Elektrische Antriebstechnik
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- Hannah Braun
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Transkript
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2 Wedauer Elektrsche Antrebstechnk
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4 Elektrsche Antrebstechnk Grundlagen Auslegung Anwendungen Lösungen von Jens Wedauer 3., überarbetete Auflage, 2013 Publcs Publshng
5 Bblografsche Informaton Der Deutschen Natonalbblothek De Deutsche Natonalbblothek verzechnet dese Publkaton n der Deutschen Natonalbblografe; detallerte bblografsche Daten snd m Internet über abrufbar. Deses Fachbuch entstand unter Mtwrkung von sfb Bldungszentrum. Autor und Verlag haben alle Texte n desem Buch mt großer Sorgfalt erarbetet. Dennoch können Fehler ncht ausgeschlossen werden. Ene Haftung des Verlags oder des Autors, glech aus welchem Rechtsgrund, st ausgeschlossen. De n desem Buch wedergegebenen Bezechnungen können Warenzechen sen, deren Benutzung durch Drtte für deren Zwecke de Rechte der Inhaber verletzen kann. Prnt ISBN: epdf ISBN: Auflage, 2013 Herausgeber: Semens Aktengesellschaft, Berln und München Verlag: Publcs Publshng, Erlangen 2013 by Publcs Erlangen, Zwegnederlassung der PWW GmbH Das Werk enschleßlch aller sener Tele st urheberrechtlch geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes st ohne Zustmmung des Verlags unzulässg und strafbar. Das glt nsbesondere für Vervelfältgungen, Übersetzungen, Mkroverflmungen, Bearbetungen sonstger Art sowe für de Enspecherung und Verarbetung n elektronschen Systemen. Des glt auch für de Entnahme von enzelnen Abbldungen und be auszugsweser Verwendung von Texten. Prnted n Germany
6 Geletwort Elektrsche Antrebe snd de wchtgste Quelle mechanscher Energe n Maschnen und Anlagen. Se sorgen dafür, dass Bewegungen stattfnden und Transport- und Produktonsprozesse n unserer modernen Welt überhaupt möglch snd. Obwohl das Fachgebet der elektrschen Antrebstechnk schon über 100 Jahre alt st, präsentert es sch heute dynamscher und facettenrecher als je zuvor. Das fängt berets be den Elektromotoren an, den Herzstücken aller elektrschen Antrebe. Se snd heute ncht nur n den velfältgsten Varanten und Lestungsklassen vom Standardmotor für den drekten Netzanschluss bs zum hocheffzenten Servomotor verfügbar, sondern se zechnen sch auch durch mmer raffnertere Konstruktonsprnzpen und de Verwendung neuer Werkstoffe aus. Klenere, lechtere und effzentere Elektromotoren ermöglchen den Konstrukteuren neue Frehetsgrade und treben de Entwcklung von Maschnen, Anlagen und Elektrofahrzeugen voran. Auch Stellgeräte werden dank rasch und verlustarm schaltender Lestungshalbleter, schneller Mkroprozessoren sowe moderner Fertgungstechnologen mmer lestungsfähger und klener. In Kombnaton mt nnovatven Elektromotoren können Drehmoment, Drehzahl und Poston elektrscher Antrebe heutzutage zu jedem Zetpunkt genau so engestellt werden, we es Produktons- oder Transportprozesse erfordern. Velerorts werden Stellgeräte und Elektromotoren berets n ener konstruktven Enhet zusammengefasst. Besonders de Elektromobltät fördert dabe de Entwcklung echter mechatronscher Systeme, n denen Getrebe, Elektromotor und Stellgerät zu ener passgenauen Antrebslösung verschmelzen. Als Tel ener Automatserungslösung müssen elektrsche Antrebe von heute übergrefend koordnert werden. Dazu verfügen se über Kommunkatonsschnttstellen sowe ntegrerte Steuer-, Scherhets- und Dagnosefunktonen, de wet über de klassschen Antrebsregelkrese hnausgehen und es dem Konstrukteur frestellen, ob er übergrefende Koordnatonsfunktonen zentral, vertelt oder n den Antreben selbst realsert. Der Varantenrechtum elektrscher Antrebe wrd durch technsche Verbesserungen und mmer fenere Anpassung an spezelle Anforderungen weter zunehmen. Für Entscheder und Konstrukteure st deshalb ene gute Orenterung n der Welt der elektrschen Antrebe unerlässlch. Das vorlegende Fachbuch gbt dese Orenterung. Sowohl de Grundlagen als auch de Anwendung elektrscher Antrebe werden systematsch und anschaulch dargelegt. Der Leser gewnnt enen umfassenden Überblck und Scherhet be der Bewertung von Antrebslösungen. De nunmehr drtte Auflage deses Standardwerks der elektrschen Antrebstechnk wrd das Wssen über elektrsche Antrebe weter verbretern und velen Technkern en nützlcher Ratgeber be der Konstrukton effzenter Maschnen, Anlagen und Elektrofahrzeuge sen. Prof. Dr. Segfred Russwurm Mtgled des Vorstands der Semens AG 5
7 Inhaltsverzechns 1 Elektrsche Antrebe m Überblck Hstorscher Abrss der Antrebstechnk Aufbau moderner elektrscher Antrebe Systematk elektrscher Antrebe Drehzahlverstellbarket Motortyp und Art des Stellgeräts Technsche Daten Mechansche Grundlagen Elektrotechnsche Grundlagen Felder n der Elektrotechnk Entstehung des Drehmoments Lorentzkraft Leterschlefe m Magnetfeld Spannungsndukton Größen und Glechungen der Elektrotechnk Bauelemente der Elektrotechnk Konstantantrebe und drehzahlveränderlche Antrebe mt Glechstrommotor Glechstromantrebe Der Glechstrommotor Funktonsprnzp Konstruktver Aufbau und elektrsche Anschlüsse Wartung des Glechstrommotors Mathematsche Beschrebung Regelbarket Konstantantrebe mt Glechstrommotor Aufbau und Anwendungsberech Nebenschlussverhalten Rehenschlussverhalten Drehzahlveränderlche Antrebe mt Glechstrommotor Aufbau und Anwendungsberech Stromrchter Drehzahlgeber für Glechstromantrebe Regelungsstruktur
8 Inhaltsverzechns 5 Konstantantrebe und drehzahlveränderlche Antrebe mt Asynchronmotor Antrebe mt Asynchronmotor Der Asynchronmotor Funktonsprnzp Konstruktver Aufbau und elektrsche Anschlüsse Mathematsche Beschrebung Regelbarket Konstantantrebe mt Asynchronmotor Aufbau und Anwendungsberech Anlauf des Asynchronmotors Bremsen des Asynchronmotors Drehzahlveränderlche Antrebe mt Asynchronmotor Aufbau und Anwendungsberech Drehzahländerung mt Schützen Drehzahländerung mt Frequenzumrchtern Betreb mt U/f-Steuerung Betreb mt Vektorregelung Drehzahlgeber Funktonen moderner Frequenzumrchter Allgemenes Lestungsoptonen Elektronkoptonen Prozessschnttstelle Anwenderschnttstelle Regelungs- und Steuerungsfunktonen Servoantrebe Aufbau und Anwendungsberech Systematk der Servoantrebe Regelfunktonen Motortyp, Art des Stellgeräts Technsche Daten Drehzahl- und Lagegeber für Servoantrebe Systematk und Kenndaten Kommuterungsgeber Resolver Sn-Cos-Geber Absolutwertgeber Servoantrebe mt Glechstrommotor Aufbau und Anwendungsberech Glechstrommotoren für Servoantrebe Pulssteller für Servoantrebe mt Glechstrommotor Regelungsstruktur Servoantrebe mt bürstenlosem Glechstrommotor (Blockkommuterung) Aufbau und Anwendungsberech Der bürstenlose Glechstrommotor
9 Inhaltsverzechns Frequenzumrchter für Servoantrebe mt bürstenlosem Glechstrommotor Regelungsstruktur Servoantrebe mt Synchronmotor (Snuskommuterung) Aufbau und Anwendungsberech Der Synchronmotor Frequenzumrchter für Servoantrebe mt Synchronmotor Regelungsstruktur Servoantrebe mt Asynchronmotor Drektantrebe Aufbau und Anwendungsberech Lnearmotor Torquemotor Regelung und Optmerung von Servoantreben Allgemene Gütekrteren zur Beurtelung von Regelkresen Regelkrese be Servoantreben Optmerung des Stromregelkreses Optmerung des Drehzahlregelkreses Optmerung des Lageregelkreses Funktonen moderner Servosteller Allgemenes Lestungsoptonen Elektronkoptonen Prozessschnttstelle Anwenderschnttstelle Regelungs- und Steuerungsfunktonen Schrttantrebe Aufbau und Anwendungsberech Systematk der Schrttantrebe nach Motortyp Technsche Daten Der Schrttmotor Allgemenes Permanentmagnetschrttmotor Hybrdschrttmotor Ansteuergeräte Regelverhalten Elektrsche Antrebssysteme m Überblck Vom Antreb zum Antrebssystem Systematk elektrscher Antrebssysteme Komponenten n Antrebssystemen Funktonaltät von Antrebssystemen Informatonsfluss n Antrebssystemen Energefluss zwschen Antreben Elektromagnetsche Beenflussungen Auslegung von elektrschen Antreben als Systemaufgabe
10 Inhaltsverzechns 9 Feldbusse für elektrsche Antrebe Veranlassung und Funktonsprnzp Überscht gebräuchlcher Feldbusse AS-Interface Überscht Topologe, Verkabelung, Physk Zugrffsverfahren CAN Überscht Topologe, Verkabelung, Physk Zugrffsverfahren Projekterung PROFIBUS DP Überscht Topologe, Verkabelung, Physk Zugrffsverfahren PROFIBUS DP-V Projekterung PROFINET I/O Überscht Topologe, Verkabelung, Physk Zugrffsverfahren Gerätebeschrebungen zur Projekterung Prozessregelung mt elektrschen Antreben Begrffsdefnton Prozessregelung mt Enzelantrebssystemen Komponenten Bespel: Füllstandsregelung mt Konstantantreb Bespel: Druckregelung Bespel: Aufzugantreb Prozessregelung mt Mehrantrebssystemen Komponenten Bespel: Fahrwerksantreb mt mechansch gekoppelten Antreben Bespel: Beschchtungsanlage mt Zug- und Wckelantreben Antrebe mt ntegrerten Technologefunktonen Moton Control mt elektrschen Antreben Begrffsdefnton und Funktonen Darstellung und Verarbetung von Lagenformatonen Postoneren Anwendungen und Grundlagen Postonersteuerung Maschnendaten Lageerfassung, Lageaufberetung und Referenzeren
11 Inhaltsverzechns 11.4 Glechlauf (Synchronseren) Anwendungen und Grundlagen Glechlaufsteuerung Maschnendaten Moton Control mt PLCopen Scherhetsfunktonen n elektrschen Antreben Anwendungen und Grundlagen Schere Stoppfunktonen Schere Bewegungsfunktonen Schere Feldbusse EMV n der elektrschen Antrebstechnk Grundlagen Veranlassung und Begrffsdefnton EMV-Beenflussungsmodell Koppelmechansmen Mathematsche Beschrebung Elektrsche Antrebe als Störquelle Galvansche Störungen be Glechstromantreben mt Stromrchter, Gegenmaßnahmen Galvansche Störungen be Stellgeräten mt Glechspannungszwschenkres, Gegenmaßnahmen Galvansche Störungen durch Wechselrchter, Gegenmaßnahmen Feldgebundene Störungen durch den Wechselrchter Feldgebundene Störungen durch dgtale Antrebe, Gegenmaßnahmen Elektrsche Antrebe als Störsenke Allgemenes Galvansche Störungen, Gegenmaßnahmen Kapaztve Störungen, Gegenmaßnahmen Induktve Störungen, Gegenmaßnahmen EMV-Regeln Auslegung elektrscher Antrebe Vorgehenswese Auswahl der Antrebsart Motorauslegung Vorgehenswese Berückschtgung des Getrebes Auslegung des Motors nach mechanschen Kenngrößen Thermsche Auslegung des Motors Konstruktve Auslegung des Motors Auswahl des Gebers Auslegung des Stellgeräts be drehzahlveränderlchen Antreben und Servoantreben
12 Inhaltsverzechns Elektrsche Auslegung des Stellgeräts Thermsche Auslegung des Stellgeräts Thermsche Auslegung der Netzenspesung Auslegung der Netzenspesung bezüglch der Zwschenkreskapaztät Auslegung des Bremschoppers und des Bremswderstandes Auswahl der Lestungsoptonen Elektronkoptonen, Zubehör, Verbndungstechnk Auslegungsbespel Anwendungsdaten Auslegung Fehlerbehebung be elektrschen Antreben Fehlervermedung und Fehlerbehebung Fehlermöglchketen be elektrschen Antreben Motorfehler Geberfehler Fehler m Stellgerät Netzfehler Kommunkatonsfehler EMV-Probleme Projekterungsfehler Parametrerfehler Fehlermeldungen elektrscher Antrebe Sachwortverzechns
13 1 Elektrsche Antrebe m Überblck 1.1 Hstorscher Abrss der Antrebstechnk Elektrsche Antrebe wandeln elektrsche Energe n mechansche Energe um und denen als Mttler zwschen dem elektrschen Netz als Energequelle und der Arbetsmaschne als Energeverbraucher. Energefluss be motorschem Betreb Elektrsches Netz Elektrscher Antreb Arbetsmaschne Energefluss be generatorschem Betreb Bld 1.1 Elektrsche Antrebe als Mttler zwschen Energeversorgungsnetz und Arbetsmaschne Aufgrund deser zentralen Stellung m Energefluss snd elektrsche Antrebe zu Schlüsselkomponenten n ndustrellen Anwendungen, aber auch m Transportwesen und n Konsumgütern geworden. Se haben de technsche Entwcklung auf velen Gebeten vorangetreben, waren aber auch selbst Gegenstand zahlrecher Entwcklungsschrtte. De Kernkomponente enes jeden elektrschen Antrebs st der Elektromotor. De hm zugrunde legenden Naturgesetze wurden zu Begnn des 19. Jh. erkannt. Entdeckung der Grundlagen 1820 bs entdeckte Hans Chrstan Oerstedt, dass ene Magnetnadel n der Nähe enes stromführenden Leters abgelenkt wrd. Im glechen Jahr machte André Mare Ampère sene grundlegenden Entdeckungen über de Wechselwrkungen zwschen elektrschen Strömen und Magnetfeldern. Dese Entdeckungen führten zur Entwcklung ener großen Zahl von elektromagnetschen Maschnen, de allerdngs nur gernge praktsche Bedeutung erlangten, da kene lestungsfähgen elektrschen Energequellen zur Verfügung standen. Strom wurde aus galvanschen Zellen gewonnen, was enen breten Ensatz deser Maschnen verhnderte. Se konnten sch gegen de Dampfmaschne und de verschedenen Arten von Gas- und Benznmotoren ncht durchsetzen. 12
14 1.1 Hstorscher Abrss der Antrebstechnk En wchtger Schrtt wurde 1831 getan. Damals entdeckte Mchael Faraday de elektromagnetsche Indukton. Deser Effekt wurde alsbald n Generatoren angewendet erfand Werner von Semens de Dynamomaschne. Deser Glechstromgenerator nutzt den n den Magnetpolen befndlchen Remanenzfluss, um zunächst enen klenen Induktonsstrom zu erzeugen. Deser Induktonsstrom wrd zum weteren Aufbau des Erregerfeldes verwendet, so dass sch der Generator zur vollen Lestung aufschaukelt. Aus desen Generatoren heraus entwckelten sch später de modernen Elektromotoren. Bld 1.2 Elektromotor von Mortz Hermann Jacob, 1818 Foto: Deutsches Museum München En zentrales technsches Problem am Ende des 19. Jh. war de Beretstellung klenerer Energemengen für Arbetsmaschnen n Gewerbebetreben. Der Ensatz von Dampfmaschnen erforderte enen hohen Aufwand und war aus Scherhetsgründen auch ncht überall möglch. Verbretet waren deshalb Gasmotoren. Dese bekamen durch weterentwckelte und stetg verbesserte Dynamomaschnen Konkurrenz. Dabe wurden 2 Dynamomaschnen elektrsch verbunden. Ene Maschne arbetete als Generator, de andere Maschne als Motor. Auf dese Wese konnte de elektrsche Energe an ener Stelle erzeugt, über ene längere Entfernung transportert und an dem Ort, wo se benötgt wurde, n mechansche Energe zurück verwandelt werden. Man benutzte de Elektroenerge als Ersatz für mechansche Energeübertragungen. Schwerpunkt der Anwendungen waren elektrsche Lokomotven und Straßenbahnen, aber auch erste Maschnenantrebe (z. B. für enen Webstuhl) wurden realsert. Elektrsche Kraftübertragungen 1875 bs tauchte erstmals der Begrff Elektromotor n enem Verkaufskatalog auf beschreb man de Vortele des Elektromotors m Verglech zu Dampfmaschnen und Gasmotoren we folgt: 13
15 1 Elektrsche Antrebe m Überblck Bld 1.3 Froments elektromagnetscher Radmotor (nach Meyers Konversatons-Lexkon 1886) Foto: Deutsches Museum München Se benötgen kene festen Fundamente, snd n belebgen Lagen monterbar, benötgen weng Platz und können n bewohnten Räumen verwendet werden. Se lefern verglechswese hohe Drehzahlen, snd n der Drehzahl und Drehrchtung verstellbar, bestzen enen günstgen Wrkungsgrad und snd enfach zu bedenen hatte Mchael von Dolvo-Dobrowolsk den Drehstrom-Käfgläufermotor erfunden. Von hm wurde auch der Name Drehstrom geprägt. Bld 1.4 Dynamomaschne Semens & Halske, 1877 gelefert für das Hüttenwerk Oker. Foto: Deutsches Museum München 14
16 1.1 Hstorscher Abrss der Antrebstechnk Außerdem wurde 1891 von Lauffen am Neckar nach Frankfurt a. M. über 175 km de erste Drehstromübertragung realsert. Damt war das Zetalter der Wechselstromtechnk engeläutet. Auf der Internatonalen Elektrotechnschen Ausstellung n Frankfurt 1891 wurde erstmalg en vollständges System aus Generatoren, Transformatoren, Übertragungsletungen und Motoren gezegt. Damt waren de Grundlagen für de flächendeckende Enführung von Energeversorgungsnetzen und Elektroantreben n Produkton und Gewerbe gegeben. In hren technschen Parametern und n hrem Anlaufverhalten wurden de Elektromotoren kontnuerlch verbessert. Über Wderstandsschaltungen und den Leonard-Satz (Umformer zur Spannungs- und Frequenzwandlung) standen regelbare Elektroantrebe zur Verfügung. Schrtt für Schrtt führte das zur Ablösung der Dampfmaschnen und Transmssonssysteme n den Produktonsstätten. De Maschnenanordnung konnte jetzt auf den Produktonsprozess optmert werden und musste sch ncht mehr den Zwängen der Energezuführung über Transmssonswellen unterordnen. Mt der Entwcklung der Lestungshalbleter begann de Ablösung der Queckslberdampfröhren. Parallel entwckelte sch de Regelungstechnk auf der Bass analoger elektronscher Bauelemente, was wederum de Verbretung drehzahlveränderbarer Antrebe förderte. De enfache Regelbarket von Glechstrommotoren führte zu hrem Wedererstarken. De Enführung von Mkroprozessoren bewrkte enen Entwcklungsschub n der elektrschen Antrebstechnk. De vormals analogen Regler wurden durch dgtale Regler abgelöst. Deren Lestungsfähgket stegt kontnuerlch, so dass mmer komplexere Regelfunktonen realsert werden. De Entwcklung der feldorenterten Regelung durch Blaschke 1971 und hre Umsetzung n prozessorgesteuerten dgtalen Antreben ermöglchte für Drehstrommotoren ene den Glechstrommotoren verglechbare Regelgüte. Elektrsche Antrebe n Gewerbe und Industre 1891 bs 1920 Elektrsche Antrebe verbreten sch überall 1920 bs 1950 Ca. ab 1920 verbreteten sch elektrsche Antrebe n allen Berechen der Industre, der Landwrtschaft, des Handwerks, des Transportwesens und n den Haushalten. Typsche Antrebslösungen bestanden aus Glechstrom- oder Drehstrommotoren, de je nach Bedarf mt Regelsätzen zur Drehzahlverstellung ergänzt wurden. De Anzahl der Elektroantrebe nahm stark zu. De Elektromotoren entwckelten sch n zwe Rchtungen: zu ntegrerten Lösungen nnerhalb der Arbetsmaschne und zu standardserten Massenprodukten. Der Asynchronmotor wurde n der ndustrellen Anwendung zum am wetesten verbreteten Motortyp. Zur Drehzahlveränderung wurden neben Schützsteuerungen auch erste Stellgeräte auf der Bass von Queckslberdampfröhren verwendet. Damt helt de Lestungselektronk Enzug n de elektrsche Antrebstechnk. Stromrchterantrebe 1950 bs 1970 Antrebe mt Mkroprozessor set
17 1 Elektrsche Antrebe m Überblck Bld 1.5 Dgtale Regelungsbaugruppe für enen Glechstromantreb Bld 1.6 Hochlestungs-IGBT (Insulated Gate Bpolar Transstor) für Frequenzumrchter Bld 1.7 Moderner dgtaler Stromrchter für Glechstromantrebe De Verfügbarket von mmer lestungsfähgeren Mkroprozessoren ermöglcht de Integraton von ursprünglch antrebsfremden Funktonen n de Stellgeräte. De Grenzen zwschen elektrschen Antreben und Automatserungsgeräten snd fleßend geworden. Antrebssysteme, de aus elektronsch koordnerten Servoantreben klener Lestung bestehen, lösen mmer mehr de bshergen Zentralantrebe mt mechanschen Getreben und Köngswellen ab. 1.2 Aufbau moderner elektrscher Antrebe De von elektrschen Antreben beretgestellte mechansche Energe dent zur Beenflussung von Prozessgrößen n Arbetsmaschnen. De mechansche Energe muss entsprechend den Anforderungen des Prozesses dosert bzw. zu- und abgeschaltet werden. Aus desem Grund bestehen heutge elektrsche Antrebe ncht nur aus enem Elektromo- 16
18 1.2 Aufbau moderner elektrscher Antrebe Netz Überlagerte Steuerung Schalt- und Schutzenrchtungen Elektrscher Antreb Stellgerät Sgnalelektronk mt Regelung und Überwachung Lestungstel Stromstwert Drehzahlstwert Lagestwert Zusatzdaten G M 3~ Arbetsmaschne Motortemperatur Motorgeber Bremse Motor Getrebe Lagestwert G Maschnengeber Bld 1.8 Aufbau moderner elektrscher Antrebe tor, sondern wesen ene ganze Rehe weterer Komponenten auf (sehe Bld 1.8). Das Herzstück enes jeden elektrschen Antrebs st sen Elektromotor. Er dent als Energewandler, der de zugeführte elektrsche Energe n mechansche Energe umsetzt. Im generatorschen Betreb (z. B. be Bremsvorgängen) erfolgt der Energefluss n entgegengesetzter Rchtung; dann wrd mechansche Energe n elektrsche Energe umgewandelt. Der am Motor angebaute Geber (Motorgeber) ermttelt aktuelle Bewegungsgrößen we Drehzahl, Geschwndgket und Lage und stellt se der Sgnalelektronk zur Verfügung. De Bremse unterstützt das Stellgerät bem Abbremsen des Motors und verhndert Bewegungen des Motors be abgeschaltetem Stellgerät. Besonders be hängenden Lasten (z. B. Roboterarmen, Aufzügen, Hubwerken) sorgt de Bremse für de Fxerung des mechanschen Systems auch m naktven Zustand des Antrebs. Das Getrebe st en mechanscher Wandler. Es passt de vom Motor abgegebenen mechanschen Größen we Drehzahl und Drehmoment an de Erfordernsse der Arbetsmaschne an. Elektromotor Motorgeber Bremse Getrebe 17
19 1 Elektrsche Antrebe m Überblck Ene wetere Aufgabe von Getreben besteht darn, be Bedarf de rotatorsche Bewegung des Motors n ene lneare Bewegung zu wandeln. Schalt- und Schutzenrchtungen Stellgerät Schalt- und Schutzenrchtungen trennen den elektrschen Antreb be Bedarf vom Netz und schützen den Antreb sowe de Versorgungsletungen vor Überlastung. Überlastungen können zum enen durch de Arbetsmaschne, aber auch durch Fehler m Antreb hervorgerufen werden. Das Stellgerät besteht aus dem Lestungstel und der Sgnalelektronk: Das Lestungstel portonert de dem Motor zugeführte elektrsche Energe und beenflusst damt de vom Motor abgegebene mechansche Energe. Lestungstele elektrscher Antrebe snd heute aus Lestungshalbletern aufgebaut. Dese arbeten als elektronsche Schalter, über de de elektrsche Energezufuhr zum Motor an- und abgeschaltet wrd. Integrerte Messsysteme erfassen de elektrschen Ströme und Spannungen und stellen se der Sgnalelektronk zur Verfügung. De Sgnalelektronk st das Gehrn des elektrschen Antrebs. Se bestmmt de Steuersgnale für das Lestungstel so, dass sch an der Motorwelle de gewünschten Kräfte bzw. Bewegungen enstellen. Dazu verfügt de Sgnalelektronk über verschedene Steuer- und Regelfunktonen. De erforderlchen Istwerte der elektrschen Größen erhält de Sgnalelektronk vom Lestungstel, mechansche Größen we Drehzahl und Lage werden vom Motorgeber beretgestellt. Ihre Sollwerte erhält de Sgnalelektronk von ener überlagerten Steuerung. An dese gbt se auch aktuelle Istwerte zurück. Neben den erforderlchen Steuer- und Regelfunktonen übernmmt de Sgnalelektronk auch Schutzfunktonen und verhndert unzulässge Überlastungen für das Lestungstel und den Motor. 1.3 Systematk elektrscher Antrebe Elektrsche Antrebe snd äußerst velgestaltg und n unterschedlchsten Ausführungen verfügbar. Ihre Systematk st deshalb relatv schwerg und kann nur unter Betrachtung ausgewählter Krteren, also aus enem ganz bestmmten Blckwnkel heraus erfolgen. De Kombnatonen und konkreten Ausführungen deser Krteren ergeben dann de Velzahl möglcher Antrebslösungen. Nachfolgend werden elektrsche Antrebe unter folgenden Krteren systematsert: Verstellbarket der Drehzahl Motortyp und Stellgerät Technsche Daten 18
20 1.3 Systematk elektrscher Antrebe Drehzahlverstellbarket De Anforderungen ener Anwendung an de Drehzahlverstellbarket snd oft entschedend für de Wahl ener Antrebslösung. Entsprechend der Fähgketen zur Drehzahlverstellung lassen sch grob 3 Kategoren von Antreben blden: Konstantantrebe Drehzahlveränderlche Antrebe Servoantrebe Elektrsche Antrebe Konstantantrebe Drehzahlveränderlche Antrebe Servoantrebe Drehzahlumschaltung Drehzahlsteuerung Drehzahlregelung Bld 1.9 Klassfzerung elektrscher Antrebe bezüglch der Drehzahlverstellbarket Konstantantrebe werden mt ener festen Drehzahl betreben. Se verfügen ledglch über Enrchtungen zum Zu- und Abschalten sowe zum Schutz vor Überlastung. Ene Enrchtung zur Drehzahlverstellung st ncht vorhanden, so dass sch belastungsabhängg durchaus Drehzahlschwankungen ergeben können. Typsche Anwendungen für Konstantantrebe snd Lüfter und Pumpen, de mt enem Asynchronmotor drekt am Netz betreben werden. Drehzahlveränderlche Antrebe snd n hrer Drehzahl verstellbar und mt mndestens zwe verschedenen Drehzahlen betrebbar. Dese Antrebe verfügen neben dem Elektromotor über en Stellgerät, das für de Drehzahlverstellung verantwortlch st. Je nach Anforderung st das Stellgerät entsprechend komplex und gestattet unterschedlche Stellbereche und Genaugketen für de Drehzahl. Konstantantrebe Drehzahlveränderlche Antrebe Drehzahlumschaltbare Antrebe ermöglchen den Betreb mt mndestens zwe verschedenen Drehzahlen. Bespelanwendungen snd drehzahlumschaltbare Lüfter und Pumpen oder Fahrwerke mt Vorund Rückbewegung. Zum Ensatz kommen her typscherwese Asynchronmotoren mt Schützsteuerungen. Drehzahlsteuerbare Antrebe snd n hrer Drehzahl stufenlos verstellbar. Allerdngs erfolgt auch her kene Rückführung des Drehzahlstwertes, so dass sch je nach Ausführung des Antrebs lastabhängg Abwechungen von der Solldrehzahl ergeben können. Für de Drehzahlsteuerung snd Stellgeräte mt elektronschen Lestungstelen 19
21 1 Elektrsche Antrebe m Überblck erforderlch. Bespele für derartge Antrebe snd Asynchronmotoren mt Frequenzumrchtern und U/f-Steuerung. Drehzahlregelbare Antrebe snd n hrer Drehzahl ebenfalls stufenlos verstellbar und erfassen de aktuelle Drehzahl des Motors. Damt können Abwechungen der Drehzahl vom gewünschten Sollwert erkannt und korrgert werden. Für drehzahlgeregelte Antrebe werden lestungsfähge Stellgeräte mt entsprechenden Regelalgorthmen benötgt. Ene sehr wet verbretete Ausführung des drehzahlgeregelten Antrebs st der Asynchronmotor mt Frequenzumrchter und vektoreller Regelung. Bld 1.10 Frequenzumrchter und Asynchronmotoren für drehzahlveränderlche Antrebe Servoantrebe Servoantrebe snd so optmert, dass se Drehzahländerungen sehr schnell und präzse ausführen können. Se snd damt für komplexe Bewegungsvorgänge, de durch sch laufend ändernde Geschwndgketen gekennzechnet snd, besonders gut geegnet. Servoantrebe kommen n allen Berechen des Maschnenbaus zum Ensatz und werden häufg durch Synchronmotoren mt Servostellern realsert. Bld 1.11 Stellgeräte und Motoren für Servoantrebe 20
22 1.3 Systematk elektrscher Antrebe Eng verbunden mt der Drehzahlverstellbarket st de Fähgket der Antrebe zur Drehrchtungsumkehr und zur Energerückspesung. Dese Egenschaften enes elektrschen Antrebs werden n enem Drehzahl- Drehmoment-Dagramm dargestellt. Je nach Vorzechen der Drehzahl und des Drehmoments ergeben sch 4 Betrebsquadranten (sehe Bld 1.12). In den beden motorschen Quadranten haben Drehzahl und Drehmoment des Antrebs das gleche Vorzechen. In den generatorschen Quadranten snd Drehzahl und Drehmoment gegensnng gerchtet. Betrebsquadranten Drehzahl n n n M n Quadrant 2 generatorsch Quadrant 3 motorsch Quadrant 1 motorsch Quadrant 4 generatorsch M n Drehmoment M M M Bld 1.12 Klassfzerung elektrscher Antrebe nach Betrebsquadranten Je nach Ausführung des Stellgeräts arbeten elektrsche Antrebe nur m 1. Quadranten (z. B. be Pumpen) oder n allen 4 Quadranten (z. B. be Hubwerken) Motortyp und Art des Stellgeräts Im Laufe der Zet haben sch verscheden Typen von Elektromotoren herausgebldet, de jewels spezfsche Stärken und Schwächen sowe bevorzugte Lestungsbereche aufwesen. Aus desem Grund und n Verbndung mt der sehr langen Lebensdauer von Motoren snd fast alle Motortypen auch heute noch anzutreffen. Berückschtgt man zusätzlch de verschedenen Ausprägungen an Stellgeräten, ergbt sch ene Velzahl von Antrebsvaranten. Bld 1.13 zegt ene Klassfzerung der Grundvaranten an Motoren und hrer möglchen Stellgeräte. Entsprechend der Form des Motorstroms unterschedet man Glechstromantrebe und Wechsel- bzw. Drehstromantrebe. Glechstromantrebe verwenden enen Glechstrommotor. Be kleneren Lestungen wrd das erforderlche Magnetfeld mt Permanent- 21
23 1 Elektrsche Antrebe m Überblck magneten, be größeren Lestungen mt ener separaten Erregerwcklung erzeugt. Für Servoanwendungen kommen als Stellgeräte hochdynamsche Pulssteller, für drehzahlveränderbare Antrebe Stromrchter zum Ensatz. Wechselstromantrebe verwenden Motoren, de mt en- oder mehrphasgem Wechselstrom betreben werden. Dabe hat de Frequenz des Motorstroms enen entschedenden Enfluss auf de Motordrehzahl. Synchronmotoren folgen n hrer Drehbewegung exakt der Frequenz des spesenden Stroms, während be Asynchronmotoren ene Dfferenz zwschen der Frequenz des Motorstroms und der Drehfrequenz auftrtt. Antrebe mt Synchronmotoren verfügen m Allgemenen über en Stellgerät. Asynchronmotoren können sowohl drekt am Netz als auch mt Stellgeräten betreben werden. De Wahl des Stellgeräts hängt von den Anforderungen an de Drehzahlverstellbarket und de gewünschte Genaugket ab. Elektrsche Motoren Glechstrommotor Wechselstrommotor Synchronmotor Asynchronmotor Permanenterregt Permanenterregt Fremderregt Reluktanz Schlefrngläufer Fremderregt Kurzschlussläufer Permanenterregter Glechstrommotor Fremderregter Glechstrommotor Reluktanzmotor Reluktanzschrttmotor Hybrdschrttmotor Schrttmotor Blockstrommotor Snusstrommotor Snusstrommotor Bahnmotor Spaltpolmotor Kondensatormotor Drehstrommotor Drehstrommotor Frequenzumrchter Pulssteller Servosteller Netzbetreb Sanftanlasser Stromrchter Schrttmotorendstufe Schützsteuerung Glechstrom Wechselstrom Elektrsche Stellgeräte Bld 1.13 Klassfzerung elektrscher Antrebe nach Motor und Stellgerät 22
24 1.3 Systematk elektrscher Antrebe Technsche Daten De technschen Daten snd das wesentlche Auswahlkrterum für elektrsche Antrebe. Von zentraler Bedeutung snd dabe de mechanschen und elektrschen Kennwerte des Motors. Sene wchtgsten technschen Daten snd auf senem Typenschld festgehalten (Bld 1.14). Motordaten Nennspannung Nennfrequenz Nennlestung Nennstrom Lestungsfaktor Nenndrehzahl Hersteller Fabrknummer Bestellnummer Wärmeklasse Gewcht Baugröße Schutzart Bauform 3~Mot. 1LA7166-2AA60 D Erlangen E0107/ IEC/EN kg IM B3 160L IP55 Th.Cl. F 50 Hz 400/690 V /Y 60 Hz 460 V 18,5 kw 32,5/18,8 A cosϕ 0, /mn 21,3 kw 32,0 A cosϕ 0, /mn / V /Y V 34,0-32,0/19,6-18,5 A 33,5-31,0 A 50 Hz-Daten 60 Hz-Daten Bld 1.14 Bespel für das Typenschld enes Asynchronmotors Besondere Bedeutung haben dabe de Nenndaten. Se denen zur Spezfkaton des Motors an senem Nennarbetspunkt; über se snd Motoren mtenander verglechbar. Nenndaten werden auch als Bemessungsdaten bezechnet. Nenndaten Motor Motortyp: Gbt an, ob es sch um enen Glechstrom-, Wechselstrom- (1-phasg) oder enen Drehstrommotor (3-phasg) handelt. Nennspannung: Spannung oder Spannungsberech, mt der bzw. n dem der Motor dauerhaft betreben werden kann. Kurzzetg snd Spannungsüberhöhungen n enem bestmmten Berech zulässg. Nennstrom: Strom, mt dem der Motor ohne thermsche Überlastung dauerhaft betreben werden kann. Kurzzetg snd Stromüberhöhungen n enem bestmmten Berech zulässg. Nennlestung: Mechansche Lestung, de der Motor an senem Nennarbetspunkt abgbt. De aufgenommene elektrsche Lestung lässt sch aus den elektrschen Daten ermtteln. Snd elektrsche und mechansche Lestung bekannt, kann der Wrkungsgrad des Motors bestmmt werden. Lestungsfaktor: Der Lestungsfaktor gestattet be Wechsel- und Drehstrommotoren de Berechnung der aufgenommenen elektrschen Wrklestung am Nennarbetspunkt. Nennfrequenz: Frequenz der spesenden Spannung be Wechsel- und Drehstrommotoren. Be Asynchronmotoren entsprcht de Nennfrequenz m Allgemenen der Netzfrequenz, de be Industrenetzen n Europa be 50 Hz legt. 23
25 1 Elektrsche Antrebe m Überblck Nenndrehzahl: Drehzahl des Motors am Nennarbetspunkt. Nenndrehmoment: Drehmoment, das der Motor be Betreb mt Nennstrom abgbt. Deser Wert st für de Auswahl von Servomotoren von Bedeutung. Nenndaten Stellgerät Ist der Motor bezüglch sener Nenndaten ausgelegt, ergbt sch daraus das passende Stellgerät. Das Stellgerät st durch sene elektrschen Daten spezfzert: Nennspannung: Spannung oder Spannungsberech, an der bzw. n dem das Stellgerät betreben werden kann. Neben der Spannung selbst st auch de Netzform (1-phasg, 3-phasg, Erdungskonzept) für de Auswahl des Stellgerätes von Bedeutung. Nennstrom: Ausgangsstrom, den das Stellgerät dauerhaft beretstellen kann. Kurzfrstg lassen vele Stellgeräte höhere Ströme zu, z. B. für Beschleungungsvorgänge. Pulsfrequenz: Frequenz, mt der Frequenzumrchter und Servosteller de Motorspannung schalten. Je höher de Pulsfrequenz st, desto dynamscher und leser st der Antreb. Konstruktve Motordaten Neben den Nenndaten des Motors werden zusätzlch ene Rehe konstruktver Daten benötgt. Se denen zur Anpassung des Motors an de Arbetsmaschne und de Umgebungsbedngungen. Bauform: Beschrebt de zulässge Enbaulage und mechansche Befestgung des Motors. De Bauformen snd n nternatonalen Normen festgeschreben und werden we folgt gekennzechnet: IM yzz (Internatonal Mountng) mt IM y: Wellenabgang zz: Befestgungsart B: horzontal V: vertkal z. B. IM B3 Wellenabgang horzontal z. B. IM B5 Wellenabgang horzontal durch ene oder 2 Zffern Fußmontage Flanschmontage Tabelle 1.1 Bespele zur Kennzechnung der Motorbauformen Baugröße (Achshöhe): Gbt den Abstand zwschen dem Mttelpunkt der Motorwelle und der Außensete des Motors n mm an. Wärmeklasse: Defnert de maxmal zulässge Motortemperatur. Ene Überschretung deser Temperatur führt zu ener vorzetgen Alterung der Wcklungssolaton des Motors und damt zu Frühausfällen. De Wärmeklassen snd n nternatonalen Normen festgeschreben und werden mt enem Großbuchstaben gekennzechnet. 24
26 1.3 Systematk elektrscher Antrebe Bespel: Wärmeklasse F hat ene mttlere zulässge Motortemperatur von 145 C. Schutzart: Beschrebt den Schutz des Motors gegen das Endrngen von Fremdkörpern. De Schutzarten snd n nternatonalen Normen festgeschreben und werden we folgt gekennzechnet: IP xy (Internatonal Protecton) mt IP z. B. IP54 x: Schutzgrad gegen Berührung und Endrngen von Fremdkörpern 5: Schutz gegen schädlche Staubablagerungen (staubgeschützt), vollständger Schutz gegen Berühren mt Werkzeugen oder ähnlchen Gegenständen y: Schutzgrad gegen Endrngen von Wasser 4: Schutz gegen Sprtzwasser aus allen Rchtungen Tabelle 1.2 Bespele zur Kennzechnung der Motorschutzgrade Neben den genannten Daten gbt es ene große Anzahl wetere Kennwerte zur Spezfkaton des Motors. Dese snd n Herstellerkatalogen ausführlch beschreben. Bld 1.15 Asynchronmotor der Bauform IM B3 mt Schutzklasse IP55 De Systemdaten beschreben Kennwerte von gesteuerten und geregelten Antreben, de sch aus dem Zusammenwrken von Motor, Geber und Stellgerät ergeben. Se werden üblcherwese ncht veröffentlcht und müssen bem Hersteller angefragt werden. Systemdaten Drehzahlstellberech: Berech bezogen auf de Nenndrehzahl, nnerhalb dessen de Drehzahl mt ener bestmmten Genaugket verstellt werden kann. Drehzahl- und Drehmomentgenaugket: Abwechung zwschen Sollund Istwert bezogen auf den Nennwert. Servoantrebe verfügen über wetere relevante Systemdaten, de n späteren Abschntten erläutert werden. 25
27 2 Mechansche Grundlagen Elektrsche Antrebe stellen der Arbetsmaschne mechansche Energe zur Verfügung. Zur Beschrebung des mechanschen Energeflusses und der mt hm verbundenen Bewegungen werden de physkalschen Größen und Gesetzmäßgketen der Translaton und Rotaton verwendet. Se snd als Überblck n den folgenden Tabellen zusammengefasst. Tabelle 2.1 Größen und Glechungen der Translaton Größe Formelzechen Bezehung Enhet Erläuterung Weg s m Geschwndgket v ds v = m/s dt De Geschwndgket v ergbt sch aus der Änderung des Weges ds je Zetenhet dt. De Beschleungung a ergbt sch aus der dv Beschleungung a a = m/s 2 Änderung der Geschwndgket dv je Zetenhet dt dt. Masse m kg Kraft F F = m a N (kg m/s 2, Newton) Mechansche Lestung P P = F v W (Watt) De Augenblckslestung P ergbt sch aus dem Produkt der aktuellen Kraft F und der aktuellen Geschwndgket v. Wrkungsgrad η P ab P zu η = Der Wrkungsgrad η ergbt sch aus dem Verhältns von abgegebener zu zugeführter Lestung. Tabelle 2.2 Größen und Glechungen der Rotaton Größe Wnkel φ Bezehung Enhet Erläuterung De Angabe erfolgt m Bogenmaß. En Wnkel von 2π entsprcht 360. dφ ω ω = /s dt De Wnkelgeschwndgket ω ergbt sch aus der Änderung des Wnkels dφ je Zetenhet dt. Formelzechen Wnkelgeschwndgket Wnkelbeschleungung De Wnkelbeschleungung α ergbt sch dω α α = /s 2 aus der Änderung der Wnkelgeschwndgket dω je Zetenhet dt dt. Drehmoment M M = F r Nm Das Drehmoment M beschrebt de Wrkung ener Kraft, de an enem Hebel der Länge r angreft. 26
28 2 Mechansche Grundlagen Tabelle 2.2 Größen und Glechungen der Rotaton (Forts.) Größe Formelzechen Bezehung Enhet Erläuterung Das zur Beschleungung erforderlche dω Träghetsmoment J kg m 2 Drehmoment M ergbt sch aus dem Produkt des Träghetsmoments J und der M = J dt Wnkelbeschleungung dω/dt. Mechansche Lestung P P = M ω W (Watt) De Augenblckslestung P ergbt sch aus dem Produkt des aktuellen Drehmoments M und der aktuellen Wnkelgeschwndgket ω. Wrkungsgrad η P ab P zu η = Der Wrkungsgrad η ergbt sch aus dem Verhältns von abgegebener zu zugeführter Lestung. ω Frequenz f f = Hz (Hertz) 2π 1 Perodendauer T T = -- s f Drehzahl n n = f 60 (n Hz) 1/mn De Frequenz f beschrebt de Anzahl der Schwngungen je Zetenhet. De Perodendauer T entsprcht dem Kehrwert der Frequenz f. De Drehzahl n entsprcht der Frequenz f, wenn dese n 1/mn ausgedrückt wrd. Übersetzungsverhältns, Getrebefaktor n Antreb n Abtreb =
29 3 Elektrotechnsche Grundlagen 3.1 Felder n der Elektrotechnk In elektrschen Antreben werden de Egenschaften von Feldern ausgenutzt. En Feld st en Raum, der dadurch gekennzechnet st, dass n hm Kräfte auf Körper oder Telchen wrken. Zur qualtatven Darstellung der Kraftwrkung verwendet man Feldblder. De Kraftwrkung erfolgt tangental zu den Feldlnen. De Kraftwrkung st umso größer, je enger de Feldlnen verlaufen. In der Elektrotechnk snd das elektrsche und das magnetsche Feld von Bedeutung (andere Felder snd z. B. Gravtatonsfelder oder Schallfelder). Bede Felder werden n elektrschen Antreben ausgenutzt. Elektrsches Feld Das elektrsche Feld beschrebt enen Raum, n dem Kräfte auf elektrsche Ladungsträger wrken (Bld 3.1). Hervorgerufen werden dese Kräfte durch de Ladungsträger selbst. Ladungsträger können postv oder negatv geladen sen. Es glt: Glechartg geladene Ladungsträger stoßen sch ab. Unglech geladene Ladungsträger zehen sch an. Feldlnen Kraftwrkung auf postv geladene Ladungsträger erfolgt tangental zur Feldlne a U ab b Postve Ladung Negatve Ladung Bld 3.1 Das elektrsche Feld Brngt man Ladungsträger n en elektrsches Feld, führen se Bewegungen aus und rufen enen elektrschen Strom hervor. Der elektrsche Strom beschrebt de Anzahl der Ladungsträger, de sch n ener bestmmten Zetenhet vom Punkt a zum Punkt b bewegen. Be der Bewegung der Ladungsträger wrd je nach Bewegungsrchtung Energe abgegeben oder aufgenommen. 28
30 3.1 Felder n der Elektrotechnk De elektrsche Spannung beschrebt en elektrsches Feld n Summe und kann als Maß für den Energeuntersched enes Ladungsträgers an verschedenen Stellen des elektrschen Feldes bezogen auf sene Ladungsmenge nterpretert werden. Das magnetsche Feld beschrebt enen Raum, n dem Kräfte auf magnetsche Körper wrken (Bld 3.2). So rchtet sch zum Bespel ene Magnetnadel n enem Magnetfeld aus. Magnetsches Feld Magnetfeld der Erde Magnetfeld ener stromdurchflossenen Spule Magnetnadel Feldlnen verlaufen vom geografschen Südpol zum geografschen Nordpol Bld 3.2 Das magnetsche Feld Das magnetsche Feld kann auf zwe verschedenen Wegen hervorgerufen werden: Bem natürlchen Magnetsmus st das Magnetfeld ene Stoffegenschaft. Bestmmte Materalen we z. B. hartmagnetsches Esen snd von enem Magnetfeld umgeben. En künstlches Magnetfeld entsteht durch de Bewegung von elektrschen Ladungsträgern (Stromfluss) z. B. n enem elektrschen Leter. Alle stromdurchflossenen Leter snd von enem derartgen Magnetfeld umgeben. Bede Varanten zur Erzeugung enes Magnetfeldes werden be Elektromotoren ausgenutzt. Magnetsche Felder werden n Motoren n magnetschen Kresen, bestehend aus Esen, geführt. Luftstrecken und Luftspalte werden so klen we möglch gehalten, da se das Magnetfeld schwächen. Esen verstärkt das Magnetfeld. Grundsätzlch unterschedet man zwschen wechmagnetschem und hartmagnetschem Esen (Bld 3.3): Wechmagnetsches Esen st nur so lange magnetsch, we es sch selbst n enem externen Magnetfeld befndet. Verschwndet das externe Magnetfeld (z. B. durch Abschalten des Stroms, der das Magnetfeld hervorgerufen hat), st auch das Esen ncht mehr magnetsch. Motorentele, de von veränderlchen Magnetfeldern durch- 29
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