EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007

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1 Mechatronik Modul 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen Schülerhandbuch (Konzept) Matthias Römer Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007 Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation Mechatronik für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion. Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogramms der Europäischen Union für die berufliche Bildung Leonardo da Vinci.

2 Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung des Teachwarekonzepts Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn Teachwearkonzept: Modul 1: Grundlagen Modul 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement Modul 3: Fluidtechnik Modul 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen Modul 5: Mechatronische Komponenten Modul 6: Mechatronische Systeme und Funktionen Modul 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice Modul 8: Fernwartung, Diagnose Weitere Informationen: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet: 2

3 Elektrische Antriebe und Steuerungen Minos Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Elektrotechnik Einleitung Aufgabengebiete der Elektrotechnik Energie- und Antriebstechnik Automatisierungstechnik Elektronik Nachrichtentechnik Geschichte der Elektrotechnik Spannung, Strom und Widerstand Elektrische Ladung und Spannung Elektrische Stromstärke Elektrischer Widerstand Spezifischer elektrischer Widerstand Elektrische Leistung und Arbeit Elektrischer Stromkreis Parallel- und Reihenschaltung Schaltung von Meßgeräten Gleichspannung Wechselspannung Induktive und kapazitive Lasten Darstellung elektrischer Schaltungen Elektrische Betriebsmittel Schaltpläne Elektrische Betriebsmittel Schalter und Taster Grenztaster Druckschalter Meldegeräte Relais und Schütze Einfache Grundschaltungen Elektrische Selbsthaltung Schrittketten Schaltpläne für Pneumatik und Hydraulik Schutzarten

4 Minos Elektrische Antriebe und Steuerungen 2 Speicherprogrammierbare Steuerungen Einleitung Geschichte der SPS Vergleich von VPS und SPS Vorteile und Nachteile einer SPS Aufbau einer SPS Bauformen einer SPS Funktion einer SPS Programmablauf an einer SPS Grundlagen der Digitaltechnik Bit und Byte Zahlensysteme Binärsystem Hexadezimalsystem BCD-Zahlensystem Ganzzahlen Gleitkommazahlen Binäre Verknüpfungen UND-Verknüpfung ODER-Verknüpfung Verneinung Bejahung NAND (UND-NICHT) NOR (ODER-NICHT) Inhibition Implikation Äquivalenz Antivalenz Speicher Schaltalgebra Programmierung einer SPS Strukturierte Programmierung Deklaration von Variablen Anweisungen Anweisungsliste AWL Kontaktplan KOP Funktionsbausteinsprache FBS Ablaufsprache AS Strukturierter Text ST Zeitgeber Zähler Speicher Schrittketten

5 Elektrische Antriebe und Steuerungen Minos 3 Elektrische Antriebe Einleitung Elektrische und magnetische Felder Elektrisches Feld Magnetisches Feld Induktion Grundlagen der Stromversorgung Stromerzeugung Stromtransport und -verteilung Transformatoren Idealer Transformator Realer Transformator Drehende elektrische Maschinen Einleitung Drehfeldmaschinen Drehmoment und Leistung Asynchronmotoren Kurzschlussläufer Kurzschlussläufermotoren für Einphasenwechselstrom Stromwendermotoren Schaltungen von Gleichstrommotoren Universalmotoren Fehler an Stromwendermotoren Sonstige Motoren Synchronmotoren Schrittmotoren Steuern von Drehfeldmotoren Anlassschaltungen für Drehstrommotoren Ansteuerung von Stromwendermaschinen Motorschutz Isolierstoffklassen Betriebsarten Betriebssicherheit Schutzmaßnahmen Fehlerschutz Elektromagnetische Verträglichkeit EMV

6 Minos Elektrische Antriebe und Steuerungen 6

7 Elektrische Antriebe und Steuerungen Minos 1 Grundlagen der Elektrotechnik 1.1 Einleitung Die Elektrotechnik beinhaltet die Gesamtheit der technischen Anwendungen, bei denen die Wirkungen des elektrischen Stroms sowie die Eigenschaften von elektrischen und magnetischen Feldern ausgenutzt werden. Dazu gehört die Erzeugung der elektrischen Energie, ihre Übertragung und ihre Nutzung. Dabei wird die elektrische Energie nicht nur zum Antrieb von Maschinen genutzt, sondern auch im Bereich der Mess-, Steuer- und Regeltechnik. In Computern wird die Elektroenergie ebenso genutzt wie auch zur Übermittlung von Informationen in der Nachrichtentechnik. Moderne Maschinen oder Anlagen sind ohne die Verwendung elektrischer Energie kaum noch vorstellbar. Auch für den Mechaniker ist es deshalb von Vorteil, ein Grundwissen über die Funktion von elektrischen Komponenten zu besitzen. Dazu gehört auch das Lesen können von elektrischen Schaltplänen. An manchen Bauteilen sind auch verschiedene Energieformen zu finden. Viele Ventile werden beispielsweise elektrisch betätigt, steuern jedoch über Flüssigkeiten oder Gase wiederum mechanische Antriebe. Allgemein gilt, dass bei Spannungen von über 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung gefährlich hohe Ströme durch den menschlichen Körper fließen können. Dieser Gefahr, die das Leben bedrohen kann, sollte man sich stets bewusst sein. Für das Arbeiten mit diesen gefährlichen Spannungen benötigt man eine spezielle Ausbildung und die dazugehörige Schaltberechtigung. Arbeiten mit Kleinspannung dürfen von jederman durchgeführt werden. In der praktischen Versuchen bei der Ausbildung wird deshab mit 24 V Gleichspannung gearbeitet. 7

8 Minos Elektrische Antriebe und Steuerungen Aufgabengebiete der Elektrotechnik Die klassische Einteilung der Elektrotechnik erfolgte in die Starkstromtechnik und die Schwachstromtechnik. Die Starkstromtechnik wird heute als Energietechnik und Antriebstechnik bezeichnet. Die Schwachstromtechnik dagegen hat sich zur Nachrichtentechnik entwickelt. Weitere Gebiete der Elektrotechnik sind inzwischen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik. Auch die Elektronik ist ein Teilgebeit der Elektrotechnik. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen Energie- und Antriebstechnik Die frühere Starkstromtechnik wird inzwischen als Energietechnik bezeichnet. Sie befasst sich mit der Erzeugung, der Übertragung und der Umformung elektrischer Energie. Auch die Hochspannungstechnik gehört zur Energietechnik. In den meisten Fällen wird elektrische Energie durch Wandlung aus mechanischer Energie in rotierenden Generatoren erzeugt. Zur Energietechnik gehört aber auch die Antriebstechnik, die sich mit den Verbrauchern elektrischer Energie beschäftigt. Die Antriebstechnik wurde früher ebenfalls als Starkstromtechnik bezeichnet. Sie befasst sich mit elektrischen Maschinen, die elektrische Energie in mechanische Energie umsetzen. Typische Vertreter dieser Maschinen sind Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommaschinen. Im Bereich der Kleinantriebe bestehen jedoch noch viele weitere Typen. Weiterhin wird in der Antriebstechnik an der Entwicklung von Linearmotoren gearbeitet, bei denen die elektrische Energie direkt in eine lineare mechanische Bewegung umgesetzt wird. Das Umwandeln über eine Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung entfällt in diesem Fall. 8

9 Elektrische Antriebe und Steuerungen Minos Automatisierungstechnik In der Automatisierungstechnik werden ein oder mehrere manuelle Arbeitsschritte automatisiert bzw. überwacht. Dazu werden Methoden der Mess-, Steuerungs- und Regelungstecknik, auch als MSR-Technik bezeichnet, verwendet. Bei der Steuerung und Regelung selbst wird dabei vor allem die Digitaltechnik eingesetzt. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Einfache Anwendungen der Automatisierungstechnik sind im Alltag beispielsweise die Temperaturregelungen in Bügeleisen oder Waschmaschinen. Umfangreichere Regelungen werden beispielsweise beim Betrieb von Industrierobotern benötigt. Andere Anwendungen sind die Drehzahlregelung von Motoren. Auch in Kraftfahrzeugen werden Regelungen verwendet, sowohl bei der Steuerung der Motoren als auch als Stabilitätskontrolle beim Fahrwerk. In der chemischen Industrie erfolgt die Regelung der unterschiedlichsten Prozesse mit Hilfe der Automatisierungstechnik. Teilweise überschneiden und ergänzen sich auch die unterschiedlichen Teilbereiche der Elektrotechnik. Da in der Automatisierungstechnik eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben zu realisieren sind, spielt hier die Antriebstechnik auch eine große Rolle. Die Elektronik wiederum spielt in der Antriebstechnik eine große Rolle, da die Antriebe gesteuert oder geregelt werden müssen. Auch werden Antriebe oft mittels Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin wird die Elektronik zur Lastspitzenreduzierung und Energieoptimierung benötigt. 9

10 Minos Elektrische Antriebe und Steuerungen Elektronik Die Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren gehört zum Teilgebiet Elektronik der Elektrotechnik. Als Teilgebiet der Elektronik beschäftigt sich die Mikroelektronik mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise aus Halbleiterelementen. Dazu gehören Bauteile zum einfachen Verknüpfen von Signalen ebenso wie beispielsweise Hauptprozessoren von Computern oder die Prozessoren der dazugehörigen Grafikkarten.. Die Leistungselektronik mit der Entwicklung von Leistungshalbleitern spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle. Mit Frequenzumrichtern wird die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellt, als dies beispielsweise mit Transformatoren möglich ist. Auch die Digitaltechnik wird der Elektronik zugeordnet. Dieses Gebiet umfasst die klassischen Logikschaltungen, die heute mit Transistoren aufgebaut werden. Die Digitaltechnik ist auch Grundlage vieler Steuerungen und damit mit der Automatisierungstechnik verbunden Nachrichtentechnik Die frühere Schwachstromtechnik wird heute als Nachrichtentechnik bezeichnet. Ein anderer Begriff dafür ist Informations- und Kommunikationstechnik. Das Aufgabengebiet der Nachrichtentechnik ist es, mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einem Sender zu einem oder mehreren Empfängern übertragen. Dabei werden Sender und Empfänger auch als Informationsquelle und Informationssenke bezeichnet. Die Informationen sollen dabei möglichst verlustarm übertragen werden. Dies verbessert das Erkennen der Informationen beim Empfänger. Als Hochfrequenztechnik wird der Bereich der Elektrotechnik bezeichnet, der sich mit der Übertragung von Informationen bei hohen Frequenzen beschäftigt. Ein wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist auch die Signalverarbeitung, beispielsweise durch Filterung, aber auch die Kodierung und Dekodierung von Informationen. 10