Moderne Stromrichterantriebe

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1 Kamprath-Reihe Prof. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch Moderne Stromrichterantriebe Antriebssystem, Leistungselektronik, Maschinen, Mechatronik und Motion Control, Arbeitsweise drehzahlveränderbarer Antriebe mit Stromrichtern und Antriebsvernetzung 5., überarbeitete und erweiterte Auflage Vogel Buchverlag

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 1 Einleitung Stand der Antriebstechnik Besondere Eigenschaften Qual der Auswahl Komponenten Direkt und ohne Mechanik - «Mechatronik» Dezentral installiert Gleichstrom- oder Drehstromlösung? Kfz-(Hilfs-)Antriebe Lebensdauerkosten 21 2 Das moderne Antriebspaket Bestimmungsgrößen bei der Auswahl Mikrorechner sorgen für Wirtschaftlichkeit Vorteile der veränderbaren Drehzahl Antriebsbeispiele Drehzahlveränderbare Antriebe im Vergleich 27 3 Allgemeine Grundlagen der Antriebstechnik Grundsystem des Antriebs Physikalische Gesetze Antriebsmomente elektrischer Maschinen Grundtypen der Lastkennlinien (Arbeitsmaschinen) Stabiler Betriebspunkt (Arbeitspunkt des Antriebs) Erwärmung Kühlung Zeitkonstanten Betriebsarten Äquivalente Belastung (mittlere Belastung) Mechanische Übergangsvorgänge Energieumsatz Wachstumsgesetze 57 4 Stromrichter-Komponenten Versorgung über Stromrichter Ventile: elektronische Leistungsschalter Grundlagen der Halbleitertechnik Schutz von Halbleiterschaltern Signalelektronik Ausfallraten 78 5 Elektrische Maschinen Allgemeine Grundlagen Erzeugung einer kontinuierlichen Drehbewegung 86 Der Onlineservice InfoCIick bietet unter nach Codeeingabe zusätzliche Informationen und Aktualisierungen zum Buch

3 8 Inhaltsverzeichnis 5.3 Bauformen Schutzarten Leistungsschild Lager und Schmierung Permanentmagnete in elektrischen Maschinen Arbeitspunkt der Magnete Bürstenstandzeiten Maschinenschutz Lüfter Magnetlager Polwicklung - verteilte Wicklung Piezo-Motor Tauchspulmotor (Voice-Coil-Motoren) Lineare Motoren Direkter Linearantrieb Motoraufbau Motortypen Eisenloser Motor (Primärteil) Eisenbehaftete Motoren (Primärteil) Praxis-Tipp Software Linearantriebe - Einsatz Transversalflussmotor Stromrichterantriebe mit Stromwendermaschinen Gleichstromantriebe mit Stromrichtern Gleichstrommaschine Aufbau Betriebsverhalten der fremderregten Gleichstrommaschine (fgm) Besonderheiten Kennlinien Netzgeführte Stromrichter Übersicht 121 Schaltungen Schaltungen netzgeführter Stromrichter Ausgangsspannung mit ungesteuerten Ventilen Steuerung der Ausgangsspannung mit steuerbaren Ventilen Steuerkennlinie Kommutierung Betriebskennlinien Arbeitspunkt des Antriebs Glättungsmittel 140 Glättung und Lücken Netzrückwirkungen Regelung des netzgeführten Stromrichters 155 Regelung im Stromrichter Betrieb in den 4 Quadranten Q-Diagramm Umsteuervorgang Umkehrstromrichter mit Kreisstrom und Brückenmodulation Stromrichterbetrieb im Feldschwächbereich Gleichstromsteller (Chopper) Tiefsetzsteller Quadranten-Betrieb (Tiefsetzsteller) Quadranten-Betrieb Umsetzung der Bremsenergie Regelung beim Steller Netzrückwirkungen Übersetzungsverhältnis beim Gleichstrom-Tiefsetzsteller Reihenschlussmotor mit Wechselstromsteller 180

4 Inhaltsverzeichnis Reihenschlussmotor Aufbau Betriebsverhalten Phasenanschnittsteuerung des Reihenschlussmotors Kleinmaschinen Pulsbetrieb der Reihenschlussmaschine 186 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen Übersicht Entwicklung der AC-Antriebe AC-Bewegungsantriebe / Bearbeitungsantriebe AC-Kompaktantriebe als dezentrale Antriebe AC-Positionierantriebe / Servoantriebe Drehende und lineare AC-Direktantriebe Drehfeldmaschinen Aufbau der Drehstrommaschinen in der Übersicht Drehstrom-Asynchronmaschine Aufbau Allgemeiner Betrieb Hz-Betrieb Betrieb mit variabler Speisefrequenz Asynchron-Servomaschinen Asynchronlinearantrieb Drehstrom-Synchronmaschine Aufbau und 50-Hz-Betrieb Betrieb mit variabler Frequenz Synchron-Linearantriebe Elektronisch kommutierte Maschine (EKM, AC-Servo) Aufbau Betrieb mit variabler Drehzahl EK-Servomaschinen EK-Linearantriebe Reluktanzmaschine Aufbau und Betrieb mit 50 Hz Geschaltete Reluktanzmaschine (grm) Aufbau und Betrieb Einsatz Schrittmotoren - reiner Positionierantrieb Aufbau Positionierbetrieb Umrichter mit U- und /-Zwischenkreis Übersicht: Maschinen und Umrichter Elektronische Drehspannüngserzeugung Umrichterarten Aufbau der Zwischenkreisumrichter Umrichter mit Spannungszwischenkreis (Ü-Umrichter) Wechselspannungs-Wechselrichter (1-phasig) Drehspannungserzeugung (Sinus) Drehspannungen (Block) 224 Schalterdiagramm Spannungsraumzeiger Drehfeld Realisierung der (i/f-kennlinie beim (J-Umrichter Umrichter mit Stromzwischenkreis (J-Umrichter) Drehfelderzeugung beim 7-Umrichter Strompulsen Ü//-Kennlinie beim I-Umrichter Vorteile der «Sinus»-Pulsung Modulationsverfahren bei U-Umrichtern Allgemeines Ziel 237

5 10 Inhaltsverzeichnis Anforderungen an die Ventilsteuerung Blockbetrieb-Grundfrequenztaktung Unterschwingungsverfahren (PWM, Sinus-A-Modulation) Verwandte Modulationsverfahren (Voltage-Vector-Control, Überlagerungsverfahren) Pulserzeugung in der Steuerung Raum-Zeiger-Modulation (RZM, SZM) 246 Drehspannungswechselrichter mit 2-Punkt- und 3-Punkt-Verhalten Hysterese-Strom-Modulation (HSM, Pulsen mit Stromvorgabe, Toleranzbandregelung) Steuerbausteine und Grenzen Steuerteil und Software der Umrichter Software Schnittstellen, Parameter und Funktionen Wichtige Parameter und ihre Auswirkungen Drehzahl- und Drehmomentregelung (Verfahren) Allgemeines Ü//-Kennliniensteuerung bzw. Frequenzregelung Mehrmaschinenantriebe Entwicklung der Drehmomentregelung Feldorientierte Regelung (FOR, «Vektor»-Regelung) 268 Raumzeiger Direkte Selbstregelung (DSR) FOR-Regelung beim /-Umrichter Gegenüberstellung der Regelverfahren Sonderfragen bei Umrichterantrieben Erwärmung bei Umrichterbetrieb Netzrückwirkungen Allgemeiner Vergleich der Stromrichter Ü-Umrichter I-Umrichter Bremsbetrieb Allgemeines IRJmrichter /-Umrichter - nur Nutzbremsen Pendelmomente Geräusche Vergleich IT-Umrichter gegen 7-Umrichter Besonderer Betrieb von Umrichterantrieben Hochwirkungsgradmotoren Energieeinsparung Netze Motion-Funktionen Asynchron-Servomaschinen Umrichter und elektronisch kommutierte Maschine Entwicklung und Einsatz Arbeitsweise der EK-Maschine Blockstrom Arbeitsweise Sinus-Bestromung Vergleich: Blockbetrieb und Sinus-Bestromung Gebersysteme Stromrichtereinheit und Regelung Umrichter und «geschaltete Reluktanzmaschine» (grm) Drehstromsteller und Drehstrom-Asynchronmaschine Arbeitsweise und Einsatzmöglichkeiten Steller als Sanftanlaufgerät Steller als Sanftawslaufgerät Elektronische KUSA-Schaltung Betrieb mit variabler Drehzahl Gesteuerter Betrieb 330

6 Inhaltsverzeichnis Geregelter Betrieb mit Spannungsdosierung Grenzen des Betriebs Verluste bei Belastung Argumente für den Einsatz Energiesparfunktion Stromrichterantriebe mit Schleifringläufern Stromrichterkaskade Untersynchroner Betrieb Bemessung Übersynchroner Betrieb Doppeltgespeister Schleifringläufer Stromrichter und Schrittmotoren Positionieren mit Schrittmotoren Betrieb und Ansteuerung Blockbestromung Sinusbestromung Kennlinien Steuerung Stromrichter-AC-Direktantriebe Maschine und Mechanik Elektroniksteuerung Direkte Linearantriebe Aufbau Typische Einsatzgebiete Direkte Drehantriebe Aufbau Typische Einsatzgebiete Antriebe im Vergleich Bewegungsantriebe Positionierantriebe Dezentrale Antriebe (Module) Dezentrale Intelligenz (Submodule) Subsysteme Motion Control und Mechatronik 361 Antriebsvernetzung und dezentrale Installation bei Stromrichtern Antriebsvernetzung Einleitung Produktionsfaktor Information Trend Neue Impulse Verteilte Intelligenz in Modulen Frequenzumrichter als intelligenter Busteilnehmer Feldbussysteme Topologie Datenaustausch und Protokoll Industrie-Bussysteme (offene Systeme) Firmenspezifische Kommunikation Echtzeit-Ethernet Profinet Bussystem-Nutzergruppen Vorteile der Vernetzung Vergleich und Entscheidung Dezentrale Installation Sicherheitsfunktionen elektrischer Antriebe 382 Auswahl und Bemessung drehzahlveränderbarer Stromrichterantriebe Allgemeine Hinweise Netzdrosseln, Netztransformatoren und Filter Drosseln 390

7 12 Inhaltsverzeichnis Netztransformatoren Filter Checklisten zur Festlegung der Antriebsdaten Netzgeführter Stromrichter und Gleichstrommaschine U-Umrichter und Drehstromasynchronmaschine Positionierantriebe Maschinendaten Fallbeispiele Mechanik Gleichstrom Drehstrom EK-Motor (Positionierantrieb) Schrittmotor (Positionierantrieb) Klemmkennzeichnung DC/AC-Listenpreise Normen und Vorschriften Auslegungsprogramme PFAD und IndraSize Messungen an drehzahlveränderbaren Stromrichterantrieben (Stromrichtermesstechnik) Messungen allgemein Besonderheiten Aliasing-Effekt Geräteanzeige Elektrische Messungen am Antrieb Netzgeführte Stromrichter Umrichter und Drehstromsteller Vorbemerkung Messungen am Umrichter Mechanische Messungen am Antrieb Drehzahl und Drehmoment Lager Lagerschwingungen Lagerströme Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Erwärmungsmessungen Erwärmung Infrarot-Thermografie Simulation Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Gesetz zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) Störungen Ursache und Ausbreitung der Störungen bei Frequenzumrichtern Störfestigkeit und Entstörung Leitungsgebundene Störungen Nichtleitungsgebundene Störungen Neubeschaffung Messungen Anschlusshinweise 438 Anhang (Tabellen, Daten für die Praxis) 443 Formelzeichen (Auswahl) 469 Abkürzungen und Begriffe (Auswahl) 471 Literaturverzeichnis 473 Ergänzende Literatur 479 Inserentenverzeichnis 481 Stichwortverzeichnis 483