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8. Betriebsbedingungen elektrischer Maschinen
Neben den Forderungen, die die Wirkungsweise an den Aufbau der elektrischen Maschinen stellt,
müssen bei der Konstruktion noch die Bedingungen des Aufstellungsortes und der Schutz des
Menschen gegen Berührung spannungsführender oder umlaufender Teile und der Schutz gegen
eine Beschädigung der Maschine selbst berücksichtigt werden. Dies wird durch genormte Bauformen
und Schutzarten gewährleistet.
Bauformen und Schutzarten
Bei den Transformatoren unterscheidet man Trockentransformatoren (bis 1000 kVA), Gießharztransformatoren
(100 kVA bis 15 MVA) und Öltransformatoren (50 kVA bis 1500 MVA).
Die Bauformen der drehenden Maschinen sind nach VDE 0530 Teil 7 (früher DIN 42 950)
genormt. Es bedeuten die Kennbuchstaben
A Maschinen ohne Lager, waagerechte Anordnung;
B Maschine mit Schildlagern, waagerechte Anordnung;
C Maschine mit Schild- und Stehlagern, waagerechte Anordnung;
D Maschine mit Stehlagern, waagerechte Anordnung;
V Maschine mit Führungslagern, Traglagern oder Schildlagern, senkrechte Anordnung.
In Nachfolge von DIN 42950 findet heute die internationale Norm DIN IEC 34 Teil 7 mit den
IEC-Codes I und II (IM = International Mounting) Anwendung. Die wichtigsten Bauformen sind
B3 (Fußmotor) und B5 (Flanschmotor). Die Baugrößen dieser Maschinen sind in DIN 747 festgelegt.
IM B3 IM B5 IM V1
Bauformen elektrischer Maschinen (Auswahl DIN 42950)
Zur Kennzeichnung des Schutzgrades werden nach DIN 40050 bzw. VDE 0530 Teil 5 je eine
Ziffer verwendet, der die Buchstaben IP (International Protection) vorangestellt sind. Für den
Berührungs- und Fremdkörperschutz gibt es fünf, für den Wasserschutz sogar acht verschiedene
Schutzgrade.
allgemeine Kennbuchstaben für Schutzart IP 2 3
1. Kennziffer, Grad des Berührungs- und Fremdkörperschutzes
2. Kennziffer, Grad des Wasserschutzes
Die wichtigsten Schutzarten für elektrische Maschinen sind IP12, IP21, IP22, IP23, IP44, IP54,
IP55.
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 86

Schutzarten elektrischer Maschinen, Schutzgrad
1.
Kennziffer
Berührungs- und
Fremdkörperschutz
Schutzumfang
2.
Kennziffer
Wasserschutz
Schutzumfang
0 Kein Berührungsschutz hinsichtlich 0 Kein Wasserschutz
unter Spannung stehender oder sich
bewegender Teile
1 Schutz gegen zufällige großflächige
Berührung mit der Hand, Fremdkörper
ø > 50 mm
2 Schutz gegen Berührung mit den
Fingern, Fremdkörper ø > 12 mm
3 Schutz gegen Berührung mit Werkzeugen,
Fremdkörper ø > 2,5 mm
4 Schutz gegen Berührung mit Werkzeugen,
Fremdkörper ø > 1 mm
1 Schutz gegen senkrecht fallendes
Tropfwasser
2 Schutz gegen Tropfwasser aus
senkrechter oder schräger Richtung bis
15° zur Senkrechten
3 Schutz gegen Sprühwasser aus beliebiger
Richtung bis 60° zur Senkrechten
4 Schutz gegen Spritzwasser aus allen
Richtungen
5 Schutz gegen Strahlwasser aus allen
Richtungen
5 Vollständiger Schutz gegen 6 Schutz bei Überflutung
Berühren mit Hilfsmitteln jeglicher
Art, Staubschutz im Inneren
7 Schutz beim Eintauchen, festgelegte
Druck und Zeitbedingungen
6 Staubdichte Maschine 8 Schutz beim Untertauchen (dauernd)
Werden elektrische Maschinen in Bereichen eingesetzt, in denen ein Funke infolge des Betriebs
des Motors oder schon seine Oberflächentemperatur eine Explosion hervorrufen kann, so sind
hinsichtlich der Motorausführung besondere Bestimmungen einzuhalten. Diese sind in einer
Reihe von Normen für "Elektrische Betriebsmittel für schlagwetter- und explosionsgefährdete
Bereiche" festgelegt und eine gesetzlich bindende Vorschrift für Hersteller und Betreiber.
Je nach den Eigenschaften des explosionsgefährdeten Bereichs werden die Betriebsmittel in zwei
Gruppen eingeteilt. Gruppe I erfasst Maschinen für schlagwettergefährdete Grubenbaue,
Gruppe II alle anderen Bereiche, wobei hier entsprechend den Gaseigenschaften die weitere
Unterteilung in IIA, IIB, IIC vorgenommen wird.
Zur Klassifizierung der Maßnahmen gegen Explosionsgefahr sind eine Reihe von Zündschutzarten
in den VDE-Bestimmungen 0170/0171 definiert, sie stimmen mit den Europanormen
EN 50014-50020 überein. Für elektrische Maschinen kommen zur Anwendung:
- Erhöhte Sicherheit EEx e;
- Druckfeste Kapselung EEx d;
- Überdruckkapselung EEx p.
Die Ausführung einer elektrischen Maschine in Schlagwetter- bzw. Explosionsschutz muss auf
dem Leistungsschild eindeutig vermerkt sein.
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 87

Erwärmung und Kühlung
In elektrischen Maschinen treten stromunabhängige Verluste (Eisenverluste, mechanische Lagerund
Bürstenreibungsverluste, Lüftungsverluste), stromabhängige Verluste (Stromwärmeverluste
in Wicklungen, Übergangsverluste in Kohlebürsten), lastabhängige Zusatzverluste und Erregerverluste
auf.
Der Wirkungsgrad wird bei größeren Maschinenleistung meistens indirekt über die aufsummierten
Teilverluste P V angegeben.
P2
PV
η = = 1−
(8.1)
P P + P
1
2
V
Die in einem Maschinenteil entstehende Verlustwärme erhöht dessen Temperatur gegenüber der
Umgebung. Für die Zeitspanne dt gilt folgende Energiebilanz.
Erzeugte Wärme = abgegebene Wärme + gespeicherte Wärme
P V ⋅ dt = α ⋅ O ⋅ Θ ⋅ dt + c ⋅ m ⋅ dΘ
(8.2)
P V = Verlustleistung
α = Wärmeübergangszahl
O = Oberfläche
Θ = Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und dem Kühlmittel
c = spezifische Wärmekapazität
m = Masse des Körpers
dΘ = Änderung der Temperaturdifferenz
Die Erwärmung erfolgt prinzipiell nach einer Exponentialfunktion. Mit konstanter Kühlmitteltemperatur
gilt:
−t
T
( 1−
E
)
Θ = ∆ϑ = ∆ϑ
(8.3)
1 ⋅ e
mit der Endübertemperatur des Körpers gegenüber dem Kühlmittel (Umgebung)
PV
∆ ϑ1
= (8.4)
α ⋅ O
und der Zeitkonstanten
c ⋅ m
T E =
(8.5)
α ⋅ O
Die zulässige Erwärmung elektrischer Maschinen ist mit Rücksicht auf die Wärmebeständigkeit
der Isolierstoffe begrenzt. Je nach eingesetztem Material sind unterschiedliche Höchstwerte
zulässig.
In VDE 0530, Teil 1 werden mehrere Isolierstoffklassen unterschieden und diesen jeweils höchstzulässige
Dauertemperaturen zugeordnet.
Die Einhaltung der zulässigen Temperaturwerte ist mit Rücksicht auf die Lebensdauer der
Maschinen von großer Bedeutung.
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 88

Isolierstoffklassen und höchstzulässige Dauertemperatur
(Umgebungstemperatur 40°C, Aufstellungshöhe bis 1000 m, Auswahl aus VDE 0530, Teil 1)
Klasse
Höchstzulässige
Dauertemperatur
Isolierstoffe
A 105°C
E 120°C
B 130°C
F 155°C
H 180°C
Baumwolle, Naturseide, Kunstseide, Papier, Holz,
Pressspan mit Lacken getränkt
Drahtlacke verschiedener Art, Pressteile mit
mineralischen Füllstoffen
Glasfaser, Glimmerprodukte, Pressteile mit
Zellulosefüllstoff Drahtlacke auf Imid-Polyesterbasis
Glasfaser, Glimmerprodukte, Drahtlacke auf Imid-
Polyesterbasis
Glasfaser, Glasfaser mit Silikon-Harzen behandelt,
Silikon-Kautschuk
Bei gegebenen Verlusten einer Maschine lässt sich die Endtemperatur im wesentlichen nur durch
eine intensivere Kühlung senken. Man unterscheidet zwischen den Kühlarten:
Selbstkühlung; die Maschine wird ohne Verwendung eines Lüfters durch Luftbewegung und
Strahlung gekühlt.
Eigenkühlung; die Kühlluft wird durch einen am Läufer angebrachten oder von ihm
angetriebenen Lüfter bewegt.
Fremdkühlung; die Maschine wird durch einen Lüfter gekühlt, der nicht von der Welle der
Maschine angetrieben wird, oder statt der Luft durch ein anderes fremdbewegtes Kühlmittel
gekühlt.
Mit Rücksicht auf eine gute Materialausnutzung ist man bestrebt die zulässige Grenzübertemperatur
im Nennbetrieb annähernd zu erreichen. Um diese Aufgabe zu erleichtern, legen die
Bestimmungen in VDE 0530, Teil 1 unterschiedliche Nennbetriebsarten fest, denen jeweils ein
charakteristisches Belastungsprogramm zugrunde liegt.
Dauerbetrieb - Betriebsart S1: Die Nennbelastung dauert so lange an, dass der thermische
Beharrungszustand, d.h. die Endtemperatur erreicht wird. Im Dauerbetrieb ist P N die mögliche
Belastung.
Kurzzeitbetrieb - Betriebsart S2: Die Nennbelastung ist von so kurzer Dauer, dass der
thermische Endzustand nicht erreicht wird. In der spannungslosen Pause kann die Maschine
praktisch wieder voll abkühlen. Am Ende der Belastungszeit t B darf wie bei Dauerbetrieb die
zulässige Grenzübertemperatur der betreffenden Isolierstoffklasse auftreten.
1 = ∆ϑ2
⋅ e
−t ( B T
1- E
)
∆ ϑ
(8.6)
Nimmt man vereinfacht an, dass die Wicklungstemperatur nur von den Stromwärmeverlusten
abhängig ist, so erhält man aus der Dauerleistung P N die Kurzzeitleistung (P N ) S2 .
1
(PN
) S2 = PN
⋅ (8.7)
−t B T
1- e E
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 89

(P N ) S2
t
t B
∆ϑ
∆ϑ 2
∆ϑ 1
T E
Verlauf von Abgabeleistung und
Wicklungsübertemperatur bei
Kurzzeitbetrieb S2
t B
T A
t
Periodischer Aussetzbetrieb - Betriebsart S3: Belastungen in der Zeit t B mit der Leistung (P N ) S3
wechseln sich in periodischer Folge mit Stillstandszeiten t St ab. Die VDE-Bestimmungen
definieren die Spieldauer t S und die relative Einschaltdauer t r .
tB
t S = tB
+ tSt
tr
=
(8.8)
t
Für die zulässige Belastung gilt:
(P
N
)
S3
=
P
N
S
TE
1−
tr
⎛ tB
1+
1
TA
tr
T ⎟ ⎞
⋅ ⋅ ⋅ ⎜ −
(8.9)
⎝ E ⎠
t B
t St
Für die Abkühlzeitkonstante T A gilt bei oberflächengekühlten
Motoren T A /T E = 4 bis 6.
(P N ) S3
t
t S
∆ϑ 1
∆ϑ
Verlauf von Abgabeleistung und
Wicklungsübertemperatur bei
Aussetzbetrieb S3
t
Periodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges - Betriebsart S4: Das
Lastspiel entspricht dem Betrieb S3, nur wird die zusätzliche Erwärmung während der Anlaufzeit
t A berücksichtigt.
t S
t A
P
t B
t St
Einfluss des Anlaufvorganges
beim Aussetzbetrieb S4
t
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 90

Periodischer Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung - Betriebsart S5: Das Lastspiel
entspricht dem Betrieb S3, nur wird die zusätzliche Erwärmung durch Anlauf und elektrische
Bremsung berücksichtigt.
t S
t A
P
t B
t Br
Aussetzbetrieb S5 mit Einfluss von Anlauf
und elektrischer Bremsung
t St
t
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung - Betriebsart S6: Die
Maschine wird in den Lastpausen nicht abgeschaltet. Für die zulässige Leistung gilt:
1 tS
( PN
) S6 = PN
⋅ − (1 − tr
) ⋅
(8.10)
t T
r
E
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung - Betriebsart S7: Das
Lastspiel entspricht dem Betrieb S5 mit t St = 0, d.h. nach der elektrischen Bremsung erfolgt sofortiger
Wiederanlauf.
Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last-/Drehzahländerungen - Betriebsart S8:
Lastspiel mit wechselnden Drehzahlen und Belastungen (z.B. polumschaltbare Asynchronmaschinen).
Betrieb mit nicht periodischen Last- und Drehzahländerungen - Betriebsart S9: Die
Belastung und die Drehzahl können sich im zulässigen Bereich nichtperiodisch ändern.
Betrieb mit einzelnen konstanten Belastungen - Betriebsart S10: Ein Betrieb mit nicht mehr
als vier einzelne Belastungswerte.
Toleranzen von Betriebswerten elektrischer Maschinen sind in VDE 0530 Teil 1, Tafel 8.8
zusammengestellt. Die zulässigen Toleranzen weisen teilweise erhebliche Werte auf.
Die Toleranzen für die Gesamtverluste von Maschinen P > 50 kW betragen ±10%. Die Toleranzen
für den Nennschlupf von Asynchronmaschinen P ≥ 1 kW betragen ±20% und bei Asynchronmaschinen
P < 1 kW betragen sie sogar ±30%.
Auf dem Leistungsschild einer elektrischen Maschine sind alle für den Einsatz der Maschine
wichtigen Daten, insbesondere die bei Nennbetrieb auftretenden Werte für Leistung, Spannung,
Strom und Drehzahl aufgeführt. Der Umfang der erforderlichen Angaben ist in VDE 0530 Teil 1
festgelegt.
G. Schenke, 9.2006 Elektrische Netze und Maschinen FB Technik, Abt. E+I 91