r (Transformatoren) Wirkungsweise und Aufbau

184

Ausführung der Transformatoren

193

Meßwandler

200

Anwendung der Transformatoren in Verteilanlagen

206

Wechselstrom-Motoren Drehstrom-Asynchron-Motoren

210

Einphasen-As/nchron-Motoren

239

Synchron-Moloren

247

Wechselstrom-Kollektor-Motoren

252

Motorschutz

259

Verteilnetze. S c h u t z m a ß n a h m e n Verteilnetze

266

Berührungsschutz in Niederspannungsnetzen

270

Personengefährdung durch den elektrischen Strom

278

D a s elektrische Licht Grundlagen zur Lichttechnik

283

Glühlampen

289

Entladungslampen

292

Leuchten

305

U m f o r m u n g v o n Wechsel- in G l e i c h s t r o m Umformung mit Maschinen

311

Umformung mit Gleichrichtern

312

Sammler (Akkumulatoren) Grundbegriffe

325

Bleiakkumulatoren

327

Stahlakkumulatoren

333

Ladevorrichtungen

335

Anhang Neue Einheiten

337

Trigonometrische Funktion

341

Stichwortverzeichnis

343

VIII

Elektrotechnische Grundlagen Wirkungen des elektrischen Stromes Der elektrische Strom ist nicht direkt wahrnehmbar; er ist jedoch an den von ihm ausgeübten Wirkungen zu erkennen. Wärmewirkung In jedem stromdurchflossenen Leiter wird W ä r m e entwickelt, die sogenannte Stromwärme. Anwendungen: Glühlampen, Wärmeapparate, industrielle Öfen, elektrische Schweißung. Chemische Wirkung Zwei Kohlenplatten, die in eine Kupfervitriol-Lösung tauchen, werden an eine Batterie angeschlossen. Nach einiger Zeit stellt man an der einen Platte einen Kupfer-Niederschlag fest. Als Folge des Hindurchschickens von Strom wird die Kupfervitriol-Lösung zersetzt, das heißt es ergibt sich eine chemische Wirkung (Fig. 1 a).

a

b

C

Fig. 1 C h e m i s c h e W i r k u n g . Polarität und Stromrichtung

Eine den Strom leitende Flüssigkeit nennt man Elektrolyt, die hineintauchenden Stromzuleitungen bezeichnet man als Elektroden und die elektrochemische Z e r setzung als Elektrolyse. Vertauscht man die Anschlüsse an den Batterieklemmen, so scheidet das Kupfer an der andern Platte aus (Fig. 1 b). Dies weist darauf hin, daß der Strom eine Richtung hat. Festsetzung der S t r o m r i c h t u n g : Der Strom fließt im Elektrolyten in Richtung zum ausgeschiedenen

Metall

U m über die sich ergebende S*romrichtung Bescheid zu wissen, ordnet man den Batterieklemmen eine Bezeichnung zu (Fig. 1 c). Der Strom fließt vom positiven Pol ( + ) weg, nimmt seinen W e g durch die Kupfersulfatlösung, fließt zum negativen Pol ( — ) und 1

D ä s c h l e r - B o r n e m a n n , Elektrotechnik 3

1

schließlich innerhalb der Batterie zum positiven Pol zurück. Diese geschlossene Strombahn stellt einen elektrischen Stromkreis dar. Anwendungen: Galvanisieren (Vernickeln, Verkupfern, Verchromen usw.). Galvanoplastik, Wasserzersetzung zur Erzeugung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas, Herstellung von Elektrolyt-Kupfer und Aluminium. Kraftwirkung Parallel zur Ruhelage einer Magnetnadel ist e i n Leiter angeordnet (Fig. 2). Bei Stromdurchgang wird die Nadel aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt; es kommt eine Kraftwirkung zustande. Sie ist die Folge eines um jeden stromdurchflossenen Leiter

Akkumulai

Kraftwii

entstehenden magnetischen Zustandes. Bei Vertauschen der Batterie-Anschlüsse erfolgt die Ablenkung im umgekehrten Sinn. Dies zeigt wiederum, daß der Strom eine bestimmte Richtung des Fließens hat; die Ablenkrichtung der Magnetnadel ist von der Stromrichtung abhängig. Anwendungen: Elektromotoren, Meßinstrumente.

D e r elektrische Stromkreis Vergleich mit Wasserstromkreis D e r Kühlwasser-Kreislauf eines Verbrennungsmotors, in Fig. 3 schematisch dargestellt, bildet eine geschlossene Bahn. Dieser Wasserstromkreis ist in gewisser Hinsicht ähnlich dem elektrischen Stromkreis. So kreist das Wasser darin nicht von selbst; es muß mit

Fig. 3 V e r g l e i c h mit W a s s e r s t r o m k r e i s

Druckpumpe 2

einer Druckpumpe hindurchgetrieben werden. Sie entspricht im elektrischen Stromkreis der Batterie. Ferner bietet das ganze Kühlsystem dem hindurchfließenden Wasser Widerstand; einen solchen weist auch der elektrische Stromkreis auf. Elektrischer Stromkreis

Damit ein elektrischer Strom fließt, ist ein elektrischer Druck erforderlich; diesen bezeichnet man als Spannung. Elektrische Druck- bzw. Spannungserzeuger sind: Galvanische Elemente, Akkumulatoren, Generatoren. Taucht man je eine Zink- und Kohlenplatte in Salmiaksalzlösung, so ist zwischen den Anschlußklemmen oder Polen eine Spannung vorhanden; das Ganze bildet ein galvanisches Element (Fig. 4a).

Fig. 4 Elektrischer Stromkreis

Die Verbindung vom Plus- zum Minuspol erfolge zum Beispiel über eine Glühlampe und einen Schalter. Mit diesem wird der Stromkreis geschlossen, worauf die Spannung einen Strom von der eingezeichneten Richtung hindurchtreibt. Die von der Plusklemme ausgehende Leitung nennt man auch Hinleitung, jene, die zur Minusklemme zurückführt, die Rückleitung. Der ganze Stromkreis bietet dem Strom einen Widerstand; dessen Hauptanteil weist die Lampe auf. Sie stellt im vorliegenden Fall den sogenannten Verbraucher dar (siehe S. 8). Die schematische Darstellung des in Fig. 4 a perspektivisch gezeichneten Stromkreises erfolgt mit den graphischen Symbolen gemäß Fig. 4b. Für die kennzeichnenden Größen des elektrischen Stromkreises gelten die nachstehenden Buchstabensymbole: Spannung

t/')

Strom

/

Widerstand

R

Die Spannung U treibt den Strom I durch den Widerstand

R.

')

Diese und viele weitere Formelzeichen sind vom Deutschen Normenausschuß auf den DIN-Blättern festgelegt. Die Normblätter können vom Beuthvertrieb, Berlin—Köln —Frankfurt/M. bezogen werden.

r

3

Zur Messung und größenmäßigen Angabe von Strom, Widerstand und Spannung sind Einheiten erforderlich. Diese wurden wie folgt festgelegt: Einheit des Stromes: A m p e r e [A] 1 ) Der Strom, der in einer Sekunde bei der Elektrolyse von Silbersalzlösung (Silbernitrat) 1,118 mg Silber ausscheidet, hat die Einheit von 1 Ampere. Einheit des Widerstandes: O h m [fl] Ein Ohm ist der Widerstand eines Quecksilberfadens von 106,3 cm Länge, 1 mm2 Querschnitt und einer Temperatur von 0 °C. Einheit der Spannung: Volt [V] Ein Volt ist jene Spannung, die 1 A durch den Widerstand von 1 Q. treibt. Gebräuchlich sind die folgenden dezimalen Vielfachen und Teile: 1 Kiloampere (kA)

= 10 3 A

= 1 000 A =

1

1 Mikroampere (/

1 Kiloohm (kß) 1 Megohm (Mß)

= 1000Ü = 1000000 ß

= 103 ß = 106 ß

1 Kilovolt (kV) 1 Millivolt (mV)

= 1000 V = '/IOOOV

= =

1 Milliampere (mA)

/i ooo A

/

"

= A

10~ 3 A

= 10~6 A

10 3 V 10"3V

Größenordnung von in der Praxis vorkommenden Strom- und Spannungswerten: Ströme:

Mikrophon Glühlampen Lichtbogenschweißung Lichtbogenöfen

10 —20 mA 0,1— 10 A 10 ••• 500 A bis 200 000 A bzw. 200 kA

Spannungen:

Thermoelemente Element einer Taschenlampenbatterie Licht- und Kraftnetze Fahrdrahtspannung der Straßen- und Vorortbahnen Fahrdrahtspannung der Deutschen Bundesbahn Generatoren in Kra'twerken Kabelleitungen Freileitungen in Deutschland

10— 20 mV 1,5 V 220/380 V 500 — 800 V 15 kV 15 ••• 20 kV bis 220 kV bis 380 kV

Ströme mißt man mit dem Strommesser, Spannungen mit dem Spannungsmesser; O h m m e t e r dienen der Widerstandsmessung. Alle diese Instrumente beruhen in der Die Einheitszeichen sind im Normblatt D I N 1301 festgelegt.

4

Regel auf Anwendung der Kraftwirkung des elektrischen Stromes, weshalb auch Spannungsmesser stromdurchflossen sind, jedoch von sehr geringen Strömen. Ohmsches Gesetz

Im geschlossenen Stromkreis verursacht die Spannung einen Strom; je größer sie ist, um so größer der Strom. Wegen des sich bietenden Widerstandes B ist aber anderseits I um so kleiner, je größer R. Auf Grund dieses Verhaltens ermittelte Ohm das folgende Gesetz: Spannung

Strom =

oder

Widerstand

U

1 =

R

Beispiel: Z w e i Widerstände, wovon der eine 1 0 0 , der andere 5 0 , werden einzeln an 80 V bzw. 40 V angeschlossen. Welches sind die sich ergebenden Ströme? Lösung: V = 4 0 V 17 = 80 V

40 V I = ^ ^ = 4A

R = 100

80 V *

=

1 0 n

i

=

i M

=

B

A

ü" — 40 V

fi

U = 80 V

= 50

1=

R = 5C1 I ss

40 V

> 8 A

5O 80 V

=16A

Die Rechnung zeigt, daß I proportional U und umgekehrt proportional R ist. Auf Grund des Ohmschen Gesetzes ergeben sich noch die nachstehenden Zusammenhänge. Spannungsverbrauch: Ist ein Widerstand R vom Strom I durchflössen, so erfordert dies an seinen Klemmen die Spannung U. Dieser Spannungsbedarf oder Spannungsverbrauch berechnet sich auf Grund des Ohmschen Gesetzes wie folgt: Spannungsverbrauch = Widerstand x Strom

oder

U =

RI

Beispiel: Eine Magnetwicklung habe einen Widerstand R = 20X3; es soll durch sie ein Strom von 2,4 A fließen. W e l c h e Spannung ist an ihren Klemmen anzuschließen bzw. wie groß ist der Spannungsverbrauch? Lösung:

U = RI = 2 0 O • 2,4 A = 48 V.

Beispiel: Die Fahrleitung einer Straßenbahn habe je 100 m einen Widerstand von 0,012 ß . W i e groß ist der Spannungsverbrauch in einer solchen Leitung, wenn darin 300 A fließen? Lösung: Spannungsverbrauch: U = I R — 300 A - 0,0120 U = 3,6 V

Widerstand: Das Ohmsche Gesetz läßt sich ferner nach R auflösen. Man erhält: Widerstand =

Spannung Strom

oder

R =

U

Diese Beziehung definiert den sich dem Stromdurchgang bietenden Widerstand R. U und I lassen sich messen, und daraus kann R berechnet werden. Beispiel: Ein Bügeleisen werde an 220 V angeschlossen; es fließen 2,05 A . Widerstand des Heizdrahtes? Lösung:

V

R = —

=

220 V ^ = 107,3 0

5

Wesen des elektrischen Stromes Durch eine Wasserleitung fließt zum Beispiel eine Wasserströmung von 100 l/s; nach 120 s ist eine Wassermenge 0 = 100 l/s-120 s = 12 000 I hindurchgeflossen. Maßgebend für die Stärke dieses Wasserstromes ist die Wassermenge pro Sekunde; sie entspricht im elektrischen Stromkreis der Stromstärke I . Fließen zum Beispiel I = 100 A während einer Zeit t = 120 s, so ergibt das Produkt 11, gleich wie bei obigem Beispiel der Wasserströmung, eine Strommenge Q\ gebräuchlich ist die Bezeichnung Elektrizitätsmenge oder Ladung Q. Gemäß voriger Annahme wird Q = I < = 110 A - 1 2 0 s = 12 000 Amperesekunden = 12 000 As. Dieses Produkt kennzeichnet zum Beispiel die Speicherfähigkeit eines Akkumulators; kann er während 5 Stunden 10 A abgeben, so hat er eine Kapazität oder Ladung von 10 A • 5 h = 50 Amperestunden = 50 Ah bzw. 10 A • 5 • 3600 s = 180 000 As. So wie die dahinströmende Wassermenge den Wasserstrom ergibt, so ergibt im elektrischen Stromkreis die durchfließende Elektrizitätsmenge oder Ladung den elektrischen Strom. Sein Durchfluß erfolgt aber nicht zusammenhängend wie bei einer Flüssigkeit, sondern in Form sehr kleiner Elektrizitätsmengen oder Ladungen; deren Träger sind die Elektronen und in gewissen Fällen die Ionen. D a Ladungsträger gegensätzliches Verhalten zeigen können, ordnete man ihnen eine Polarität zu, nämlich positiv und negativ. Elektronen sind Träger negativer Ladung; sie sind in der Materie vorhanden und haben die kleinste vorkommende Einzelladung von 1,602 • 1 0 _ " As. Ionen haben die eine oder andere Polarität; ihr Entstehen kann verschiedenartig erfolgen. Ein atomares System (Atom, Molekül) hat einen positiven Kern, umkreist von Elektronen; ist deren negative Ladung gleich der positiven Kernladung, so ist das System elektrisch neutral. Durch Zu- oder Weggang von Elektronen erhält man ein Stoffteilchen (Ion), das positiv bzw. negativ geladen wirkt. Dieser Vorgang heißt Ionisation: er kann zum Beispiel unter Einfluß hoher Temperatur vor sich gehen (Thermo-Ionisation beim elektrischen Lichtbogen). Es kann aber auch ein elektrisch neutrales Stoffteilchen in zwei entgegengesetzt geladene Teile (Ionen) zerfallen; dieser Vorgang heißt Dissoziation. Elektrisch leitende Materialien weisen freie Elektronen auf, das heißt solche, die unter Einwirkung einer elektrischen Spannung sich längs des Leiters bewegen, und zwar

durchschnittlich

101/s

Fig. 5 Eimerkette. B e w e g u n g v o n W a s s e r m e n g e n ergibt Flüssigkeitsstrom

in Richtung zum positiven Pol der Spannungsquelle hin (Fig. 6). Diese Wanderung der Ladungsträger oder Elektrizitätsmengen ist gleichbedeutend dem Fließen eines elektrischen Stromes. Der Vorgang kann mit einer Eimerkette (Fig. 5) verglichen werden. Jeder Mann ist mit einem Eimer voll Wasser versehen; der erste schöpfte aus einem 6

Behälter, der letzte Mann gieße sein Wasser in ein Becken. Werden die gefüllten Eimer weitergegeben, so kommt durch die Bewegung dieser einzelnen Wassermengen ein Wasserstrom von zum Beispiel durchschnittlich 10 l/s zustande, das heißt gleich wie in der Rohrleitung. Jeder Eimer ist Träger einer Wassermenge bzw. Ladung; beim elektrischen Stromkreis übernehmen die Elektronen (oder Ionen) die Rolle der Eimerbzw. Ladungsträger. Wird die ruhende Eimerkette auf ein an den ersten Mann abgegebenes Kommando hin in Bewegung gesetzt, so dauert es eine gewisse Zeit, bis davon der letzte Mann erfaßt wird. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Kommandos betrage zum Beispiel 20 m/s; sie ist zu unterscheiden von der Eigengeschwindigkeit der Eimer von zum Beispiel 1,0 m/s. Ähnliche Verhältnisse hat man beim elektrischen Stromkreis. Wird er geschlossen, so pflanzt sich die Auswirkung der elektrischen Spannung, darin bestehend die Elektronen in Bewegung zu setzen, mit 300 000 000 m/s fort; dies ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des elektrischen Stromes. Die Eigengeschwindigkeit der Ladungsträger ist bedeutend kleiner, zum Beispiel nur 1 mm/s, und ist abhängig von Spannung, Leitermaterial und Leiterquerschnitt. Elektron

•i

|-Leiter

Bewegungsrichtung des Elektrons

-t Stromrichtung"

Fig. 6 Stromrichtung und Bewegungsrichtung der Elektronen

Elektronen wandern in dem an der Spannungsquelle angelegten Stromkreis stets in Richtung zum positiven Pol (Fig. 6). Ihre Strömungsrichtung ist also umgekehrt zur festgelegten oder konventionellen Stromrichtung, die zu einem Zeitpunkt vereinbart wurde, da man das Wesen des elektrischen Stromes noch nicht erforscht hatte. Negative Ionen verhalten sich, was Strömungsrichtung anbelangt, gleich wie Elektronen; positive Ionen wandern jedoch umgekehrt. Leiter, wie Kupfer, Silber usw., haben viele freie Elektronen; die unter Einwirkung der Spannung hervorgerufene Elektronenbewegung verursacht die sogenannte Stromwärme. Je mehr freie Elektronen und je größer ihre Beweglichkeit, um so größer ist die Fähigkeit, den Strom zu leiten. Steigende Temperatur verursacht bei Meiallen Abnahme der Elektronenbeweglichkeit bzw. Zunahme des Widerstandes. Elektrolyte, wie zum Beispiel Kupfersulfatlösung, haben als bewegliche Ladungsträger Ionen, das heißt geladene Stoffteilchen. Daher ist in einem solchen Fall die Stromleitung mit einem Stofftransport verbunden, wie zum Beispiel die Ausscheidung von Kupfer (Fig-1).

Nichtleiter oder Isoliermaterialien weisen keine frei beweglichen Elektronen auf; trotz Einwirkung einer Spannung kommt daher kein Stromfluß zustande. Halbleiter zeigen ein Zwischenverhalten; zu ihnen gehören z. B. Silizium, Germanium, Selen. In bestimmten Anordnungen weisen sie ferner einen Gleichrichtereffekt auf. 7

Aus den vorstehenden Erklärungen ergibt sich, daß eine sogenannte »Stromquelle« keinen Strom erzeugt. Sie hat lediglich die Elektronen fortwährend durch den geschlossenen Stromkreis zu treiben, ähnlich einer Umwälzpumpe im Wasserstromkreis. Die Bezeichnung »Spannungsquelle« ist daher zutreffender. Ist im Stromkreis eine Lampe eingeschaltet, so ist ihr Widerstand so bemessen, daß in ihm am meisten Wärme erzeugt wird. Die hindurchwandernden Elektronen werden dabei nicht verbraucht, sondern nehmen ihren Weg erneut durch die Spannungsquelle und Lampe. Es ist daher auch nicht zutreffend, die Lampe als »Stromverbraucher« zu bezeichnen; sie formt die durch den Stromkreis übertragene elektrische Energie in Wärme und Licht um. Gegenüber dem Werk, das diese Energie abgibt, ist sie ein Energieverbraucher oder kurz ein Verbraucher. Schaltung von Strom- und Spannungsmesser Strommesser messen den durch einen Leiter fließenden Strom; sie sind daher, gleich einem Wassermesser, so in die Leitung zu schalten, daß der Strom seinen Weg durch das Meßgerät nehmen muß. D a im unverzweigten Stromkreis (Fig. 7a) an jeder Stelle gleich viel Strom fließt, kann der Strommesser in die Hin- oder Rückleitung geschaltet werden.

Auch ein Strommesser weist Widerstand auf. Schaltet man ihn in den Stromkreis, so darf dadurch der Stromfluß praktisch nicht behindert werden. Strommesser sollen daher einen möglichst kleinen Widerstand aufweisen. Spannung besteht zwischen den Klemmen einer Spannungsquelle oder Netzsteckdose (Fig. 7b); ferner zwischen den Anschlüssen eines stromdurchflossenen Widerstandes. 8

Letzteres deshalb, weil es dazu die Spannung U = BI braucht. D a grundsätzlich auch Z u - und Rückleitungen Widerstand aufweisen, ist zwischen zwei beliebigen Punkten eines stromdurchflossenen Stromkreises stets eine Spannung meßbar. Spannungsmesser sind in der Regel stromdurchflossen, das heißt sie beruhen auf der Wirkung des elektrischen Stromes. Damit durch ihren Anschluß die bestehenden Stromverhältnisse praktisch nicht verändert werden, muß der Spannungsmesserstrom möglichst klein sein. Spannungsmesser sollen daher einen möglichst großen Widerstand aufweisen.

Stromarten Gleichstrom Kennzeichnend ist die gleichbleibende Stromrichtung. Galvanische Elemente und Sammler (Akkumulatoren) geben einen zeitlichen Stromverlauf gemäß Fig. 8. In dieser graphischen Darstellung ist zu beachten, daß nach oben abgetragene Stromwerte der Stromrichtung von A nach B entsprechen, nach unten abgetragene jedoch umgekehrte Stromrichtung bedeuten würden. Schaltzeichen1) für Gleichstrom: —

1 = 3A

Stromrichtung von A-+B

2 1

A 12V

t

R=4Sl

0

B

I = 3A

3A

\

Strom im -

Widerstand ——

Zeit

1 2 Stromrichtung von B*A Fig. 8 Gleichstrom

Gleichstromerzeuger: Galvanische Elemente, Sammler, Gleichstrom-Generatoren, Gleichrichter. Gleichstromgeneratoren erzeugen einen leicht welligen oder pulsierenden Strom; bei Gleichrichtern ohne Glättung ist die Welligkeit noch ausgeprägter (siehe S. 315). Anwendungen von Gleichstrom: Nachrichtentechnik, Elektrochemie, LichtbogenSchweißung, Straßenbahnen. Für Licht- und Kraftverteil netze ist Gleichstrom kaum mehr in Gebrauch. Wechselstrom Kennzeichnend ist, daß Strom- und Spannungsrichtung periodisch ändern, das heißt in gleichen Zeitabschnitten. Fig. 9 zeigt den zeitlichen Stromverlauf in einer am Wechselstromnetz angeschlossenen Lampe. Es ist eine Sinuslinie; in der Regel hat ein Wechselstrom sinusförmigen Verlauf, doch gibt es auch Abweichungen davon. ')

A u f den N o r m b l ä t t e r n 4 0 7 1 0 ••• 4 0 7 2 2 sind die g e n o r m t e n Schaltbilder für die gesamte Elektrotechnik zusammengestellt.

9

Schaltzeichen für Wechselstrom: Stromrichtung von A--B

I \ / / \

Lampe B

2 1 0

2

Zeit

1

2 Stromrichhing von B-+A

1 Periode

Fig. 9 Wechselstrom

Unter der Frequenz f des Wechselstromes versteht man die Anzahl der Perioden pro Sekunde; eine Periode je Sekunde gleich 1 Hertz. Wechselstromerzeuger: Wechselstrom- bzw. Drehstrom-Generatoren. Wechselstrom kann mit Umspannern (Transformatoren) auf eine niedrigere oder höhere Spannung umgewandelt werden. Dies ist von Vorteil für die Energieübertragung und mit ein Grund, warum die Verteilung für Licht und Kraft fast ausschließlich mit Wechselstrom erfolgt; dessen Frequenz beträgt 50 Hertz. Eine Ausnahme ist das D B B Bahnnetz, das mit Wechselstrom von 162/3 Hz betrieben wird. Nachrichtenanlagen früher Schwachstromanlagen sind elektrische Anlagen, welche normalerweise für Personen und Sachen ungefährlich sind (Fernsprecher, Fernschreiber). Kleinspannungsanlagen sind Stark- oder Nachrichtenanlagen von nicht mehr als 42 V Betriebsspannung bei Strömen von über 3 A; sie dürfen keine leitende Verbindung mit einer Anlage höherer Spannung haben. Starkstromanlagen sind elektrische Anlagen, bei welchen Ströme benützt werden oder auftreten, die unter Umständen für Personen oder Sachen gefährlich sind (Umspannwerke, Kraftwerke, Hausinstallationen). Niederspannungsanlagen sind nach den Bestimmungen für das Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannung bis 1000 V, V D E 0100/12.651) Starkstromanlagen, bei welchen die Betriebsspannung 250 V gegen Erde nicht überschreiten. Hochspannungsanlagen sind Starkstromanlagen mit über 1000 V Betriebsspannung. Nennspannung, Nennstrom sind jene Werte, für welche eine Maschine, Anlage usw. bemessen ist.

D e r O h m s c h e Widerstand Darunter versteht man jenen Widerstand, den ein Leiter dem Durchfluß von Gleichstrom entgegensetzt. Er ist von der Länge, dem Querschnitt dem Leiterwerkstoff und der Temperatur abhängig. ')

10

VDE-Vorschriften sind die vom V e r b a n d Deutscher Elektrotechniker ausgearbeiteten Bestimmungen, Vorschriften, Kegeln und Leitsätze. Sie sind zu beziehen vom V D E - V e r l a g G M B H , 1 Berlin 12, Bismarkstraße 33.

Berechnung des Widerstandes Der Widerstand wächst proportional der Leiterlänge l und nimmt mit größer werdendem Leiterquerschnitt A ab. Die Abhängigkeit vom Leiterwerkstoff wird durch den spezifischen Widerstand g (sprich: rho) angegeben. Es ist dies der Widerstand eines Leiters von 1 m Länge, 1 mm2 Querschnitt, gemessen bei 20 °C Leitertemperatur. Er beträgt zum Beispiel für Kupfer 0,0175 ß pro 1 m und pro 1 mm2. Auf Grund obigen Zusammenhanges berechnet sich der Widerstand eines Leiters aus der Beziehung: Widerstand -

spez. Widerstand X Länge Querschnitt

l = A =

Leiterlänge in Meter Leiterquerschnitt in mm 2

q =

a/J . j • spez. nWiderstand in

fi

'

m m

oder

R

=

i L A

"

m

Spezifischer Widerstand. Temperaturkoeffizient

Material

Kupfer Aluminium Eisen, weich Silber Zink Zinn Messing Manganin Nickelin Konstantan Chromnickel Kohle Schwefelsäure 2 0 % Erde, feucht Leitungswasser

Spez. Widerstand q bei 20 °C £} mm 2 m

0,0175 0,03 0,13 0,0165 0,063 0,12 0,075 0,43 0,42 0,50 1,0-1,1 13-100 15 000 etwa 5 0 - 1 0 ' etwa 400 • 106

Temperaturkoeffizient a

0,004 0,004 0,005 0,0036 0,004 0,0045 0,0035 0,00002 0,00028 0,00001 0,00001 — 0,002 — — —

Beachten: Der mit obigen Werten von q berechnete Widerstandswert gilt für eine Leitertemperatur von 20 °C. Soll die Stromleitung mit möglichst geringem Widerstand erfolgen, wie zum Beispiel in elektrischen Maschinen, Verteilanlagen, dann wird Kupfer, das einen kleinen spezifischen Widerstand hat, verwendet. Vorschaltwiderstände, Wärmeapparate usw. erfordern meistens eine Widerstandsausführung, die, trotz größerem Widerstandswert, 11

wenig Raum beansprucht, weshalb man in solchen Fällen Nickelin, Konstanfan oder Chromnickellegierungen verwendet. B e i s p i e l : D a s W i c k e l n einer Spule erfordere 220 m Kupferdraht von 1,2 m m Durchmesser. W i e g r o ß ist der Spulenwiderstand? 0,0175 Lösung:

R =

=

A

O mm 2

220 m

^ ^ — = 1,13 mm 2

= 3,41 Ci (bei 20°C)

B e i s p i e l : Ein Heizkörperwidersfand von 3 0 Q soll aus Konstantandraht von 1 mm Durchmesser hergestellt werden. W i e viele Meter Draht sind erforderlich ? Lösung:

RA 30 £2 • 0,785 mm 2 l = —— = — 2, — = 47,1 m

£1

QJ Qmm '

m

B e i s p i e l : Eine zweipolige Cu-Freileitung von 7,91 km einfacher Länge darf einen Widerstand von 20 Q haben. Mit was für einem Querschnitt bzw. Drahtdurchmesser ist die Leitung auszuführen? l

Lösung:

0,0175

Q mm2

15820m 13,85 mm 2

A =

d =

11 A \ —vT = \ 31/4

"1 / 13,85 mm 2 1/ — ^ .\ 0,785

=

4,2 mm

Leitfähigkeit: Je kleiner der spezifische Widerstand eines Werkstoffs, um so größer ist seine Fähigkeit, den Strom zu leiten. Diese wird daher durch den Reziprokwert von q, nämlich 1/g angegeben; man bezeichnet dies als Leitfähigkeit x (sprich: Kappa), 1 also x = — Sie beträgt zum Beispiel für eKupfer

*

=

1 Wi75

Aluminium

Eisen

1 = 57

X =

W

1 =

33 3

'

"

=

W

=

7 , 7

m ^ W

Die Leitfähigkeit von Kupfer ist also etwa 1,7mal größer als jenen von Aluminium und etwa 7,4mal größer als jene von Eisen. B e i s p i e l : Die zweipolige 7,91 km lange Freileitung von obigem Beispiel soll, unter Beibehaltung des gleichen Widerstandes, aus Aluminium ausgeführt werden. W e l c h e r Querschnitt ist erforderlich? L ö s u n g : Verglichen mit Kupfer, ist die Leitfähigkeit von Aluminium im Verhältnis von 5 7 : 3 3 , 3 = 1,72mal kleiner. D e r Querschnitt der Aluminiumleitung gleichen Widerstandes ist daher 1,72mal g r ö ß e r auszuführen. Somit: A - 13,85 mm 2 • 1,72 = 23,82 mm 2 Durchmesser d = 5,5 mm.

Isolatoren leiten den Strom praktisch nicht, das heißt ihre Leitfähigkeit ist annähernd Null. Praktische Anwendung haben zum Beispiel folgende Isolierstoffe: Silikatglas, Hartporzellan, Steatit, Ölholz, Glimmer, Mikanit, Thermoplastische Werkstoffe, Gießharze, Vergußmassen, Gummi, Preßstoffe, Schichtpreßstoffe (Hartpapier, Preßspan), Papier, Baumwolle, öltuch, Seide, Mineralöl. Ausführung von Widerständen In der Elektrotechnik benötigt man sehr oft Widerstände in Form eines selbständigen Bauelementes, so zum Beispiel als Vorschaltwiderstand, Spannungsteiler, Regulierwiderstand usw 12

Festwiderstände haben einen festen Widerstandswert. Sie sind drahtgewickelt oder für größere Widerstandswerte (Mfl) als Masse- oder auch Schichtwiderstand (sehr dünne leitende Schicht auf Steatitröhrchen) ausgeführt. Regelbare Widerstände ermöglichen eine Veränderung der wirksamen Ohmzahl, zum Beispiel durch Änderung der wirksamen Drahtlänge l oder durch Zu- bzw. Abschaltung von einzelnen Widerstandsstufen. Man braucht sie, um in einem Stromkreis den Strom zu regeln. Wird der zu durchfließende Widerstandsteil größer gemacht, so ergibt dies eine Abnahme der Stromstärke.

durchflossene Querschnitt verändert. Temperaturabhängigkeit Widerstände sind in einem gewissen Maß temperaturabhängig; bei metallischen Leitern ergibt steigende Temperatur in der Regel eine Widerstandszunahme. Diese Abhängigkeit gilt auch fürg; die Tabellenwerte S. 11 und die damit berechneten Widerstandswerte beziehen sich auf 20 °C. 13

Der Temperaturkoeffizienf a (sprich: alfa) gibt die Widerstandsänderung an je 1 Q und je 1 ° C des einer Temperaturänderung ausgesetzten Widerstandes R k . Unter Annahme, daß es sich um eine Widerstandszunahme handle, so ist sie proportional der Temperaturzunahme tz und dem Anfangswert Rk des Widerstandes. Die Widerstandszunahme wird wie folgt berechnet: Rz = a Rjc tz Dieser Betrag kommt zum ursprünglichen Wert Rk hinzu, und man erhält für den Widerstand warm Rw = Rk + Rz Ersetzt man Rz, so erhält man die nachstehende Beziehung: = Rk[ 1 + a &z] = Rk[ 1 + a ( & w — & k )]

Rw = Rk + aRk&z Darin bedeuten: Rk

= Widerstand bei Anfangstemperatur (kalt) d1)/c =

Rw = Widerstand bei Endtemperatur (warm) Rz

= Widerstandszunahme

&w

— Endtemperatur

&z=§ 1

a = Temperaturkoeffizient

Anfangstemperatur w

—

Temperaturzunahme

) Sprich: theta

Beachten: Bei Temperaturabnahme gegenüber der ursprünglichen Temperatur wird der Widerstands-Endwert kleiner; in diesem Fall ist in obigen Beziehungen das Plusdurch ein Minuszeichen zu ersetzen. Stromdurchflossene Wicklungen werden warm; ihr Widerstand steigt, und dem ist in der Regel Rechnung zu tragen. Für Konstantan ist a sehr klein; Widerstände aus diesem Werkstoff haben unabhängig von der Temperatur praktisch konstante Ohmzahl. Kohle hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, daß steigende Temperatur eine Widerstandsabnahme verursacht. B e i s p i e l : Der Kupferdraht einer Magnetspule hat eine Länge von 200 m und d = 0,8 mm. Im Betrieb erwärmt sich die Spule auf 65 ° C . W i e groß ist nun ihr Widerstand? 0,0175 Lösung:

Widerstand bei 2 0 ° C :

fij. *

Temperaturzunahme: Widerstandszunahme: Widerstand bei 6 5 ° C :

tz Rz Rw

=

£"2 mm2

200 m

¿-ß

= 7,0Q

0,5 mm 2 = 65° — 20° = 4 5 ° C = 0,004°C 1 • 7,0Q • 45° = 1.26C2 = 7,0 + 1,26 = 8,26i2

Die Wicklungen elektrischer Maschinen erwärmen sich im Betrieb. Ihre durch Messungen ermittelte Widerstandszunahme bei Erwärmung wird benutzt, um daraus die Übertemperatur der Wicklung ©'), also ihre Erwärmung zu berechnen. Nach den Regeln für elektrische Maschinen, V D E 0530/3.59, §36 und den Regeln für Transformatoren, V D E 0532/8.64, § 52 ist für Kupfer- und Aluminiumwicklungen folgende Formel anzuwenden: & =

14

R w

~ E tik

k

(235 +

+

»

k

- H ü

Darin ®1) = Rw — Rfc = ftje =

bedeuten: Erwärmung ^ Sprich: theta Widerstand der warmen Wicklung Widerstand der kalten Wicklung bei Stillstand kalte Temperatur bei Stillstand der Maschine Temperatur des Kühlmittels

Beispiel: Die Kupferwicklung einer elektrischen Maschine hat einen Widerstand von 2,5 O bei einer Raumtemperatur von 15°C. Vorausgesetzt, daß die runde Maschine längere Zeit im Räume stand, kann angenommen werden, daß auch ihre Wicklung Raumtemperatur angenommen hat. Nach längerer Betriebszeit wird der Wicklungswiderstand zu 3,1 Cl gemessen, während die Raumtemperatur, also die Kühlmitteltemperatur, wenn keine künstliche Kühlung vorgesehen ist, auf 22°C angestiegen ist. Berechne die Erwärmung! Lösung:

i ^ = 2(5n

ü

w

= 3,1 ß

= 15°C

= 22°C

Nach obiger Formel ist: Rgj) ~~ Rlc =

®

0 =

Rk

(235 +

3,1 £2 — 2,5 Q

+

(235 + 15 °C) + 15 °C - 22 °C

0 = 60 °C + 15 °C - 22 °C = 53 °C

Elektrische Widerstands-Fernthermometer beruhen in ihrer Wirkung auf der Widerstandsänderung eines an der Meßstelle angeordneten Widerstandes.

Schaltung von Widerständen Sind an einer Spannungsquelle oder am Netz verschiedene Widerstände angeschlossen, so lassen sie sich in ihrer Gesamtwirkung stets durch einen einzigen ersetzen, den sogenannten Gesamtwiderstand oder Ersatzwiderstand Baes. Er muß, Gleichstrom vorausgesetzt, gleiche Stromaufnahme haben wie die Gesamtschaltung der Einzelwiderstände .ßi, R2, i?3 usw. Die Berechnung des Gesamtwiderstandes ist von der Schaltung der Einzelwiderstände abhängig.

1

R

1

1

A

I

1

u

R

T

«3

Ersatzwiderstand

Fig. 11 Reihenschaltung von Widerständen

Reihen- oder Hintereinander-(Serien-)Schaltung Fig. 11 zeigt die Reihenschaltung dreier Einzelwiderstände Rt, R2, R3; schaltungsmäßig ist jeweils das »Ende« des einen mit dem »Anfang« des folgenden verbunden. Folgerung: Reihengeschaltete

Widerstände

s i n d v o m gleichen

Strom

durchflössen.

15

In den Widerständen B\, B2, Bi w i r d je ein Teil der Gesamtspannung U verbraucht; die entsprechenden Anteile Ui, U2, U2 berechnen sich, gemäß der aus dem Ohmschen Gesetz (S. 5) abgeleiteten Beziehung U = BI, wie folgt: Ui = B\ I

U2 = B*I

U3 =

BII

Im Gesamtwiderstand Bges, der ebenfalls den Strom I aufnimmt, w i r d die Netzspannung U verbraucht; es ist also U = BI. Summe der Teilspannungen U, +U2

+ U3 = U

gleich angelegter

bzw.

B, I + B2I

Spannung.

+ Bil

=

BI

erhält man für die Reihenschaltung:

Gekürzt mit I und autgelöst nach Bges, Gesamtwiderstand

Rgcs = -B1> + -ß2 +

B*

B e i s p i e l : A n 220 V w e r d e n d i e W i d e r s t ä n d e R, = 5 £1, R2, = 3 n Ri = 4 Q , R» = 8 i J in Serie angeschlossen. Berechne den resultierenden W i d e r s t a n d R und den d u r c h die W i d e r s t ä n d e fließenden S t r o m I . W e i c h e s sind die T e i l s p a n n u n g e n an den einzelnen W i d e r s t ä n d e n ? Läsung:

Gesamtwiderstand: s , r o m :

RGes

= =

'

Teilspannungen:

U1

=

Gesamtspannung:

V2 Ua J7. U

= = = =

S Q + 3£2 + 4£1 + 8 Q = 20£2 U

220 V

~ar~

~2ön~

=

1 1 A

Rßes J = 5£1 • 11 A = 55 V 3 Q • 11 A — 33 V 4 i l ' 1 1 A = 44V 8 n - 1 1 A = 88V 55 V + 33 V + 44 V + 88 V = 220 V

4V

Gesamtleistung:

P

= 3 P s t = 3 Ust Ist cos = 1,73 U I cos w 1,73 —

U n a b h ä n g i g von der Verkettungsart kommt man somit zur gleichen Beziehung; das gilt sinngemäß auch für die Schein- und Blindleistung. Drehstrom-Wirkleistung P = 1,73 V I cos q> ü I

Drehstrom-Scheinleistung 8 = 1,7317/

— Außenleiter- bzw. Netzspannung = Außenleiter- bzw. Netzstrom

Drehstrom-Blindleistung Q = 1,73 17 / sin q>

S c h a l t u n g : Stern o d e r D r e i e c k Belastung: symmetrisch

159

Beispiel: Die Heizkörper eines elektrischen Heißwasserspeichers sind an das 380-V-Drehst romnetz angeschlossen; Stromaufnahme 18,6 A. Anschlußwert des Speichers? Lösung:

Es handelt sich um eine induktionsfreie Belastung; somit cos

3 =

0,8

Scheinleistung S =

k V A

' °'8

Qind

=

=

66

P

cos 3

kVA

' 6 4 kVar

66,64 k V a r

DB

Fig. 219 Kondensatoreinheit f ü r D r e h s t r o m . D r e i e c k - oder

Sternschaltung

Es ist also eine Kondensatoreinheit f ü r D r e h s t r o m (Fig. 219 d) aufzustellen, die r u n d 66 k V a r aufn i m m t . I n n e r h a l b dieses Kondensatorblocks sind d r e i Kondensatoren, meistens einschließlich E n t l a d e w i d e r s t ä n d e ; deren Kapazität berechnet sich w i e f o l g t : D r e i e c k s c h a l t u n g (Fig. 2 1 9 b ) : Blind leistungsauf n ä h m e Spannung Strom Kapazitiver Widerstand

je je je je

Kondensator Kondensator Kondensator Kondensator

Kapazität

je Kondensator

66 k V a r : 3 = 22 k V a r 380 V 22 000 V a r : 380 V = 57,8 A 380 V : 57,8 A = 6,6 Q =

6,28-SO-6,6=

°'°0048

F

"

480

^

Sternschaltung (Fig. 2 1 9 c ) : Kondensator = 66 k V a r : 3 = 22 k V a r Kondensator = 380 V : 1,73 = 220 V Kondensator = 22 000 V a r : 220 V = 1 0 0 A Kondensator = 220 V : 100 A = 2,2 H 1 je Kondensator = , _ _ _ „ = 0,001440 F = 1440 ¡aF 6,28 - 5 0 - 2 , 2

Blind leistungsauf n ä h m e Spannung Strom Kapazitiver Widerstand K a pKa z i t ä t

je je je je

Beachte: Bei Dreieckschaltung ist die e r f o r d e r l i c h e Kapazität nur ein Drittel j e n e r bei Sternschaltung. Dreieckschaltung ergibt daher eine b i l l i g e r e Kondensatoreinheit. 181

D e r Kondensator und die i m Betrieb angeschlossenen V e r b r a u c h e r stellen z u s a m m e n einen V e r b r a u c h e r d a r v o n 50 k W Leistungsaufnahme bei cos

/z

1,5

/4

1

3 kW

Pb

Fig. 250 Betriebs-Kennlinie eines D r e h s t r o m - A s y n c h r o n m o t o r s . N e n n l e i s t u n g 3,0 k W ; N e n n s p a n n u n g 380 V

Die Drehzahl nimmt von Leerlauf auf Nennlast nur wenig ab. Der W i r k u n g s g r a d ändert zwischen Halb- und Vollast nicht wesentlich, was von Vorteil mit Rücksicht auf Belastungsschwankungen innerhalb dieses Bereiches. Der Leistungsfaktor ist bei Leerlauf gering, steigt jedoch stark an und erreicht etwa bei Vollast seinen Höchstwert. Der Strom steigt zunächst, im Vergleich zur Leistung, nur wenig; es rührt dies davon her, daß gleichzeitig der Leistungsfaktor beträchtlich zunimmt. Wird der leerlaufende Asynchronmotor belastet bzw. gebremst, so entwickelt er ein Drehmoment M von gleicher Größe wie das bremsende Gegenmoment Mg; dabei nimmt seine Drehzahl n etwas ab. Der Zusammenhang zwischen M und n, graphisch 214

dargestellt, ergibt die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, deren grundsätzlicher Verlauf aus Fig. 251 ersichtlich ist. Zwecks Vergleich verschiedener Motoren wird M in Prozenten des Nenndrehmomentes Mn aufgetragen; dies ist das vom Motor bei Nennlast entwickelte Drehmoment. Auch die Drehzahl wird nicht absolut, sondern in Prozenten jener des Drehfeldes angegeben. Leerlaufende Motoren wirken somit stark induktiv bzw. verschlechternd auf den Leistungsfaktor des Netzes. Unter Halblast nehmen Wirkungsgrad und Leistungsfaktor beträchtlich ab; dem ist bei Wahl der Motorleistung Rechnung zu tragen.

Drehstrom-Asynchronmotor.

Fig.251 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie

Bei Leerlauf ist das an der Welle abgegebene Moment gleich Null. Man belastet nun, mißt Drehzahl n und das bremsende Gegenmoment Mg, das zunächst von gleicher Größe ist wie das vom Motor entwickelte Moment M. Bei weiterer Erhöhung des bremsenden Gegenmoments Mg erreicht man einen Wert, der zu sofortigem Stillstand des Motors führt; dies weist darauf hin, daß das Motormoment M nicht beliebig ansteigt, sondern ein Maximum erreicht. Geht das Gegenmoment darüber hinaus, so tritt die beschriebene Erscheinung auf. Dieser Übergang vollzieht sich ähnlich einem Kippvorgang, weshalb der Maximalwert als Kippmoment Mjc bezeichnet wird. Das Verhältnis Kippmoment: Nenndrehmoment bestimmt die mögliche Überlastbarkeit des Motors; ihr ist bei stoßweiser Überlastung Rechnung zu tragen. Schaltet man den stillstehenden Motor ein, so will er anlaufen; hält man ihn mit einem an der Welle befestigten Hebelarm fest, so kann damit das Anlaufmoment Ma gemessen werden. Die während des Anlaufens auftretenden Drehmomente sind jedoch mit Bremsband zu ermitteln. Das Anlaut- oder Anzugsmoment muß den Anlaufbedingungen angepaßt sein, d. h. es muß einem sicheren und eher sanften Anlaufen genügen. Maßgebend dafür ist das Beschleunigungsmoment M b , d. h. die Differenz zwischen dem vom Motor entwickelten Moment und dem erforderlichen Antriebsmoment (Fig. 251). Wächst letzteres mehr an als das Motormoment (Linie b in Fig. 251, Punkt 1), so bleibt 215

der Motor hängen, d. h. er läuft nicht auf die volle Drehzahl. Man beachte daher sehr, daß die Anlaufbedingungen von Motor und Arbeitsmaschinen einander angepaßt sind. Beispiel: Ein D r e h s t r o m m o t o r habe 3 k W Berechne sein N e n n d r e h m o m e n t Lösung: Beziehung

Nennleistung, w o b e i N e n n d r e h z a h l 1440

U./min.

A u f S. 44 w u r d e für abgebremste Leistung (Leistungsabgabe) P in k W die folgende abgeleitet: (G — F) d n (G - F) 2r n P = oder P = 1950 1950

In d e r zweiten Formel ist d e r Bremsscheibendurchmesser d d u r c h den zweifachen R a d i u s r ersetzt. Multipliziert m a n die w i r k s a m e Bremskraft (G — F) mit r, so ergibt dies das b r e m s e n d e M o m e n t , bzw, das v o m M o t o r entwickelte D r e h m o m e n t M in k p m . Somit gilt auch P

=

M i n

M

1950

n

975

woraus Motordrehmoment M

=

975 •

Setzt m a n für P u n d n die N e n n w e r t e ein, so erhält m a n für das p

Nenndrehmoment M Pn n

n

= ~

Nennleistung in k W N e n n d r e h z a h l in U./min

=

n

M

n

975 =

n

(kpm)

n

n

N e n n d r e h m o m e n t in k p m

Für obiges Beispiel ergibt sich M„.

=

3,0

975

1440

=

203 k p m

W e l c h e r Kraft F

entspricht dies a m U m f a n g einer Riemenscheibe v o n 200 m m d Es ist Mn = F r r = — = 0,1 m F

=

M

n

2,03 k p m 0,1 m

=

Durchmesser?

20,3 kp

Bei direktem A n l a u f eines K u r z s c h l u ß l ä u f e r m o t o r s k a n n das A n z u g s - D r e h m o m e n t bzw. die a m U m f a n g d e r Riemenscheibe w i r k e n d e A n z u g s k r a f t fast das 2fache der N e n n w e r t e e r r e i c h e n (siehe S. 220).

Fig. 252 D r e h r i c h t u n g . Rechts- u n d Linkslauf

Die Drehrichtung ist, wie auf S. 212 erklärt, gleichsinnig dem Drehfeld. Umkehr erfordert Änderung der Drehfeldbewegung. Dazu sind, wie Fig. 252 zeigt, zwei beliebige Anschlußleiter zu vertauschen. Rechtslauf bedeutet Drehrichtung im Uhrzeigersinn, bei Blick auf das antreibende Wellenende, Linkslauf ist gegensinnig. Wird der am Netz liegende Motor zum Beispiel durch eine zu senkende Last über die Drehfelddrehzahl hinaus angetrieben, so gibt er Wirkleistung an das Netz ab; er arbeitet als Drehstrom-Asynchron-Generator. Ein solcher Betrieb ist jedoch nur bei Bestehen des Drehfeldes bzw. bei Anschluß an ein mit Verbrauchern belastetes Netz möglich. 216

Käfigläufer-Motoren Deren Läuferwicklung besteht aus in Nuten liegenden Stäben, beidseitig kurzgeschlossen. Die Benennung kommt davon her, daß die gesamte Stabanordnung die Form eines zylindrischen Käfigs hat. Diese Motoren sind ausführungsmäßig am einfachsten und betriebsichersten, haben jedoch gewisse Nachteile in bezug auf die Anlaufverhältnisse. Beim Einfach-Käfig-Läufer, in der Regel als Kurzschlußläufer bezeichnet, wird bei kleineren Läufern die Wicklung (Stäbe) meistens eingegossen (Preßguß; Aluminiumlegierung). Fig. 253 zeigt eine Ausführung mit eingesteckten Kupferstäben, die beidseitig mit den Kurzschlußringen hart verlötet sind. Schrägstellung der Nuten verbesserl die Anlaufeigenschaften und verringert u. a. mechanische und magnetisch verursachte Geräusche.

Fig. 2 5 3 Einfach-Käfig-Läufer oder sogenannter

Kurzschlußtäufer

Bei direktem Einschalten dieser Motoren beträgt der Anlaufstrom etwa das 4,5 ••• 6,5fache des Nennstromes; es rührt dies davon her, daß das Drehfeld sich gegenüber dem stillstehenden Läufer mit maximaler Geschwindigkeit bewegt und deshalb in den kurzgeschlossenen Stäben große Läuferströme verursacht, was eine Rückwirkung auf den Ständerstrom hat. Dieser Zustand gleicht jenem eines kurzgeschlossenen Umspanners, wobei dessen Sekundärseite dem Läufer entspricht. Trotz großen Anlaufstromes ist, wie aus Tabelle S. 224- ersichtlich, das Anzugsmoment nur etwa das 1,5 ••• 2fache des Nenn-Drehmoments. Bei Anwendung von Käfigläufermotoren ist daher zu beachten, ob ihr Anzugsmoment für die anzutreibende Maschine genügt und ob der Anlaufstromstoß zulässig ist. Erhöht man den Läuferwiderstand (Messingstäbe), so sinkt der Anlaufstrom und das Anzugsmoment wird größer; doch ist damit eine wesentliche Zunahme des Schlupfes verbunden. Besser wäre es, bei Anlauf einen erhöhten, bei Lauf jedoch einen kleinen Läuferwiderstand zu haben. Dies wird in einem gewissen Maß bei den sogenannten Stromverdrängungs-Läufern erreicht; dazu gehören zum Beispiel Tiefnut-, Keilnutund Doppelkäfig-Läufer. Ersterer hat einen hohen schmalen Stab; der darin fließende Wechselstrom erzeugt das in Fig. 253a eingezeichnete Magnetfeld. Mit ihm ist, wegen 217

des im Stab fließenden Wechselstromes, eine Selbstinduktionswirkung verbunden; außer dem Ohmschen ist daher auch ein induktiver Stabwiderstand wirksam. Er ist für den untersten Teilleiter (k) am größten, weil ihn sämtliche Kraftlinien umschließen; deshalb fließt dort weniger Strom als in den oberen Leiterpartien (Fig. 254b). M a n spricht daher von einer Stromverdrängung; sie wird noch durch im Stab auftretende WirbelTiefnuf

Keilnut

Betrieb

Cleichmässige Stromverteilung

Magnetfeld Wenig Strom

Frequenz des fbtorstromes: 5OHz Motor-Drehzahl 0 (4pol>gl

25Hz 750

'Hz 1470 U/mm

Fig. 254 Tief- und K e i l n u t - A n k e r . Stabform und W i r k u n g s w e i s e

ströme unterstützt. Bei Anlauf trägt also nur ein Teil des Stabes zur Stromleitung bei, was einer Erhöhung des Ohmschen Stabwiderstandes gleichkommt. Dies bewirkt Verringerung des Anlaufstromes und Zunahme des Anlaufmoments. Mit steigender Drehzahl nimmt die Läuferstrom-Frequenz und damit auch der induktive Widerstand ab. Die Stromverdrängung wird geringer, der wirksame Stabquerschnitt größer bzw. der Läuferwiderstand kleiner. Bei voller Drehzahl ist er praktisch nur noch gleich dem Ohmschen Widerstand des vollen Stabquerschnittes, der nun vom ganzen Strom gleichmäßig erfüllt ist (Fig. 254c). Dieses gesamte Verhalten, nämlich relativ großer Läufer-

M 200% vom Nenndrehmoment

100%

50 Fig. 255 Nutenbild vom Doppelkäfig-Läufer

218

100% der

Drehfeld-Drehzahl

Fig. 256 Drehmomentlinien von Käfigläufermotoren

widerstand beim Einschalten und selbständige Abnahme auf ein Minimum bei Lauf, ergibt günstigere Anlaufverhältnisse. Beim Keilstab (Fig. 254) ist, zufolge der Querschnittverjüngung in Richtung der Strom Verdrängung, diese W i r k u n g noch ausgeprägter. Beim Doppelkäfig-Läufer (Fig. 255) ist der äußere Stab (Messing) von relativ großem, der innere (Cu) von geringem Widerstand. Zufolge des hohen Zwischensteges bildet sich um den inneren Stab ein starkes Magnetfeld; er weist daher beim Einschalten namhaften induktiven Widerstand auf und führt dann wenig Läuferstrom. Auch im äußeren Stab ist er, des erhöhten Ohmschen Widerstandes wegen, relativ klein. Nach Anlauf ist vor allem der innere Käfig mit seinem geringen Widerstand wirksam. W i e aus Fig. 256 und aus der Tabelle S. 224 ersichtlich, ergibt diese Konstruktion eine weitere Verbesserung

der Anlaufverhältnisse

hinsichtlich Anzugsmoment

und

Anlaufstrom,

allerdings unter Abnahme des Kippmoments. Durch Verändern der Nutenformen ist es gelungen, Motoren mit Anlaufmomenten vom 1,2fachen bis zum 3fachen Nenndrehmoment zu bauen, wobei nicht mehr streng zwischen den in Fig. 254 wiedergegebenen Nutenformen unterschieden w i r d . Je nach Größe und Drehzahl der Motoren sind die Anlaufverhältnisse verschieden. In Tabelle S. 224 sind f ü r drei Motorengrößen, alle 4polig, die Anzugswerte und das Kippmoment zusammengestellt. Für den 110-W-Motor können 2 verschiedene Läufer eingebaut werden, von denen Läufer 1 etwa als Einfach-Käfigläufer, Läufer 2 als Doppel-Käfigläufer ausgeführt ist. 910 V

-Ivzjgy y b

L

f

1 Ständerwicklung 2 Läuferwicklung 3 Läufer 4 Ständerblechpakei 5 Gehäuse

i\ 6 Bürstenbrücke 7 Schleifring 8 Kohlebürste 9 L a g e r s c h i l d Gegenantriebsseite 10 I n n e r e r L a g e r d e c k e ]

11 12 13 14 15

Äußerer Lagerdeckel Klemmenbrett Wälzlager Lagerschild Antriebsseite Lüfter

Fig. 257 Drehstrom-Kurzschlußläufermotor. W e r k f o t o : AEG,

Schutzart

P 1 2 , spritzt W a s s e r

geschützt. B a u f o r m

B3

Berlin.

Fig. 257 zeigt Längsschnitt und Seitenansicht eines Kurzschlußläufer-Motors. Bei dieser Schutzart (siehe S. 230) ist das Motorinnere völlig getrennt vom Äußeren; Abgabe der Verlustwärme erfolgt über die am Gußgehäuse und den Lagerschildern angegossenen Kühlrippen, die vom außen sitzenden Ventilator belüftet werden. Am Läufer angebrachte Flügel unterstützen die Kühlung durch innere Luftumwälzung. 219

Direkter Anlauf, d. h. unmittelbare Einschaltung, ist die einfachste Inbetriebnahme des Käfigläufermotors. Der dabei auftretende Stromstoß verursacht in den Netzzuleitungen jedoch einen vergrößerten Spannungsverbrauch. Im 220/380-V-Netz wirkt sich dies u. a. störend auf die Beleuchtung aus. Es bestehen daher Werkvorschriften, bis zu welcher Leistung Käfigläufermotoren für direkte Einschaltung zulässig sind (siehe Angaben S. 225). Bei Wahl des zugehörigen Motorschutzes ist ferner dem Anlaufstrom Rechnung zu tragen. Eine Verringerung des Einschaltstromes ergibt sich, wenn beim Anlauf die je Phase der Motorwicklung wirksame Spannung kleiner gehalten wird als bei Betrieb. Dies ist zum Beispiel möglich mit Stern-Dreieck-Anlauf: Dieser ist nur anwendbar mit Motoren, die betriebsmäßig Dreieckschaltung haben (Fig. 258a); in diesem Fall enthält je Phase der Motorwicklung die Netzspannung von zum Beispiel 380 V, d. h. die Wicklung ist für diese Spannung R

S

T

dh in Dreieck

R

S

T

in Stern

Fig. 2 5 8 Vergleich der Anlaufverhältnisse. Direkt- und Stern-Dreieck-Anlauf

zu bemessen. Schaltet man so direkt ein, dann fließen je Phase zum Beispiel 10 A, bzw. in der Netzzuleitung 1,73 • 10 = 17,3 A. Werden jedoch zum Anlauf die drei Phasen in Stern geschaltet (Fig. 255b), so bewirkt dies, daß je Phase eine 1,73mal kleinere Spannung (380:1,73 = 220 V) entfällt. Demzufolge ist nun der Anlauf-Phasenstrom auch 1,73mal kleiner, d. h. bezogen auf den Dreieck-Anlauf, 10 A : 1,73 = 5,8 A ; der Sternschaltung wegen fließen aber auch in der Netzzuleitung nur 5,8 A, d. h. 3mal weniger als bei Anlauf in Dreieck. Statt des 4,5- ••• 6fachen, wird bei diesem Verfahren der Anlaufstrom nur das 1,5- — 2fache des Nennstromes, wobei allerdings das Anzugsmoment auf das 0,5- ••• 0,8fache des Nenndrehmoments sinkt. Dies bedingt, daß die anzutreibende Arbeitsmaschine während des Anlaufs ein geringes Moment erfordert, was zum Beispiel bei leer anlaufenden Werkzeugmaschinen zutrifft. Andernfalls ist ein getrenntes Anlaufen von Motor und Arbeitsmaschine vorzusehen durch Zwischenschaltung einer geeigneten Kupplung. Für den Stern-Dreieck-Anlauf verwendet man in der Regel einen Stern-DreieckSchalter (Fig. 259). In Stellung » Y « ist die Motorwicklung in Stern verbunden. Nach Anlauf erfolgt Umschaltung auf Dreieck, was Öffnen der Sternverbindung bedingt. Dies 220

darf jedoch nur kurzzeitig sein, weil sonst der Motor zum Stillstand kommen kann und bei der nun anschließenden Umschaltung auf Dreieck mit hohem Stromstoß wieder anläuft. Stern-Dreieck-Schalter werden daher so ausgeführt, daß nach Beginn der Schaltbewegung auf Dreieck die nun einsetzende Umschaltung zwangsläufig erfolgt. Ferner ist auf Stellung » Y « ein direktes Weiterschalten nicht möglich, was zwingt, den vollen Anlauf abzuwarten. R

Stern-Dreieck-Schalter

\

S

T

j

Vielfach wird ein automatisch wirkender Stern-Dreieck-Schütz angewendet. N a c h kurzzeitigem Schließen eines Druckknopfkontaktes läuft der ganze Anlauf selbständig ab. D a s Übersichts- oder Prinzipschema Fig. 260a zeigt die einzelnen Schaltphasen. Bei Betätigen eines Druckknopfschalters schließt der Stern-Schütz (Y) und stellt so die Sterno

Fig. 2 6 0 S f e r n - D r e i e c k - S c h ü t z . Übersichfsschaltbild

punktverbindung zwischen den Wicklungsanschlüssen X , Y, Z her. Ein am Sternschütz angebrachter Hilfskontakt schließt den Hauptschütz H, worauf der Motor anläuft. N a c h Ablauf einer einstellbaren Umschaltzeit (Zeitrelais) öffnet das Stern-Schütz, und ein weiterer Hilfskontakt schließt das Dreieck-Schütz, womit die Dreieckschaltung

der

Motorwicklung vollzogen wird. Bei Betätigung des »Aus«-Druckknopfes öffnen Hauptund Dreieckschütz. D a s gesamte Wirkschaltbild ist in Fig. 260b dargestellt; in Verbindung mit dem Stromlaufschaltbild der Steuerkreise, Fig. 259c, können die einzelnen Schaltfunktionen ver221

f o l g t w e r d e n . S t e u e r s p a n n u n g in n a c h f o l g e n d e m Beispiel 2 2 0 V , d , h . A n s c h l u ß z w i s c h e n A u ß e n l e i t e r R u n d N u l l e i t e r M p . Es ist j e d o c h a u c h A n s c h l u ß a n 3 8 0 V o d e r a n e i n e f r e m d e S p a n n u n g s q u e l l e m ö g l i c h . D e r S t e u e r s t r o m k r e i s ist a b z u s i c h e r n .

Fig. 260 b Stern-Dreieck-Schütz. Wirkschaltbild EIN: Kurzes Drücken der »Ein«-Taste. Stromlauf 1: Außenleiter R — 1/2 — 17 — 20 — 16/15 ( A ) — A — Magnetspule vom Zeitrelais — B — Nulleiter M p . Zeitrelais läuft und Kontakt 24/25 wird geschlossen. Zeitrelais hält sich über 25/24. Stromlauf 2: Außenleiter R — 1/2 — 17 — 19 — 1 2 ( H ) - 16 (Y) — 2 5 / 2 4 — 1 6 /15 ( A ) - A - 2 2 / 2 3 — Magnetspule von Sternschütz — Mp. Sternschütz ein, wobei sein Kontakt 9/10 geschlossen w i r d ; hält sich über dem Stromlaufkreis 2. Stromlauf 3: R — 1/2 — 17 — 19 — 12 ( H ) — 16 (Y) — 25 — 10/9 (Y) - Magnetspule Hauptschützt — Mp. Hauptschütz ein, wobei sein Kontakt 11/12 schließt; hält sich über 11/12 ( H ) . Motor läuft an. Nach Anlauf öffnet Zeitrelais Kontakt 22/23 und schaltet so Magnetspule vom Sternschütz aus. Sternschütz öffnet und schließt seinen Kontakt 15/16. Stromlauf 4: R - 1/1 - 17 - 19 - 12 ( H ) - 16/15 (Y) - 9/10 ( H ) - Magnetspule Dreieckschütz — Mp. Dreieckschütz schließt und Öffnet dabei Kontakt 15/16. Dreieck-Schütz hält sich über Stromlaufkreis 4. W e i l 15/16 ( A ) öffnet, w i r d Magnetspule vom Zeitrelais abgeschaltet; es geht in seine Ausgangsstellung, wobei Kontakt 23/24 öffnet. Damit ist Anlauf beendet. A U S : Kurzes Drücken der »Aus-«-Taste. Dies hat Abschaltung der Magnetspulen von Dreieckund Hauptschütz zur Folge. Beide öffnen, womit wieder Ausgangsstellung erreicht w i r d .

222

Vorliegende Schaltung arbeitet nach dem Prinzip der Impulskontaktsteuerung. Mit dem »Ein«- bzw. »Aus«-Druckknopf wird nur ein einmaliger Impuls gegeben. Das damit eingeschaltete Schütz hält sich hierauf über seinen Haltekontakt, bei Spannungsunterbrechung erfolgt dauernde Abschaltung.

Fig. 260 c Stern-Dreieck-Schütz. Stromlaufplan der Steuerstromkreise

Bei Dauerkontaktsteuerung wird der Steuerstromkreis mit einem Schalter dauernd geschlossen. Bei Spannungsunterbrechung erfolgt Abschaltung und erneute Einschaltung bei Spannungswiederkehr. W o dies erforderlich (zum Beispiel bei Pumpen) ist Dauerkontaktsteuerung vorzusehen.

vom Nennstrom

vom Nenn-Moment 200

100%

der Nenn -Drehzahl

100% der Nenn - Drehzahl

a : Direkter Anlauf (Dreieck) b: Verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf c : S t e r n - D r e i e c k - A n l a u f ( A n l a u f in Stern)

Kennlinien zum

Fig. 261 Stern-Dreieck-Anlauf

Fig. 261 zeigt das Verhalten von Motordrehmoment und Strom bei Stern-DreieckAnlauf. Das Gegendrehmoment wird normalerweise gemäß der dünnpunktierten Linie verlaufen; in Stern läuft der Motor bis zu Punkt 1, worauf die Umschaltung auf Dreieck 223

erfolgen kann. Sie verursacht den eingezeichneten Stromstoß. Beim automatischen Anlauf wird das die Umschaltung verursachende Zeitrelais so eingestellt, daß es erst nach Erreichen von Punkt 1 wirkt. Hat das Gegenmoment der Antriebsmaschine den strichpunktierten Verlauf, so bleibt der Motor etwa bei halber Nenndrehzahl hängen (2); man müßte nun auf Dreieck umschalten, was jedoch einen beträchtlichen Stromstoß ergäbe. Es ist daher sehr zu beachten, daß das erforderliche Antriebsmoment den Verhältnissen bei Stern-Dreieck-Anlauf angepaßt ist. Verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf: Dieser ergibt ein erhöhtes Anzugsmoment, aber auch einen größeren Anlaufstrom (Fig. 261 b); Schaltung für den Anlauf gemäß Fig. 261. Da er anormale Motorwicklung verlangt, wird er sehr selten angewendet. R

U

Fig. 263 Anlauf mit Ständerwiderstand Fig. 262 Verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf. Anlauf-Schaltung

Anlauf mit Ständerwiderstand in einer Motorzuleitung, verringert Anlaufstrom und Anzugsmoment. Der Widerstand ist nach dem Anlauf kurzzuschließen. W i r d er regelbar gemacht, so ist ein sanftes Anfahren möglich. Auch diese Schaltung eignet sich praktisch nur für Leeranlauf. Anlauf mit Anlaßumspanner kommt für Käfig-Läufer-Motoren großer Leistung in Frage; Schaltung gemäß Fig. 229. Halbe Anlaufspannung ergibt etwa ein Viertel Anzugsmoment. Anlaufwert von vierpoligen Drehstrommotoren kW

Leistungen Läufer

1,1

11 1

Anzugsstrom direkt

IAIIN

Y/Zl

IA/IN

4,5-5 1,6

5,5-6,8 1,6

110 |

2

6 1,9

6 1,9

Anzugsmoment direkt Y/z1

MAIMN

2,4 0,75

2,5 0,75

1,5-1,7 0,75

2,6 0,75

Kippmoment

MKIMN

2,4

3,0

2,1

2,1

0,8

0,85

0,82

0,82

.'/,, .)/V

Leistungsfaktor .—

COS (P

Wirkungsgrad

n

%

76

Aus Motorenlisten der A E G , Berlin und SSW, Berlin.

224

88

94,5

94,5

Z u m Anschluß von Motoren über 200 — 300 k W ist vielfach eine besondere Hochspannungszuführung mit motoreigenem Umspanner erforderlich. W i r d dieser mit genügend Streuung ausgeführt, so ist es möglich, einen Käfigläufermotor mit direktem Anlauf zu verwenden. Denn infolge der Streuung sinkt beim Anlauf die Sekundärspannung des Umspanners ziemlich ab (siehe S. 192), was reduzierend auf den Anlaufstrom wirkt. Gesamthaft hat ein solches Aggregat jedoch einen etwas kleineren Leistungsfaktor. Die technischen Anschlußbedingungen der E-Werke bestimmen in der Regel, daß unter Berücksichtigung der örtlichen Netzverhältnisse zugelassen werden: bei direktem Anlauf bei Stern/Dreieckanlauf

3 - 1 0 k W im 220/380 V-Netz 4 " 1 0 k W im 220/380 V-Netz

Keinesfalls dürfen durch den Anlauf starke Spannungsschwankungen im Netz hervorgerufen werden. Ist der gesamte Anschlußwert eines Betriebes so, daß er über eine eigens zugeordnete Umspannerstation an Hochspannung angeschlossen wird, so sind auch Käfigankermotoren höherer Leistung zulässig, wenn die Netzverhältnisse ausreichend sind bis zu 600 k W im 6 kV-Netz. Schleifring-Läufermotoren Läufer und Ständer sind dreiphasig und mit gleicher Polzahl bewickelt; die Läuferwicklung, in Stern oder Dreieck geschaltet, ist an drei Schleifringen angeschlossen, die ihrerseits über Bürsten zu den Klemmen u, v, w führen (Fig. 264). Diese sind mit dem dreiphasigen Anlaßwiderstand verbunden. Bei Anlauf ist er ganz vorgeschaltet und wird hierauf stufenweise verringert. Auf der letzten Stufe schließt er die Läuferwicklung unter Zwischenschaltung der Schleifringe und Bürsten kurz.

Fig. 264 W i r k - und Kurzschaltbild zu Schleifringläufermotor

Meistens sind diese Motoren mit einer Kurzschluß- und Bürstenabhebevorrichtung versehen; eine auf der Welle verschiebbare Kontaktmuffe stellt direkte Verbindung zwischen den drei Schleifringen her und hierauf werden, zwecks Verminderung der Abnützung, die Bürsten abgehoben. In diesem Zustand ist der Läufer in bezug auf sein elektrisches Verhalten gleichartig dem Kurzschlußläufer. Die erwähnte Vorrichtung sowie der Anlasser sind bei Außerbetriebnahme in Anlaufstellung zu bringen. D e r gesamte Aufbau eines Schleifringläufermotors ist aus Fig. 265 ersichtlich. Der Drehmomentverlauf für die einzelnen Anlaßstufen ist aus Fig. 266 ersichtlich. Die erste Stufe wird so gewählt, daß der Motor das zum Anlaufen erforderliche Drehmoment entwickelt; das maximal erreichbare Anzugsmoment beträgt etwa das 2,5fache des 15

Däschler-Bornemann, Elektrotechnik 3

225

Nenndrehmomentes, wobei der Anlaufstrom etwa das 2,8fache des Nennstromes. Das Kippmoment erreicht etwa das 2,2- ••• 3,0fache vom Nennmoment. Während des Anlaufens wird im Anlaßwiderstand W ä r m e entwickelt; in der Regel ist er für 2 ••• 3maliges aufeinanderfolgendes Anlassen (Dauer etwa 10 s) bemessen, worauf man ihn abkühlen

Fig. 265 Drehstrom-Schleifringläufermotor. Schutzart P 1 2 , spritzwassergeschützt. B a u f o r m B 3. 1 2 3 4 5

Ständerwicklung Läuferwicklung Läufer Ständerblechpaket Gehäuse

Werkfoto: A E G ,

6 7 8 9 10

Bürstenbrücke Schleifring Kohlebürste Lagerschild Gegenantriebsseite Innerer L a g e r d e c k e l

11 12 13 14 15

Äußerer Lagerdeckel Klemmbrett Wälzlager Lagerschild Antriebsseite Lüfter

Berlin

200% Anlass-Stufe

vom Nenndrehmoment

1: ganzer

Anlosswiderstond

vorgeschaltet. Anlass - Stufe 5:

Anlasswiderstand abgeschaltet.

IOO%-

' * y-- Gegendrehmoment

Drehzahl n

Fig. 266 Motordrehmoment für die verschiedenen Anlaßstufen

100%

lassen muß. Dies trifft besonders für Ölanlasser zu, deren Widerstände in Ö l tauchen. Dieses nimmt rasch viel W ä r m e auf (zulässige Temperatur 115 ° C ) , doch dauert die Abkühlung etwa 1 / 2 Stunde. Luftanlasser, deren Widerstände direkt luftgekühlt sind, werden meistens nur für kleinere Motoren ausgeführt; sie kühlen jedoch rascher ab 226

und eignen sich daher eher für mehrmaliges Anlassen. Bei Schweranlauf ist der A n lasser hinreichend zu bemessen; für große Motoren (über 500 k W ) kommen auch regelbare Flüssigkeitswiderstände (siehe S. 13) in Frage. Die vom Drehfeld in der Läuferwicklung induzierte Spannung ist im Einschaltmoment am größten; sie erreicht den Höchstwert bei geöffnetem Läuferstromkreis. Lagert sich zwischen den Schleifringen zum Beispiel Bürstenstaub ab, so kann unter solchen U m ständen dort ein Überschlag entstehen. W e n n möglich wird daher die Läuferwicklung so ausgeführt, daß die Läuferspannung bei mittleren Motoren 120 — 530 V erreicht; bei größeren Leistungen ist sie ein Mehrfaches davon (zum Beispiel bei 1000-kW-Motor etwa 1200 V). Preislich und betrieblich sind Käfigläufer-Motoren günstiger als solche mit Schleifringläufer. Erstere wird man daher bevorzugen, sofern dies mit Rücksicht auf die Anlaufverhältnisse möglich ist. Für Leistungen über etwa 250 k W kommt aber in der Regel nur der Schleifringanker zur Anwendung; ferner auch in jenen Fällen, w o eine gewisse Drehzahlregelung erforderlich ist.

Fig. 267 Fliehkraftschalter mit A n l a ß w i d e r s t a n d

M o t o r e n mit Fliehkraft-Anlasser Schleifringläufer-Motoren eignen sich, des Anlaßvorganges wegen, nicht gut zur Fernsteuerung und erfordern zudem eine zuverlässige Handhabung. Dies g a b Veranlassung zur Automatisierung des Anlaßvorganges mit Hilfe von drehzahlabhängigen

Flieh-

kraftkontakten. Diese sind, zusammen mit dem Anlaßwiderstand, auf dem Läufer angeordnet (Fig. 267) und schalten mit steigender Drehzahl den Widerstand in zum Beispiel 3 Stufen ab (Fig. 268). Läuferwicklung und Anlaufverhältnisse sind gleich wie beim Schleifringläufer-Motor. Bei Überlast oder Spannungsrückgang kann die Drehzahl so weit absinken, daß der zuletzt schließende Fliehkraftkontakt öffnet, was zur weiteren Drehzahlabnahme und zum Stillstand führt. D e r nun im ruhenden und deshalb ungenügend gekühlten Anlaßwiderstand fließende Strom verursacht in Kürze eine unzulässige E r w ä r m u n g ; zum 15"

227

Schutz w i r d zum Beispiel in eine Läuferphase eine Sicherung eingebaut. Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, daß infolge des gesamthaft wirksamen Anlaßwiderstandes der Ständerstrom nicht unbedingt einen W e r t erreicht, der den Motorschutzschalter zum Ansprechen bringt. Ständer

Anlaßwiderstand

Läufer

Schaltbild zu

Fliehkraftschalter

Fig. 268 Fliehkraftanlassermotor

Dieses nachteilige Verhalten w i r d praktisch ausgeschlossen durch die Kombination von Käfigläufer und Läufer mit Fliehkraftanlasser (Fig. 269). Bei Anlauf sind zunächst alle Fliehkraftkontakte geöffnet, weshalb nur der Käfiganker wirksam ist; er ist widerstandsmäßig so bemessen, daß das 1,5-••• 2,5fache des Nenndrehmoments entwickelt w i r d , wobei der Anlaufstrom etwa das 1,7- ••• 2,5fache des Nennstromes. Bei etwa 5 5 % Lduferaustuhrung Nutenbild

1 2

Kurzschlußring Stäbe zum Käfigläufer

3

W i c k l u n g z u m Fliehkraftanlasser

4 5

Anlaßwiderstand Zentrifugalschalter

Fig. 269

-annj

taru—

-orub—-onjif—i

i

Kombination von Käfigläufer und Läufer mit Fliehkraftanlasser

der Drehfelddrehzahl schließt Läuferkontakt 1, bei 7 5 % Kontakt 2 und bei 9 0 % Kontakt 3, w o m i t die isolierte Läuferwicklung kurzgeschlossen ist (Fig. 269b). Sinkt die Drehzahl, zum Beispiel wegen plötzlicher Überlast, so ermöglicht die Konstruktion vorerst nur das Öffnen der Kontakte 1 und 2; der Anlaßwiderstand, überbrückt durch Kontakt 3, bleibt also zunächst stromlos. Bei etwa 3 5 % der Nenndrehzahl öffnet schließlich auch 3 und schaltet den ganzen Anlaßwiderstand ein, worauf der Motor zum Stillstand kommt. Zufolge des Käfigläufers fließt nun aber ein so großer Ständerstrom, daß der Motorschutzschalter anspricht. Läuft der Motor zum Beispiel wegen ungenügender Netzspannung oder Bruchs eines Außenleiters nicht an, so gefährdet dies den Anlaßwiderstand nicht, denn er ist stromlos, weil 1, 2 und 3 offen sind. Wiederum wegen der W i r k u n g des Käfigläufers ist aber die 228

Ständerstromaufnahme genügend, um den Motorschutz z u m Ansprechen zu b r i n g e n . D i e V o r t e i l e dieses Kombinationsmotors sind somit: D i r e k t einschaltbar w i e ein Käfigl ä u f e r m o t o r . Anlaßstrom und A n l a u f m o m e n t sind in den eingangs e r w ä h n t e n G r e n z e n b e m e ß b a r . Bei Lauf kurzgeschlossene W i c k l u n g w i e beim Schleifringläufer. Bei Betriebs* o d e r Netzstörungen Schutz des Anlaßwiderstandes (teils w e g e n Öffnungsreihenfolge d e r Z e n t r i f u g a l k o n t a k t e , teils w e g e n Ansprechen des Motorschutzes infolge des Käfigläufers) und d e r S t ä n d e r w i c k l u n g . Diese M o t o r e n a r t ist z u r Z e i t f ü r Leistungen bis 250 k W verhältnismäßig selten im G e b r a u c h . A n l a u f m o m e n t und Anlaufstrom f ü r M o t o r e n mit bewickeltem A n k e r

Schleifringläufer-Motoren Fliehkraftanlasser-Motoren Anlaufmoment Anlaufstrom

X Mn \ïxln

1,0

Kippmoment

x Mn 2,3 x In

2,0

2 - 4,7

x Mn 2,8 x In

2,5

x Mn

Sämtliche Angaben beziehen sich auf den Nennstrom In bzw. das Nenndrehmoment

Mn .

Es gibt auch Ausführungen, w o d e r Läufer, a n Stelle d e r dreiphasigen W i c k l u n g , drei dreiphasige W i c k l u n g e n von verschiedenem Querschnitt bzw. W i d e r s t a n d

aufweist.

Sie w e r d e n , beginnend mit j e n e r des g r ö ß t e n Widerstandes, a u f e i n a n d e r f o l g e n d durch die Fliehkraftkontakte eingeschaltet b z w . kurzgeschlossen. D e r A n l a ß w i d e r s t a n d fällt weg.

Bauformen und Schutzarten B a u f o r m e n elektrischer Maschinen Auszug aus D I N 42 950

•m m B3

Normalausführung mit 2 Lagerschilden, Gehäuse mit Füßen, freies Wellenendö, Aufstellung auf Unterbau

B5

Ausführung mit freiem Wellenende, einem normalen und einem Flanschlagerschild (Flansch hat Durchgangslöcher für Befestigungsschrauben)

«

B3/B5

Verbindung zwischen B3 und B 5. Gehäuse mit Füßen und Flanschlagerschild auf Antriebsseite

B6

Ausführung wie B 3, jedoch Wandbefestigung, Wellenende links

|5)

B8

Ausführung wie B 3, jedoch Deckenbefestigung

vjj/ V1

Gehäuse ohne Füße, 2 Lagerschilde, freies Wellenende unten, Befestigungsflansch unten

V5

Gehäuse mit Füßen, 2 Lagerschilde, freies Wellenende unten, Wandbefestigung

Fig. 270 Die normale Ausführung für Riemenscheibe oder Kupplung ist der Motor nach B 3. Horizontale Flanschmotoren B 5 eignen sich besonders für den Antrieb von Werkzeugmaschinen. Die Bauform B 3/5 ist auf einer Grundplatte befestigt und kann, angeflanscht, zum Beispiel ein Getriebe tragen. Die senkrechten Bauformen V 1 und V 5 finden bis ung. 100 k W hauptsächlich zum Antrieb von Pumpen Verwendung 229

Bauformen und Schutzarten sind, außer den elektrischen Daten, kennzeichnend für die Ausführung eines Motors. Es bestehen hierüber einheitliche Bezeichnungen und Kurzzeichen. Die Bauformen sind nach D I N 42 950 in verschiedenen Typen festgelegt. Die gebräuchlichsten für Motoren kleiner und mittlerer Leistung sind in Fig. 270 wiedergegeben. Die Schutzarten sind auf D I N 40 050 zusammengestellt. Die wichtigsten daraus gibt folgende Tabelle wieder. Schufzarten für elektrische Maschinen Auszug nach D I N 40 050 Berührungsschutz

Fremdkörperschutz

(1. Ken riziffer)

k e i n Berührungsschutz I (0) Schutz gegen g r o ß f l ä c h i g e B e r ü h r u n g mit d e r Hand (1

)

Schütz gegen B e r ü h r u n g mit den Fingern (5 Schutz gegen B e r ü h r u n g mit W e r k z e u g e n o d e r ähnlichem

)

Kein Wasserschutz 0

Wassersc hutz (2. Ken nziffer) gegen Tropfwasser 1

kein Schutz gegen feste Fremdkörper

P00

Schutz gegen g r o ß e Fremdkörper ( 0 ^ 50 m m )

P 10

P 11

Schutz gegen kleine Fremdkörper ( 0 < 8 mm)

P 20

P 21

Schutz gegen k l e i n e feste Fremdkörper ( g r o b e n Staub)

—

Spritzwasser 2 -

Schwallwasser 3 -

—

P 22

P 32

—

P 33

(=>

Außer den in obiger Tabelle genannten Schutzarten gibt es noch Sonderschutzarten. Von diesen sind der S c h l a g w e t t e r s c h u t z (Sch) für Bergwerksmotoren unter Tage und der E x p l o s i o n s s c h u t z (ex) von besonderer Bedeutung. Letzterer w i r d in Be-

230

trieben, in denen Explosionsgase vorhanden sind (zum Beispiel Gasanstalten), verwendet, da durch etwaige Funken im Motor (Bürsten) eine Explosion ausgelöst werden könnte. C E I - M o t o r e n entsprechen den von der »Commission Electrotechnique Internationale« herausgegebenen Empfehlungen über die Vereinheitlichung von Maßen (Fig. 271) und Leistungen. Die dargestellte Anordnung der Anschlüsse auf der Klemmenplatte ist allgemein üblich, da sie in einfacher Weise die Schaltung in Stern und Dreieck erlaubt. Leistungsstufung gemäß CEI-Empfehlung Stufung in 0,06 0,09 0,12 0,18 0,25 0,4 0,6 0,8

kW

Stufung in PS 18,5 22 30 37 45 55 75 90 110

1,1 1.5 2,2 3,7 5,5 7,5 11 15

1/12 1/8 1/6 1/4 1/3 1/2 3/4 1,0

1,5 2 3 5 7,5 10 15 20

25 30 40 50 60 75 100 125 150

In der Regel können Motoren dauernd mit Nennlast im Betrieb sein, ohne daß eine unzulässige Erwärmung auftritt. Es gibt jedoch auch Fälle, wo die zugeordnete Nennleistung nur kurzzeitig oder aussetzend zulässig ist; man kennzeichnet dies durch die Betriebsart. Wichtigste Betriebsarten Betriebsarten

Kurzzeichen

Bemerkung

Dauerbetrieb

DB

d a u e r n d e Belastung mit N e n n l a s t zulässig

Kurzzeit-Betrieb

KB

N e n n l a s t n u r k u r z z e i t i g m ö g l i c h , z u m Beispiel 30 M i n u t e n ; h i e r a u f Stillstand u n d A b k ü h l u n g auf R a u m temperatur

Aussetz-Betrieb

AB

N e n n l a s t n u r k u r z z e i t i g zulässig, h i e r a u f Stillstand und W i e d e r e i n s c h a l t u n g , b e v o r Maschine R a u m t e m p e r a t u r e r r e i c h t hat Einschaltdauer (ED) ist g e n o r m t zu 2 0 % , 4 0 % , 6 0 % . 2 0 % bedeutet z u m Beispiel, daß die Einschaltdauer 2 0 % der Spieldauer beträgt. S p i e l d a u e r = Einschaltzeit + Stillstandzeit

Änderung der D r e h z a h l Das Bedürfnis nach einer Drehzahländerung stellt sich in der Praxis öfters, so zum Beispiel beim Antrieb von Werkzeugmaschinen; dies sollte verlustfrei erfolgen können. Bei Wahl der in Frage kommenden Verfahren kommt es u. a. sehr darauf an, wie sich bei der Drehzahländerung das erforderliche Antriebsmoment verhält. Frequenzänderung: Die Beziehung S. 212 zeigt, daß die Motordrehzahl proportional zur Frequenz ist; zu deren Änderung ist ein Frequenzumformer erforderlich. Bei Regelung von zum Beispiel 50 ••• 500 Hz kann so bei einem zweipoligen Motor die Drehzahl 231

im Bereich von 3000 ••• 30 000 U./min reguliert werden. Bleibt dabei das erforderliche Antriebsmoment konstant, so wächst die Leistung proportional zur Drehzahl. In gleichem Maß ist auch die Spannung zu erhöhen; dadurch wird erreicht, daß die Stromaufnahme des Motors praktisch unverändert bleibt. Regelanlasser: Beim Schleifringläufer-Motor wächst beim Anlassen dessen Drehzahl mit Abschaltung des Anlaßwiderstandes; wird er nach Erreichen der Nenndrehzahl wieder zugeschaltet, so sinkt die Drehzahl. Dieses Verhalten findet Anwendung zur Drehzahländerung. Es ist dazu ein genügend bemessener Regelanlasser erforderlich, denn in ihm wird ein dem Schlupf proportionaler Teil der dem Ständer zugeführten Leistung in Wärme umgesetzt; gegebenenfalls kommen Wasserwiderstände in Frage. Diese sogenannte Schlupfregelung ist somit nicht verlustfrei; nachteilig ist ferner die mit wachsendem Schlupfsich ergebende Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung. Schlupf-Regelung wird daher praktisch nur bei Antrieb von Pumpen und Ventilatoren angewendet, weil deren Antriebsleistung mit sinkender Drehzahl beträchtlich abnimmt. Polzahländerung: D a die Drehzahl u. a. auch von der Polzahl abhängig ist, so erhält man durch sogenannte Polumschaltung mehrere feste Drehzahlen. Dieses Verfahren wird in der Regel nur bei Käfigläufer-Motoren angewendet; zusätzliche Verluste sind damit nicht verbunden. a

Bei der Dahlander-Schaltung ist die Ständerwicklung im Polverhältnis 1 : 2, also zum Beispiel von 2 auf 4 Pole, umschaltbar. Das Prinzip ist aus Fig. 272 ersichtlich; bei a sind Spulengruppe 1 und 2 hinsichtlich ihrer Stromrichtung so verbunden, daß ein 2poliges Ständermagnetfeld entsteht. Im Fall b ergeben die eingezeichneten Stromrichtungen ein ¿poliges Feld. Es können dabei die beiden Spulengruppen in Reihe oder parallel geschaltet sein; maßgebend für die Polzahl ist lediglich die gegenseitige Stromrichtung in den Spulengruppen. Die Dahlander-Schaltung erfordert lediglich sechs Ständerwicklungsanschlüsse; Bezeichnungen meistens wie in Fig. 273 angegeben. Bei der größeren Polzahl (4) sind 232

die Spulengruppen einer Phase in Reihe, die drei Phasen in Dreieck geschaltet (Fig.273a). Beträgt die Netzspannung 380 V, so entfällt je Phase ebenfalls 380 V und je Spulengruppe 3 8 0 : 2 = 190 V. Bei der kleineren Polzahl (2) sind die Spulengruppen einer Phase parallel verbunden, gesamthaft jedoch in Stern geschaltet (Fig. 272b); aus der D a r stellung von Fig. 273c ist die Sternschaltung besser zu erkennen. Je Phase bzw. Spulengruppe entfällt nun eine Spannung 3 8 0 : 1 , 7 3 = 220 V . Ausführungsmäßig wird die Wicklung für 220 V je Spulengruppe bemessen; da bei der ¿poligen Schaltung aber nur 190 V darauf entfallen, so hat dies, zusammen mit anderen Einflüssen, zur Folge, daß sich die Leistungen bei den beiden Drehzahlen nicht wie 1 : 2, sondern nur etwa wie 1 :1,3 verhalten (zum Beispiel 5 k W bei 1470 U./min und 6,5 k W bei 2940 U./min). Die Motorausnützung bei Dahlander-Schaltung ist, wie folgendes Beispiel zeigt, relativ gut: N e n n l e i s t u n g als 4 - p o l i g e r n o r m a l e r D r e h s t r o m - M o t o r : 7,5 k W M o t o r g l e i c h e r G r ö ß e , j e d o c h mit D a h l a n d e r - S c h a l t u n g ; N e n n l e i s t u n g 4 - p o l i g 5,5 k W N e n n l e i s t u n g 2 - p o l i g ••• 7,5 k W

Z u r Umschaltung auf die beiden Polzahlen dient ein Polumschalter oder Polumschaltschütz. W i e aus Fig. 272 ersichtlich, sind, zwecks Einhaltung gleicher Drehrichtung, zwei Polleiter zu vertauschen. Umschaltbarkeit auf zwei Spannungen ist mit DahlanderSchaltung nicht möglich; Anlaufstrom etwa das 5,5fache jenes der größeren N e n n leistung. o

b

c

Fig. 2 7 3 Dahlander-Schaltung

Grundsätzlich können auch zwei getrennte Wicklungen, wovon jede

Dahlander-

Schaltung aufweist, ausgeführt werden, zum Beispiel für 500, 750,1000 und 1500 U./min des Drehfeldes. Die Motorausnützung wird nun jedoch ungünstig. Polumschaltbare Motoren, die getrennte W i c k l u n g e n mit eigens zugeordneten Polzahlen haben, sind in bezug auf die verlangten Betriebsbedingungen anpassungsfähiger. So kann zum Beispiel der Motor für eine Waschmaschine mit einer 20pollgen Wicklung (etwa 285 U./mln, zum Waschen) und einer zweiten 2poligen Wicklung (etwa 2900 U./min, zum Schleudern) ausgeführt werden. Ferner sind sie nicht an ein bestimmtes Leistungsverhältnis gebunden, arbeiten mit günstigem W i r k u n g s g r a d und Leistungsfaktor und können für Stern-Dreieck-Anlauf ausgeführt werden. D a Platz für zwei 233

Wicklungen erforderlich ist, werden die Motordimensionen größer als bei der Dahlander-Schaltung, was sich preislich auswirkt. Motoren für drei Drehzahlen erhalten meistens eine Dahlander-Schaltung (zum Beispiel 750 und 1500 U./min) und eine besondere Wicklung für 1000 U./min. Umschaltung auf verschiedene Netzspannungen In der Regel erfolgt die Bestellung eines Motors für eine bestimmte Spannung, wie 380 oder 500 V. Es gibt jedoch Fälle, wo eine Umschaltbarkeit, zum Beispiel von 380 V und 500 V und eventuell noch 220 V bzw. 250 V vorzusehen ist. Fig. 274 zeigt eine solche Wicklungsausführung; jede Phase umfaßt zwei Hälften, die für je 235 V bemessen sind. Diese Spannung ist so gewählt, daß die gemäß nachstehenden Schaltungen darauf entfallenden Betriebsspannungen nur wenig davon abweichen. Sämtliche Anschlüsse sind herausgeführt, was 12 Klemmen erfordert. Für 220 •" 250 V sind je zwei parallel geschaltete Phasenhälften in Dreieck verbunden. Auf jede Phasenhälfte entfallen 220 — 250 V. Für 380 V sind je zwei parallel geschaltete Phasenhälften in Stern verbunden; auf jede Phasenhälfte entfallen nun 380:1,73 = 220 V, statt der zugeordneten 235 V. 220

500

250 V

V

A

^TT

II 12

15

13

16

Verbindungen auf Klemmenbrett Fig. 274 Umschaltung auf drei Betriebsspannungen.

Klemmen-Verbindung

Für 500 V sind je zwei in Reihe verbundene Phasenhälften in Dreieck geschaltet; auf eine Phasenhälfte entfallen je 250 V, statt der zubemessenen 235 V. Diese Mehrspannung ist jedoch noch zulässig. Bei Umschaltung auf die verschiedenen Spannungen bleibt die zulässige Motorleistung unverändert; wie folgende Rechnung zeigt, sind jedoch die jeweiligen Leiterströme verschieden, während der in der Wicklungshälfte einer Phase fließende Strom praktisch gleich bleibt. 234

Beispiel: Ein 4 - k W - M o t o r ist f ü r die in Fig. 274 dargestellten U m s c h a l t m ö g l i c h k e i t e n ausgeführt. Berechne den Zuleitungsstrom I bei Anschluß an 500, 380 o d e r 250 V Netzspannung u n t e r A n n a h m e , daß t? — 0,85, cos

). Ist Klemme v positiv, so nimmt der Strom seinen Weg durch Ventil b,, Verbraucher, Ventil b 2 und Klemme u ( . . .->-). (V

Ut

uw

I,

/

Uw

£1 + A—i

U,

1

\/

Klemme

u

\

A

\J Klemme

v

positiv

Fig. 363 Brücken- oder Grätzschaltung

i —

Im Verbraucher bleibt die Stromrichtung unverändert; durch ihn fließt zweipulsiger Gleichstrom. Je Strombahn sind jeweils zwei Ventile (a, und a 2 , b, und b 2 ) in Reihe geschaltet. D a die Sekundärwicklung von beiden Halbwellen des Wechselstromes durchflössen ist, liegt eine Einphasen-Zweiweggleichrichtung vor. Bei den Schaltungen nach Fig. 362/363 kommt während den positiven und negativen Halbperioden des Wechselstromes ein Gleichstromfluß zustande; man spricht deshalb auch von Zweiweggleichrichtung. Sternschaltung oder dreiphasige Einwegschaltung: Für Leistungen über etwa 1 kW ist in der Regel ein drehstrommäßiger Anschluß erforderlich, zum Beispiel gemäß Uw Ig

Uw(u)

Uwfr)

Uw(«)

Fig. 364 Dreiphasige Stern- oder Einwegschaltung

Fig. 364. Jede Phase entspricht der Einwegschaltung; die Sternpunktverbindung bildet den negativen Pol. Haben die Klemmen u, v, w jeweils positive Polarität, so fließt durch das zugehörige Ventil und den Verbraucher Strom; die Ventile a, b, c werden somit zeitlich nacheinander stromführend (Fig. 364). Wie ersichtlich, weist zufolge des Z u sammenwirkens der drei Phasen der im Verbraucher fließende Gleichstrom eine ge-

314

ringere Welligkeit auf als bei einphasigem Anschluß; der Gleichstrom ist nun dreipulsig. Für größere Leistungen wird sekundärseitig Zickzack-Schaltung gemacht. Sternschaltung kommt nur in Frage, wenn mit Rücksicht auf die Spannung keine Reihenschaltung von Ventilen erforderlich ist. Doppel-Sternschaltung oder Sechsphasen-Sternschaltung: Jede Phase entspricht einer Mittelpunkt-Schaltung. Gemäß dieser fließt durch Ventil b eine halbe Periode später Strom als durch Ventil a; die einzelnen Ventile werden daher in folgender Reihenfolge stromführend: a, f, c, b, e, d, a usw., und zwar nur so lang, bis die Spannung zwischen Nullpunkt (—) und dem in der Stromführung nachfolgenden Ventil größer wird als jene des vorangehenden. Wie Fig. 365 zeigt, weist nun der im Verbraucher fließende Gleichstrom nur noch geringe Welligkeit auf; er ist sechspulsig. U

Ug

U

W( u,l

Wtv, 1

'kl ! » ,,

tWyS^TS V V V y V V V V V \

|

:

o b c

d

e

f

/

l\

X X U

H(u2>

Zeit

\ A A /\ A A ' ' W(u ) W(u ) :

U

2

U

2

Fig. 365 Doppel-Sternschaltung

+

Sekundär sind zwischen Sternpunkt und den Wicklungsanschlüssen sechs gegenseitig um 60° verschobene Spannungen wirksam, weshalb man auch von einer SechsphasenSchaltung spricht. Primärseitig ist Dreieckschaltung vorzusehen. Auch Fig. 366 entspricht grundsätzlich einer Doppel-Sternschaltung; die Sekundärseite weist jedoch sogenannte Gabelschaltung auf. Sie ergibt eine bessere Umspannerausnützung, indem der Sternteil zeitlich länger belastet ist als die zugehörigen Gabelteile. Primärseitig kann Sternschaltung vorgesehen werden. Diese Schaltung kommt für mehranodige Quecksilberdampf-Gleichrichter in Frage.

J 1 J Fig. 366 Umspanner mit G a b e l schaltung oder DoppelZickzackschaltung

Drosselspule

1

Fig. 367 Drehstrom- oder DreiphasenBrückenschaltung

Fig. 368 Doppelsternschaltung mit Saugdrossel

Drehstrom-Brückenschaltung: Diese ist in Fig. 367 dargestellt; sie ergibt gleichen Stromverlauf wie die Schaltung gemäß Fig. 364. Angewendet bei größeren Strom315

stärken und höheren S p a n n u n g e n , im besonderen bei einanodigen Ventilen (Siliziumdioden*); einanodige Quecksilberdampf-Gleichrichter). Doppel-Sternschaltung

m i t S a u g d r o s s e l : W i e Fig. 368 zeigt, handelt es sich u m

zwei Sternschaltungen, die über die Saugdrossel parallel geschaltet sind. K o m m t meistens für g r ö ß e r e Ströme in Betracht. In V e r b i n d u n g mit Halbleiterventilen k o m m t praktisch n u r die Schaltung mit Saugdrossel oder die Drehstrom-Brückenschaltung zur A n w e n d u n g ; letztere dann, w e n n mit Rücksicht auf die S p a n n u n g Ventile in Reihe zu schalten sind. Quecksilberdampf-Gleichrichter für Bahnbetrieb weisen meistens die Schaltung g e m ä ß Fig. 366 auf. Spannungsverhältnis W e c h s e l s t r o m — G l e i c h s t r o m Wechselspannung Art der

Gleichspannung Ug g e m e s s e n mit 1 ) Drehspulinstr. Dreheiseninsfr. V V

vw

Schaltung

(Effektivwert) V

Einweg

100

45

50

Mittelpunkt

100

90

100

Ein phasen-Brücken

100

90

100

Drehstrom-Stern

100

117

122

Drehstrom-Doppelstern

100

135

137

Drehstrom-Brücken

100

135

137

100

117

122

Drehstrom-Doppelstern mit Saugdrossel 1

) D i e s e U n t e r s c h i e d e sind n u r bei ungeglätteter S p a n n u n g

vorhanden.

D i e obigen W e r t e gelten bei unbelastetem Gleichrichter; belastet ist d i e G l e i c h s p a n n u n g , zufolge S p a n n u n g s v e r b r a u c h e s im Innenwiderstand des Ventils und des Transformators, kleiner. Bei Selengleichrichtern etwa 1 0 % , bei Siliziumventilen etwa 2 ••• 5 % . Spannungs- und Stromwerte. Wird

ein ohne Glättung

Belastungsart

arbeitender

Gleichrichter

(einphasige

Brückenschaltung)

ohmisch belastet (Fig. 369a), so ergibt sich der in Fig. 3 6 8 b dargestellte S p a n n u n g s - und Ug , IOOV

ig 10a

Fig. 369 O h m s c h e Belastung eines Gleichrichters. S p a n n u n g s - u n d S t r o m w e r t e

Stromverlauf. D i e Unterschiede in der Anzeige der beiden S p a n n u n g s - bzw. Strommesser r ü h r e n d a v o n her, d a ß Drehspulinstrumente den linearen, Dreheiseninstrumente jedoch a n n ä h e r n d den quadratischen Mittelwert messen. Letzterer ist m a ß g e b e n d für *) Siehe Seite: 320

316

die Leistung, die also im vorliegenden Fall 7,1 x 71 V = SOOW beträgt. W i r d mit demselben Gleichrichter eine Batterie geladen (Fig. 370a), so fließt nur dann Strom, wenn die elektromotorische Kraft des Gleichrichters größer ist als jene der Batterie (Abschnitte a und b); man mißt dabei zum Beispiel die eingetragenen Werte. Beide Spannungsmesser zeigen praktisch den gleichen Wert an; dies rührt davon her, daß die Gleichspannung infolge der Batterie nicht unter die Batteriespannung sinkt. Weist also die Gleichspannung nur geringe Pulsationen auf, dann ist es gleichgültig,

EMK des Gleichrichters EMK der Batterie

Gleichrichter

Ladestrom Zeit

Q Ladung

£ einer

Fig. 370 Batterie mit

Gleichrichter

welche Spannungsmesser man abliest bzw. anwendet: Pulsierend ist jedoch der Ladestrom, weshalb für diesen die Instrumente verschiedene Werte anzeigen. Maßgebend für die dem Akkumulator zugeführte Ladung gemessen in Amperestunden (siehe S. 327) ist der lineare Mittelwert; man sollte daher den Ladestrom mittels Drehspulinstrumenten messen. M a ß n a h m e n zur G l ä t t u n g Eine Glättung des pulsierenden Gleichstromes ist zum Beispiel für den Betrieb von Radioapparaten erforderlich, andernfalls machen sich die Pulsationen in der Wiedergabe als Brummen bemerkbar. Gebräuchlich ist die Anwendung einer Siebkette gemäß Fig. 371. D e r sogenannte Lade-Kondensator 1 wird aufgeladen und wirkt als Energiespeicher; sinkt die Gleichrichterspannung ab, so entlädt er sich und gibt Energie an die 'inannuna. ungeglattet tUg'l

^

lonnung, geglättet lüg)

Fig. 371 G l ä t t u n g des p u l s i e r e n d e n G l e i c h s t r o m e s .

Siebkette

Verbraucher ab. Drosselspule 2 bewirkt eine weitere Glättung, doch ist der Gleichstrom immer noch etwas pulsierend. Kondensator 3 läßt den dem Gleichstrom noch überlagerten Wechselstromanteil hindurch, sperrt jedoch den Gleichstrom. Dieser Aussiebung wegen nennt man 3 den Siebkondensator. Für 1 und 3 kommen Elektrolytkondensatoren zur Anwendung (Polung beachten). Halbleiter-Gleichrichter Diese weisen eine als Ventil wirkende Halbleiterschicht auf. Praktische Anwendung finden z. Z . :

317

Selengleichrichter: Fig. 372 zeigt den Schnitt durch eine Selenzelle; als Ventil wirkt lediglich die sehr dünne Berührungszone zwischen Selen- und Kontaktschicht. Zulässig je Platte 25 V Wechselspannung (Effektivwert); Strombelastung bei natürlicher Luftkühlung 0,1 ••• 0,2 A/cm2, bei Fremdkühlung, zum Beispiel mit Luft etwa 0,2 A/crn*. Tragerplatte •

Purchlassrichlung Selenschicht Montage-Loch Isolierschicht Sperrschicht (lO-'cm) Kontaktschiclit

Schnitt d u r c h

Fig. 3 7 2 Selen-Gleichrichterzelle Plattensäule

Gegebenenfalls sind mehrere Platten in Reihe, parallel oder gemischt, zu schalten; durch Schraubverbindung werden sie zu einer Plattensäule vereinigt. Zulässige Betriebstemperatur etwa 85 °C, wobei Lebensdauer etwa 100 000 Stunden. Siliziumgleichrichter: Auf einer Trägerplatte ist das Siliziumplättchen aufgelötet (Fig. 373); durch Legierung oder Eindringenlassen (Diffusion) von geeigneten Fremdatomen entsteht die eigentliche Sperrzone. Ein auf dem Ventilkörper angegebenes Symbol kennzeichnet die Durchlaßrichtung; sie ist von der Polung des Siliziumplättchens 1: S i l i z i u m p l ä t t c h e n 2: A n s c h l u ß 3: Fassungskörper, Kupfer 4 : I s o l i e r k ö r p e r ; 30 m m 0 5: Kühlkörper mit Rippen

t i n 3 —II

HS l3 1,2: überstromschutz 3,4,5: Überspannungsschutz Fig. 373 Silizium-Gleichrichter

Fig. 374 Schutzmaßnahmen beim Siliziumgleichrichter

abhängig. Der Anschluß erfolgt einerseits an die Trägerplatte, andererseits an eine flexible Litze; letztere ist durch Lötung oder Pressung mit dem Halbleiterplättchen verbunden. Zur Ableitung der Wärme wird das Ventil in einen Kühlkörper geschraubt (Kühlung mit Luft oder Öl). Die ganze Zelle, auch Siliziumdiode genannt, ist nach außen hin hermetisch abgeschlossen. Dauernd zulässige Wechselspannung je Zelle 450 V (Effektivwert); dies ergibt bei Drehstrombrückenschaltung 600 V Gleichspannung. Es werden zur Zeit Ventile ausgeführt,

318

die bei Fremdkühlung über 200 A dauernd aushalten; für größere Ströme schaltet man die erforderliche Anzahl parallel. Sie werden zum Beispiel in einem Stahlblechkasten angeordnet oder direkt an den zugehörigen Transformator angebaut; Kühlung durch Luft oder Wasser. Wirkungsgrad der Zelle allein etwa 0,99. Silizium-Dioden finden für größte Leistungen Anwendung. Für Ströme bis etwa 20 A wird die Zelle in eine runde Kapsel von etwa 25 mm Durchmesser eingebaut; sie werden, ähnlich wie beim Selengleichrichter, auf einen Schraubbolzen gereiht, unter Zwischenlage von Kühlblechen. Grundsätzlich erfordern Siliziumgleichrichter einen wirksamen Schutz gegen Überströme bzw. Kurzschlüsse und Überspannungen (Fig. 374). Dazu gehört als Gesamtschutz ein rasch ansprechender Hauptschalter (1); ferner auf höchstens zwei parallel geschaltete Ventile je eine überflinke Sicherung (2); diese dürfen keinesfalls durch eine gewöhnliche Sicherung ersetzt werden. Dem Schutz gegen Überspannung dienen die Kondensatoren 3 und k und die schwingungsdämpfend wirkenden Widerstände 5. Schließlich ist noch eine Meldevorrichtung zur Störungsanzeige vorzusehen. Selengleichrichter erfordern diesen Aufwand nicht. Germaniumgleichrichter. Für hohe Gleichströme und Spannungen bis etwa 70 V, bei denen es auf besonders guten Wirkungsgrad ankommt, werden Germaniumgleichrichter gern verwendet. Ihre zulässige innere Temperatur ist verhältnismäßig niedrig, weswegen bei ihnen gute Kühlung vorzusehen ist. Sie werden daher stets mit guter Lüfterkühlung oder auch für Wasserkühlung eingerichtet. Ihre Sperrspannung ist niedriger als die von Siliziumgleichrichtern, etwa 120 V. Hochvakuumventile und gasgefüllte Ventile Die symbolische Darstellung eines Hochvakuumventils zeigt Fig. 375a. Der Luftleere Glaskolben hat zwei Elektroden, wovon eine, Kathode genannt, als Glühdraht aus-

Fig. 376 Gasgefüllte G l e i c h richter-Röhre 100 A ; 8 0 0

Fig. 375 Hochvakuum-Ventil

319

geführt ist. Durch Heizstrom zum Glühen gebracht, emittiert sie Elektronen (siehe S. 6). Die Gegenelektrode (Anode) ist unbeheizt; ist sie positiv, so werden die Elektronen von ihr angezogen; dies ist gleichbedeutend einem Stromfluß durch das Vakuum und damit auch im äußeren Stromkreis. Bei negativer Gegenelektrode werden die Elektronen zur Kathode zurückgedrängt (Fig. 375 b); es fließt kein Strom, d. h. es tritt Sperrwirkung Die äußere Form ist aus Fig. 375c ersichtlich; es ist für solche Ventile die Bezeichnung »Elektronenröhre« oder kurz »Röhre« gebräuchlich. Bei direkter Heizung ist die emittierende Masse direkt auf dem Heizfaden aufgebracht; bei indirekter Heizung ist sie vom Heizfaden elektrisch isoliert (Fig. 375d). Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, daß bei Wechselstromheizung die dazu erforderliche Spannung an besonderer Sekundärwicklung abgenommen w i r d . Weist ein solches Ventil nur Kathode und Anode auf (Einweg-Gleichrichtung), so bezeichnet man es als Diode (Zweipolröhre). Z u r Einphasen-Mittelpunktschaltung werden zwei Anoden (Duo-Diode) vorgesehen (Fig. 376). Sperrspannung, je nach Elektrodenabstand, 500 — 50 000 V ; in Sonderausführungen zum Betrieb von Röntgenröhren und Elektrofiltern 50 ••• 100 kV. Gasgefüllte Röhren enthalten ein Edelgas (zum Beispiel Xenon oder Xenon und HgDampf) unter sehr kleinem Druck; dies verringert den Innenwiderstand und vergrößert die zulässige Strombelastbarkeit. So werden für industrielle Zwecke (Schweißgleichrichter) Röhren für 100 — 200 A ausgeführt (Fig. 376). Quecksilberdampf-Gleichrichter Die Wirkungsweise ist grundsätzlich gleich wie bei der gasgefüllten Röhre; der Aufbau ist aus Fig. 377 ersichtlich. Es handelt sich um einen sechsanodigen Gleichrichter, wie er

3

Sechsanodiger 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11:

320

Fig. 377 Quecksilberdampf-GleicHrichter

Gefäß mit A n o d e n p l a t t e Kathode; Quecksilber Hauptanode Gitter Erregeranode Zündanode M a g n e t s p u l e für Z ü n d a n o d e Vakuumpumpe Ventilatormotor Stützisolator Kühlluft

zum Beispiel f ü r die Schaltung gemäß Fig. 378 in Frage k o m m t (der Einfachheit halber w u r d e n u r eine A n o d e gezeichnet). Im Gefäßinnern besteht ein V a k u u m von e t w a 10~ 3 m m Quecksilbersäule. Zuunterst, isoliert v o m Gefäßmantel, ist die Kathode |n Form von flüssigem Q u e c k s i l b e r ; die Anoden, mit einem A n o d e n k ö r p e r aus G r a p h i t , sind im Deckel isoliert und v a k u u m d i c h t eingesetzt. Z u r Inbetriebnahme bzw. z u r Erzeugung des die Ladungsträger enthaltenden Quecksilberdampfes w i r d eine elektromagnetisch betätigte Z ü n d a n o d e in das Kathodenquecksilber getaucht und d a m i t der Z ü n d s t r o m k r e i s geschlossen; der beim nachfolgenden Herausziehen entstehende Lichtbogen v e r d a m p f t Quecksilber. Die Strecke A n o d e — K a t h o d e w i r k t nun als V e n t i l ; denn ist eine d e r Anoden positiv, so k o m m t ein Stromfluß zustande, andernfalls tritt Sperrung

1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13:

Trenner Hochspannungsschalter Gleichrichter-Transformator Gleichrichtergefäß; Hauptanoden; Erregeranoden Zündanode Hilfstransformator Transformator für Erregung und Zündung Belastungswiderstand für die Erregung Zündungsrelais Thermometer GlelchstromSchnellschalter

Gesamtschaltbild einer

Fig. 378 Quecksilberdampf-Gleichrichteranlage

D o r t , w o der Strom in das Quecksilber eintritt, entsteht d e r sogenannte K a t h o d e n f l e c k ; er weist etwa 350 ° C auf, was eine V e r d a m p f u n g des Quecksilbers b e w i r k t . U m dies d a u e r n d zu gewährleisten, w i r d mittels d e r Erregeranoden über eigens dazu vorgesehenen Belastungswiderstand ein Gleichstrom von 5 ••• 6 A aufrechterhalten. Die dazugehörige Spannung w i r d möglichst klein gehalten (etwa 50 V). D e r eigentliche Belastungsstrom fließt über die Hauptanoden, und z w a r aufeinanderfolgend stets n u r über jene mit positiver Spannung gegenüber der Kathode. Z u r Aufrechterhaltung des Vakuums dient eine H o c h v a k u u m p u m p e ; f ü r Leistungen bis etwa 1000 k W ist es möglich, pumpenlose Gleichrichter auszuführen. D e r Spannungsv e r b r a u c h im Quecksilberdampf-Lichtbogen ist n u r w e n i g stromabhängig und beträgt 1 5 - - 25 V ; demzufolge ist der W i r k u n g s g r a d um so besser, je höher die Spannung (Fig. 382). D e r Spannungsabfall macht sich als Verlust bzw. als W ä r m e

bemerkbar,

weshalb eine K ü h l u n g (Wasser oder Luft) vorzusehen ist. Das Gesamtschaltbild eines 21

Däschler-Bornemann, Elektrotechnik 3

321

sechsanodigen Gleichrichters ist aus Fig. 378 IU ersehen. Der Haupttransformator weist in diesem Beispiel sekundär Zickzackschaltung auf. Zur Zündung und Erregung sind besondere Umspanner vorgesehen. Bei Überlastung oder schlechtem Vakuum kann Riickzündung, d. h. Aufhebung der Ventilwirkung auftreten, was einem Kurzschluß des Umspanners und der Gleichstromseit gleichkommt. Sofern die Abschaltung nicht innerhalb 1 — 2 Perioden erfolgt, können Beschädigungen innerhalb des Gleichrichters und am Transformator entstehen. Bei gleichstromseitigen Kurzschlüssen unterbricht ein Schnellschalter den Gleichstromkreis und verhindert damit unzulässigen Stromanstieg. Für Ströme über etwa 3000 A bietet die Anwendung von sechs einanodigen Gleichrichtern gewisse Vorteile. Kontaktgleichrichter Als Ventile wirken Schaltkontakte; geöffnet sperren sie den Strom. Sie werden durch Antrieb mit Synchronmotor mechanisch gesteuert. Zwecks Verhinderung von Abbrand sollen die Kontakte praktisch stromlos öffnen, d. h. beim Nulldurchgang des Wechselstromes. Zufolge mechanischer Ungenauigkeiten ist dies nicht ganz erreichbar, weshalb noch zusätzliche Mittel (Schaltdrosselspule) erforderlich sind. Kontaktgleichrichter eignen sich für größere Ströme (bis 10 000 A) und Spannungen bis etwa 400 V; infolge verschiedener induktiver Schaltelemente ist der Leistungsfaktor etwa 0,9.

u

u

IOOV

IOOV Ug=63V Zeil

Ug=20V

A

I Ug=40V

Fig. 379 Regelung der G l e i c h s p a n n u n g ? Anschnittsteuerung i

Fig. 380 Thyratron

Steuerbare Ventile In der Praxis stellt sich vielfach das Bedürfnis nach Regelung der Gleichspannung, so zum Beispiel bei Ward-Leonard-Schaltung (Fig. 166). Dies ist mit steuerbaren Ventilen möglich; bei ihnen erfolgt der Stromdurchgang erst nach Einwirkung einer Steuerelektrode. Ohne diese hat man zum Beispiel bei Zweiweggleichrichtung den in Fig. 379a dargestellten Spannungsverlauf. Hat die Wechselspannung einen Maximalwert von 100 V, so mißt ein Drehspulinstrument 63 V Gleichspannung. Wird der Stromdurchgang erst nach der Zeit t, eingeleitet, so sinkt der Durchschnittswert der Gleichspannung zum Beispiel auf 40 V. Es wird auf diese Weise ein Teil jeder Halbperiode ab- oder angeschnitten, weshalb man von Anschnittsteuerung spricht. Vergrößerung des Anschnittes auf i 2 ergibt weitere Spannungsabnahme. Mit einer in ihrer Phasenlage einstellbaren Spannung kann die zeitliche Lage des Impulses und damit der Anschnitt verändert 322

werden. Für sogenannte Zweiweggleichrichtung sind wenigstens zwei steuerbare Ventile erforderlich. Steuerbare Ventile: Thyratron, Ignitrón, Thyristoren; Siliziumzellen und Quecksilberdampfgleichrichter mit Steuerelektrode. Das Thyratron ist ein gasgefülltes Ventil mit Steuerelektrode, dem sogenannten Gitter (Fig. 380). Mit ihm wird durch Anlegen eines gegenüber der Kathode positiven Spannungsimpulses der Stromfluß Anode—Kathode eingeleitet. Bei Beginn der negativen Halbwelle (Anode negativ) setzt der weitere Stromdurchgang aus; in der darauffolgenden positiven Halbwelle ist erneut ein Spannungsimpuls zu geben. Max. Sperrspannung etwa 12 kV; max. Strom etwa 50 A. Das Ignitrón (Fig. 381) ist ein einanodiger Quecksilbergleichrichter mit einem in das Quecksilber eintauchenden Zündstift (Ignitor). Über ihn wird ein Stromimpuls geleitet, der an der Eintauchstelle den Kathodenfleck erzeugt, worauf bis Ende der positiven Halbwelle Strom in Richtung Anode—Kathode fließt. Maximale Sperrspannung etwa 2 kV; Strom etwa 300 A, impulsweise bis etwa 3000 A. Anwendung in Punkt- und Stumpfschweißmaschinen.

1

1,0 Silizium - Gleichrichter

0,95

Quecksitberdampl

0,9

1: 5 2: 1 » 3: 4: 6 5: „ 6:

A n o d e (Graphit) Kathode ( Q u e c k Silber) Zündstift (Ignitor) Vakuumgefäß Äußerer Mantel Kühlwasser

0,85 0,8 0,75 Gleichspannung 100

Fig. 381 Ignitrón

-Gl

Selen - Gleichrichter

200

300

400

500V

Fig. 382 '/»-Last-Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Nennspannung

Der Quecksilber-Gleichrichter mit Gittersteuerung erlaubt ebenfalls eine Regulierung der Gleichspannung (in Fig. 377 ist das Gitter eingezeichnet, doch wurde der Anschluß nach außen der Einfachheit halber weggelassen). Anwendung in jenen Fällen, wo große Belastungsstöße auftreten, wie zum Beispiel zur Steuerung von Walzwerksantrieben. Thyristoren sind steuerbare Silizium-Zellen; ihr Aufbau ist ähnlich jenem der SiliziumDiode, doch ist noch ein Steueranschluß herausgeführt. Sie werden, je Einheit, für Ströme bis 500 A und Spannungen bis 600 V (Effektivwert) ausgeführt. Ihre Anwendung ist sehr vielseitig, so zum Beispiel als Steuersatz für Gleichstrom-Motoren (Ward-LeonardSchaltung), Selbsterregung von Drehstrom-Generatoren, gesamte elektronische Steuerund Regeltechnik. 21*

323

Vergleich der U m f o r m u n g s - A g g r e g a t e Rotierende U m f o r m e r finden nur noch in Sonderfällen Anwendung. Motor-Generatoren haben den Vorteil einer völligen Trennung von Wechselstrom- und Gleichstromseite und ermöglichen ohne weiteres Spannungsregulierung und Rückumformung. Bei Antrieb mit Synchron-Drehstrommotor kann dieser noch zur Phasenkompensation dienen (siehe S. 248). Gleichrichter haben sich auf fast allen Gebieten der Umformung durchgesetzt, wobei heute weitgehend die Silizium-Zelle angewendet wird; wie aus Fig. 382 ersichtlich, ist sie auch hinsichtlich Wirkungsgrad am günstigsten. Sie eigenen sich für kleinere Leistungen (zum Beispiel Schweißapparate) wie auch für größte elektrochemische Anlagen (zum Beispiel Aluminiumgewinnung, 500 V, 100 000 A). Stete Verbesserungen führen zu höheren zulässigen Strömen und Sperrspannungen je Zelle; dies gilt auch für den Thyristor. Die Folge ist eine Verdrängung anderer Gleichrichterarten. SelenZellen findet man noch in Batterieladegeräten; sie sind betrieblich robust und noch in diversen Größen erhältlich. Germaniumgleichrichter eignen sich für mittlere Leistungen. Sie haben eine relativ höhere Stromstoß-Überlastungsfähigkeit als Siliziumgleichrichter. Gasgefüllte Gleichrichter werden bei hohen Spannungen (bis 20 kV) und für Ströme bis etwa 10 A angewendet. Quecksilberdampf-Gleichrichter kommen noch in Frage für Spannungen von 1000 ••• 3000 V (Gleichstrom-Bahnanlagen) und, der großen Belastungsstöße wegen, zum spannungsgesteuerten Antrieb von Walzwerkmotoren (Ward-Leonard-Schaltung). Kontaktumformer werden nicht mehr ausgeführt. Mit gesteuerten elektrischen Ventilanordnungen kann weiterhin: Gleichstrom in Wechselstrom: Wechselrichter, Wechselstrom einer Frequenz in einen solchen mit anderer Frequenz: Umrichter, verwandelt werden. Gleichrichter, Wechselrichter und Umrichter werden zusammenfassend als Stromrichter bezeichnet. Bestimmungen für Quecksilberdampfstromrichter (Hg-Stromrichter), V D E 0555/12. 64. Bestimmungen für VielkristallhalbleiterGleichrichte V D E 0556/10. 66.

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Sammler (Akkumulatoren) Grundbegriffe Elektrolyse In jedem S a m m l e r entsteht, als Folge des Stromdurchganges, ein

elektrochemischer

V o r g a n g , eine sogenannte Elektrolyse; das Grundsätzliche hierüber w i r d nachfolgehd behandelt. Aus den E r k l ä r u n g e n auf S. 6 ergibt sich, daß der Stromfluß eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern ist. Reines Wasser weist keine solchen auf; es ist ein Isolator. W i r d ihm z u m Beispiel etwas S ä u r e beigefügt, dann leitet es, d. h. es enthält nun L a dungsträger, was w i e folgt zu e r k l ä r e n ist: D i e molekularen Kräfte des Lösungsmittels (Wasser) bewirken eine T r e n n u n g oder Dissoziation der Säuremoleküle in positive und negative Ladungsträger, die sogenannten I o n e n (Fig. 383). Metalle und Wasserstoff ergeben positiv geladene Ionen. Nichtmetalle ergeben negativ geladene Beispiele:

-

Schwefelsäure Kupfersulfat Kalilauge ;

Ionen.

(H2SO4) ergibt als positives Ion H2, als negatives Ion SO4 (CuSO«) ergibt als positives Ion Cu, als negatives Ion SO4 (KOH) ergibt als positives Ion K, als negatives Ion O H

+

1 Elektroden — — -

__ Hs

SO4-.

..Y,

COS

X= '

1/1 — (sin

x) 2,

sin

a

= yi

tg a . + (tg x )

cos

1