Inhalt. A Elektrische Maschinen und Antriebe... 1

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1 Inhalt A Elektrische Maschinen und Antriebe A.1 Einführung in elektrische Maschinen und Antriebe A.1.1 Energieumwandlung und Antriebssysteme A Einleitung A Elektromechanische Energieumwandlung A Elektrische Energieumformung A.1.2 Beschreibung eines Antriebssystems A.1.3 Bedeutung elektrischer Maschinen und Antriebe A.1.4 Projektierung eines Antriebsystems (Schnittstellen) A.1.5 Einsatzgebiete elektrischer Maschinen und Antriebe A.1.6 Innovationen in der Antriebstechnik A.2 Theoretische Grundlagen elektrischer Maschinen A.2.1 Elektrischer und magnetischer Kreis A Elektrischer Kreis (Stromkreis) A Magnetischer Kreis und Durchflutungsgesetz A Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Kreis A Berechnungsbeispiele eines magnetischen Kreises A.2.2 Wirkungen im Magnetfeld A Spannungserzeugung nach dem Induktionsgesetz A Erzeugung mechanischer Kräfte und Leistungen A.3 Elektrische Energieversorgung A.3.1 Erzeugung der elektrischen Energie (Drehstromsynchrongenerator im Kraftwerk) A.3.2 Drehstromsystem A.3.3 Verteilung (Transport) der elektrischen Energie A.3.4 Öffentliche Netze für Groß- und Einzelabnehmer A Drehstromnetze A Wechselstromnetze A 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

2 VIII Inhalt 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

3 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 A (Leerlauf und Belastungsbetrieb) Vierquadrantenbetriebe, Über- und Untererregung, Zeigerdiagramm und Ortskurve A 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 Universalmotoren für Gleich- und Wechselstrombetrieb A Aufbau und Einsatzgebiete A Funktionsweise als Wechselstrommotor und Betriebskennlinien A Variation und Steuerung/Regelung der Drehzahl A.5 Sonderausführungen für steuer/regelbare Antriebe (Servoantriebe) A.5.1 Gleichstromgesteuerte Servoantriebe

4 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 Eigenschaften des bürstenkommutierten Torquemotors A Anwendungen (in gesteuerten oder geregelten Antrieben bzw. Servosystemen) A Bürstenloser (brushles) Torquemotor A Elektronikmotoren mit elektronischer 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

5 Inhalt XI A Scheibenmagnet-Schrittmotor (SM-SM) A Betriebsverhalten des Schrittmotors A Lastwinkel und Haltemoment A Bewegungsvorgang bei Einzelschritten A Drehmoment-Schrittfrequenz-Kennlinie A Leistung und Wirkungsgrad A Ansteuerschaltungen von Schrittmotoren (Steuerelektronik) A Schrittmotor-Steuerungen und -Steuersysteme A Verschiedene Varianten von Schrittmotor-Treibern A Mikroschrittbetrieb A Schrittmotor als Linearantrieb A.5.5 Asynchron- oder Synchron-Servomotoren mit Umrichtertechnik A.6 Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe A.6.1 Vergleich statischer und dynamischer Betrieb A.6.2 Statischer Betrieb A Statische Motor- und Last-Kennlinien A Statischer Arbeitspunkt und dessen Stabilität (Stabilitätskriterium) A.6.3 Dynamischer Betrieb A Massenträgheits- und Beschleunigungsmoment A Transformation durch Zwischengetriebe A Zustandsgleichung nach NEWTON (Newtonsches Aktionsprinzip) A Verschiedene Hochlauffunktionen A Linearer Hochlauf (Standard Geschwindigkeits-Zeit-Rampe) A 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 Hochlauf nach grafisch-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

6 XII Inhalt A.8.2 Schutzarten A.8.3 Kühlung A.8.4 Isolation B Elektromechanik B.1 Begriffe, Normung und Darstellung B.2 Mechanische Bauelemente B.2.1 Schalter B.2.2 Leuchtmelder B.3 Elektromechanische Bauteile B.3.1 Relais B.3.2 Halbleiterrelais B Halbleiterrelais für Gleichstrom mit einem bipolaren Leistungstransistor B Halbleiterrelais für Gleichstrom mit MOSFET B Halbleiterrelais für Wechselstrom B Realisierung eines Wechselspannungsrelais mit Thyristoren B Eingangsschaltung mit Potentialtrennung B Steuerschaltung mit Thyristoren B Halbleiterschalter für dreiphasigen Wechselstrom B Schutzbeschaltung für Halbleiterrelais B.3.3 Zeitrelais B.3.4 Schütze B Schütztechnik B Stern-Dreieck-Schütz B Wendeschützschaltung B Zusatzbeschaltung von Schützen B.4 Sicherheitsbaugruppen B.4.1 Sicherheitsschalter B.4.2 Sicherheitsverriegelungen B.4.3 Überwachungsbausteine B.5 Klemmen B.6 Sicherungen C Steuerungen und Regelungen C.1 Digitale Schaltungen C.1.1 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik C Binäres Zahlensystem C Verknüpfungen nach Boole und De Morgan C.1.2 Flipflop und Zähler C.1.3 Digitale Speicher C.1.4 Rechnertechnik C.2 Digital-Analog- (DA) und Analog-Digital-Wandler (AD) C.2.1 Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler)

7 Inhalt XIII C Das R-2R-Leiternetzwerk C Multiplizierender DA-Wandler C Vierquadrantenmultiplizierer C DA-Wandler mit fester Referenzspannung C Datenwandler mit Mikroprozessor-kompatibler Schnittstelle C Fehler bei der Datenumsetzung C.2.2 Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) C Integrierende Analog-Digital-Wandler C Analog-Digital-Wandler nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation C Die Abtast- und Halteschaltung (Sample and Hold) C 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 Schaltfunktionen 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 Geräte für Prozeßbedienung und Prozeßvisualisierung C.3.9 Vernetzung von SPS-Systemen Übungsaufgaben Weiterführende Literatur Normen und Richtlinien C.4 Numerische Steuerungen (NC) C.4.1 Einführung und Übersicht

8 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 C Analoge und digitale Regler C Grundstruktur einer Regelung und Anforderungen C Beispiele aus der Praxis C.6.2 Berechnung von 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 D Einführung in die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 507 D.1 Definition und Begriffe D.2 Physikalische Größen und Einheiten

9 Inhalt XV D.3 Elektromagnetische Kopplung D.3.1 Leitungsgebundene Kopplungen D.3.2 Die Wellenlänge Lamda (l) als Maßstab D.3.3 Gestrahlte Kopplungen D Verringerung von Kopplungen durch Schirmung D.4 Funkentstör-Bauelemente D.4.1 Kondensatoren D.4.2 Induktivitäten D.4.3 Filter D.4.4 Spezielle Entstörbauelemente D.4.5 Schirmgehäuse und Schirmmaterialien D.5 Forderungen und Maßnahmen zur Realisierung der EMV D.5.1 Eigenschaften von Signalen, Störabstand und parasitäre Effekte D.5.2 Gesetzliche Vorgaben D.5.3 Normen D Fachgrundnormen und Grundnormen D Produktfamilien-Normen und Produktnormen D Sonstige Normen D.6 EG-Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung D.7 Meßtechnik D.7.1 Meßgeräte D.7.2 Dokumentation und Prüfbericht Zitierte Normen Weiterführende Literatur Anschriften E Produktsicherheit E.1 Einführung E.1.1 Erwartungen der Benutzer E.1.2 Gesetzliche Anforderungen E.1.3 Elektrische Ausrüstung E.2 Sicherheit und Gefahr E.2.1 Risiko E.2.2 Risikobewertung E.2.3 Anwendbare Normen E.3 Betriebsbedingungen E.3.1 Umgebungstemperatur der Luft E.3.2 Luftfeuchte E.3.3 Höhenlage E.3.4 Verschmutzung E.3.5 Ionisierende und nichtionisierende Strahlung E.3.6 Vibration und Schock E.3.7 Transport und Lagerung E.3.8 Checkliste der Betriebsbedingungen E.3.9 Anwendbare Normen

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

11 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

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