Inhaltsverzeichnis. Einführung 1

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1 Inhaltsverzeichnis Einführung 1 1 Antriebsanordnungen: Grundlagen Mechanische Grundgesetze Analogien zwischen Translation und Rotation ÜbertragungsstellenundGetriebe Drehmomentbilanz im Antriebssystem Normierung der Gleichungen und Differentialgleichungen Zeitliches Verhalten des rotierenden mechanischen Systems Analytische Behandlung Graphische Behandlung von Bewegungsvorgängen Numerische Lösung über Differenzengleichung System Arbeitsmaschine Antriebsmaschine Stationäres Verhalten der Arbeitsmaschine Widerstandsmoment M W = const Widerstandsmoment M W = f(n,v ) Widerstandsmoment M W = f(ϕ) Widerstandsmoment M W = f(r) Widerstandsmoment M W = f(t) Stationäres Verhalten der Antriebsmaschinen: M M = f(n,ϕ) Asynchrones bzw. Nebenschluß-Verhalten Konstant-Moment-Verhalten Synchrones Verhalten Beispiel: Gleichstrom Nebenschlußmaschine Statische Stabilität im Arbeitspunkt Graphische Methoden Rechnerische Stabilitätsprüfung über die linearisierte Differentialgleichung im Arbeitspunkt Stabilitätsprüfung über die Laplace-Transformation Bemessung der Antriebsanordnung Arbeitsmaschinen Antriebsmaschinen

2 XVIII Inhaltsverzeichnis 2 Verluste und Erwärmung im Antriebssystem Verluste an der Übertragungsstelle Leistungsbilanz Verlustarbeit an der Übertragungsstelle Motor Verluste beim Beschleunigen Erwärmung elektrischer Maschinen Verlustleistung und Temperatur Rechengang: mathematische Grundlagen StrombelastungundVerlustleistung Normen und Betriebsarten Betriebsarten und Bemessungsdaten Dauerbetrieb(BetriebsartS1) Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) Aussetzbetrieb(BetriebsartS3) Aussetzbetrieb mit Einfluß des Anlaufvorgangs (Betriebsart S4) Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart S5) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung (Betriebsart S6) Unterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart S7) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last- und Drehzahländerungen (Betriebsart S8) Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung (Betriebsart S9) Betrieb mit diskretem konstantem Belastungszustand (Betriebsart S10) Mittelwertbetrieb bei periodischer Belastung Maschinen mit mehreren Bemessungsbetrieben Aufstellungshöhe, Temperatur und Kühlmittel Belüftung und Kühlung Elektrische Bedingungen Gleichstrommaschine Einführung Theorie der Felder Elektrostatisches Feld, Coulomb-Kraft Magnetfeld - Lorentzkraft Magnetfeld - Induktionsspannung Wechselwirkungen zwischen Ladungen Lenz sche Regel Magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte Lorentzkraft

3 Inhaltsverzeichnis XIX Materialabhängigkeit der Lorentzkraft bzw. magnetischen Flussdichte Magnetische Flussdichte in nicht ferromagnetischen Materialien Magnetische Flussdichte in ferromagnetischen Materialien (Hysteresekurve) Wichtige Eigenschaften des magnetischen Feldes für das Verständnis elektrischer Maschinen Magnetfeldbündelnde Wirkung ferromagnetischer Materialien Quellenfreiheit des magnetischen Feldes Kraft auf bewegte Ladungen im Luftspalt zwischen ferromagnetischen Materialien Oberflächenströme Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen Werkstoffen Magnetischer Kreis Grenzflächenkräfte: magnetischer Querdruck und Längszug Brechungsgesetze für magnetische Feldlinien Zusammenfassung Physikalisches Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine Prinzip der Momenterzeugung Ableitung der Momenten-Grundgleichung Betrachtung der Gleichstrommaschine als magnetischen Kreis Kommutator Ableitung der Momenten-Grundgleichung Rotor mit Nuten Beschleunigung des Rotors Ableitung der Mechanik-Grundgleichung Entstehung einer Gegenspannung Ableitung der Bewegungsinduktions-Grundgleichung Eigeninduktivität des Rotors Ableitung der Ankerkreis-Grundgleichung Signalflußplan der Gleichstrom Nebenschlußmaschine Ankerkreis Feldkreis, Erregerkreis Zusammenfassung von Ankerkreis und Erregerkreis Signalflußpläne, Übergangsverhalten Führungsverhalten und Führungs-Übertragungsfunktion Lastverhalten und Stör Übertragungsfunktion Einfluß von ψ auf n (Feldschwächung) Zusammengefaßter Plan (linearisiert, überlagert, vereinfacht) Steuerung der Drehzahl Drehzahlsteuerung durch die Ankerspannung Steuerung durch den Fluß Steuerung durch Ankerspannung und Feld

4 XX Inhaltsverzeichnis Stationäres Verhalten, Kennlinien Zeitverhalten Drehzahl-Steuerung durch Vorwiderstand im Ankerkreis Drehzahlverstellung durch geschaltete Vorwiderstände Zeitliches Verhalten bei Spannungs- und Stromsteuerung Drehzahländerung durch Spannungsumschaltung Drehzahländerung mit konstantem Strom Arbeitsbereich-Grenzen der fremderregten Gleichstrommaschine Bereich 1: Spannungsverstellung im Ankerkreis Bereich 2: Feldverstellung Bereich 3: Erhöhung der Drehzahl bei konstanter Spannung und konstantem Fluß Gleichstrom-Hauptschlußmaschine Stellglieder und Regelung für die Gleichstrommaschine Einleitung Leistungselektronik Gleichstromsteller, DC-DC-Wandler Tiefsetzsteller Steuerverfahren für Gleichstromsteller Pulsweitensteuerung (T konstant) Pulsfolgesteuerung (T variabel) Hysterese-Regelung des Gleichstromstellers Gleichstromstellerschaltungen für Ein- und Mehr-Quadrant- Betrieb von Gleichstrommaschinen Prinzip des Tiefsetzstellers (Buck-Wandler) Prinzip des Hochsetzstellers (Boost-Wandler) Motorischer Ein-Quadrant-Betrieb Generatorischer Ein-Quadrant-Betrieb Zwei-Quadrant-Betrieb Vier-Quadrant-Betrieb Antriebssystem Gleichstromsteller Gleichstrommaschine Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder Grundprinzip Dreiphasen-Mittelpunktschaltung Dreiphasen-Brückenschaltung (B6-Schaltung) Netzstrom, Verschiebungsfaktor cos ϕ 1 und Leistungsfaktor λ Grenzen des Betriebsbereichs von Stromrichter und Maschine Verfahren zur Drehmomentumkehr bei Stromrichtern Drehmomentumkehr durch Wenden des Ankerstroms Drehrichtungsumkehr eines Gleichstromantriebes, der von einem kreisstromfreien Umkehrstromrichter gespeist wird Drehmomentumkehr durch Wenden des Feldstroms Strom- und Drehzahlregelung der Gleichstrommaschine Ankerstromregelung

5 Inhaltsverzeichnis XXI Drehzahlregelung Querverweise Gleichstrommaschine - Regelung Führungs- und Störverhalten von Regelkreisen Drehfeldmaschinen Einführung Funktionsweise von Asynchronmaschinen Erzeugung eines Drehfeldes im Luftspalt durch den Stator Spannungsinduktion im Rotor Stromaufbau im Rotor Entstehung des Drehmoments, stationäre Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie Höhere Polpaarzahlen Raumzeiger-Darstellung Definition eines Raumzeigers Rücktransformation auf Momentanwerte Koordinatensysteme Differentiation im umlaufenden Koordinatensystem Allgemeine Drehfeldmaschine Asynchronmaschine: Signalflußplan mit Verzögerungsgliedern AsynchronmaschineimstationärenBetrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine Elektrische Verhältnisse im stationären Betrieb Ersatzschaltbilder der Asynchronmaschine Stromortskurve des Statorstroms Asynchronmaschine bei Umrichterbetrieb Steuerverfahren bei Statorflußorientierung Steuerverfahren bei Rotorflußorientierung Asynchronmaschine am Umrichter mit eingeprägtem Statorstrom Synchronmaschine Funktionsweise von Synchronmaschinen Synchron Schenkelpolmaschine ohne Dämpferwicklung BeschreibendesGleichungssystem Synchron Schenkelpolmaschine in normierter Darstellung Signalflußplan Synchron Schenkelpolmaschine Spannungseinprägung Signalflußplan Synchron Schenkelpolmaschine Stromeinprägung Ersatzschaltbild der Synchron Schenkelpolmaschine Schenkelpolmaschine mit Dämpferwicklung Synchron Vollpolmaschine Beschreibendes Gleichungssystem und Signalflußpläne Ersatzschaltbild der Synchron Vollpolmaschine

6 XXII Inhaltsverzeichnis Steuerbedingungen der Synchron Vollpolmaschine ohne Dämpferwicklung Permanentmagneterregte Maschinen Transversalflußmaschine 406 Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. H. Weh 7.1 Die neueren Entwicklungen in der Antriebstechnik Magnetkreise bei Longitudinalfluß(LF) und Transversalfluß(TF) Anordnung Longitudinalfluß Anordnung (LF) mit Permanentmagneten Zahlenbeispiel Magnetkreise der Transversalfluß Familie (TF) Übergang von der Flachmagnet zur Sammleranordnung Zu erwartende TFM Ergebnisse Geschaltete Reluktanzmaschinen 425 Prof. Dr. H. Bausch, Universität d. Bundeswehr München 8.1 Einleitung Aufbau Betriebsverhalten Energieumwandlung Stromrichterschaltungen Steuerung und Regelung Linearmotoren 455 Prof. Dr. G. Henneberger, RWTH Aachen 9.1 Einführung Technik von Linearmotoren Industrielle Anwendungsmöglichkeiten Hochgeschwindigkeits-Anwendungen Lagerlose Permanentmagnetmotoren 469 Prof. Dr. W. Amrhein; Dr. S. Silber ACCM/ Johannes Kepler Universität Linz 10.1 Einleitung Kraft- und Drehmomentberechnung Magnetische Koenergie Maxwellscher Spannungstensor Fourier-Reihendarstellung der Feldgrößen Drehmomentberechnung Kraftberechnung Interpretation der Ergebnisse

7 Inhaltsverzeichnis XXIII 10.3 Ausführungsbeispiele zu lagerlosen Permanentmagnetmotoren Regelung und elektronische Ansteuerung Applikationen lagerloser Scheibenläufermotoren Kleinantriebe Schrittmotoren Einführung,Funktionsprinzip Grundtypen von Schrittmotoren Reluktanz-Schrittmotor Permanentmagneterregter Schrittmotor Hybrid-Schrittmotor Gegenüberstellung Drehfeld Schrittfeld Betriebskennlinien, Betriebsverhalten StatischerDrehmomentverlauf Statisches Lastverhalten Einzelschritt-Fortschaltung Grenzkennlinien,Betriebsbereiche Ansteuerung, Leistungselektronik Ersatzschaltbild eines Motorstrangs Unipolare und bipolare Speisung der Strangwicklungen Leistungstreiber Betriebsarten: Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb Bestromungstabellen Positioniergenauigkeit, Schrittwinkelfehler Drehzahlverhalten, Resonanzfrequenzen Parametrische Anregung Dämpfung Modellbildung Auslegung von Schrittmotorantrieben ErmittlungderStartgrenzfrequenz Berechnung von linearen Frequenzrampen Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine Umrichterantriebe Direktumrichter Matrix-Umrichter Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) Querverweise untersychrone Stromrichterkaskade, USK Stromrichtermotor Prinzipielle Funktion Lastgeführte Kommutierung Anfahrvorgang Drehmomentpendelungen

8 XXIV Inhaltsverzeichnis Regelung des Stromrichtermotors Querverweise Stromrichtermotor Selbstgeführter Stromrichter mit Phasenfolgelöschung und eingeprägtem Strom PrinzipiellesSystemverhalten Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters Steuer- und Regelverfahren Weiterentwicklungen der selbstgeführten I Umrichter Querverweise I-Umrichter Selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Pulsumrichter) Modulationsverfahren bei Pulsumrichtern Zweipunktregelung (Prinzipdarstellung) Pulsweitenmodulation (PWM) Raumzeiger-Darstellung Bewertung U-Umrichter - I-Umrichter Mehrpunkt-Wechselrichter Leistungsfaktor-Korrektur(PFC) Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldmaschinen Entkopplung Querverweise Entkopplung Feldorientierung Querverweise Feldorientierung Übungsaufgaben 618 Prüfungsaufgaben 659 Variablenübersicht 686 Literaturverzeichnis 702 Kompendium Antriebstechnik und benachbarte Gebiete (Bücher) Elektroantrieb allgemein Leistungshalbleiter Leistungselektronik: Ansteuerung, Beschaltung, Kühlung Gleichstromsteller,DC-DC-Wandler Netzgeführte Stromrichter: Schaltungstechnik und Auslegung

9 Inhaltsverzeichnis XXV NetzgeführteStromrichter:Regelung Direktumrichter Untersynchrone Kaskade (USK) Stromrichtermotor Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) Spannungszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter) Asynchronmaschine: Regelung Synchronmaschine Reluktanzmaschine Geberlose Reluktanzmaschine Linearmotoren Lagerlose Permanentmagnetmotoren Kleinantriebe Stichwortverzeichnis 758

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