Handbuch der elektrischen Anlagen und Maschinen

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1 Handbuch der elektrischen Anlagen und Maschinen

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Ekbert Hering. Alois Vogt. Klaus Bressler Handbuch der elektrischen Anlagen und Maschinen Mit 451 Abbildungen Unter Mitarbeit von: Dipl.-Ing. Horst-Herbert Austmann, SEL Alcatel Stuttgart Dipl.-Ing.]ürgen Gutekunst, Murrelektronik GmbH Prof. Dr. Rolf Martin, Fachhochschule Esslingen Prof. Dr. Manfred Reichert, Fachhochschule Aalen Dipl.-Ing. Michael Riedlinger, SEL Alcatel Stuttgart Prof. Dr. Dietmar Schmid, Fachhochschule Aalen t Springer

4 Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Ekbert Hering Fachhochschule Aalen Im Biirglesbiihl Heubach-Lautern Dipl.-Ing. Alois Vogt Eschenweg Konigsbronn Dipl.-Ing. Klaus Bressler Paul-Linke-Weg Ditzingen Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Hering, Ekbert: Handbuch der elektrischen Anlagen und Maschinen / Ekbert Hering ; Alois Vogt; Klaus Bressler. - Berlin; Heidelberg; New York ; Barcelona ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio : Springer, 1999 (VDI-Buch) ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und TabeIIen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfăltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfăltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im EinzeIfaII nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuiăssig. Sie ist grundsătzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Stratbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999 UrsprOnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1999 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1999 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. SoIIte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Veriag keine Gewăhr fiir die Richtigkeit, VoIIstăndigkeit oder Aktualităt iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die voiistăndigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struve & Parlner, Heidelberg HersteIIung: ProduServ GmbH Verlagsservice, Berlin Satz: Fotosatz-Service Kohler GmbH, Wiirzburg SPIN: / O - Gedruckt auf săurefreiem Papier

5 Vorwort Elektrische Maschinen und Anlagen sind das Herzstück unterschiedlichster Anwendungen in der Elektrotechnik und im Maschinenbau. Das vorliegende Werk ist ein kompaktes Lern- und Nachschlagewerk für Studierende und Praktiker angehender und in der Praxis arbeitender Ingenieur der Elektrotechnik und des Maschinenbaus. Es enthält neben der ausführlichen Darstellung der elektrischen Maschinen und Antriebe, deren Verhalten und Anwendungsbereiche auch Hinweise zur Sicherheitstechnik und zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Das Kapitel A erklärt ausführlich die unterschiedlichen Arten, Ausführungen und Einsatzgebiete elektrischer Maschinen und Antriebe. Um die Funktionsweise elektrischer Maschinen und Anlagen zu verstehen, werden in einem kurzen und praxisorientierten Abriss die theoretischen Grundlagen gelegt. Ein Abschnitt über die elektrische Energieversorgung zeigt den Aufbau, die Funktionsweise und diie Bedeutung elektrischer Netze. Im Zentrum der Ausführungen stehen die klassischen Maschinentypen: Gleichstrommotoren als Nebenschluss- und Reihenschluss-Maschine, Generatoren, Drehstrom -Asynchronmaschinen, Drehstrom -Synchronmaschinen sowie Einphasen - Asynchron- bzw. Synchronmaschinen. Elektrische Maschinen werden für immer speziellere Anwendungen eingesetzt. Aus diesem Grunde werden Sonderausführungen immer wichtiger. Als wichtige Vertreter werden unter anderen genannt: Permanenterregte, bürstenkommutierte Scheibenläufermaschienen, bürstenkommutierte und bürstenlose Drehmoment-Motoren (Torque-Motoren), Elektronikmotoren mit elektronischer Kommutierung, Gleichstrommotoren mit eisenlosem Rotor (Glockenankermotor), Servomotoren mit Umrichtertechnik, Schrittmotoren, verschiedene Linearmotoren und Antriebe auf Basis des Piezoeffektes. Für die Einsatzbereiche der elektrischen Motoren und Antriebe sind ihr dynamisches und thermodynamisches Verhalten entscheidend, dem zwei Abschnitte gewidmet sind. Am Schluss des Kapitels A sind die Normen und Richtlinien für die Bauformen, die Schutzarten, für die Kühlung und Isolation zusammengestellt. Im Kapitel B werden die mechanischen Bauelemente, die elektromechanischen Bauteile sowie die Sicherheitsbaugruppen vorgestellt und erläutert. Das Kapitel C erklärt die Steuerungen und Regelungen der elektrischen Maschinen und Anlagen. Insbesondere werden vorgestellt: Digitale Schaltungen, Digital-Analog bzw. Analg-Digital-Wandler, Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), numerische Steuerungen (NC) und Feldbusse. Ein ausführlicher Exkurs in die Regelungstechnik rundet das Kapitel ab. Kapitel D beschäftigt sich mit der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Insbesondere werden die Maßnahmnen zur Realisierung der EMV an Beispielen vorgestellt. Das Verfahren zur CE-Kennzeichnung wird erläutert sowie die Messtechnik für die EMV vorgestellt.

6 VI Vorwort Die Produktsicherheit spielt eine immer wichtigere Rolle. In Kapitel E werden die Maßnahmen gegen mechanische, elektrische, radioaktive, thermische, chemische und biologische Gefahren mit den zugehörigen Normen vorgestellt. Zu danken haben wir zahlreichen Firmen für die Bereitstellung aktueller Fotos und ihre Hilfestellung bei den praktischen Beispielen. Besonders erwähnen möchten wir Herrn Jürgen Wiesinger von der Firma Croydom, Herrn Horst Löffler vom Ing.-Büro Löffler sowie Herrn Michael Schroff von der Firma MAXON MOTOR. Ganz besonderer Dank gebührt dem Springer Verlag, speziell Herrn Thomas Lehnert und Herrn Dr. Hubertus von Riedesei, die in hervorragender Weise dieses Werk betreut haben. Ein herzliches Dankeschön entbieten wir Frau Regina Peters von ProduServ, die in bewährter Weise die komplizierten Bilder gestaltete und für einen professionellen Umbruch sorgte. Nicht vergessen möchten wir unsere Ehefrauen und Kinder, die uns mit viel Verständnis bei der Arbeit begleitet haben. Wir wünschen uns und hoffen, dass dieses Werk den Studierenden der Ingenieurwissenschaften eine gute Hilfe bei der Erarbeitung des Wissens bietet und den Ingenieuren in der Praxis bei ihrer täglichen Arbeit wertvolle Kenntnisse vermittelt. Sehr gerne nehmen wir Kritik und Verbesserungvorschläge aus unserem Leserkreis entgegen. Heubach, Ditzingen und Königsbronn Juli 1999 Ekbert Hering Klaus Bressler Alois Vogt

7 Inhalt A Elektrische Maschinen und Antriebe.... A.l A.l.l A.l.l.l A A A.1.2 A.1.3 A.1.4 A.1.5 A.1.6 A.2 A.2.1 A A A A A.2.2 A A Einführung in elektrische Maschinen und Antriebe Energieumwandlung und Antriebssysteme Einleitung Elektromechanische Energieumwandlung Elektrische Energieumformung Beschreibung eines Antriebssystems... Bedeutung elektrischer Maschinen und Antriebe Projektierung eines Antriebsystems (Schnittstellen) Einsatzgebiete elektrischer Maschinen und Antriebe Innovationen in der Antriebstechnik Theoretische Grundlagen elektrischer Maschinen Elektrischer und magnetischer Kreis Elektrischer Kreis (Stromkreis).... Magnetischer Kreis und Durchflutungsgesetz... Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Kreis Berechnungsbeispiele eines magnetischen Kreises Wirkungen im Magnetfeld.... Spannungserzeugung nach dem Induktionsgesetz Erzeugung mechanischer Kräfte und Leistungen A.3 A.3.1 A.3.2 A.3.3 A.3.4 A A A A.4 A.4.1 A A A A A A A Elektrische Energieversorgung Erzeugung der elektrischen Energie (Drehstromsynchrongenerator im Kraftwerk).... Drehstromsystem.... Verteilung (Transport) der elektrischen Energie Öffentliche Netze für Groß- und Einzelabnehmer Drehstromnetze.. Wechselstromnetze Gleichstromnetze Klassische Maschinentypen Gleichstrom -Maschine (GSM) Allgemeine Übersicht... Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Generators Prinzipieller Aufbau einer Gleichstrommaschine (GSM) Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Motors.... Grundgleichungen und zugeordnete Maschinenkonstanten Ankerstrom-Rückwirkung und ihre Kompensation

8 VIII Inhalt A Aufbau einer sechspoligen GSM.... A A Schaltungsmäglichkeiten und Klemmenbezeichnungen Universelles Schaltbild mit genormten Anschlüssen A Gleichstrom-Nebenschluß-Maschine (GS-NSM).... A Gleichstrom-Reihenschluß-Maschine (GS-RSM).... A Betriebsarten (Vierquadranten-Betrieb), Arbeitspunkte, Nennbetrieb A.4.l.4.1 Vierquadranten-Betrieb.... A Definition Arbeitspunkt AP durch eine Wirkungs-Kausalkette A Nennbetrieb, Leistungs- bzw. Typenschild. A.4.l.5 A.4.l.6 Betriebsverhalten und Kennlinien der GSM Betriebsarten und Kennlinien der GS-NSM A.4.l.6.1 GS-NSM als Generator.... A.4.l.6.2 GS-NSM als Motor, Schaltung und Kennlinien A.4.l.6.3 Geschwindigkeits-Steuerung und -Regelung A.4.l.6.4 Berechnungsbeispiel einer GS-NSM.... A.4.l.6.5 Permanentmagneterregte GS-NSM (PM-GSM) A.4.l.6.6 Normierte Gleichungen und Kennlinien der GS-NSM A.4.l.7 Gleichstrom-Reihenschluß-Maschine (GS-RSM)... A.4.l.7.1 Betriebsarten und Kennlinien der GS-RSM.... A.4.l.7.2 Berechnungsbeispiel einer GS-RSM mit nichtlinearer Magnetisierungskurve A.4.l.7.3 Berechnungsbeispiel einer GS-RSM mit linearer magnetischer Aussteuerung A.4.l.8 Leistungsbilanz, Wirkungsgrad und Leistungsgrenzen der GSM A.4.l.9 Anwendung von Gleichstrommaschinen.... A.4.2 A A Drehstrom-Asynchronmaschine (DS-ASM).... Allgemeine Übersicht und Einsatzgebiete von Asynchronmaschinen 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 A Wirkungsweise der DS-ASM (Schlupf- oder Induktionsmaschine) 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 134 A Grafische Ermittlung der Schlupfbezifferung (s-skala) A Schlupfbezifferung mit Vorwiderständen beim Schleifringläufer 136 A Ermittlung verschiedener Kennlinien aus der Stromortskurve 138 A Betrieb der DS-ASM

9 Inhalt AA AA AA AA.2.5A AA AA AA.2.6 AA AA AA AA.2.7 AA AA AA.3 AA.3.1 AA.3.2 AA.3.3 AA.3A AAA AAA.l AAA.2 AAA.2.1 AAA.2.2 AAA.3 AAA.3.1 AAA.3.2 AAAA AAA.5 AAA.5.1 AAA.5.2 AAA.6 A.4A.7 AA A A AAA.8.1 A A A.4.5 A A AA.5.3 Klemmenbrett und verschiedene Anschlußmöglichkeiten.... Einschalten und Hochlauf (Stern-Dreieck-Anlauf).... Kennlinien für verschiedene Vorwiderstände beim Schleifringläufer Leistungen und Wirkungsgrad.... Typen- oder Leistungsschild und Datenblatt. Drehzahlsteuerung Varianten von Drehstrom-Asynchronmotoren Stromverdrängungsläufer: Keilstab-, Tropfenstab-, Hochstabund Doppelstabläufer.... Polumschaltbare Kurzschlußläufer.... Schleifringläufer mit Vorwiderständen.... Berechnungsbeispiele für Drehstrom-Asynchronmaschinen Berechnungsbeispiel eines DS-ASM -SRL (Schleifringläufers ) Berechnungsbeispiel eines DS-ASM -KL (Käfigläufers) mit Stern-Dreieck-Anlauf.... Einphasen-Asynchronmaschine (EP-ASM).... Der reine Einphasenmotor (ohne Hilfswicklung)... Einphasenasynchronmotor mit Hilfswicklung (Kondensatormotor) Einphasen-ASM mit Widerstandshilfsphase Der Spaltpolmotor Drehstrom-Synchronmaschine (DS-SM) Allgemeine Übersicht und Einsatzgebiete Aufbau und Wirkungsweise der Drehstrom-Synchronmaschine (DS-SM) Stator und Drehfeld.... Vollpol- und Schenkelpol-Rotor, Synchronbetrieb.... Drehstrom-Synchronmaschine als Generator im Kraftwerk.... Leerlauf und Belastungsbetrieb, Dauer- und Stoß-Kurzschlußbetrieb Synchronisation im Netzbetrieb... Drehstrom-Synchronmaschine als Motor (Leerlauf und Belastungsbetrieb )..... Vierquadrantenbetriebe, über- und Untererregung, Zeigerdiagramm und Ortskurve.... Mechanischer und elektrischer Vierquadrantenbetrieb, Zeigerdiagramme.... Ortskurve in der komplexen Darstellung (komplexe Zahlenebene) Drehmoment-Lastwinkel-Kennlinie... Anlaufverfahren bei Synchronmaschinen.. Synchronisierung von Synchrongeneratoren Anlauf von Synchronmotoren Sonderbauarten von Synchronmotoren... Reluktanzmotor.... Einphasensynchronmotor, Hysteresemotoren (EP-SM) Synchron -Kleinstmotoren Universalmotoren für Gleich- und Wechselstrombetrieb Aufbau und Einsatzgebiete.... Funktionsweise als Wechselstrommotor und Betriebskennlinien Variation und Steuerung/Regelung der Drehzahl IX A.5 A.5.1 Sonder aus führungen für steuer/regelbare Antriebe (Servo antriebe) Gleichstromgesteuerte Servoantriebe

10 x A A A A A A A A A A A A.5.1.2,4 A A A A A.5.1.3,4 A A A A A.5.2 A A A A.5.2,4 A A A A.5.3 A A A A.5.3,4 A A A A A A.5,4 A.5,4.1 A.5,4.2 A.5,4.2.1 A.5,4.2.2 A.5,4.2.3 Permanenter regte, bürstenkommutierte Scheibenläufermaschinen Funktionsprinzip und Aufbau Formeln und Kennlinien.... Besondere Eigenschaften und Vorteile Scheibenläufer-Antriebspakete.... Anwendungsbereiche.... Datenblätter und Auswahl von Scheibenläufertypen Bürstenkommutierte Drehmoment-(Torque-)Motoren für Direktantriebe.... Aufbau und Wirkungsweise Eigenschaften des bürstenkommutierten Torquemotors Anwendungen (in gesteuerten oder geregelten Antrieben bzw. Servo systemen).... Bürstenloser (brushles) Torquemotor.... Elektronikmotoren mit elektronischer Kommutierung Elektronisch kommutierter (EC-) Motor (Elektronikmotor ) Elektronische Block- oder Sinus-Kommutierung.... Systembeschreibung (EC-Motor, Winkelgeber und Sinusverstärker) Vorteile und Anwendungsgebiete DC-Motoren mit eisenlosem Rotor (Glockenankermotor). Bürstenbehaftete, mechanische kommutierte DC-Motoren (Ausführung Glockenanker).... Bürstenlose, elektronisch kommutierte DC-Glockenankermotoren Einsatzgebiete.... Linearantriebe.... Vergleich linearer Direktantrieb gegen Zahnstangen, Spindeln und Exzenter Lineare Piezoantriebe.... Magnetostriktionsantriebe.... Proportionalmagnete, Magnetmotor Gleichstrom -Linearmotoren Reluktanz-Linearantrieb.... Magnedager.... Piezostelltechnik (Piezotranslator PZT, Piezo Walk Drive, Inchworm Drive).... Einleitung und Anwendungsgebiete.... Grundlagen der peizoelektrischen Stell technik. Erreichbare Ausdehnung eines PZT-Translators Dynamischer Betrieb.... Ansteuerung von Piezotranslatoren Positionsgeregeher Betrieb... Erwärmung des Piezotranslators.. Bauformen piezoelektrischer Stellelemente Piezo-Wanderantrieb (Piezo Walk Drive) Schrittmotoren (Stepper Motor).... Einleitung und Einsatzgebiete.... Verschiedene Bauformen, Aufbau, Wirkungsweise Reluktanz-Schrittmotor Schrittmotor mit Permanentmagnet (PM-Schrittmotor) Hybrid-Schrittmotor.... Inhalt

11 Inhalt A Scheibenmagnet-Schrittmotor (SM-SM) A Betriebsverhalten des Schrittmotors.. A Lastwinkel und Haltemoment A A A A A A A A A.5.5 A.6 A.6.1 A.6.2 A A A.6.3 A A A A A A A A.6.4 A A A A.7 A.7.1 A.7.2 A A A A A A A A.7.3 A A A A A A.8 A.8.1 Bewegungsvorgang bei Einzelschritten Drehmoment -Schrittfrequenz-Kennlinie Leistung und Wirkungsgrad.... Ansteuerschaltungen von Schrittmotoren (Steuerelektronik) Schrittmotor-Steuerungen und -Steuersysteme... Verschiedene Varianten von Schrittmotor-Treibern Mikroschrittbetrieb.... Schrittmotor als Linearantrieb.... Asynchron- oder Synchron-Servomotoren mit Umrichtertechnik Dynamisches Verhalten elektrischer Antriebe. Vergleich statischer und dynamischer Betrieb Statischer Betrieb.... Statische Motor- und Last-Kennlinien.... Statischer Arbeitspunkt und dessen Stabilität (Stabilitätskriterium) Dynamischer Betrieb.... Massenträgheits- und Beschleunigungsmoment.... Transformation durch Zwischengetriebe.... Zustandsgleichung nach NEWTON (Newtonsches Aktionsprinzip ) Verschiedene Hochlauffunktionen.... Linearer Hochlauf (Standard Geschwindigkeits-Zeit-Rampe)... Exponentieller Hochlauf (Zeitkonstanten).... Graphisch-rechnerische Ermittlung des Hochlaufs (allgemeiner Fall) Berechnungsbeispiele.... Linearer Hochlauf mit Gleichstrom-Permanentmagnetomotor... Exponentieller Hochlauf mit Gleichstrom -Permanentmagnetmotor Hochlauf nach grafisch-rechnerischer Lösungsmethode Thermodynamisches Verhalten Allgemeines.... Betriebsarten und thermisches Verhalten (Erwärmungskurven) Dauerbetrieb Berechnungsbeispiel thermischer Dauerbetrieb.... Kurzzeitbetrieb Berechnung der Beharrungstemperatur bei vorgegebener Einschalt - oder Betriebsdauer.... Ermittlung der erforderlichen Stillstands- oder Abkühlungsdauer Berechnungsbeispiel thermischer Kurzzeitbetrieb Aussetzbetrieb, periodischer Ein! Ausschaltbetrieb (intermittierender Betrieb).... Bestimmung der Motorleistung vom Aspekt der Erwärmung Motorleistung bei Dauerbetrieb Motorleistung bei Kurzzeitbetrieb.... Motorleistung bei Aussetzbetrieb.... Motorleistung bei stark wechselnder Belastung Berechnungsbeispiel für intermittierenden Betrieb Normrichtlinien: Bauformen, Schutzarten, Kühlung und Isolation Bauformen.... XI

12 XII A.8.2 A.8.3 A.8A Schutzarten Kühlung. Isolation Inhalt B B.1 B.2 B.2.1 B.2.2 B.3 B.3.1 B.3.2 B B B B B B B.3.2A B B.3.3 B.3A B.3A.1 B.3A.2 B B.3AA BA BA.1 BA.2 BA.3 B.5 B.6 Elektromechanik Begriffe, Normung und Darstellung Mechanische Bauelemente Schalter... Leuchtmelder Elektromechanische Bauteile Relais.... Halbleiterrelais Halbleiterrelais für Gleichstrom mit einem bipolaren Leistungstransistor.... Halbleiterrelais für Gleichstrom mit MOSFET Halbleiterrelais für Wechselstrom.... Realisierung eines Wechselspannungsrelais mit Thyristoren Eingangsschaltung mit Potentialtrennung..... Steuerschaltung mit Thyristoren Halbleiterschalter für dreiphasigen Wechselstrom Schutzbeschaltung für Halbleiterrelais Zeitrelais.... Schütze.... Schütztechnik Stern-Dreieck-Schütz. Wendeschützschaltung Zusatzbeschaltung von Schützen Sicherheitsbaugruppen. Sicherheitsschalter.... Sicherheitsverriegelungen Überwachungs bausteine Klemmen.. Sicherungen ( C.1 c.l.l c.l.l.l C C.1.2 C.1.3 C.1.4 C.2 C.2.1 Steuerungen und Regelungen Digitale Schaltungen Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik Binäres Zahlensystem Verknüpfungen nach Boole und De Morgan Flipflop und Zähler Digitale Speicher.... Rechnertechnik.... Digital-Analog- (DA) und Analog-Digital-Wandler (AD) Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler)

13 Inhalt C C.2.l.2 C.2.l.3 C C C C.2.2 C C C C.2.2A C.3 C.3.1 C.3.2 C.3.3 C C C.3A C.3A.1 C.3A.l.l C.3A.l.2 C.3A.2 C.3A.3 C.3AA C.3AA.1 C.3AA.2 C.3A.5 C.3A.6 C.3A.7 C.3.5 C C C C.3.5A C C C.3.6 C C C.3.7 C.3.8 C.3.9 CA CA.1 Das R-2R-Leiternetzwerk... Multiplizierender DA-Wandler Vierquadrantenmultiplizierer. DA-Wandler mit fester Referenzspannung. Datenwandler mit Mikroprozessor-kompatibler Schnittstelle Fehler bei der Datenumsetzung..... Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler).... Integrierende Analog-Digital-Wandler.... Analog-Digital-Wandler nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation Die Abtast- und Halteschaltung (Sampie and Hold) Parallel Analog-Digital-Wandler.... Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Einführung Aufbau und Wirkungsweise Programmierung speicherprogrammierbarer Steuerungen Befehlsvorrat einer SPS.... Arten der Programmdarstellung Programmierung einfacher Steuerungsfunktionen Steuerungen mit Verknüpfungsfunktionen.. ODER-Funktion, UND-Funktion und Negation Disjunktive und konjunktive Schaltfunktionen Speicherfunktion Auswertung von Signalflanken Zeitgeberfunktion (Timer).... Zeitgeber mit verlängertem Impuls (Monoflop ) Übersicht über verschiedene Zeitgeberfunktionen Zählfunktionen.... Realisierung von Ablaufsteuerungen.... Diagnose und Überwachungsfunktionen. Wortverarbeitung und höhere Funktionen Wortbildung und Befehlsliste Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen mit Zählern Lade-, Transfer- und Vergleichsoperationen mit Zeitgebern Analgowertverarbeitung in speicherprogrammierbaren Steuerungen Regelung in speicherprogrammierbaren Steuerungen Programmierung mit symbolischen Parametern und Software-Bausteinen.... Programmierung mit symbolischen Parametern Programmierung mit Software-Bausteinen... Programmiereinrichtungen Geräte für Prozeßbedienung und Prozeßvisualisierung Vernetzung von SPS-Systemen Übungsaufgaben..... Weiterführende Literatur... Normen und Richtlinien Numerische Steuerungen (NC) Einführung und Übersicht XIII

14 XIV Inhalt C.4.2 C.4.3 C.4.4 C C C C C C C.4.5 C.4.6 C C C.4.7 C.5 C.5.1 C.5.2 C.5.3 C.5.4 C.5.5 C.5.6 C.5.7 C.5.8 C.6 C.6.1 C C C C C.6.2 C C C.6.3 C C C.6.4 C C C C C o D.1 D.2 Positioniersteuerungen NC-Antriebe.... Bahnsteuerungen Zahl und Anordnung der NC-Achsen Interpolation Bahnfehlerkompensation.... Bewegungsführung und Bahnplanung Framekonzept.... Koordinatentransformation Kommunikation.... Programmierung Programmierung nach DIN Grafisch -Interaktive-Programmierung Indikatoren der Leistungsfähigkeit Feldbusse.... Topologie von Feldbussen Bitbus.. Profibus. Interbus-S CAN-Bus AS-Interface LON.... SERCOS... Regelungstechnik Einleitung..... Unterschied zwischen Steuern und Regeln Analoge und digitale Regler Grundstruktur einer Regelung und Anforderungen Beispiele aus der Praxis.... Berechnung von Regelkreis- oder Übertragungsgliedern Zeitverhalten von Übertragungsgliedern, Zeitdiagramme Frequenzverhalten von Übertragungsgliedern, Frequenzgang, Bode-Diagramm Auslegung von Regelkreisen und Untersuchung der Stabilität Grundgleichung des Regelkreises.... Stabilität eines Regelkreises Vorgehen beim Entwurf einer stabilen Regelung (Beispiel Spannungsregler).... Aufbau des Spannungsreglers Stabilitätsbedingung (Stabilitätskriterium)... Beurteilung des Regelkreises mit dem Bode-Diagramm Einschwingverhalten.... Verbleibende Regelabweichung Einführung in die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Definition und Begriffe.... Physikalische Größen und Einheiten SOS

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

16 XVI Inhalt EA EA.l EA.2 EA.3 EA.3.1 EA.3.2 EAA E.5 E.5.1 E.5.2 E.5.3 E.5A E.5.5 E.5.6 E.6 E.6.1 E.6.2 E.6.3 E E E E.6.3A E E.6A E.7 E.7.1 E.7.2 E.7.3 E.7A E.7.5 E.8 E.8.1 E E E E.8.2 E E E E.8.3 E E.8.4 E E E Mechanische Gefahren und Schutzmaßnahmen Gefahrenquellen.... Konstruktive Schutzmaßnahmen Elektrische Schutzmaßnahmen STOP.... NOT-AUS.... Anwendbare Normen Elektrische Gefahren Gefährlicher Körperstrom Lebensgefährliche Auswirkungen Gefährliche Auswirkungen Gefährdungsbereiche Stromimpulse Energiegefahr Schutzmaßnahmen gegen elektrische Gefahren Prinzipielle Anforderungen Komponenten der Isolationskoordination... Beispiel zur Koordinierung der Schutzmaßnahmen Schritt 1: Identifizierung der externen Schnittstellen und der internen Stromkreise.... Schritt 2: Bestimmung der Trennstellen.... Schritt 3: Bestimmen der Parameter für die elektrische Dimensionierung der Isolationen.... Schritt 4: Auswahl der Abstände.... Schritt 5: Auswahl des Schutzleiterquerschnitts Anwendbare Normen.... Thermische Gefahren und Schutzmaßnahmen Verbrennungen oder Verbrühungen.... Arbeitsumgebung mit extremen Temperaturen Wärmeerzeugende Komponenten Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen Strahlende Gefahren. Laser.... Gefährdung durch Laser Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen. Ionisierende Strahlung Gefährdungen... Schutzmaßnahmen Anwendbare Verordnungen Elektromagnetische Strahlung Gefährdungen... Akustische Gefahren.. Gefährdung durch Lärm Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen

17 Inhalt XVII E.9 E.9.1 E.9.2 E.9.3 E.IO E.IO.I E.IO.2 E.lO.3 Chemische Gefahren Gefährdungen... Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen Biologische Gefahren Gefährdungen.... Schutzmaßnahmen Anwendbare Normen Lösungen der Übungsaufgaben Sachverzeichnis