Elektrotechnisches Institut Elektrische Antriebe und Grundlagen der Elektroenergietechnik PD Dr.-Ing. habil. W. Michalik

Transkript

1 0. Einführung Inhalt 0. Vorbemerkungen 1. Übersicht zu elektrischen aschinen und Antrieben Struktur von Antriebssystemen Begriffe und Definitionen Historische Entwicklung 2. Bewegungen und ihre Beschreibung Systematisierung von Bewegungsvorgängen Drehmomente von elektr. aschinen und Antriebsstrecken Bewegungsarten und physikalische Gesetze Umrechnung von Bewegungsgrößen Antriebsdynamik, Berechnung von Hochlauf- und Stillsetzzeiten Stationäre -N-Kennlinien Der geregelte Antrieb 3. Verluste und thermische Auslegung Konstruktionen von Antriebsmotoren Verlustarten und Einzelverluste in Antriebsmotoren im stationären Betrieb Berechnungsverfahren für die Erwärmung von Antriebsmotoren Betriebsarten elektrischer aschinen 4. Grundlage der omentenbildung in elektrischen aschinen omentenbildung stromdurchflossenen Leitern omentenbildung durch Ausnutzung der magnetischen Vorzugsrichtung 5. Gleichstrommaschinen (G) Einführung und Übersicht Betriebsverhalten von G Drehzahlstellen G Antriebe G und GS-Pulssteller als Stellglied Betrieb des G über netzgeführte Gleich- und Wechselrichter Drehmomenteinprägung durch Stromregelung 6. Drehstrommaschinen Einführung und Übersicht Aufbau und Drehfelderzeugung Drehstrom-Asynchronmaschinen (DAS) Einführung, Aufbau und Übersicht Drehzahlstellen DAS Einphasen-AS (EAS) Drehstrom-Synchronmaschinen (DS) Einführung, Aufbau und Übersicht Drehzahlstellen DS 7. Stellantriebe Einführung und Übersicht Schrittmotore, Aufbau und Betriebsverhalten Skript Aktorik -Akt04_01.doc 1

2 Schreibweise von Formelzeichen Dargestellt am Beispiel der allgemeinen physikalischen Größe g: g, g(t) -Augenblickswert, Zeitfunktion der physikalischen Größe g = {g} [g] {g} -aßzahl der physikalischen Größe [g] -aßeinheit der physikalischen Größe ĝ -Amplitude (Scheitelwert) der physikalischen Größe g -Betrag der physikalischen Größe g -Differenz zweier Werte, kleine Abweichung von einem Arbeitspunkt g(s), g(z) -Größe im Laplace-Unterbereich, im z-unterbereich g = Re g + jim g jωt j = g e e ϕ g -komplexer Augenblickswert, rotierender Zeiger { } { } g G einer physikal. Wechselgröße der Kreisfrequenz ω und dem Nullphasenwinkel ϕ g oder Darstellung von vektoriellen Größen (bei Verwechslungsgefahr Zeigern g ) -ruhender Effektivwertzeiger (in Zeigerbildern) oder Impedanz Literatur: [1] Schönfeld, R.: Elektrische Antriebe, Bewegungsanalyse, Drehmomentsteuerung, Bewegungssteuerung, Berlin: Springer Verlag 1995 [2] Riefenstahl, U.: Elektrische Antriebstechnik. Stuttgart und Leipzig: B. G. Teubner 2000 [3] VE-Handbuch: Die Technik der elektrischen Antriebe, Band 1: Grundlagen, 5.Auflage. Berlin: Verlag Technik 1974 [4] VE-Handbuch: Die Technik der elektrischen Antriebe, Band 2: Antriebstechnik in der Praxis. Berlin: Verlag Technik 1964 [5] Vogel, J.: Elektrische Antriebstechnik, 6. Aufl. Heidelberg: Hüthig Verlag 1998 [6] Kümmel, F.: Elektrische Antriebstechnik, Teil 1, aschinen; Teil 2, Leistungsstellglieder; Teil 3, Antriebsregelung - feldorientiert geregelte Drehstromantriebe, Busvernetzungen. Berlin: VDE Verlag 1986 bis 1998 [7] Brosch, P.: oderne Stromrichterantriebe, Vogel Buchverlag, 1998 ISBN [8] Fischer, R.: Elektrische aschinen Hanser, ünchen, 9. Auflage, 1995 [9] Spring, E.: Elektrische aschinen eine Einführung Springer, Berlin 1998 [10] Seinsch, H.-O.: Grundlagen elektrischer aschinen und Antriebe Teubner, Stuttgart, 1993 [11] Späth, H.: Elektrische aschinen und Stromrichter Braun, G. Karlsruhe, 1984 [12] Kleinrath, H.: Grundlagen elektrischer aschinen Akademische Verlagsgesellschaft, Wiesbaden, 1975 [13] Stölting, H.-D.: Handbuch elektrischer Kleinantriebe, Carl-Hanser Verlag ünchen, 2001 Kallenbach E. Skript Aktorik -Akt04_01.doc 2

3 1. Übersicht zu elektrischen aschinen und Antrieben 1.1. Struktur elektrischer Antriebssysteme Sollwert Stellsignal Drehstromnetz Energiefluss Steuerelektronik aschine Signalfluss Stellglied otor Bewegung Bild 1.1: Vereinfachte Struktur eines (drehzahlregelbaren) elektrischen Antriebs Signal- und Energiefluss echanische Struktur Energetisches Teilsystem - Energiefluss Elektroenergie (Elektro-) mechanisches Übertragungsglied Leistungselektronisches Stellglied Aktor otor (Generator) Kräfte, Bewegungen Rückmeldungen Stellgröße Physikal. Größen Sensoren eßwerte eßwertverarbeitung Regelung, Steuerung Digitalrechner Informationsverarbeitendes Teilsystem - Informationsfluss Bild 1.2: Der Aktor in einem mechatronischen System Skript Aktorik -Akt04_01.doc 3

4 Sollwert p el (t) el. Hilfsenergie p C (t) p (t) Stellglied otor Getriebe Aktor p p V (t) VG (t) p VS (t) p A (t) Antriebsstrecke Bewegung Bild 1.3: Vereinfachte Struktur eines (drehzahlregelbaren) elektrischen Antriebs Leistungsumsatz bei zeitlich dynamischen Vorgängen (p el (t) elektrische Eingangsleistung, p (t) mechanische Leistung an der otorwelle, p A (t) mechanische Leistung für die Antriebsstrecke, p C (t) mechanische Koppelleistung, p V (t) Verlustleistungen) Bestandteile und Aufgabe: Netz: Stromrichter: otor: mechanisches Übertragungsglied Antriebsstecke antriebsnahe Steuerung u. Regelung Kühleinrichtung an otor und Stellglied - stellt die elektrische Energie bereit, im allgemeinen als Drehstromnetz vorhanden, z.b Hz, 400V - ermöglicht steuernden Eingriff in den elektrischen Energiestrom Hilfe leistungselektronischer Bauelemente - formt elektrische Energie um - wandelt elektrische Energie Hilfe eines agnetfeldes in Bewegung um (N, ) - passt otorbewegung an Antriebsstrecke an, z.b. Kupplung, Getriebe - benötigt mechanische Energie - erfüllt Forderungen der Bewegung N(t), - Abfuhr der Verlustwärme Skript Aktorik -Akt04_01.doc 4

5 Sollwerte Elektroenergiesystem Spannung Strom Stromrichter- Stellglied Drehzahl Bild 1.4: Struktur des Antriebssystems und seine Einbettung in die Umgebung Prozeßautomatisierung Steuerung u. Regelung Elektrische maschine (u. Getriebe) mechanisches System Istwerte Kühlung u. Befestigung Drehmoment Wärme, Vibration Temperatur, Vibration Wechselwirkungen thermische u. konstruktive Umgebung 1.2. Allgemeine Begriffe für elektrische aschinen und Antriebe Auszug aus DIN IEC 34, Teil 1 / VDE 0530, Teil 1 Bemessungsbetrieb: Die Gesamtheit aller elektrischen und mechanischen Größen in Dauer und zeitlicher Folge, wie sie für die aschine vom Hersteller festgelegt und auf dem Leistungsschild angegeben sind. Die aschine erfüllt dabei die vereinbarten Bedingungen. Bemessungsgröße: Größe zur Kennzeichnung des Bemessungsbetriebes. Bemessungsleistung eines otors ist die mechanische, an der Welle verfügbare Leistung. Bemessungsleistung eines Generators ist die an den Klemmen abgegebene elektrische Leistung (Gleichstromgeneratoren in W, Wechselstromgeneratoren Scheinleistung in VA Angabe des Bemessungsstromes und des cos ϕ) Belastung: Der durch die Gesamtheit der elektrischen und mechanischen Größen gekennzeichnete Zustand, der in einem bestimmten Zeitpunkt durch eine elektrische oder mechanische Belastung an einer elektrischen aschine entsteht. Leerlauf: Lauf der aschine ohne Belastung (aber unter sonst normalen Betriebsbedingungen). Skript Aktorik -Akt04_01.doc 5

6 Volllast: Die höchste festgesetzte Belastung für eine Bemessungsleistung betriebene aschine. Pause: Stillstand der aschine ohne Zufuhr elektrischer Energie und ohne mechanischen Antrieb. Betrieb: Festlegung der Belastung für die aschine einschließlich ihrer zeitlichen Dauer und Reihenfolge sowie gegebenenfalls einschließlich Anlauf, elektrischem Bremsen, Leerlauf und Pausen. Betriebsart: Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb oder periodischer Betrieb, der durch eine oder mehrere Belastungen gekennzeichnete ist und während einer bestimmten Dauer unverändert bleibt, oder nichtperiodischer Betrieb, bei dem sich im allgemeinen Belastung und Drehzahl innerhalb des zulässigen Betriebsbereiches ändern. Thermischer Beharrungszustand: Zustand, bei dem sich die Übertemperaturen an verschiedenen aschinenteilen während einer Stunde um höchstens 2 K ändern. Kühlung: Vorgang, bei dem die Wärme, die durch Verluste in der aschine entsteht, zunächst an ein primäres Kühltel abgegeben wird, dessen Temperatur dadurch steigt. Das erwärmte primäre Kühltel kann durch ein erneuertes Kühltel niedrigerer Temperatur ersetzt oder durch ein sekundäres Kühltel über einen Wärmetauscher gekühlt werden. primäre Kühltel: Flüssigkeit (Wasser, Öl) oder Gas (Luft, Wasserstoff) sekundäre Kühltel: Flüssigkeit (Wasser) oder Gas (Luft), das Wärme über Wärmetauscher übernimmt. Steuerung: Kennzeichen des Steuerns ist der offene Wirkungsablauf in jedem Übertragungsglied oder in der Steuerkette. Die Ausgangsgrößen werden von den Eingangsgrößen und von den Störgrößen beeinflusst. Regelung: Kennzeichen des Regelns ist ein geschlossener Wirkungsablauf. Die zu regelnde Größe (Regelgröße) wird fortlaufend erfasst (Istwert), einer Führungsgröße (Sollwert) verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird die Stellgröße abgeleitet. Störgrößen werden weitgehend ausgeregelt. Elektrische aschinen sind elektromechanische Energiewandler, die in beiden Richtungen - Generator- und otorbetrieb - Energie umwandeln können. Die Energieumwandlung erfolgt über ein agnetfeld (elektromagnetische Energiewandler). Transformatoren werden als elektromagnetische Energiewandler zu den elektrischen aschinen gezählt. Elektrische Energie wird wieder in elektrische Energie bei gleichbleibender Frequenz aber Skript Aktorik -Akt04_01.doc 6

7 unterschiedlicher Spannung - Umspanner, Leistungstransformatoren -, unterschiedlicher Ströme - Stromwandler-, unterschiedlicher Phasenzahl - Stromrichtertransformatoren -oder unterschiedlicher Impedanz - Übertrager - gewandelt. Drehfeldmaschinen funktionieren auf Basis eines Drehfelds. Drehstrommaschinen als Hauptvertreter der Drehfeldmaschinen besitzen ein rotierendes agnetfeld, ein (Kreis-)Drehfeld, und werden am Drehstromnetz betrieben. Drehfeldmaschinen kleiner Leistung werden als Wechselstrommotoren ausgeführt und auch am Wechselstromnetz angeschlossen. it Hilfe phasenschiebender Elemente entsteht ein elliptisches Drehfeld. Kommutatormaschinen umfassen Gleichstrommaschinen, Bahnmotoren und Universalmotoren. Gleichstrommaschinen besitzen ein elektrisch oder Permanentmagnet erregtes Gleichfeld und wandeln die im Anker (Läufer) vorhandenen Wechselgrößen Hilfe des Kommutators (Stromwender) in Gleichgrößen an den Bürsten (Stromabnehmern) um. Ausgewählte Betriebsfälle elektrischer aschinen: Hochlauf ist der Vorgang nach Einschalten der Netzspannung und nach Ausbildung des agnetfeldes bei einer vorher stillstehenden aschine Stillsetzen, (Ab)Bremsen ist ein Vorgang, bei dem die kinetische Energie einer laufenden aschine vollständig entnommen wird. Die Energie kann ins Netz zurückgespeist werden - elektrische Nutzbremsung- oder in Wärme umgewandelt werden - Gegenstrombremsung, Einphasenbremsung, Gleichstrombremsung oder mechanische Bremsung. Senkbremsen ist ein Vorgang, bei dem bei einer (aktiven) durchziehenden mechanischen Last für ein Energiegleichgewicht (konstante Drehzahl) gesorgt wird, indem ein Schnittpunkt zwischen otor- und Lastkennlinie bei negativer Drehzahl herbeigeführt wird. Reversieren ist ein Vorgang zur Umsteuerung eines otors in die andere Drehrichtung. Beim Drehstrommotor wird er durch eine Vertauschung zweier Phasen (Anschlüsse) des speisenden Systems eingeleitet und besteht hier aus einer Gegenstrombremsung (untersynchroner Bremsung) auf Drehzahl Null und anschließendem Hochlauf in der anderen Drehrichtung. Skript Aktorik -Akt04_01.doc 7

8 1.3. Historische Entwicklung 1820 Kraft auf agnetnadel nahe eines stromdurchflossenen Leiters (Oersted) 1831 Induktionsgesetz (Faraday) 1878 Patent über den DAS Käfigläufer v. Doliwo-Dobrowolski 1880 Anwenden von Elektromotoren zum Betrieb von aschinen und Fahrzeugen 1891 Drehstrom-Fernübertragung Lauffen-Frankfurt (Pumpenmotor) seit etwa 1920 Übergang vom Zentralantrieb (mechanische Transmission) zum Gruppenantrieb, Bewegungserzeugung durch entwickelte Getriebetechnik seit etwa 1940 Anwendung umfangreicher Schützen- und Relaissteuerungen für verkoppelte Antriebe, Drehzahlregelung aschinenverstärkern seit etwa 1950 breite Anwendung analog geregelter Antriebe agnetverstärkern oder Gasentladungsstromrichtern als Stellglieder und Elektronenröhren sowie ersten Transistoren als Regelverstärker seit etwa 1965 breite Anwendung der Leistungselektronik und Transistortechnik seit etwa 1975 breite Anwendung tel- und hochintegrierter Schaltkreise in der Regelung, erste hybride und digitale Regelungen seit etwa 1990 weitere Dezentralisierung und Vernetzung von Antrieben über Bussysteme, intelligente SPS-Erweiterungen für Antriebsregelungen, Einsatz des Internet für die Antriebssteuerung und Fernüberwachung Skript Aktorik -Akt04_01.doc 8

9 Zentralantrieb Transmission 1870 für alle aschinen 3 Transmission aschine1 aschine2 Gruppenantrieb ab 1930 für alle Bewegungen einer aschine 3 3 G aschinenumformer als Stellglied aschine1 aschine2 Einzelantrieb ab 1960 jeder Bewegung (Achse) 3 3 leistungselektronischem Stellglied 3 aschine1 aschine2 mechanisches Übertragungsglied leistungselektronisches Stellglied Skript Aktorik -Akt04_01.doc 9

10 otoren für kontinuierliche Drehbewegungen Gleichstrommotoren Universalmotoren für Gleich- und Wechselstrom Einphasen- Wechselstrommotoren Drehstrommotoren Ständerwicklung wird in Abhängigkeit von der Läufer - stellung elektronisch gesteuert (Gleichstrommotoren elektronischem Kommutator) Anstelle der Ständerwicklung Permanentmagnete Ständerwicklung wird aus einem gesonderten Netz gespeist Ständerwickling und Läuferwicklung sind parallel geschaltet (Fremderregte Gleichstrommmotoren) (Gleichstrom- Nebenschlussmotoren ) Einsträngige Ständerwicklung Ständerwickling und Läuferwicklung sind in Reihe geschaltet (Gleichstromund Einphasen- Wechselstrom- Reihenschlussmotoren) Ständerwicklung besteht aus einem Haupt- und einem Hilfsstrang Hilfsstrang wird zum Anlassen über Widerstände oder Kondensatoren kurzzeitig an das Netz gelegt Hilfsstrang liegt über einem Kondensator dauernd am Netz. Zum Anlassen auch Parallel - schaltung eines weiteren Kon densators parallel zum Betriebs kondensator (otoren Anlauf-Hilfsphase) (Kondensatormotoren) Hilfsstrang ist kurzgeschlossen und dauernd eingeschaltet (Spaltpolmotoren) Symmetrische dreisträngige Ständerwicklung; it Hilfe von Kondensatoren oder Widerständen Betrieb am Einphasennetz möglich Kommutatoranker festem Bürstensatz; Bürsten werden direkt dem Netz verbunden Polrad Permanentmagneterregung; ggfs. auch Reluktanzoder Hystereseläufer Kommutatoranker festem Bürstensatz Kommutatoranker beweglichem Bürstensatz; Bürsten kurzgeschlossen (Repulsionsmotoren) Käfigläufer Käfigläufer (Käfigläufermotoren) assivläufer aus ferromagnetischem aterial (assivläufermotoren) Zwischenläufer aus dünnem unmagnetischen aterial Polrad permanentmagnetischer Erregung (otoren polarisiertem Läufer) Reluktanzläufer Anlaufkäfig (Ferrarismotoren) (Reluktanzmotoren) Hystereseläufer (Hysterese -motoren) n 0 n Nebenschlussverhalten (Nebenschlussmotoren) n Reihenschlussverhalten (Reihenschlussmotoren) n s n n s n n s n Asynchrones Verhalten (Asynchronmotoren) n s n Synchrones Verhalten (Synchronmotoren) Skript Aktorik -Akt04_01.doc 10

11 Bild 1.5: Konstruktionen elektrischer aschinen (Normalkonstruktionen) Läufer Käfigläufer Schleifringläufer Polrad (el. err.) Polrad (perm. err.) Kommutatorläufer Ständer Drehstromständer DAS Käfigläufer DAS Schleifringläufer DS Innenpolläufer DS als Servomotor (Dynamo) DS- Kommutatormaschine permanenterr. St. Wirbelstrombremse permanenterregte DS als Außenpolmasch. permanenterregte G Vollpolständer WS- Spaltpolmotor Außenpol- DS Schrittmotor (z ps z pr ) Gleichstrommotor oder WS- Universalmaschine Bild 1.6: Sonderkonstruktionen elektrischer Antriebsmotoren Doppelständer- Linearmotor Einständer- Linearmotor WS- Spaltpolmotor (20 W) WS- Spaltpolmotor (100 W) Scheibenläufer- Servomotor Univeralmotor (stets z p =1) Reluktanzläufer aus Käfigläufer Reluktanzläufer Flusssperren Skript Aktorik -Akt04_01.doc 11

12 Bild 1.7: Übersichten zu rotierenden elektrischen aschinen Auswahl Ständer Läufer Wicklungen auf Einzelpolen Kommutatorwicklung Drehstromwicklung Asynchronmaschine Käfigläufer Spaltpolmotor Kurzschlusswicklung Drehstromwicklung Schleifringen Drehstrom- Kommutatormotor Gleichstrommaschine, Universalmotor Asynchron- Schleifringläufermaschine Außenpol- Synchronmaschine Schrittmotor Elektronikmotor Wicklung auf Einzelpolen, Gleichstromwicklung oder Permanentmagnet Innenpol-Synchronmaschine Skript Aktorik -Akt04_01.doc 12

13 Skript Aktorik -Akt04_01.doc 13