Ekbert Hering Alois Vogt Klaus Bressler

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1 Ekbert Hering Alois Vogt Klaus Bressler Mit 451 Abbildungen Unter Mitarbeit von: Dip1.-Ing. Horst-Herbert Austrnann, SEL Alcatel Stuttgart Dip1.-Ing. ]argen Gutekunst, Murrelektronik GmbH Prof. Dr. Rolf Martin, Fachhochschule Esslingen Prof. Dr. Manfred Reichert, Fachhochschule Aalen Dip1.-Ing. Michael Riedlinger, SEL Alcatel Stuttgart Prof. Dr. Dietrnar Schrnid, Fachhochschule Aalen Springer

2 Inhalt A Elektrische Maschinen und Antriebe... 1 A.1 A.l.l A.l.l.l A A A. 1.2 A. 1.3 A. 1.4 A.1.5 A.1.6 A.2 A.2.1 A A A A A.2.2 A A A.3 A.3.1 A.3.2 A.3.3 A.3.4 A A A Einführung in elektrische Maschinen und Antriebe... 1 Energieumwandlung und Antriebssysteme... 1 Einleitung... 1 Elektromechanische Energieumwandlung... 4 Elektrische Energieumformung... 5 Beschreibung eines Antriebssystems... 6 Bedeutung elektrischer Maschinen und Antriebe... 8 Projektierung eines Antriebsystems (Schnittstellen)... 9 Einsatzgebiete elektrischer Maschinen und Antriebe Innovationen in der Antriebstechnik Theoretische Grundlagen elektrischer Maschinen Elektrischer und magnetischer Kreis Elektrischer Kreis (Stromkreis) Magnetischer Kreis und Durchflutungsgesetz Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Kreis Berechnungsbeispiele eines magnetischen Kreises Wirkungen im Magnetfeld Spannungserzeugung nach dem Induktionsgesetz Erzeugung mechanischer Kräfte und Leistungen Elektrische Energieversorgung Erzeugung der elektrischen Energie (Drehstromsynchrongenerator im Kraftwerk) Drehstromsystem Verteilung (Transport) der elektrischen Energie Öffentliche Netze für Groß- und Einzelabnehmer Drehstromnetze Wechselstromnetze Gleichstromnetze A.4 Klassische Maschinentypen A.4.1 Gleichstrom-Maschine (GSM) A Allgemeine Übersicht A Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise A Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Generators A Prinzipieller Aufbau einer Gleichstrommaschine (GSM) A Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Motors A Grundgleichungen und zugeordnete Maschinenkonstanten A Ankerstrom-Rückwirkung und ihre Kompensation... 52

3 VIII A Aufbau einer sechspoligen GSM A Schaltungsmöglichkeiten und Klemmenbezeichnungen A Universelles Schaltbild mit genormten Anschlüssen A Gleichstrom-Nebenschluß-Maschine (GS-NSM) A Gleichstrom-Reihenschluß-Maschine (GS-RSM) A Betriebsarten (Vierquadranten-Betrieb), Arbeitspunkte, Nennbetrieb. 60 A Vierquadranten-Betrieb A Definition Arbeitspunkt AP durch eine Wirkungs-Kausalkette A Nennbetrieb, Leistungs- bzw. Typenschild A Betriebsverhalten und Kennlinien der GSM A Betriebsarten und Kennlinien der GS-NSM A GS-NSM als Generator A GS-NSM als Motor, Schaltung und Kennlinien A Geschwindigkeits-Steuerung und -Regelung A Berechnungsbeispiel einer GS-NSM A Permanentmagneterregte GS-NSM (PM-GSM) A Normierte Gleichungen und Kennlinien der GS-NSM A Gleichstrom-Reihenschluß-Maschine (GS-RSM) A Betriebsarten und Kennlinien der GS-RSM A Berechnungsbeispiel einer GS-RSM mit nichtlinearer Magnetisierungskurve A Berechnungsbeispiel einer GS-RSM mit linearer magnetischer Aussteuerung A Leistungsbilanz, Wirkungsgrad und Leistungsgrenzen der GSM A Anwendung von Gleichstrommaschinen A.4.2 Drehstrom-Asynchronmaschine (DS-ASM) A Allgemeine Übersicht und Einsatzgebiete von Asynchronmaschinen A Aufbau und Drehfeld der DS-ASM A Stator mit Drehstromwicklung A Schaltarten der Statorwicklungen A Erzeugung des Statordrehfeldes A Polpaarzahl und Synchrondrehzahl A Kurzschluß- oder Käfig-Läufer (DS-ASM-KL) A Schleifringläufer (DS-ASM-SRL) A Wirkungsweise der DS-ASM (Schlupf- oder Induktionsmaschine) A Wirkungskausalkette der DS-ASM A Schlupf, Drehzahl, Drehmoment und Betriebsbereiche A DS-ASM als Frequenzwandler und Transformator A Ersatzschaltbilder der DS-ASM (analog zum Trafo) A Ableitung der Kloß schen Formel, Kippmoment und Kippschlupf A Drehmoment-Schlupf (bzw. -Drehzahl) -Kennlinien, Arbeitspunkte und Nennbetrieb A Ortskurven und verschiedene Kennlinien A Ortskurven für vereinfachtes Ersatzschaltbild A Leistungskomponenten in der Ortskurve A Meßtechnisch-grafische Ermittlung der Stromortskurve A Grafische Ermittlung der Schlupfbezifferung (s-skala) A Schlupfbezifferung mit Vorwiderständen beim Schleifringläufer A Ermittlung verschiedener Kennlinien aus der Stromortskurve A Betrieb der DS-ASM

4 Inhalt IX A Klemmenbrett und verschiedene Anschlußmöglichkeiten A Einschalten und Hochlauf (Stern-Dreieck-Anlauf) A Kennlinien für verschiedene Vorwiderstände beim Schleifringläufer A Leistungen und Wirkungsgrad A Typen- oder Leistungsschild und Datenblatt A Drehzahlsteuerung A Varianten von Drehstrom-Asynchronmotoren A Stromverdrängungsläufer: Keilstab-, Tropfenstab-, Hochstabund Doppelstabläufer A Polumschaltbare Kurzschlußläufer A Schleifringläufer mit Vorwiderständen A Berechnungsbeispiele für Drehstrom-Asynchronmaschinen A Berechnungsbeispiel eines DS-ASM-SRL (Schleifringläufers) A Berechnungsbeispiel eines DS-ASM-KL (Käfigläufers) mit Stern-Dreieck-Anlauf A.4.3 Einphasen-Asynchronmaschine (EP-ASM) A Der reine Einphasenmotor (ohne Hilfswicklung) A Einphasenasynchronmotor mit Hilfswicklung (Kondensatormotor) A Einphasen-ASM mit Widerstandshilfsphase A Der Spaltpolmotor A.4.4 Drehstrom-Synchronmaschine (DS-SM) A Allgemeine Übersicht und Einsatzgebiete A Aufbau und Wirkungsweise der Drehstrom-Synchronmaschine (DS-SM) 166 A Stator und Drehfeld A Vollpol- und Schenkelpol-Rotor, Synchronbetrieb A Drehstrom-Synchronmaschine als Generator im Kraftwerk A Leerlauf und Belastungsbetrieb, Dauer- und Stoß-Kurzschlußbetrieb. 168 A Synchronisation im Netzbetrieb A Drehstrom-Synchronmaschine als Motor (Leerlauf und Belastungsbetrieb) A Vierquadrantenbetriebe, Über- und Untererregung, Zeigerdiagramm A und Ortskurve Mechanischer und elektrischer Vierquadrantenbetrieb, Zeigerdiagramme A Ortskurve in der komplexen Darstellung (komplexe Zahlenebene) A Drehmoment-Lastwinkel-Kennlinie A Anlaufverfahren bei Synchronmaschinen A Synchronisierung von Synchrongeneratoren A Anlauf von Synchronmotoren A Sonderbauarten von Synchronmotoren A Reluktanzmotor A Einphasensynchronmotor, Hysteresemotoren (EP-SM) A Synchron-Kleinstmotoren A.4.5 Universalmotorenfür Gleich-undWechselstrombetrieb A Aufbau und Einsatzgebiete A Funktionsweise als Wechselstrommotor und Betriebskennlinien A Variation und Steuerung/Regelung der Drehzahl A.5 Sonderausführungen für steuerkegelbare Antriebe (Servoantriebe) A.5.1 Gleichstromgesteuerte Servoantriebe

5 X Inhalt A Permanenterregte. bürstenkommutierte Scheibenläufermaschinen A Funktionsprinzip und Aufbau A Formeln und Kennlinien A Besondere Eigenschaften und Vorteile... A Scheibenläufer-Antriebspakete A Anwendungsbereiche A Datenblätter und Auswahl von Scheibenläufertypen A Bürstenkommutierte Drehmoment-(Torque-)Motoren für Direktantriebe A Aufbau und Wirkungsweise... A Eigenschaftendes bürstenkommutiertentorquemotors A Anwendungen (in gesteuerten oder geregelten Antrieben bzw. Servosystemen) A Bürstenloser (brushles) Torquemotor A Elektronikmotorenmitelektronischer Kommutierung A Elektronisch kommutierter (EC-) Motor (Elektronikmotor) A Elektronische Block- oder Sinus-Kommutierung A Systembeschreibung (EC.Motor, Winkelgeber und Sinusverstärker) A Vorteile und Anwendungsgebiete A DC-Motoren mit eisenlosem Rotor (Glockenankermotor) A Bürstenbehaftete, mechanische kommutierte DC-Motoren (Ausführung Glockenanker) A Bürstenlose, elektronisch kommutierte DC-Glockenankermotoren A Einsatzgebiete A.5.2 Linearantriebe A Vergleich linearer Direktantrieb gegen Zahnstangen, Spindeln und Exzenter A Lineare Piezoantriebe A Magnetostriktionsantriebe A Proportionalmagnete, Magnetmotor A Gleichstrom-Linearmotoren A Reluktanz-Linearantrieb A Magnetlager A.5.3 Piezostelltechnik (Piezotranslator PZT, Piezo Walk Drive, Inchworm Drive) A Einleitung und Anwendungsgebiete A Grundlagen der peizoelektrischen Stelltechnik A Erreichbare Ausdehnung eines PZT-Translators A Dynamischer Betrieb A Ansteuerung von Piezotranslatoren A Positionsgeregelter Betrieb A Erwärmung des Piezotranslators A Bauformen piezoelektrischer Stellelemente A Piezo-Wanderantrieb (Piezo Walk Drive) A.5.4 Schrittmotoren (Stepper Motor) A Einleitung und Einsatzgebiete A Verschiedene Bauformen, Aufbau, Wirkungsweise A Reluktanz-Schrittmotor A Schrittmotor mit Permanentmagnet (PM-Schrittmotor) A Hybrid-Schrittmotor

6 Inhalt XI A A A A A A A A i A A A A.5.5 A.6 A.6.1 A.6.2 A A A.6.3 A A A A A A Scheibenmagnet-Schrittmotor (SM-SM) Betriebsverhalten des Schrittmotors Lastwinkel und Haltemoment Bewegungsvorgang bei Einzelschritten Drehmoment-Schrittfrequenz-Kennlinie Leistung und Wirkungsgrad Ansteuerschaltungen von Schrittmotoren (Steuerelektronik) Schrittmotor-Steuerungen und -Steuersysteme Verschiedene Varianten von Schrittmotor-Treibern Mikroschrittbetrieb Schrittmotor als Linearantrieb Asynchron- oder Synchron-Servomotoren mit Umrichtertechnik Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe Vergleich statischer und dynamischer Betrieb Statischer Betrieb Statische Motor- und Last-Kennlinien Statischer Arbeitspunkt und dessen Stabilität (Stabilitätskriterium) Dynamischer Betrieb Massenträgheits- und Beschleunigungsmoment Transformation durch Zwischengetriebe Zustandsgleichung nach NEWTON (Newtonsches Aktionsprinzip) Verschiedene Hochlauffunktionen Linearer Hochlauf (Standard Geschwindigkeits-Zeit-Rampe) Exponentieller Hochlauf (Zeitkonstanten) A Graphisch-rechnerische Ermittlung des Hochlaufs (allgemeiner Fall). 268 A.6.4 Berechnungsbeispiele A Linearer Hochlauf mit Gleichstrom-Permanentmagnetomotor A Exponentieller Hochlauf mit Gleichstrom-Permanentmagnetmotor A Hochlaufnachgrafisch-rechnerischer Lösungsmethode A.7 Thermodynamisches Verhalten A.7.1 Allgemeines A.7.2 Betriebsarten und thermisches Verhalten (Erwärmungskurven) A Dauerbetrieb A Berechnungsbeispiel thermischer Dauerbetrieb A Kurzzeitbetrieb A Berechnung der Beharrungstemperatur bei vorgegebener Einschaltoder Betriebsdauer A Ermittlung der erforderlichen Stillstands- oder Abkühlungsdauer A Berechnungsbeispiel thermischer Kurzzeitbetrieb A Aussetzbetrieb, periodischer Ein/Ausschaltbetrieb (intermittierender Betrieb) A.7.3 Bestimmung der Motorleistung vom Aspekt der Erwärmung A Motorleistung bei Dauerbetrieb A Motorleistung bei Kurzzeitbetrieb A Motorleistung bei Aussetzbetrieb A Motorleistung bei stark wechselnder Belastung A Berechnungsbeispiel für intermittierenden Betrieb A.8 Normrichtlinien: Bauformen, Schutzarten, Kühlung und Isolation A.8.1 Bauformen

7 . XI1 A.8.2 A.8.3 A.8.4 Inhalt Schutzarten Kühlung Isolation I B B. 1 B.2 B.2.1 B.2.2 B.3 B.3.1 B.3.2 B B B B B B B B B.3.3 B.3.4 B B B B B.4 B.4.1 B.4.2 B.4.3 B.5 B.6 C c. 1 c.1.1 c c c.1.2 C.1.3 C.1.4 c.2 c.2.1 d Elektromechanik I Begriffe. Normung und Darstellung Mechanische Bauelemente Schalter I Leuchtmelder Elektromechanische Bauteile Relais Halbleiterrelais Halbleiterrelais für Gleichstrom mit einem bipolaren Leistungstransistor Halbleiterrelais für Gleichstrom mit MOSFET Halbleiterrelais für Wechselstrom Realisierung eines Wechselspannungsrelais mit Thyristoren Eingangsschaltung mit Potentialtrennung Steuerschaltung mit Thyristoren Halbleitersch lalter ~ für dreiphasigen. ~ Wechselstrom Schutzbeschaltung für Halbleiterrelais Zeitrelais Schütze ^^^ Schützt ecnnik '~*'... JJU Stern-1 heieck-schütz Wendeschütz.Schaltung Zusatzbeschaltung von Schützen Sicherb..L.L..... eilbuaugr. uyf>e11 ~ u Sicherheitsschalter xcnerneirsverriegeiungen Überwachungsbausteine Klemmen mnerungen Steuerungen und Regelungen Digitale Schaltung(?n Grund1 agen der Zgitalen Schaltungstechnik Binäres Zahlensystem Verknüpfungen nach Boole und De Morgan " F"... 1 iipnop n- una Lanier... mu... D iigitale Speicher Rechnertechnik Digital-Analog- (DA) und Analog-Digital-Wandler (AD) Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler) n

8 Inhalt XI11 c c C C C C c.2.2 c c C C Das R-2R-Leiternetzwerk Multiplizierender DA-Wandler Vierquadrantenmultiplizierer DA-Wandler mit fester Referenzspannung Datenwandler mit Mikroprozessor-kompatibler Schnittstelle Fehler bei der Datenumsetzung Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) Integrierende Analog-Digital-Wandler Analog-Digital-Wandler nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation Die Abtast- und Halteschaltung (Sample and Hold) Parallel Analog-Digital- Wandler c.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) C.3.1 Einführung C.3.2 Aufbau und Wirkungsweise C.3.3 Programmierung speicherprogrammierbarer Steuerungen C Befehlsvorrat einer SPS C Arten der Programmdarstellung C.3.4 Programmierung einfacher Steuerungsfunktionen C Steuerungen mit Verknüpfungsfunktionen C ODER-Funktion, UND-Funktion und Negation C Disjunktive und konjunktive Schaltfunktioneii C Speicherfunktion C Auswertung von Signalflanken C Zeitgeberfunktion (Timer) C Zeitgeber mit verlängertem Impuls (Monoflop) C Übersicht über verschiedene Zeitgeberfunktionen C Zählfunktionen C Realisierung von Ablaufsteuerungen C Diagnose und Überwachungsfunktionen C.3.5 Wortverarbeitung und höhere Funktionen C Wortbildung und Befehlsliste C Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen C Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen mit Zählern C Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen mit Zeitgebern C Analgowertverarbeitung in speicherprogrammierbaren Steuerungen. 427 C Regelung in speicherprogrammierbaren Steuerungen C.3.6 Programmierung mit symbolischen Parametern und Software-Bausteinen C Programmierung mit symbolischen Parametern C Programmierung mit Software-Bausteinen C.3.7 Programmiereinrichtungen C.3.8 Gerätefür Prozeßbedienungund Prozeßvisualisierung C.3.9 Vernetzung von SPS-Systemen Übungsaufgaben Weiterführende Literatur Normen und Richtlinien

9 XIV Inhalt C.4.2 Positioniersteuerungen C.4.3 NC-Antriebe C.4.4 Bahnsteuerungen C Zahl und Anordnung der NC-Achsen C Interpolation C Bahnfehlerkompensation C Bewegungsführung und Bahnplanung C Framekonzept C Koordinatentransformation C.4.5 Kommunikation C.4.6 Programmierung C Programmierung nach DIN C Grafisch-Interaktive-Programmierung C.4.7 Indikatoren der Leistungsfähigkeit c.5 Feldbusse C.5.1 Topologie von Feldbussen C.5.2 Bitbus C.5.3 Profibus C.5.4 Interbus-S C.5.5 CAN-BUS C.5.6 AS-Interface C.5.7 LON C.5.8 SERCOS C.6 Regelungstechnik C.6.1 Einleitung C Unterschied zwischen Steuern und Regeln i I... C Analoge und digitale Regler 479 I C Grundstruktur einer Regelung und Anforderungen C Beispiele aus der Praxis C.6.2 Berechnungvon Regelkreis- oder Übertragungsgliedern C Zeitverhalten von Übertragungsgliedern, Zeitdiagramme C Frequenzverhalten von Übertragungsgliedern, Frequenzgang, Bode-Diagramm C.6.3 Auslegung von Regelkreisen und Untersuchung der Stabilität C Grundgleichung des Regelkreises C Stabilität eines Regelkreises C.6.4 Vorgehen beim Entwurf einer stabilen Regelung (Beispiel Spannungsregler) C Aufbau des Spannungsreglers C Stabilitätsbedingung (Stabilitätskriterium) C Beurteilung des Regelkreises mit dem Bode-Diagramm C Einschwingverhalten C Verbleibende Regelabweichung I D Einführung in die Elektromagnetische D. 1 Definition und Begriffe Dg Physikalische Größen und Einheiten...

10 Inhalt D.3 D.3.1 D.3.2 D.3.3 D D.4 D.4.1 D.4.2 D.4.3 D.4.4 D.4.5 D.5 D.5.1 D.5.2 D.5.3 D D D D.6 D.7 D.7.1 D.7.2 Elektromagnetische Kopplung Leitungsgebundene Kopplungen Die Wellenlänge Lamda (A) als Maßstab Gestrahlte Kopplungen Verringerung von Kopplungen durch Schirmung Funkentstör-Bauelemente Kondensatoren Induktivitäten Filter Spezielle Entstörbauelemente Schirmgehäuse und Schirmmaterialien Forderungen und Maßnahmen zur Realisierung der EMV Eigenschaften von Signalen. Störabstand und parasitäre Effekte Gesetzliche Vorgaben Normen Fachgrundnormen und Grundnormen Produktfamilien-Normen und Produktnormen Sonstige Normen EG-Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung Meßtechnik Meßgeräte Dokumentation und Prüfbericht Zitierte Normen Weiterführende Literatur Anschriften xv E E. 1 E.l.l E.1.2 E.1.3 E.2 E.2.1 E.2.2 E.2.3 E.3 E.3.1 E.3.2 E.3.3 E.3.4 E.3.5 E.3.6 E.3.7 E.3.8 E.3.9 Produktsicherheit Einführung Erwartungen der Benutzer Gesetzliche Anforderungen Elektrische Ausrüstung Sicherheit und Gefahr Risiko Risikobewertung Anwendbare Normen Betriebsbedingungen Umgebungstemperatur der Luft Luftfeuchte Höhenlage Verschmutzung Ionisierende und nichtionisierende Strahlung Vibration und Schock Transport und Lagerung Checkliste der Betriebsbedingungen Anwendbare Normen

11 XVI E.4 E.4.1 E.4.2 E.4.3 E E E.4.4 E.5 E.5.1 E.5.2 E.5.3 E.5.4 E.5.5 E.5.6 E.6 E.6.1 E.6.2 E.6.3 E E E E E E.6.4 E.7 E.7.1 E.7.2 E.7.3 E.7.4 E.7.5 E.8 E.8.1 E E E E.8.2 E E E E.8.3 E E.8.4 E E E.8.4.J # Mechanische Gefahren und Schutzmaßnahmen Gefahrenquellen Konstruktive Schutzmaßnahmen Elektrische Schutzmaßnahmen STOP NOT-AUS Anwendbare Normen Elektrische Gefahren Gefährlicher Körperstrom Lebensgefährliche Auswirkungen Gefährliche Auswirkungen Gefährdungsbereiche Stromimpulse Energiegefahr Schutzmaßnahmen gegen elektrische Gefahren Prinzipielle Anforderungen Komponenten der Isolationskoordination Beispiel zur Koordinierung der Schutzmaßnahmen Schritt 1: Identifizierung der externen Schnittstellen und der internen Stromkreise Schritt 2: Bestimmung der Trennstellen Schritt 3: Bestimmen der Parameter für die elektrische Dimensionierung der Isolationen Schritt 4: Auswahl der Abstände Schritt 5: Auswahl des Schutzleiterquerschnitts Anwendbare Normen Thermische Gefahren und Schutzmaßnahmen Verbrennungen oder Verbrühungen Arbeitsumgebung mit extremen Temperaturen Warmeerzeugende Komponenten Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen Strahlende Gefahren Laser Gefährdung durch Laser Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen Ionisierende Strahlung Gefährdungen Schutzmaßnahmen Anwendbare Verordnungen Elektromagnetische Strahlung Gefährdungen Akustische Gefahren Gefährdung durch Lärm Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen

12 Inhalt XVII E.9 Chemische Gefahren E.9.1 Gefährdungen E.9.2 Schutzmaßnahmen E.9.3 Anwendbare Normen E.10 Biologische Gefahren E.10.1 Gefährdungen E.10.2 Schutzmaßnahmen E.10.3 Anwendbare Normen Lösungen der Übungsaufgaben Sachverzeichnis