Elektrische

Star kstromanlagen Maschinen, Apparate, Schaltungen, Betrieb

Kurzgefaßtes Hilfsbuch für Ingenieure und Techniker sowie zum Gebrauch

an technischen Lehranstalten

Von

Dipl.-Ing. Emil Kosack Studienrat an den Staat!. Vereinigten Maschinenbauschulen

zu Magdeburg

Fünfte, durchgesehene Auflage

Mit 294 Textfiguren

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

1921

ISBN 978-3-662-35933-4 ISBN 978-3-662-36763-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-36763-6

Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.

Copyright 1921 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1921. Softcover reprint ofthe hardcover 5th edition 1921

Aus dem Vorwort zur ersten Auflage. Das vorliegende Buch soll einen kurzen, aber möglichst um­

fassenden Überblick über die wichtigsten Zweige der Starkstrom­elektrotechnik geben. Bei der Auswahl und Anordnung des Stoffes sind im wesentlichen die Bedürfnisse der staatlichen Maschinenbau­schulen berücksichtigt worden, doch ist durch eine weitgehende Unterteilung dafür gesorgt, daß den verschiedensten Verhältnissen Rechnung getragen werden kann. Bei den höheren Maschinenb.au­schulen wird in manchen Abffuhnitten eine Vertiefung des Lehrstoffes, namentlich nach der mathematischen Seite - vielleicht auch durch Einführung des Vektordiagramms zur Erklärung der Wechselstrom­erscheinungen - notwendig sein. Ich bin der Ansicht, daß gerade beim technischen Unterricht die Eigenart des Lehrers, das Persön­liche seiner Lehrmethode möglichst wenig beeinträchtigt werden soll. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn er sich bei den allgemeinen Grundlagen auf ein Lehrbuch stützen kann. Es wird dadurch viel sonst für das Diktat benötigte kostbare Zeit gewonnen.

Auf die Wiedergabe von Bildern der besprochenen Maschinen und Apparate ist grundsätzlich verzichtet worden, einerseits um den Umfang des Buches nicht unnötig zu vermehren, andererseits weil heute wohl stets Gelegenheit geboten ist, elektrische Anlagen durch den Augenschein kennen zu lernen. Schnittzeichnungen und schema­tische Figuren sind in desto reichlicherem Maße aufgenommen worden.

Bei den im Buche eingeführten Bezeichnungen sind nach Mög­lichkeit die Vorschläge des Ausschusses für Einheiten und Formelgrößen befolgt worden. Den Klemmenbezeichnungen sind die Normalien des Verbandes Deutscher Elektrotechniker zugrunde gelegt. Überhaupt haben die Verbandsvorschriften weit­

,gehende Beachtung gefunden.

Magde burg, im Mai 1912.

Emil Kosack.

Vorwort zur vierten Auflage. Die noch während des Krieges erl!chienene dritte Auflage der

"Elektrischen Starkstromanlagen" ist nach kaum anderthalb Jahren vergriffen gewesen, sie war ein im wesentlichen unveränderter Al­druck der zweiten Auflage. Die vorliegende vierte Auflage ist einer sorgfältigen Durchsicht unterzogen worden. Die in der Elektrotechnik während der letzten Jahre gewonnenen Erfahrungen sind nach Mög­lichkeit berücksichtigt worden, wodurch sich mancherlei Änderungen und Ergänzungen, namentlich bei den Abschnitten über die elektri­schen Lampen sowie das Leitungsnetz, notwendig machten. Der Umfang des Buches ist jedoch nur unwesentlich vermehrt worden, da ich aus der günstigen Beurteilung, welche dem Buche zuteil ge~ worden ist, sowie seiner Einführung als Lehrbuch der Elektrotechni~ an einer großen Zahl technischer Lehramtaiten schließe, daß ich mit der Abgrenzung des im Buche behandelten Stoffes im ganzen das. Richtige getroffen habe. Die Normalien des Verbandes Deutscher Elektrotechaiker haben nach wie vor volle Beachtung gefunden.

Den Firmen, welche mich wielerum in entgeg3nkommender Weise, durch überweisuag von Material unterstützten, spreche ich auch an, dieser Stelle meinen Dank aus.

Ich gebe der Hoffnung Raum, daß die Elektrotechnik, der in den nächsten Jahren besonders wichtige Aufgaben beim WiederaufbaQ der deutschen Wirtschaft zufallen werden, einer erfolgreichen Zu ... kunft : entgegengeht. Möchte das vorliegende Buch einen beschei­denen Anteil an dieser Entwicklung nehmen!

Magdeburg, im Oktober 1919. Emil Kosack.

Vorwort zur fünften Auflage. Bei der vorliegenden fünften Auflage der "Starkstromanlagen"

habe ich mich im wesentlichen auf eine gründliche Durchsicht des. Textes und der Figuren beschrä.nkt. Größere Änderungen gegenüber der vorigen Auflage schienen mir nicht notwendig zu sein.

Magdeburg, im September 1920. Emil Kosack.

Inhaltsverzeichnis.

Erstes Kapitel.

Die Erzellgungsarten, Gesetze und Wirkungeu des elektrischen Stromes.

A. Gleichstrom. Seite

1. Die elektromotorische Kraft als Ursache des elektrischen Stromes. 1 2. Da.s Ohmsche Gesetz . . . . . . . . 2 3. Elektrizitätsmenge . . . . . . . . . . 4 4. Elektrischer Widerstand und Leitwert 4 5. Widerstand und Temperatur . 6 6. Widerstandsappa.rate •....... 7 7. Stromverzweigungen . .. . • . . . . . 9 8. Schaltung von Widerständen. . . ., ..... 10 9. Stromstärke und Klemmenspannung einer Stromquelle 11

10. Schaltung von Stromquellen . . . . . . . . . . . . 12 11. Leistung und Arbeit des Stromes. . . . . . . . . 14 12. Zusammenhang zwischen elektrischer und mechanischer Energie. 16 13. Die Wärmewirkung des Stromes . . . . 17 14. Der elektrische Lichtbogen ...... 17 l.~. Thermoelektrizität. . . . . . . 18 16. Die chemischen Wirkungen des Stromes. 18 17. Das Gesetz vun Faraday . . . . 19 18. Die elektrolytische Polarisation. . . . . 20 19. Das magnetische Feld. . . . . . . . . 20 20. Theorie der Molekularmagnete . . . . . 23 21. Die magnetischen Wirkungen des Stromes 23 22. Elektr<lmagnete. . . . . . . . . . 26 23. Die elektrodynamischen Wirkungen. 27 24. Der magnetische Kreis 27 2.5. Die Hysterese ...... . . . . ~9 26. Die Induktionsgesetze . . . . . . . 30 27. Gegenseitige Induktion zweier Spulen 31 28. Die Selbstinduktion 32 29. Wirbelströme. . . . . . . . . . . . 32

ll. Wechselstrom. 30. Zustandekommen des Wechselstromes ... , .. 31. Wirkungen des Wechselstromes ... 32. Die Effektivwerte der Spannung und StromstärkE1 3:~. Die Phasenverschiebung . . . 34. Leistung des Wechselstromes. . . . 3,'i. Die Drosselspule • . . . . . . . . 36. Der Kondensator . . . . . . . . . . 37. Die Hautwirkung des Wechselstromes . 38. Zweiphasenstrom. •. .. . 39. Drehstrom • • . . . . . . . . . . .

, . 33 35 35 36 37 39 40 41 41 42

VI Inhaltsverzeichnis.

Seite Zweites Kapitel.

Meßinstrumente und Meßmethoden.

A. Strom- und Spannungsmessungen. 40. Schaltung der Strommesser 41. Allgemeines über Strommesser 42. Elektrochemische Instrumente 43. Hitzdrahtinstrumente 44. Galvanometer ..... 45. Drehspulinstrumente. . 46. Weicheiseninstrumente . 47. Elektrodynamische Instrumente 48. Induktionsinstrumente . . . . . 49. Schaltung der Spannungsmesser 50. Instrumente für Spannungsmessung

B. Widerstandsmessungen. 51. Die indirekte Widerstandsmessnng 52. Die Methode der Wheatstoneschen Brücke 53. Die Vergleichsmethode . . . . . . 54. Widerstandsmessung nach der Voltmetermethode .

C. Leistungs- und Arbeitsmessungen.

44 45 46 46 47 47 49 50 50 51 52

53 54 56 57

55. Leistungsmessung bei Gleichstrom und einphasigem Wechselstrom. 59 56. Leistungsmessung bei Drehstrom . 60 57. Allgemeines über Arbeitsmessung . 62 58. Elektrochemische Zähler . 63 59. Pendelzähler . . . . . . 63 60. Dynamometrische Zähler 64 61. Quecksilbermoturzähler 65 62. Induktionszähler 65

D. Besondere Wechs.elstrommessungen. 63. Bestimmung der Phasenverschiebung 64. Frequenzmesser ....•......

Drittes Kapitel. Gleichstromerzeuger.

66 66

65. Allgemeine Anordnung einer Gleichstrommaschine 67 66. Die zweipolige Ringwicklung . . . • . . . . . . 68 67. Die zweipolige Trommelwit'klung . . . . . . . . 73 68. Mehrpolige Trommelwicklungen ................ 75 69. Der Einfluß der Wicklungsart auf die EMK und Stromstärke des Ankers 78 70. Der Aufbau des Ankers . . . . • . . . .. .... " 78 71. Das Magnetgestell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 72. Ankerrückwirkung und Bürstenverschiebung . . . . . . . . .. . 83 73. Das Querfeld und Gegenfeld des Ankers . . . . . 85 74. Die Abhängigkeit der Ankerspannung von der Umdrehungszahl und

Magneterregung . . . • . • 86 75. Die fremderregte Maschine. 86 76. Die Selbsterregung 88 77. Die Nebenschlußmaschine 88 78. Die Hauptschlußmaschine 90 79. Die Doppelschlußmaschine . ............. 91 80. Maschinen mit Wendepolen und kompensierte Maschinen. 93 81. Turbomaschinen . . • . . 94 82. Polarität und Drehrichtung . . . . . . . . . . . . . . 95

Inhal tsverzeichnis.

83. Die Querfeldmaschine. . . . . . . 84. Spannung und Umdrehungszahl .. 85. Wirkungsgrad . . . . . . . . . . 86. Parallelbetrieb mehrerer Maschinen

Viertes Kapitel. Gleichstrommotoren.

87. Wirkungsweise .. ....... . 88. Der Anlaßwiderstand . . . . . . . . . 89. Die Abhängigkeit der Umdrehungszahl von der Spannung und

Magneterregung . . . . . . . . . . . 90. Ankerrückwirkung und Bürstenverschiebung 91. Der fremderregte Motor 92. Der Nebenschlußmotor . 93. Der Hauptschlußmotor . 94. Der Doppelschlußmotor . 95. Bauart der Motoren . . 96. Tourenregelung 97. Umkehr der Drehrichtung 98. Umkehranlasser . 99. Walzenanlasser . .

100. Schützensteuerung 101. Anlaßaggregate 102. Wirkungsgrad .. 103. Umdrehungszahl, Leistung und Spannung 104. Verhalten eines Stromerzeugers als Motor und umgekehrt

Fünftes Kapitel. Wechselstromerzeuger.

105. Allgemeines . . . J 06. Die Außenpolmaschine 107. Die Innenpolmaschine 108. Turbomaschinen . . . 109. Frequenz, Polzahl und Umdrehungszahl 110. Leistung der Wechselstrommaschinen. 111. Die Wechselstrommaschine bei Leerlauf 112. Die Wechselstromm/l,sehine bei Belastung 113. Selbsttätige Spannungsregelung . . . . . 114. Die Wechselstrommasehine bei Kurzschluß 115. Spannung ......... . 116. Wirkungsgrad ............ . 117. Parallelbetrieb mehrerer Maschinen

Sechstes Kapitel. Transformatoren.

118. Allgemeines . . . . . . . . . . . . 119. Wirkungsweise. . . . . . . . . . . . 120. Bauart der Einphasentransformatoren . 121. Bauart der Mehrphasentransformatoren 122. Oltransformatoren . . • • . . . . 123. Spannungsänderung ...... . 124. Der Transforma.tor bei Kurzschluß 125. Spannungs- und Stromwandler 126. Spartransformatoren . . 127. Reguliertransformatoren 128. Spannung und Frequenz 129. Wirkungsgrad . . . . . 130. Pa.rallelbetrieb mehrerer Transformatorell

VII Seite

96 97 97 99

101 102

103 104 104 105 107 108 108 109 110 111 112 114 114 115 116 116

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VIII InhaJtsverzeicb:nis.

Siebentel! Kapitel.

W t'chselstrommotoren. A. Synchronmotoren.

131: Wirkungsweise . . . . . . . . . . 13::l. Das Anlaßverfahren . . . . . . . . 133. Der Synchronmotor als Phasenregler

B. Asynchrone Drehfeldmotoren. 134. Das Drehfeld ....... . 135. Motoren mit Kurzschlußläufer 136. Motoren mit Schleifringläufer 137. Stern-Dreieck-Umschaltung . 138. Motoren mit Gegenschaltung . 139. Tourenregelung . . . . 140. Umkehr der Drehrichtung .. 141. Umdrehungszahl und Spannung 142. Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 143. Asynchrone Einphasenmotoren

C. Kollektormotoren. 144. Allgemeines. . . . . . . . . . 145. Der Einphasenhauptschlußmotor 146. Der Einphasenkurzschlußmotor. . 147. Der Ein phasenhaupt schluß-Kurzschlußmotor 148. Der Drehstromhauptschlußmotor . . . . 149. Der Drehstromnebenschlußmotor . . . .

Achtes Kapitel. Umformer.

150. Motorgeneratoren . 151. Einankerumformer 152. Kaskadenumformer .. 153. Quecksilberdamgfgleichrichter 154. Großgleichrichter . . . . . .

Neuntes Kapitel.

Der Betrieb elektrischer Maschinen. 155. Inbetriebsetzung der Maschinen 156. Wartung der Maschinen .... 157. Betriebsstörungen an Maschinen 158. Hochspannungsmaschinen

Zehntes Kapitel.

Die Untersuchung elektrischer Maschinen. 159. Allgemeines ..... . 160. Leistung und Erwärmung _ 161. überlastbarkeit . . . . . . 162. Isolationspritfung . . 16H. Wirkungsgrad. . . 164. Spannungs änderung

Elftes Kapitel. Akkumulatoren.

165. Allgemeines . . . . . . . . . . 166. Wirkungsweise und Bauart des Bleiakkumulators 167. Spannung, Kapazität und Wirkungsgrad

Seite

Jr,0 152 153

154 158 lfiO 161 163 163 164 1640 165 166

167 J6S3 169 171 172 172

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Inhaltsvt'rzeichnis. IX Seite

168. Akkumulatorenbatterie urid Zellenschalter . • . . . . . . . • . 210 169. Die Akkumulatorenbatterie in Verbindung mit der Betriebsmaschine 212 170. Elektrizitätswerke mit Akkumulatorenbetrieb 214 171. Der Akkumulator in Wechselstromanagen 215 172. Besondere Anwendungen des Akkumulators. 216 173. Pufferbatterien . . . . . . . . . 216 174. Schwungräder als Ersatz für Pufferbatterien 217 175.' Der Betrieb der Akkumulatoren . 218 176. Untersuchung von Akkumulatoren . . . 220 177. Der Edisonakkumulator . . . . . . . . 221

Zwölftes Kapitel.

Die elektrischen Lampen. 178. Allgemeines . . . . . . . . . • . . . . • 222 179. Lichtstärke, spez. Leistungsverbrauch, Beleuchtung. 223

A. Glühlampen. 180. Die Metalldrahtlampe . . . . . 224 181. Die Spiraldrahtlampe . . . . . 226 182. Die gasgefüllte Metalldrahtlampe 226 183. Die Kohlefadenlampe . . . . . 227

B. Bogenlampen. 184. Das Bogenlicht . . . . . . . . . . 228 185. Das Regulierwerk der Bogenlampen 229 186. Offene Bogenlampen ....... 2:~2 187. Geschlossene Bogenlampen. . . . . 234 1F18. Inbetriebsetzung und Wartung der Bogenlampen 234

C. Röhren- und Glimmlampen. 189. Quecksilberdampflampen. 235 190. Das Moorelicht . 2;\6 191. Die Glimmlampe 237

Dreizehntes Kapitel.

WärmeAusnutzung des Stromes, Elektrochemie und -metallurgie. 192. Elektrisches Kochen und Heizen . 237 193. Elektrisches Löten und Schweißen 238 194. Gal vanostegie und Gal vanoplastik 239 195. Rf'indarstellung des Kupfers 239 191). AIlJ:miniumgewinnung 240 197. Stahldars(el~ung . 240 HIS. Karbidfabrikation • 241 199. Stickstoffgewinnung 241 200. Ozonerzeugung . 241

Vierzehntes Kapitel.

Das Leitllngsuetz. 201. Die Betriebsspannung . . . . . . . 202. Niederspannung und Hochspannung 203. Das Zweileitersystem . . • . . . . 204. Das Mehrleitersystem . . • . . . . 20.1. Mehrphasige Wechs"lstromsysteme ... 206. Das' Wechselstrom-Transformatorensystem 207. Das Wechselstrom-Gleichstromsystem 208. Leitungsarten . 209. Freileitungen . . . . . . . . . . .

242 242 243 2t3 247 :l48 249 250 252

x Inhaltsverzeichnis.

210. Isolierglocken. . . . . 211. Leitungen in Gebäuden 212. Der Leitungsquerschnitt 213. Steckvorrichtungen 214. Schalter . . . . . . . . 215. Besondere Lampenschaltungen 216. Hochspannungsschalter 217. Sicherungen ..•..... 218. Isolationsprüfung von Leitungen 219. Uberspannungsschutz ... 220. Spannungssicherungen . . . . .

Fünfzehntes Kapitel. Zentralenschaltungen.

221. Allgemeines

Seite 252 254 255 260 260 262 263 266 268 273 278

279

A. Gleichstromanlagen. 222. Einzeihetrieb einer Gleichstrommaschine. . 280 223. Parallelbetrieb von Nebenschlußmaschinen 280 224. Parallelbetrieb von Doppelschlußmaschinen . 282 225. Nebenschlußmaschine und Akkumulatorenbatterie mit Einfach­

zellenschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 226. Nebenschlußmaschine und Akkumulatorenbatterie mit Doppel­

zeIlenschalter . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 227. Nebenschlußmaschine, Zusatzmaschine und Akkumulatorenbatterie

mit Doppelzellenschalter • . . . . . . . . . . . . . . 287 228. Dreileiteranlage . mit zwei hintereinander geschalteten Neben-

schlußmaschinen . . . . . . . . . . 288 229. Dreileiteranlage mit zwei hintereinander geschalteten Neben-

schlußmaschinen und einer Akkumulatorenbatterie . 289 230. Dreileiteranlage mit einer Nebenschlußmaschine und einer Akku­

mulatorenbatterie zur Spannungsteilung . . . . . . . . . . . . 291 231. Dreileiteranlage mit einer Nebenscblußmaschine, zwei Ansgleichs­

maschinen, einer Zusatzmaschine und einer Akkumulatorenbatterie 293 232. Dreileitermaschine mit einer Akkumulatorenbatterie . . . . . . 295

B. Wechselstromanlagen. 233. Einzelbetrieb einer Einphasenmaschine . . . . . . 296 234. Einzelbetrieb einer Drehstrommaschine . . . . . . 296 235. Parallelbetrieb von Drehstrommaschinen ........ . 297 236. ~ocbspannungs-Drehstromzentrale. - Unmittelbare Auslösung der

Olschalter . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 237. Hochspannungs-Drehstromzentrale. - Relaisauslösung der Öl-

schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 238. Hochspannungs-Drehstromzentrale mit Transformatoren 302

A.nhang. Zusammenstellung der elektrotechnischen Einheiten Verzeichnis der Formelgrößen . . . . . . . . . .

Berichtigung.

305 305

S.2,57, 13. Zeile von unten lies "Hautwirkung" statt "Hauptwirkung".

Normalien, Vorschriften und Leitsätze des Verbandes Deutscher Elektrotechniker.

Vom Verbande Deutscher Elektrotechniker (im folgenden durch V. D. E. abgekürzt) ist eine Reihe von Normalien, Vorschriften und Leit­sätzen aufgestellt worden, die sich allgemeiner Anerkennung erfreuen, und die wesentlich zu einer gesunden Entwicklung der Elektrotechnik und zu einer einheitlichen Fabrikation beigetragen haben. Der raschen Entwicklung der Elektrotechnik Rechnung tragend, werden die Vorschriften von Zeit zu Zeit einer Durchsicht unterzogen und den Fortschritten und Bedürfnissen der Technik entsprechend abgeändert. Sie sind in einem vom Generalsekretär des Ver­bandes De.-lng. G. Dettmar herausgegebenen Buche zusammengestellt, teil­weise jedoch auch einzeln erschienen. Ganz besonders sei hier auf die folgenden Veröffentlichungen hingewiesen:

Vorschriften für die Errichtung elektrischer Starkstromanlagen, kurz Errichtungs-Vorschriften (E. V.) genannt;

Vorschriften für den Betrieb elektrischer Starkstromanlagen, kurz Betriebs-Vorschriften (B.V.) genannt;

- für Bergwerke bestehen noch Zusatzbestimmungen zu den Er· richtungsvorschriften, für elektrische Straßenbahnen usw. sind besondere Sicherheitsvorschriften in Geltung -

Vorschriften für Bewertung und Prüfung von elektrischen Ma­schinen und Transformatoren, kurz Maschinen-Normalien (M.N.) genannt;

Normalien für die Bezeichnung von Klemmen bei Maschinen usw.; Anleitung zur ersten Hilfeleistung bei Unfällen im elektrischen

Betriebe. Z\l den E.V. und B.V. sind Erläuterungen von Geh. Regierungs­

rat Dr. C. L. Weber, zu den M.N. von Generalsekretär Dr.-lng. G. Dettmar herausgegeben.

Mit Rücksicht auf die wirtschaftlichen Verhältnisse mußte zu den Vor­schriften des Verbandes während des Krieges eine Reihe von Ausnahme­bestimmungen, namentlich hinsichtlich der Verwendung von Spar- und Ersatz­stoffen, getroffen werden, die nach Abschluß des Krieges durch die

"Bestimmungen für die Übergangszeit" ersetzt worden sind. Diese Bestimmungen sind jedoch, dem Wiedereintreten normaler Verhältnisse entsprechend, in allmählichem Abbau begriffen.

XII Normalien, Vorschriften und Leitsätze des V, D. E.

Normale Betriebsspannungen. Die vom V. D, E. im Jahre 1919 festgelegten Normalspannungen für

elektrische Anlagen sind nachstehend zusammengestellt. Die fettgedruckten Spannungen werden in erster Linie, sowohl für Neuanlagen als auch für um­fangreiche Erweiterungen, empfohlen.

1. Gleichstrom:

110, 220, 440 V, ferner für Bahnen 550, 750, 1100, 1500, 2200, 3000V;

2, Drehstrom von der Frequenz 50: 125, 220, 380, 500, 3000, 5000, 6000, 10000, 15000, 25000, 35000, 50000, 60000, 100000 V;

3. Einphasenstrom von der Frequenz 16 2 / 3 :

Für Neuanlagen sind nur fettgedruckte Werte aus der Drehstrom­tabelle zu wählen.