Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Transkript

1 Springer-Lehrbuch

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Dierk Schräder Elektrische Antriebe - Grundlagen Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben Zweite Auflage Mit 421 Abbildungen Springer

4 Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. Dierk Schröder Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme Arcisstraße München Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schröder, Dierk: Elektrische Antriebe / Dierk Schröder Berlin; Heidelberg; NewYork; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer (Springer-Lehrbuch) I. Grundlagen - 2. Aufl ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994 and 2000 Originally published by Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York in Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte 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 Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einband-Entwurf: Design & Production, Heidelberg Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /

5 Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Buchreihe und damit auch der einführende Band "Elektrische Antriebe 1: Grundlagen" haben eine erfreuliche Akzeptanz gefunden, so daß eine Neuauflage erforderlich ist. Dies wurde von mir als Chance und Aufforderung gesehen, umfangreiche Verbesserungen in der Verständlichkeit und Erweiterungen einzufügen. Beispielsweise wurde das Kapitel der Synchronmaschinen umfassender gestaltet und die Varianten mit Dämpferwicklung eingeschlossen. In konsequenter Berücksichtigung des technischen Standes folgen danach Erläuterungen zu permanenterregten Synchronmaschinen, Transversalflußmaschinen, Reluktanzmaschinen, Linearmotoren, lagerlosen Motoren und Kleinantrieben. Ich freue mich sehr, daß Herr Prof. Dr. Wolfgang Amrhein, Johannes Kepler Universität Linz, Herr Prof. Dr.-Ing. Heinz Bausch, Universität der Bundeswehr München, Herr Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Henneberger, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, und Herr Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. Herbert Weh, Technische Universität Braunschweig, sich bereiterklärt haben, mir bei diesem Vorhaben behilflich zu sein, und danke ihnen für ihre Unterstützung. Ich werde bei den weiteren Neuauflagen - insbesondere bei der Neuauflage des Bandes 2 "Regelung von Antrieben" - dieses Vorgehen beibehalten. In diesem Zusammenhang möchte ich auf das Buch "Intelligent Observer and Control Design for Nonlinear Systems" des Springer-Verlags verweisen, das eine Erweiterung der regelungstechnischen Lösungen im Gebiet der Mechatronik und Technologien darstellt. In diesem Buch werden intelligente Verfahren (Neuro, Fuzzy, Neuro-Fuzzy) zur Identifikation, Beobachtung und verschiedene Regelungsvorschläge bei nichtlinearen Strecken vorgestellt. Ich bin sicher, daß durch diese lernfähigen Verfahren eine entscheidende Neuorientierung zur Optimierung des elektromechanischen Gesamtsystems erreicht werden wird. Es würde mich freuen, wenn ich auch in der Zukunft Unterstützung für das weite, interessante und wichtige Gebiet der Antriebstechnik, der Leistungselektronik, der Regelung und der Erweiterungen in den Gebieten Mechatronik sowie technologische Verfahren finden würde. Vielen Dank für ihre Unterstützung bei diesem Vorhaben. München, im Frühjahr 2000 Dierk Schröder

6 Vorwort Die Erarbeitung eines Vorlesungsmanuskripts und darauf aufbauend einer Einführung in ein Wissensgebiet in Buchform ist ein komplexer und zeitaufwendiger Prozeß. Ich möchte an dieser Stelle zuerst meiner Familie für die Unterstützung und das Verständnis in all den Jahren danken, da ich ihr an vielen Abenden und Wochenenden fehlte. Danken möchte ich auch allen meinen wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Mitarbeitern, die durch Diskussionen untereinander und mit mir zusammen zum Gelingen des Vorhabens beigetragen haben. Unser gemeinsames Ziel war eine umfassende aber dennoch leicht verständliche Einführung in das Gebiet der elektrischen Antriebe. Ich wünsche den Lesern dieses Buches, daß sie - soweit es im Rahmen einer Einführung möglich ist - alle Erläuterungen zu den interessierenden Fragen der Grundlagen der elektrischen Antriebe finden. Für ein tieferes Eindringen in spezielle Gebiete wie der Leistungselektronik und der Regelung - insbesondere der Drehfeldmaschinen - sei auf die entsprechende Literatur und die nachfolgenden Bände zwei bis vier dieser Buchreihe verwiesen. Zur Kontrolle des Verständnisses können die Leser die Übungs- und Prüfungsaufgaben verwenden. Es wird empfohlen, die Aufgaben ohne vorherige Information des beiliegenden Lösungswegs durchzurechnen. Für die Prüfungen war eine Bearbeitungszeit von 120 Minuten vorgegeben. Der Überhang beträgt etwa 20-30%. Meine Mitarbeiter und ich haben uns bemüht, eine möglichst klare Darstellung zu finden und die Tippfehler zu eliminieren. Wir bitten die Leser, uns bei diesem Vorhaben zu unterstützen. München, im Frühjahr 1994 Dierk Schröder

7 Einführung 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 mw = f(n, v) Widerstandsmoment mw = f(<p) Widerstandsmoment mw = f(r). Widerstandsmoment mw = f(t).. Stationäres Verhalten der Antriebsmaschinen: mm = f(n, <p) 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

8 VIII 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 5trombelastung und Verlust leistung. Normen und Betriebsarten.... Betriebsarten und Bemessungsdaten Dauerbetrieb (Betriebsart 51).. Kurzzeitbetrieb (Betriebsart 52) Aussetzbetrieb (Betriebsart 53). Aussetzbetrieb mit Einfluß des Anlaufvorgangs (Betriebsart 54) Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart 55).. Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung (Betriebsart 56).... Unterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart 57).... Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last- und Drehzahländerungen (Betriebsart 58).... Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung (Betriebsart 59).... Betrieb mit diskretem konstantem Belastungszustand (Betriebsart 510).... Mittelwertbetrieb bei periodischer Belastung.. Maschinen mit mehreren Bemessungsbetrieben Aufstellungshöhe, Temperatur und Kühlmittel. Belüftung und Kühlung Elektrische Bedingungen Gleichstrommaschine 5ignalflußplan der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine Ankerkreis.... Feldkreis, Erregerkreis Zusammenfassung von Ankerkreis und Erregerkreis 5ignalflußpläne, Übergangsverhalten Führungsverhalten und Führungs-Übertragungsfunktion Lastverhalten und 5tör-Übertragungsfunktion.... Einfluß von 7/J auf n (Feldschwächung) Zusammengefaßter Plan (linearisiert, überlagert, vereinfacht). 5teuerung der Drehzahl

9 IX Drehzahlsteuerung durch die Ankerspannung 104 Steuerung durch den Fluß Steuerung durch Ankerspannung und Feld 107 Stationäres Verhalten, Kennlinien Zeitverhalten Drehzahl-Steuerung durch Vorwiderstand im Ankerkreis 109 Drehzahlverstellung durch geschaltete Vorwiderstände. 110 Zeitliches Verhalten bei Spannungs- und Stromsteuerung 114 Drehzahländerung durch Spannungsumschaltung Drehzahländerung mit konstantem Strom Arbeitsbereich-Grenzen der fremderregten Gleichstrommaschine 117 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 126 Gleichstromsteller, DC-DC-Wandler Tiefsetzsteller Analyse der Gleichstromsteller-Grundschaltung 130 Abwandlungen der Tröger-Schaltung Weitere Abwandlungen der Gleichstromsteller-Schaltungen 136 Steuerverfahren für Gleichstromsteller 138 Pulsweitensteuerung (T konstant) Pulsfolgesteuerung (T variabel) Hysterese-Regelung des Gleichstromstellers. 142 Gleichstromstellerschaltungen für Ein- und Mehr-Quadrant-Betrieb von Gleichstrommaschinen Prinzip des Tiefsetzstellers (Buck-Wandler). 143 Prinzip des Hochsetzstellers (Boost-Wandler) 144 Motorischer Ein-Quadrant-Betrieb Generatorischer Ein-Quadrant-Betrieb 148 Zwei-Quadrant-Betrieb Vier-Quadrant-Betrieb Antrie bssystem G leichstromsteller-g leichstrommaschine 155 Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder 159 Grundprinzip Dreiphasen-Mittelpunktschaltung Dreiphasen-Brückenschaltung (B6-Schaltung) 166 Netzstrom, Verschiebungsfaktor cos Cf!l und Leistungsfaktor A 169 Grenzen des Betriebsbereichs von Stromrichter und Maschine Verfahren zur Drehmomentumkehr bei Stromrichtern Drehmomentumkehr durch Wenden des Ankerstroms

10 x Drehrichtungsumkehr eines Gleichstromantriebes, der von einem kreisstromfreien Umkehrstromrichter gespeist wird Drehmomentumkehr durch Wenden des Feldstroms Strom- und Drehzahlregelung der Gleichstrommaschine. 187 Ankerstromregelung Dreh;r,ahlregelung Führungs- und Störverhalten von Regelkreisen. 194 Drehfeldmaschinen 200 Einführung Raumzeiger-Darstellung Definition eines Raumzeigers 201 Rücktransformation auf Momentanwerte 205 Koordinatensysteme Differentiation im umlaufenden Koordinatensystem 208 Allgemeine Drehfeldmaschine Asynchronmaschine: Signalflußplan mit Verzögerungsgliedern 221 Asynchronmaschine im stationären Betrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine. 224 Elektrische Verhältnisse im stationären Betrieb 230 Ersatzschaltbilder der Asynchronmaschine 230 Stromortskurve des Statorstroms Asynchronmaschine bei Umrichterbetrieb 235 Steuerverfahren bei Statorflußorientierung 236 Steuerverfahren bei Rotorflußorientierung 247 Asynchronmaschine am Umrichter mit eingeprägtem Statorstrom 255 Synchronmaschine 256 Synchron-Schenkelpolmaschine ohne Dämpferwicklung 257 Beschreibendes Gleichungssystem Synchron-Schenkelpolmaschine in normierter Darstellung. 262 Signalflußplan der Synchron-Schenkelpolmaschine bei Spannungseinprägung Signalflußplan der Synchron-Schenkelpolmaschine bei Stromeinprägung Ersatzschaltbild der Synchron-Schenkelpolmaschine 271 Schenkelpolmaschine mit Dämpferwicklung Synchron-Vollpolmaschine Beschreibendes Gleichungssystem und Signalflußpläne 276 Ersatzschaltbild der Synchron-Vollpolmaschine Steuerbedingungen der Synchron-Vollpolmaschine ohne Dämpferwicklung Permanentmagneterregte Maschinen

11 XI 7 Transversalflußmaschine 295 Prof. Herbert 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 314 Prof. Heinz Bausch Einleitung.... Aufbau.... Betriebsverhalten. Energieumwandlung Stromrichterschaltungen Steuerung und Regelung Linearmotoren Prof. Gerhard Henneberger 9.1 Einführung Technik von Linearmotoren Industrielle Anwendungsmöglichkeiten 9.4 Hochgeschwindigkeits-Anwendungen. 10 Lagerlose Permanentmagnetmotoren Prof. Wolfgang Amrhein, Siegfried Silber 10.1 Einleitung Kraft- und Drehmomentberechnung Magnetische Koenergie Maxwellscher Spannungstensor Fourier-Reihendarstellung der Feldgrößen Drehmomentberechnung Kraftberechnung Interpretation der Ergebnisse Ausführungsbeispiele zu lagerlosen Permanentmagnetmotoren Regelung und elektronische Ansteuerung Lagerlose Motoren mit drei passiv stabilisierten Freiheitsgraden

12 XII 11 Kleinantriebe 11.1 Schrittmotoren Einführung, Funktionsprinzip Grundtypen von Schrittmotoren Reluktanz-Schrittmotor Permanentmagneterregter Schrittmotor Hybrid-Schrittmotor Gegenüberstellung Drehfeld-Schrittfeld Betriebskennlinien, Betriebsverhalten Statischer Drehmomentverlauf 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. 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 Selbst geführt er Stromrichter mit Phasenfolgeläschung und eingeprägtem Strom Prinzipielles Systemverhalten Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters Steuer- und Regelverfahren

13 XIII Weiterentwicklungen der selbstgeführten I-Umrichter 461 Selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis 462 Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Pulsumrichter) 470 Modulationsverfahren bei Pulsumrichtern 473 Mehrpunkt-Wechselrichter Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldnaaschinen Entkopplung Feldorientierung Übungsaufgaben 496 Prüfungsaufgaben 537 Variablenübersicht 564 Literaturverzeichnis Antriebstechnik und benachbarte Gebiete (Bücher) Elektroantrieb allgemein Leistungshalbleiter Leistungselektronik: Ansteuerung, Beschaltung, Kühlung Gleichstromsteller, DC-DC-Wandler.... Netzgeführte Stromrichter: Schaltungstechnik und Auslegung. Netzgeführte Stromrichter: Regelung Direktumrichter Untersynchrone Kaskade (USK)... Stromrichtermotor Strom zwischen kreis-umrichter (I-Umrichter) Spannungszwischenkreis-Umrichter (U -Umrichter) Asynchronmaschine: Regelung: Synchronmaschine Reluktanzmaschine Geberlose Reluktanzmaschine Linearmotoren.... Lagerlose Permanentmagnetmotoren Kleinantriebe.... Stichwortverzeichnis