Elektrische Antriebe - Grundlagen

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1 Dierk Schröder Elektrische Antriebe - Grundlagen Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben 4., erweiterte Auflage fyj Springer

2 Inhaltsverzeichnis Einführung 1 1 Antriebsanordnungen: Grundlagen Mechanische Grundgesetze Analogien zwischen Translation und Rotation ' Übertragungsstellen und Getriebe 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 Mw = const.' Widerstandsmoment M w = f(n,v) Widerstandsmoment Mw = /(v) Widerstandsmoment M w = f(r) > Widerstandsmoment M w = f(t) Stationäres Verhalten der Antriebsmaschinen: MM = f(n, ip) 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 Stabilitätsprülüng über die Laplace-Transformation Bemessung der Antriebsanordnung Arbeitsmaschinen Antriebsmaschinen 39

3 X 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 Stronibelastung und Verlustleistung Normen und Betriebsarten Betriebsarten und Beniessungsdaten Dauerbetrieb (Betriebsart Sl) Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) Aussetzbetrieb (Betriebsart S3) Aussetzbetrieb mit Einfluß des Anlautvorgangs (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 AufetenungsUöue, Temperatur und Kühlmittel Belüftung und Kühlung Elektrische Bedingungen 72 3 Gleichstrommaschine Magnetische Feldtheorie Wechselwirkungen zwischen Ladungen Wechselwirkungen zwischen statischen Ladungen - das elektrische Feld ' Wechselwirkungen zwischen bewegten Ladungen - das magnetische Feld Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Ladungen Wechselwirkungen zwischen Ladungen - Lenz'sche Regel Wechselwirkungen zwischen Ladungen - Beispiele Magnetische Feldstärke 87

4 Inhaltsverzeichnis XI Magnetische Flussdichte Lorentzkraft., 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 Gleiclistrommaschine 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-Grundgleichniig Signalflußplan der Gleichstrom Nebenschlußrnaschine Ankerkreis... / Feldkreis, Erregerkreis Zusammenfassung von Ankerkreis und Erregerkreis Signalflußpläne, Übergangsverhalten Führungsverhalten und Führungs-Übertragungsfunktion Lastverhalten und Stör-Übertragungsfunktion Einfluß von ip auf n (Feldschwächung) Zusammengefaßter Plan (linearisiert, überlagert, vereinfacht) Steuerung der Drehzahl Drehzahlsteuerung durch die Ankerspannung... ' 180

5 XII Inhaltsverzeichnis Steuerung durch den Fluß Steuerung durch Ankerspannimg und Feld Stationäres Verhalten, Kennlinien Zeitverhalten Drehzahl-Steuerung durch Vorwiderstand im Ankerkreis Drehzahlverstellung durch geschaltete Vorwiderstände Zeitliches Verhalten bei Spamiungs- und Stromsteuerung Drehzahländerung durch Spannungsumschaltung Drehzahländerimg mit konstantem Ström 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 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 (Bück-Wandler) Prinzip des Hochsetzstellers (Boost-Wandler) Motorischer Ein-Quadraut-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 ipi und Leistungsfaktor A Grenzen des Betriebsbereichs von Stromrichter und Maschine Verfahren zur Drehinomeutumkehr 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 255

6 Inhaltsverzeichnis XIII Ankerstromregelung Drehzahlregelung 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 297, Koordinatensysteme Differentiation im umlaufenden Koordinatensystem Allgemeine Drehfeldinaschine Asynchronmaschine: Signalflußplan mit Vcrzögerungsgliedern Asynchromnaschine im stationären Betrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine Elektrische Verhältnisse im stationären Betrieb Ersatzschaltbilder der Asynchronmaschine Stroniortskurve des Statorstroins Asynchronmaschine bei Umrichterbetrieb Steuerverfahren bei Statorflußorientierung Steuerverfahren bei Rotorflußorientierung Asynchronmaschine am Umrichter mit eingeprägtem Statorstrom 349 i 6 Synchronmaschine Funktionsweise von. Synchronmaschinen Synchron-Schenkelpolniaschine ohne Dämpferwickhmg Beschreibendes Gleichungssysteni : Synchron-Schenkelpolniaschine in normierter Darstellung Signalflußplan Syrichron-Schenkelpolmaschine - Sparmungseinprägung Signalflußplan Synchron-Schenkelpolniaschine - Stromeinprägung Ersatzschaltbild der Synchron-Schenkelpolmaschine Schenkelpolmaschine mit Dämpferwickhmg Synchron-Vollpolmaschine Beschreibendes Gleichungssystem und Signalflußpläne Ersatzschaltbild der Synchron-Vollpolmaschine 382 \

7 XIV Inhaltsverzeichnis Steuerbedingungen der Synchron-Vollpolmaschine ohne Dämpferwickhmg Permanentmagneterregte Maschinen Transversalnußmaschine 396 Prof. Dr. H. Weh, Universität Karlsruhe 7.1 Die neueren Entwicklungen in der Antriebstechnik Magnetkreise bei Longitudinalfluß(LF)- und Transversalfluß(TF)- Anordnung Longitudinalfiuß-Anordnimg (LF) mit Permanentmagneten Zahlenbeispiel Magnetkreise der Transversalfluß-Familie (TF) Übergang von der Flachmagnet- zur Sammleranordnung Zu erwartende TFM-Ergebnisse Geschaltete Reluktanzmaschinen 415, Prof. Dr. H. Bausch, Universität d. Bundeswehr München 8.1 Einleitung ' Aufbau Betriebsverhalten, Energieumwandlung Stromrichterschaltimgen Steuerung und Regelung Linearmotoren 445 Prof. Dr. G. Henneberger, RWTH Aachen 9.1 Einführung Technik von Linearmotoren Industrielle Anwendungsniöglichkeiten Hochgeschwindigkeits-Anwendungen Lagerlose Permanentmagnetmotoren 458 Prof. Dr. W. Amrhein, Universität Linz; Dr. S. Silber, LCM-Linz 10.1 Einleitung Kraft- und Drehmomentberechnimg Magnetische Koenergie Maxwellscher Spannungstensor Fourier-Reihendarstellung der Feldgrößen Drelimomeiitberechnimg Kraftberechnimg Interpretation der Ergebnisse Ausführungsbeispiele zu lagerlosen Permanentmagnetmotoren. 473 \ \

8 Inhaltsverzeichnis XV 10.4 Regelung und elektronische Ansteuerung Lagerlose Motoren mit drei passiv stabilisierten Freiheitsgraden Kleinantriebe Schrittmotoren Einführung, Funktionsprinzip Grimdtypen von Schrittmotoren Reluktanz-Schrittmotor Pennanentinagneterregter Schrittmotor Hybrid-Schrittmotor Gegenüberstellung Drehfeld-Schrittfeld Betriebskennlinien, Betriebsverhalten Statischer Drehmomentverlauf Statisches Lastverhalten Einzelschritt-Fortschaltung Grenzkennlinien, B.etriebsbereiche 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 Modellbildimg Auslegung von Schrittmotorantrieben Ermittlung der Startgrenzfrequenz Berechnung von linearen Frequenzrampen...' Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine Umrichterantriebe Direktumrichter Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) Stromrichtermotor Prinzipielle Funktion Lastgeführte Kommutierung Anfahrvorgang Drehmomentpendelungen Regelung des Stromrichtermotors..' Selbstgeführter Stromrichter mit Phasenfolgelöschung und eingeprägtem Strom 549

9 XVI Inhaltsverzeichnis Prinzipielles Systemverhalten Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters Steuer- und Regelverfahren Weiterentwicklungen der selbstgeführten I Umrichter Selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungszwisdienkreis Umrichter, mit variabler Zwischenkreisspannimg Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannimg (Pulsumrichter) Modulationsverfahren bei Pulsumrichtern Mehrpunkt-Wechselrichter Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldmaschinen Entkopplung Feldorientierung 591 Übungsaufgaben ' 596 Prüfungsaufgaben 637 Variablenübersicht 664 Literaturverzeichnis 679 Antriebstechnik und benachbarte Gebiete (Bücher) 679 Elektroantrieb allgemein 683 Leistungshalbleiter 684 Leistimgselektronik: Ansteuerung, Beschaltung, Kühlung.' 687 Gleichstromsteller. DC-DC-Wandler 688 Netzgeführte Stromrichter: Schaltungstechnik und Auslegung 690 Netzgeführte Stromrichter: Regelung 692 Direktumrichter 697 Untersynchrone Kaskade (USK) 699 Stromrichtennotor 701 Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) 703 Spannuiigszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter) 705 Asynchronmaschine: Regelung 707 Synchronmaschine 712 Reluktanzmaschine 713 Geberlose Reluktanzmaschine 720 Linearmotoren 720 Lagerlose Permanentmagnetmotoren 722