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Betriebsbedingungen elektrischer Maschinen Zusammenfassung...

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Betriebsbedingungen elektrischer Maschinen

Elektrotechnische Normung uund Vorschriften Regeln der Technik. Wie in allen Bereichen der Elektrotechnik, so bestehen auch für die Fachgebiete Elektrische Energieversorgung und Elektrische Antriebstechnik umfangreiche Normen und Bestimmungen. Zum Thema dieses Buches sind daraus vor allem alle Festlegungen für  die Auslegung und Konstruktion von elektrischen Maschinen und Transformatoren  deren Einsatz hinsichtlich Sicherheit und Betriebsbedingungen  die Prüfung von Kenndaten und Eigenschaften von Maschinen und Transformatoren für Hersteller und Anwender von Bedeutung. Diese Normen entstehen als Ergebnis der ehrenamtlichen Gemeinschaftsarbeit von Vertretern aus Industrie, Verbänden und Hochschulen in einer Vielzahl von Komitees. Die einzelnen Bestimmungen gelten als Maßstab für fachgerechtes Verhalten und werden damit vor allem bei sicherheitstechnischen Fragen von der Rechtsordnung im Streitfall als „Regeln der Technik“ anerkannt und bei der Beurteilung von Sachverhalten zugrunde ge legt. Für eine erfolgreiche ingenieurmäßige Tätigkeit in der Elektrotechnik ist damit die Kenntnis der einschlägigen nationalen und häufig weltweiten Normen und Bestimmungen unbedingt erforderlich. Nationale Bestimmungen. Im deutschsprachigen Raum werden die gültigen elektrotechnischen Normen durch die jeweiligen nationalen Fachverbände veröffentlicht. Sie können über die nachstehenden Anschriften  Verband Deutscher Elektrotechniker e. V. VDEVerlag GmbH, Bismarckstr. 33, D-10625 Berlin  Österreichischer Verband für Elektrotechnik, Eschenbachgasse 9, A-1010 Wien  Schweizerischer Elektrotechnischer Verein, Postfach, CH-8034 Zürich bezogen werden. Es werden jährlich Kataloge mit der Auflistung aller Bestimmungen, neuerdings auch als CD-ROM herausgegeben. In Deutschland erscheinen die Publikationen unter der Verantwortung der Deutschen Elektrotechnischen Kommission DKE, die im Jahre 1970 gemein-

sam vom VDE und dem Deutschen Normenausschuss (DNA) gegründet wurde, als DIN VDE-Normen. IEC- und Europanormen. Die schon 1906 gegründete Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), der alle Industriestaaten angehören, hat als Aufgabe die weltweite Standardisierung von Produktanforderungen auf dem Gebiet der Elektrotechnik. Das Ergebnis sind die IEC-Publikationen, denen sich die nationalen Verbände nach Möglichkeit anschließen sollen und die bei der weltweiten Verflechtung der Wirtschaft wachsende Bedeutung erlangen. Das Europäische Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC = Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique) erarbeitet seit 1973 mit der Beteiligung fast aller europäischen Staaten einheitliche Anforderungen und Prüfverfahren für elektrotechnische Betriebsmittel für den Europamarkt. Dabei wird angestrebt, möglichst weitgehend IECStandards zu übernehmen. CENELEC verabschiedet die Europanormen (EN), die dann von den nationalen Gremien wie z. B. dem VDE evtl. unter einer eigenen Kennzahl übernommen werden. CE-Kennzeichnung. Nach einem Beschluss der Europäischen Gemeinschaft müssen elektrotechnische Produkte, die in diesem Markt vertrieben werden, das CE-Zeichen (Communautes Europeennes) als grafisches Symbol tragen. Es bescheinigt nur die Übereinstimmung (Konformität) mit den Anforderungen aller Richtlinien, die für das betreffende Produkt im europäischen Markt bestehen. Das Zeichen richtet sich in erster Linie an die Zollämter und Behörden zur Marktüberwachung der EU-Staaten als eine Art „Technischer Reisepass“. Über die Qualität eines Produktes macht das CE-Zeichen nur sehr eingeschränkt eine Aussage. Dies bleibt auch künftig Angaben wie dem Gütesiegel GS oder dem VDE-Prüfzeichen vorbehalten. Für die Produkte der elektrischen Antriebstechnik kommen im Wesentlichen vier EURichtlinien zur Anwendung:  Die Maschinenrichtlinie (89/392/EWG) behandelt „Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen“, die an den mechanischen Aufbau gestellt werden.  Die Niederspannungsrichtlinie (73/23/EWG) hat ähnliche Ziele wie die Maschinenrichtlinie, allerdings im Hinblick auf Gefahren durch elektrischen Strom.  Die EMV-Richtlinie (89/336/EWG), (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit), regelt die zulässige Störemission und -immission elektrischer Geräte.  Die Explosionsschutzrichtlinien (94/9/EWG und 95/C332/06) enthalten Schutzmaßnahmen für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen. Alle Richtlinien verlangen jeweils die Anwendung einer ganzen Reihe von für das betreffende Ziel verabschiedeten Europanormen. EMV. Diese Richtlinien beschäftigen sich sowohl mit der Störaussendung (Emission) als auch der Einwirkung (Immission) von Fremdeinflüssen. Im Bereich der elektrischen Maschinen sind vor allem die Kohlebürstenkontakte am Stromwender (Bürstenfeuer) von Universalmotoren die Quelle von hochfrequenten leitungsgebundenen Störspannungen und Feldstärken. Wie in Abschnitt 7.2 dargestellt, lassen sich die Störspannungen relativ leicht durch den LC-Tiefpass aus Kondensator und Induktivität der Erregerwicklung besei- tigen.

Große Bedeutung hat das Thema EMV durch den Einsatz der Leistungselektronik erlangt, deren Stellglieder wie IGBTs und Thyristoren stets Störquellen sind. Durch geeignete Filterschaltungen muss erreicht werden, dass bei derartigen Betriebsmitteln keine unzulässigen Störemissionen auftreten und äußere entsprechende Einwirkungen nicht z. B. die eigene Prozessorsteuerung beeinflussen. Normenwerk. Einen umfassenden Überblick über den Umfang aller elektrotechnischer Normung erhält man über das Internet unter www.vde-verlag.de. Hier werden unter den Begriffen IEC- oder VDE-Normen in einem umfangreichen Verzeichnis von A bis Z alle Sachgebiete, die mit Vorschriften belegt sind, aufgelistet. Ein Anklicken führt zu der entsprechenden Normnummer und Titel. Als Beispiel ist nachstehend eine Bestimmung aus dem Bereich VDE 0530 Drehende Elektrische Maschinen gezeigt. Normen für elektrische Maschinen und Transformatoren. Im Hinblick auf die einfache Möglichkeit der erwähnten Internetrecherche sind nachstehend nur die wichtigsten Vorschriften und Bestimmungen nach VDE 0530 (EN 60034) und VDE 0532 (EN 60076) zum Thema des Buches aufgelistet. Tabelle 8.1 Normen und Bestimmungen für elektrische Maschinen DIN/VDE

Titel der Vorschrift oder Norm

VDE 0160 0170

Teil 100–102, Drehzahlveränderliche elektrische Antriebe EN 61800-1-3 Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche EN 50014

VDE 0530

Drehende elektrische Maschinen

Teil 1

Bemessung und Betriebsverhalten

Teil 2

Verfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades EN 60034-2

Teil 3

Besondere Anforderungen an Vollpol-Synchronmaschinen

EN 60034-3

Teil 4

Verfahren zur Ermittlung der Kenngrößen von Synchronmaschinen durch Messungen

EN 60034-4

Teil 5

Schutzarten aufgrund der Gesamtkonstruktion

EN 60034-5

Teil 6

Einteilung der Kühlverfahren

EN 60034-6

Teil 7

Klassifizierung der Bauarten und der Aufstellungsarten

EN 60034-7

Teil 8

Anschlussbezeichnungen und Drehsinn

EN 60034-8

Teil 9

Geräuschgrenzwerte

EN 60034-9

Teil 11

Thermischer Schutz

EN 60034-11

Teil 12 Teil 14

Anlaufverfahren von Drehstrommotoren mit Käfigläufer EN 60034-12 Mechanische Schwingungen . . .; Messung, Bewertung und EN 60034-14 Grenzwerte- der Schwingstärke Bemessungsstoßspannungen drehender WechselstromEN 60034-15 maschinen mit Formspulen im Ständer

Teil 15

EN/IEC

EN 60034 EN 60034-1

Teil 16

Erregersysteme für Synchronmaschinen

EN 60034-16

Teil 17

Umrichtergespeiste Induktionsmotoren mit Käfigläufer

IEC 60034-17

Teil 18 Teil 20

Funktionelle Bewertung von Isoliersystemen EN 60034-18 Betriebseigenschaften und Prüfvorschriften für bürstenlose EN 60034–20 Motoren- mit Dauermagneterreung

Tabelle 8.1 Normen und Bestimmungen für elektrische Maschinen (Fortsetzung) DIN/VDE

Titel der Vorschrift oder Norm

EN/IEC

Teil 22

Wechselstromgeneratoren für Stromerzeugungsaggregate

EN 60034–22

Teil 23

Leitfaden für die Überholung drehender elektrischer Maschinen EN 60034–23

Teil 25

Leitfaden für den Entwurf und das Betriebsverhalten von von EN 60034–25 Drehstrommotoren speziell für Umrichterbetrieb

Teil 26

Auswirkungen von Spannungsunsymmetrien auf das Betriebs- EN60034–26 verhalten von Drehstrom-Induktionsmotoren

Teil 28

Prüfverfahren zur Bestimmung der Größen des Ersatzschaltbildes EN 60034–28 dreiphasiger Kurzschlussläufermotoren

Teil 30

Wirkungsgrad-Klassifizierung von Drehstrommotoren mit Käfigläufern,-ausgenommen polumschaltbare Motoren

EN 60034–30

VDE 0532–76 Transformatoren Teil 1 Leistungstransformatoren, Allgemeines

EN 60076–1

Teil 2

Übertemperaturen bei Flüssigkeitskühlung

EN 60076–2

Teil 3

Isolationspegel und Spannungsprüfungen

EN 60076–3

Teil 4

Blitz- und Stoßspannungsprüfungen

EN 60076–4

Teil 5

Kurzschlussfestigkeit

EN 60076–5

Teil 6

Drosselspulen

EN 60076–6

Teil 7

Belastung von ölgefüllten Leistungstransformatoren

EN 60076–7

Teil 10

Bestimmung der Geräuschpegel

EN 60076–10

Teil 11

Trockentransformatoren

EN 60076–11

Teil 12

Belastungsrichtlinie für Trocken-Leistungstransformatoren

EN 60076–12

Teil 13

Selbstgeschützte flüssigkeitsgeschützte Transformatoren

EN 60076–13

Teil 15

Gasgefüllte Leistungstransformatoren

EN 60076–15

Teil 16

Transformatoren für Windenergieanlagen

EN 60076–16

Bauformen und Schutzarten Bauformen. Durch den Maschinentyp wie z. B. Drehstrom-Asynchronmaschine oder Gleichstrommotor liegt nur die Konstruktion des elektrischen und magnetischen aktiven Teils fest. Bezüglich der Anordnung der Lager, der Gehäusebefestigung, der Betriebslage usw. bestehen jeweils eine Vielzahl von Möglichkeiten, die in einer Bauform definiert werden. In Nachfolge von DIN 42950 wird diese heute durch die Europanorm EN 60034-7 bzw. VDE 0530 T.7 erfasst und lässt zur Beschreibung von Bauform und Aufstellungsart zwei Möglichkeiten zu: Code I. Das Kurzzeichen besteht aus den Buchstaben IM (International Mounting), dem die bisherige Bezeichnung nach DIN 42950 folgt, z. B. IM B3. Code II. Nach den Buchstaben IM folgen vier Ziffern, welche die Bauform (1. Ziffer), die Art der Aufstellung (2. und 3. Ziffer) und die Ausführung des Wellenendes (4. Ziffer) beschreiben. In Code I sind mit den Bauformen nach B und V nur die wichtigsten Ausführungen erfasst. Tabelle 8.2 zeigt eine Auswahl von Möglichkeiten. Tabelle 8.2 Bauformen elektrischer Maschinen Kurzzeichen Bild

Bemerkungen

IM B3

Gehäuse mit Füßen und zwei Lagerschilden, freies Wellenende, -Aufstellung auf Fundament. Wichtigste Bauform für Maschinen.

IM B5

Gehäuse ohne Füße, mit Befestigungsflansch auf Antriebsseite, zwei Lagerschilde, freies Wellenende. Günstige Bauform für direkten Anbau.

IM 7211

Gehäuse mit Füßen und zwei Stehlagern auf gemeinsamer Grundplatte- . Übliche Bauform für Großmaschinen.

IM V1

Gehäuse ohne Füße, mit Befestigungsflansch auf Antriebsseite für senkrechten Anbau, zwei Lagerschilde, freies Wellenende. Verwendung- wie B5

IM 8015

Die Bauformen dieser Reihe werden vorzugsweise für Wasserkraftgeneratoren, Pumpenmotoren und Erregermaschinen eingesetzt.

Baugrößen. Von Konstruktionen für einen besonderen Einsatzfall abgesehen, werden elektrische Maschinen nach einer Reihe von genormten Baugrößen hergestellt. Kennzeichnend ist hier die Achshöhe h nach Bild 8.1, wofür in DIN 747 ein Wertebereich zwischen 56 mm bis 315 mm festgelegt ist.

Bild 8.1 Festgelegte Anbaumaße von IEC-Normmotoren in Bauform IM B3

Bei Drehstrom-Asynchronmaschinen hat eine IEC-Empfehlung aus dem Jahr 1971 zur Schaffung einer Normmotorenreihe auf der Basis obiger Achshöhen geführt. In DIN 42672 bis 42679 sind jeder Achshöhe die in Bild 8.1 eingetragenen Anbaumaße und je nach Drehzahl eine Wellenleistung verbindlich zugeordnet. Um pro Achshöhe verschiedene Leistungen zu erhalten, führt man die Blechpakete und damit die Gehäuse mit verschiedener Länge aus, was sich in dem Zusatz S (short), M (medium) oder L (long) zur Baugröße, also z. B. 132 S äußert. Die mit einer bestimmten Baugröße erreichbare Leistung ist natürlich kein fester Wert, sondern stark von der  Maschinenart, wie Gleichstrom-, Asynchron- oder Synchronmotor  Bemessungsdrehzahl bzw. der Frequenz und Polzahl  Wärmeabgabe entsprechend der gegebenen Kühlung und Schutzart abhängig. Durch diese Normung ist zumindest im ganzen EU-Raum die volle Austauschbarkeit der Motoren verschiedener Hersteller erreicht. Ferner sind Platzbedarf und Einbaubedingungen eines Antriebs eindeutig festgelegt, was die Konstruktion einer Anlage vereinfacht. Schutzarten. Auf die äußere Ausführung einer elektrischen Maschine hat neben der Bauform auch die gewählte Schutzart einen wesentlichen Einfluss. Diese bestimmt den Schutz von Personen vor Berührung unter Spannung stehender oder bewegter Teile innerhalb des Gehäuses und den Schutz vor Eindringen von festen Fremdkörpern und Wasser. Zur Kennzeichnung des Schutzgrades werden nach DIN40050 bzw. VDE 0530 T. 5 je eine Ziffer verwendet, der die Buchstaben IP vorangestellt sind, was insgesamt nachstehenden Aufbau ergibt.

Ein weiterer Zusatzbuchstabe definiert Sonderfälle, so bedeutet der Buchstabe S, dass die Prüfung auf Wasserschutz nur im Stillstand der Maschine erfolgt. Welchen Schutzumfang die jeweiligen Kennziffern definieren, ist aus der Zusammenstellung in Tabelle 8.3 ersichtlich. Danach gibt es für den Berührungs- und Fremdkörperschutz sechs, für den Wasserschutz sogar acht verschiedene Schutzgrade. Aus der Vielzahl der möglichen Kombinationen werden bevorzugt die fett gedruckten Schutzarten nach Tabelle 8.4 verwendet.

Tabelle 8.3 Schutzarten elektrischer Maschinen, Schutzgrad Erste Berührungs- und FremdkörperKennziffer schutz Schutzumfang 0 Kein Berührungsschutz hinsichtlich unter Spannung stehender oder sich bewegender- Teile.

Zweite Wasserschutz Schutzumfang Kennziffer 0 Kein Wasserschutz.

1

2

2

3

4

5

6

Schutz gegen zufällige großflächige Berührung mit der Hand; Schutz gegen feste große Fremdkörper (∅ > 50 mm). Schutz gegen Berührung mit den Fingern; Schutz gegen mittelgroße Fremdkörper (∅ > 12 mm). Schutz gegen Berührung mit Werkzeugen, Draht von einer Dicke- > 2,5 mm; Schutz gegen Fremdkörper (∅ > 2,5 mm). Schutz gegen Berührung mit Werkzeugen, Draht o. ä. von einer Dicke > 1 mm; Schutz gegen kornförmige Fremdkörper (∅ > 1 mm), ausgenommen Öffnungen für Kühlluft und Kondenswasserabfluss geschlossener Maschinen. Vollständiger Schutz gegen Berühren mit Hilfsmitteln jeglicher Art; Schutz gegen schädliche Staubablagerungen im Innern. Eindringen von Staub vollständig verhindert.

1

Schutz gegen senkrecht fallendes Tropfwasser. Schutz gegen Tropfwasser aus senkrechter oder schräger Richtung bis 15° zur Senkrechten.

3

Schutz gegen Sprühwasser aus beliebiger Richtung bis 60° zur Senkrechten Schutz gegen Spritzwasser aus allen Richtungen.

4

5

Schutz gegen Strahlwasser aus allen Richtungen.

6

Schutz bei Überflutung, z. B. durch schwere See, gegen das Eindringen schädlicher Mengen.

7

Schutz gegen das Eindringen schädlicher Mengen beim Eintauchen unter vereinbarten Druck- und Zeitbedingungen. Schutz gegen das Eindringen schädlicher Mengen beim Untertauchen unter vereinbarten Druck- und Zeitbedingungen.

8

Tabelle 8.4 Schutzarten elektrischer Maschinen (halbfett vorzugsweise) Berührungs- und Wasserschutz Zweite Kennziffer Fremdkörperschutz Kennbuchstaben 0 1 2 3 und erste Kennziffer IP 0

IP 00

4

5

6

IP 55

IP 56

IP 02

IP 1

IP 11

IP 12

IP13

IP 2

IP 21

IP 22

IP23

IP 4

IP 44

IP 5

IP 54

Explosionsgeschützte Ausführungen Gefährdungen. Werden elektrische Maschinen in Bereichen eingesetzt, in denen ein Funke infolge des Betriebs des Motors oder schon seine Oberflächentemperatur eine Ex- plosion hervorrufen kann, so sind hinsichtlich der Ausführung besondere Bestimmungen einzuhalten. Diese sind in einer Reihe von Normen für „Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche“ festgelegt. Gefährdet sind einmal Bereiche, in denen infolge des starken Staubanfalls durch die Verarbeitung von z. B. Getreide, Tabak, Zucker oder Kohle bei bestimmten Staubkonzentra tionen in der Luft Zündungen auftreten können. Explosionsgefahr besteht ferner häufig bei der Herstellung oder Verarbeitung petrochemischer Erzeugnisse, wenn Gase, Dämpfe oder Nebel dieser Stoffe mit der Luft explosive Gemische bilden. Schließlich gehören in diesen Bereich Bergwerke, in denen Grubengasexplosionen (Schlagwetter) auftreten kön- nen. Eine Auswahl der Gase und Dämpfe und ihre Klassifizierung nach VDE 0165 ist in Tabelle 8.5 aufgelistet. Tabelle 8.5 Kenndaten von Gasen und Dämpfen Stoffbezeichnung

Zündtemperatur (°)

Temperaturklasse

Explosionsgruppe

Aceton

540

T1

IIA

Acetylen

300 … 450

T2

IIC

Benzin

220 … 300

T3

IIA

Dieselkraftstoff

220 … 300

T3

IIA

Heizöl EL

220 … 300

T3

IIA

Kohlenoxid

605

T1

IIA

Methanol

455

T1

IIA

Schwefelwasserstoff

270

T3

IIB

Propan

470

T1

IIA

Stadtgas

560

T1

IIB

Wasserstoff

560

T1

IIC

Gasexplosionsschutz. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen werden die Betriebsmittel in Gerätegruppen eingeteilt. Gruppe I erfasst Maschinen zur Verwendung in schlagwettergefährdeten Bergwerken. Gruppe II gilt für den Einsatz in allen sonstigen durch Gase oder Stäube explosionsgefährdeten Zonen. Die baulichen Maßnahmen zur Vermeidung von Explosionen gliedern sich nach VDE 0170/0171 in Übereinstimmung mit den Europanormen ab EN 50014 in eine Reihe von Zündschutzarten. Für elektrische Maschinen sind daraus die drei folgenden Ausführun- gen besonders wichtig:  Erhöhte Sicherheit EEx e (EN 50019)  Druckfeste Kapselung EEx d  Überdruckkapselung EEx p

(EN 50018) (EN 50016)

Zündschutzart EEx e. Grundgedanke dieser Schutzart ist es, durch eine Reihe von Maßnahmen die Entstehung von Funken oder zu hohen Temperaturen an der Maschine zu verhindern, so dass von vornherein ein Anlass zur Zündung vermieden wird. Die explosi...