Elektrische Antriebstechnik

Transkript

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2 Weidauer Elektrische Antriebstechnik

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4 Elektrische Antriebstechnik Grundlagen Auslegung Anwendungen Lösungen von Jens Weidauer 2., überarbeitete Auflage, 2011 Publicis Publishing

5 Vollständige E-Book-Ausgabe von Jens Weidauer, Elektrische Antriebstechnik, ISBN (Printausgabe) 2. Auflage, 2011 ISBN Verlag: Publicis Publishing Publicis Erlangen, Zweigniederlassung der PWW GmbH

6 Geleitwort Elektrische Antriebe sind in immer größer werdendem Maße als elektromechanische Energiewandler die Quelle der Bewegung in Maschinen und Anlagen der Produktion, in der Gebäudetechnik und im Konsumgüterbereich. Seit der Erfindung des elektrodynamischen Prinzips durch Werner von Siemens hat die elektrische Antriebstechnik eine fulminante Entwicklung genommen und ist in immer mehr Bereichen der Technik zum Einsatz gekommen. Dabei wurde bis heute kein Sättigungszustand erreicht, denn es ergeben sich weiterhin neue Anwendungsgebiete für die elektrische Antriebstechnik, in denen bisher z. B. hydraulische Antriebe oder Verbrennungsmotoren zum Einsatz kamen. Besondere Vorteile bietet die vergleichsweise einfache Regelbarkeit der Antriebe, mit der die sich immer höher schraubenden Ansprüche an Genauigkeit und Flexibilität erfüllt werden können. Wesentliche Fortschritte wurden durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger und hochintegrierter Mikrorechner erzielt, die die Berechnung moderner Regelungs- und Überwachungsalgorithmen auf kleinstem Raum gestatten. Und die heute erreichbaren Leistungsdichten in Leistungshalbleitern erlauben die Anwendung elektrischer Antriebstechnik bis in den Gigawatt-Bereich. Während bei geregelten Antrieben früher vor allem Gleichstrommotoren zum Einsatz kamen, so hat es seit der Entwicklung elektronischer Umrichter einen fulminanten Aufstieg der Drehfeldmaschinen gegeben, die neben der Wartungsarmut einen kostengünstigeren Aufbau und lange Lebensdauer bieten. Und die Entwicklung der Motoren ist durch den Einsatz neuer Magnetmaterialien ebenfalls noch lange nicht abgeschlossen. Die Anwendungen für Linearmotoren nehmen weiter zu und in zahlreichen Applikationen wird der Einsatz von getriebelosen Direktantrieben, den sogenannten Torquemotoren, vorangetrieben. Die Technik elektrischer Antriebe ist damit für Forschung und Entwicklung trotz ihrer großen und langen Vergangenheit von unverändert hoher Aktualität. Sie ist mitentscheidend für die Funktionalität und Leistungsfähigkeit einer Maschine oder Anlage, für ihren Wirkungsgrad und damit für den wirtschaftlichen und ressourcenschonenden Mitteleinsatz. Mit dem vorliegenden Buch hat Hr. Dr. Weidauer eine Übersicht der elektrischen Antriebstechnik geschaffen, die dem Fachmann und dem Entscheider wesentliche Orientierung beim Einsatz moderner Antriebstechnik in der Konstruktion von Maschinen und Anlagen bietet. Möge dieses Buch eine große Verbreitung finden und damit den Einsatz moderner, umweltfreundlicher und hohe Wirkungsgrade bietender Technik weiter fördern. Dr. Olaf Rathjen Siemens AG, Bereich A&D Leiter Geschäftsgebiet Motion Control Systems 5

7 Inhaltsverzeichnis 1 Elektrische Antriebe im Überblick Historischer Abriss der Antriebstechnik Aufbau moderner elektrischer Antriebe Systematik elektrischer Antriebe Drehzahlverstellbarkeit Motortyp und Art des Stellgeräts Technische Daten Mechanische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Felder in der Elektrotechnik Entstehung des Drehmoments Lorentzkraft Leiterschleife im Magnetfeld Spannungsinduktion Größen und Gleichungen der Elektrotechnik Bauelemente der Elektrotechnik Konstantantriebe und drehzahlveränderliche Antriebe mit Gleichstrommotor Gleichstromantriebe Der Gleichstrommotor Funktionsprinzip Konstruktiver Aufbau und elektrische Anschlüsse Wartung des Gleichstrommotors Mathematische Beschreibung Regelbarkeit Konstantantriebe mit Gleichstrommotor Aufbau und Anwendungsbereich Nebenschlussverhalten Reihenschlussverhalten Drehzahlveränderliche Antriebe mit Gleichstrommotor Aufbau und Anwendungsbereich Stromrichter Drehzahlgeber für Gleichstromantriebe Regelungsstruktur

8 Inhaltsverzeichnis 5 Konstantantriebe und drehzahlveränderliche Antriebe mit Asynchronmotor Antriebe mit Asynchronmotor Der Asynchronmotor Funktionsprinzip Konstruktiver Aufbau und elektrische Anschlüsse Mathematische Beschreibung Regelbarkeit Konstantantriebe mit Asynchronmotor Aufbau und Anwendungsbereich Anlauf des Asynchronmotors Bremsen des Asynchronmotors Drehzahlveränderliche Antriebe mit Asynchronmotor Aufbau und Anwendungsbereich Drehzahländerung mit Schützen Drehzahländerung mit Frequenzumrichtern Betrieb mit U/f-Steuerung Betrieb mit Vektorregelung Drehzahlgeber Funktionen moderner Frequenzumrichter Allgemeines Leistungsoptionen Elektronikoptionen Prozessschnittstelle Anwenderschnittstelle Regelungs- und Steuerungsfunktionen Servoantriebe Aufbau und Anwendungsbereich Systematik der Servoantriebe Regelfunktionen Motortyp, Art des Stellgeräts Technische Daten Drehzahl- und Lagegeber für Servoantriebe Systematik und Kenndaten Kommutierungsgeber Resolver Sin-Cos-Geber Absolutwertgeber Servoantriebe mit Gleichstrommotor Aufbau und Anwendungsbereich Gleichstrommotoren für Servoantriebe Pulssteller für Servoantriebe mit Gleichstrommotor Regelungsstruktur Servoantriebe mit bürstenlosem Gleichstrommotor (Blockkommutierung) Aufbau und Anwendungsbereich Der bürstenlose Gleichstrommotor

9 Inhaltsverzeichnis Frequenzumrichter für Servoantriebe mit bürstenlosem Gleichstrommotor Regelungsstruktur Servoantriebe mit Synchronmotor (Sinuskommutierung) Aufbau und Anwendungsbereich Der Synchronmotor Frequenzumrichter für Servoantriebe mit Synchronmotor Regelungsstruktur Servoantriebe mit Asynchronmotor Direktantriebe Aufbau und Anwendungsbereich Linearmotor Torquemotor Regelung und Optimierung von Servoantrieben Allgemeine Gütekriterien zur Beurteilung von Regelkreisen Regelkreise bei Servoantrieben Optimierung des Stromregelkreises Optimierung des Drehzahlregelkreises Optimierung des Lageregelkreises Funktionen moderner Servosteller Allgemeines Leistungsoptionen Elektronikoptionen Prozessschnittstelle Anwenderschnittstelle Regelungs- und Steuerungsfunktionen Schrittantriebe Aufbau und Anwendungsbereich Systematik der Schrittantriebe nach Motortyp Technische Daten Der Schrittmotor Allgemeines Permanentmagnetschrittmotor Hybridschrittmotor Ansteuergeräte Regelverhalten Elektrische Antriebssysteme im Überblick Vom Antrieb zum Antriebssystem Systematik elektrischer Antriebssysteme Komponenten in Antriebssystemen Funktionalität von Antriebssystemen Informationsfluss in Antriebssystemen Energiefluss zwischen Antrieben Elektromagnetische Beeinflussungen Auslegung von elektrischen Antrieben als Systemaufgabe

10 Inhaltsverzeichnis 9 Feldbusse für elektrische Antriebe Veranlassung und Funktionsprinzip Übersicht gebräuchlicher Feldbusse AS-Interface Übersicht Topologie, Verkabelung, Physik Zugriffsverfahren CAN Übersicht Topologie, Verkabelung, Physik Zugriffsverfahren Projektierung PROFIBUS DP Übersicht Topologie, Verkabelung, Physik Zugriffsverfahren PROFIBUS DP-V Projektierung PROFINET I/O Übersicht Topologie, Verkabelung, Physik Zugriffsverfahren Gerätebeschreibungen zur Projektierung Prozessregelung mit elektrischen Antrieben Begriffsdefinition Prozessregelung mit Einzelantriebssystemen Komponenten Beispiel: Füllstandsregelung mit Konstantantrieb Beispiel: Druckregelung Beispiel: Aufzugantrieb Prozessregelung mit Mehrantriebssystemen Komponenten Beispiel: Fahrwerksantrieb mit mechanisch gekoppelten Antrieben Beispiel: Beschichtungsanlage mit Zug- und Wickelantrieben Antriebe mit integrierten Technologiefunktionen Motion Control mit elektrischen Antrieben Begriffsdefinition und Funktionen Darstellung und Verarbeitung von Lageinformationen Positionieren Anwendungen und Grundlagen Positioniersteuerung Maschinendaten Lageerfassung, Lageaufbereitung und Referenzieren

11 Inhaltsverzeichnis 11.4 Gleichlauf (Synchronisieren) Anwendungen und Grundlagen Gleichlaufsteuerung Maschinendaten Motion Control mit PLCopen Sicherheitsfunktionen in elektrischen Antrieben Anwendungen und Grundlagen Funktion Sichere Impulssperre Sichere Bewegungsfunktionen Sichere Feldbusse EMV in der elektrischen Antriebstechnik Grundlagen Veranlassung und Begriffsdefinition EMV-Beeinflussungsmodell Koppelmechanismen Mathematische Beschreibung Elektrische Antriebe als Störquelle Galvanische Störungen bei Gleichstromantrieben mit Stromrichter, Gegenmaßnahmen Galvanische Störungen bei Stellgeräten mit Gleichspannungszwischenkreis, Gegenmaßnahmen Galvanische Störungen durch Wechselrichter, Gegenmaßnahmen Feldgebundene Störungen durch den Wechselrichter Feldgebundene Störungen durch digitale Antriebe, Gegenmaßnahmen Elektrische Antriebe als Störsenke Allgemeines Galvanische Störungen, Gegenmaßnahmen Kapazitive Störungen, Gegenmaßnahmen Induktive Störungen, Gegenmaßnahmen EMV-Regeln Auslegung elektrischer Antriebe Vorgehensweise Auswahl der Antriebsart Motorauslegung Vorgehensweise Berücksichtigung des Getriebes Auslegung des Motors nach mechanischen Kenngrößen Thermische Auslegung des Motors Konstruktive Auslegung des Motors Auswahl des Gebers Auslegung des Stellgeräts bei drehzahlveränderlichen Antrieben und Servoantrieben

12 Inhaltsverzeichnis Elektrische Auslegung des Stellgeräts Thermische Auslegung des Stellgeräts Thermische Auslegung der Netzeinspeisung Auslegung der Netzeinspeisung bezüglich der Zwischenkreiskapazität Auslegung des Bremschoppers und des Bremswiderstandes Auswahl der Leistungsoptionen Elektronikoptionen, Zubehör, Verbindungstechnik Auslegungsbeispiel Anwendungsdaten Auslegung Fehlerbehebung bei elektrischen Antrieben Fehlervermeidung und Fehlerbehebung Fehlermöglichkeiten bei elektrischen Antrieben Motorfehler Geberfehler Fehler im Stellgerät Netzfehler Kommunikationsfehler EMV-Probleme Projektierungsfehler Parametrierfehler Fehlermeldungen elektrischer Antriebe Sachwortverzeichnis

13 1 Elektrische Antriebe im Überblick 1.1 Historischer Abriss der Antriebstechnik Elektrische Antriebe wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um und dienen als Mittler zwischen dem elektrischen Netz als Energiequelle und der Arbeitsmaschine als Energieverbraucher. Energiefluss bei motorischem Betrieb Elektrisches Netz Elektrischer Antrieb Arbeitsmaschine Energiefluss bei generatorischem Betrieb Bild 1.1 Elektrische Antriebe als Mittler zwischen Energieversorgungsnetz und Arbeitsmaschine Aufgrund dieser zentralen Stellung im Energiefluss sind elektrische Antriebe zu Schlüsselkomponenten in industriellen Anwendungen, aber auch im Transportwesen und in Konsumgütern geworden. Sie haben die technische Entwicklung auf vielen Gebieten vorangetrieben, waren aber auch selbst Gegenstand zahlreicher Entwicklungsschritte. Die Kernkomponente eines jeden elektrischen Antriebs ist der Elektromotor. Die ihm zugrunde liegenden Naturgesetze wurden zu Beginn des 19. Jh. erkannt. Entdeckung der Grundlagen 1820 bis entdeckte Hans Christian Oerstedt, dass eine Magnetnadel in der Nähe eines stromführenden Leiters abgelenkt wird. Im gleichen Jahr machte André Marie Ampère seine grundlegenden Entdeckungen über die Wechselwirkungen zwischen elektrischen Strömen und Magnetfeldern. Diese Entdeckungen führten zur Entwicklung einer großen Zahl von elektromagnetischen Maschinen, die allerdings nur geringe praktische Bedeutung erlangten, da keine leistungsfähigen elektrischen Energiequellen zur Verfügung standen. Strom wurde aus galvanischen Zellen gewonnen, was einen breiten Einsatz dieser Maschinen verhinderte. Sie konnten sich gegen die Dampfmaschine und die verschiedenen Arten von Gas- und Benzinmotoren nicht durchsetzen. 12

14 1.1 Historischer Abriss der Antriebstechnik Ein wichtiger Schritt wurde 1831 getan. Damals entdeckte Michael Faraday die elektromagnetische Induktion. Dieser Effekt wurde alsbald in Generatoren angewendet erfand Werner von Siemens die Dynamomaschine. Dieser Gleichstromgenerator nutzt den in den Magnetpolen befindlichen Remanenzfluss, um zunächst einen kleinen Induktionsstrom zu erzeugen. Dieser Induktionsstrom wird zum weiteren Aufbau des Erregerfeldes verwendet, so dass sich der Generator zur vollen Leistung aufschaukelt. Aus diesen Generatoren heraus entwickelten sich später die modernen Elektromotoren. Bild 1.2 Elektromotor von Moritz Hermann Jacobi, 1818 Foto: Deutsches Museum München Ein zentrales technisches Problem am Ende des 19. Jh. war die Bereitstellung kleinerer Energiemengen für Arbeitsmaschinen in Gewerbebetrieben. Der Einsatz von Dampfmaschinen erforderte einen hohen Aufwand und war aus Sicherheitsgründen auch nicht überall möglich. Verbreitet waren deshalb Gasmotoren. Diese bekamen durch weiterentwickelte und stetig verbesserte Dynamomaschinen Konkurrenz. Dabei wurden 2 Dynamomaschinen elektrisch verbunden. Eine Maschine arbeitete als Generator, die andere Maschine als Motor. Auf diese Weise konnte die elektrische Energie an einer Stelle erzeugt, über eine längere Entfernung transportiert und an dem Ort, wo sie benötigt wurde, in mechanische Energie zurück verwandelt werden. Man benutzte die Elektroenergie als Ersatz für mechanische Energieübertragungen. Schwerpunkt der Anwendungen waren elektrische Lokomotiven und Straßenbahnen, aber auch erste Maschinenantriebe (z. B. für einen Webstuhl) wurden realisiert. Elektrische Kraftübertragungen 1875 bis tauchte erstmals der Begriff Elektromotor in einem Verkaufskatalog auf beschrieb man die Vorteile des Elektromotors im Vergleich zu Dampfmaschinen und Gasmotoren wie folgt: 13

15 1 Elektrische Antriebe im Überblick Bild 1.3 Froments elektromagnetischer Radmotor (nach Meyers Konversations-Lexikon 1886) Foto: Deutsches Museum München Sie benötigen keine festen Fundamente, sind in beliebigen Lagen montierbar, benötigen wenig Platz und können in bewohnten Räumen verwendet werden. Sie liefern vergleichsweise hohe Drehzahlen, sind in der Drehzahl und Drehrichtung verstellbar, besitzen einen günstigen Wirkungsgrad und sind einfach zu bedienen hatte Michael von Dolivo-Dobrowolski den Drehstrom-Käfigläufermotor erfunden. Von ihm wurde auch der Name Drehstrom geprägt. Bild 1.4 Dynamomaschine Siemens & Halske, 1877 geliefert für das Hüttenwerk Oker. Foto: Deutsches Museum München 14