Eberhard Seefried. Elektrische Maschinen und Antriebstechnik

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1 Eberhard Seefried Elektrische Maschinen und Antriebstechnik

2 Aus dem Programm , Elektrische Energietechnik Handbuch Elektrische Energietechnik von L. Constantinescu-Simon (Hrsg.) Elektrische Maschinen und Antriebssysteme von L. Constantinescu-Simon, A. Fransua und K. Saal Elektrische Energieversorgung von K. Heuck und K.-D. Dettmann Elektrische Maschinen und Antriebstechnik von E. Seefried Elektrische Maschinen und Antriebe von K. Fuest und P. Doring EMVU-Messtechnik von P. WeiB, B. Gutheil, D. Gust und P. LeiB Leistungselektronik von P. F. Brosch, J. Landrath und J. Wehberg Vieweg Handbuch Elektrotechnik von Wolfgang Boge (Hrsg.) Vieweg Lexikon Technik von Alfred Boge (Hrsg.) vieweg

3 Eberhard Seefried Elektrische Maschinen und Antriebstechnik Grundlagen und Betriebsverhalten Mit 196 Abbildungen und 10 Tabellen Herausgegeben von Otto Mildenberger ~ vleweg

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik. Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigiWiesbaden, 2001 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. vieweg@bertelsmann.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, MikroverfiImungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. ISBN ISBN (ebook) /

5 v Vorwort Elektrische Antriebe finden sich in sehr vielen Bereichen unseres Lebens iiberall dort, wo etwas bewegt werden muss. Neben dem Einsatz zur Verwirklichung industrieller Prozesse fmden sie zunehrnende Anwendung auch in unserer unmittelbaren Offentlichen wie privaten Umgebung nicht zuletzt wegen der enormen Fortschritte auf dem Gebiet der Informationstechnik, die eine weitreichende Automatisierung von Geraten, Einrichtungen und Anlagen ermoglichen. Das vorliegende Buch befasst sich vor allem mit der "klassischen" Antriebstechnik. Fragen der Regelung und Automatisierung sind bewusst ausgeklammert worden, urn den Umfang zu begrenzen. Das Buch verfolgt das Zie!, die Moglichkeiten und Verfahren der modemen elektrischen Antriebstechnik darzustellen, so dass der Leser befahigt wird, die einzelnen Verfahren beurteilen und bei der Bearbeitung von Antriebsaufgaben die zweckmiij3igste Losung auswahlen zu konnen. Dariiber hinaus soll der Leser auch mit der Terminologie des Fachgebietes vertraut gemacht werden. Dadurch wird er in die Lage versetzt, in einem Team von Fachleuten bei der Losung von Antriebsproblemen ein kompetenter Diskussionspartner zu sein und einfache Projektierungsaufgaben selbstandig losen zu konnen. Das Buch entstand auf der Grundlage von Vorlesungen iiber elektrische Antriebe, die der Verfasser ftit Studenten von Studiengangen, die Elektrotechnik als Nebenfach horen, an der Technischen Universitat Dresden und fur Studenten des Studienganges Elektrotechnik an der Hochschule ftit Technik und Wirtschaft Dresden (FH) gehalten hat. Diese Vorlesungen wurden durch zusatzliche Rechen- und Projektierungsiibungen erglinzt. Bei der Vermittlung des Stoffes wird vorausgesetzt, dass der Leser iiber Grundkenntnisse der Mathematik, Elektrotechnik und Mechanik verfiigt. Die wesentlichen Eigenschaften elektrischer Maschinen werden unter dem Aspekt der elektrischen Antriebstechnik nochrnals zusammenfassend dargestellt. Da das Fachgebiet auberordentlich mnfangreich ist, musste eine Stoffauswahl getroffen werden, wodurch eine Vollstandigkeit der Darstellung von vornherein ausgeschlossen ist. Falls die Notwendigkeit entstehen sollte, sich mit dem einen oder anderen Gebiet tiefgriindiger zu befassen, wird auf die angegebene Literatur verwiesen. Zur Erleichterung und Kontrolle der Stoffaneignung sind in lockerer Folge Kontrollfragen und Ubungsaufgaben eingefiigt, die auf jeden Fall se!bstandig ge!ost werden sollten. Die Losungen der Kontrollfragen findet der Leser in jedem Fall in den vorangestellten Abschnitten. Falls bei der Beantwortung dieser Fragen Schwierigkeiten auftreten, sollte der entsprechende Stoff nochrnals durchgearbeitet werden. Fiir die vielen Hinweise und forderlichen Diskussionen bei der Abfassung des Textes bedanke ich rnich ganz besonders bei meinem Kollegen Professor Dr.-Ing. Hans KuB, Hochschule fur Technik und Wirtschaft Dresden (FH). Herm Professor Dr.-Ing. Otto Mildenberger, Fachhochschule Wiesbaden, und dem Verlag Vieweg danke ich fur die Anregung zu diesem Buch und fur die gute Zusammenarbeit. Dresden, im Juli 2001 Eberhard Seefried

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Einfiihrung Schreibweise von GroBen und Gleichungen Struktur des Antriebssystems, Umfeld und Begriffe elektrischer Maschinen 2 2 Realisierung von Bewegungsvorgiingen Ubersicht tiber Bewegungsvorgange Bewegungsgleichung Umrechnung von KenngroBen des Bewegungsvorganges Umrechnung Rotation - Rotation Umrechnung Translation - Rotation Umrechnung Translation - Translation Anlauf- und Bremszeit eines Antriebes Stabilitlit des Arbeitspunktes Elektrische Antriebsmittel Ubersicht... IS 3.2 Antriebsmittel fur kontinuierliche Drehbewegung Energiewandlung, Spannungsinduktion, Drehmomentbildung Fremderregter Gleichstrommotor - Gleichstromnebenschlussmotor Gleichstromreihenschlussmotor Drehstromasynchronmotor mit Schleifringlaufer Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlusslaufer Antriebsmittel fur diskontinuierliche Drehbewegung Ubersicht Schrittmotor fur kleine Leistungen Mehrstlinder-Schrittmotor Antriebsmittel fur kontinuierliche Linearbewegung Ubersicht Asynchronlinearmotor Antriebsmittel fur diskontinuierliche Linearbewegung Stellantriebe Steuerbare Kupplungen 87 5 Stromrichterstellglieder Grundbegriffe Ubersicht tiber leistungselektronische Bauelemente Netzgeloschte Stromrichter Einpulsgleichrichter Zweipulsgleichrichter Stromrichter fur Drehstromanschluss Der Stromrichter bei Belastung

7 Inhaltsverzeichnis VII Netzgeloschter Wechselrichter Ansteuereinrichtungen Selbstgeloschte Strornrichter Einquadrantenpulssteller Vierquadrantenpulssteller Selbstgeloschte Wechselrichter... III 6 Stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe Verhalten bei kontinuierlicher Stromfiihrung Verhalten bei diskontinuierlicher Stromf'lihrung Dimensionierung der Drossel im Ankerkreis Begrenzung der Welligkeit Festlegung der Liickgrenze Reversierantriebe Prinzip der Umkehrschaltungen Begrenzung des Kreisstromes Regelstrukturen Pulsstellerantriebe Stromrichtergespeiste Drehstromantriebe Drehstromasynchronmotor Beschreibung des Betriebsverhaltens mit Hilfe von Raurnzeigem Frequenzsteuerung Spannungssteuerung Untersynchrone Strornrichterkaskade Drehstromsynchronmotor Aufbau und Wirkungsweise Drehzahlstellen Anlassen Bremsen Strornrichtermotor Elektronikmotor Projektierung von Antriebssystemen Anpassung des Motors an die Arbeitsmaschine Gesichtspunkte fur die Festlegung der Motorbemessungsleistung Thermische Vorgiinge in elektrischen Maschinen Uberiastbarkeit elektrischer Maschinen Ubersicht iiber die Betriebsarten Bestimmung der Motorbemessungsleistung Ermittlung der Bemessungsleistung fur Motoren der Betriebsart S Ermittlung der Bemessungsleistung fur Motoren der Betriebsart S Ermittlung der Bemessungsleistung fur Motoren der Betriebsart S Zusammenfassung Motorbemessungsleistung bei nichtstationaren Belastungen Periodische Belastung Reversierbetrieb

8 VIII Inhaltsverzeichnis 8.5 Motorschutz... ~ Aufgaben des Motorschutzes und Anforderungen an die Schutzeinrichtungen Motorschutzgerate Bemessung der Schutzeinrichtungen Schaltgerate Zusammenfassung Liisungen FormeIzeichen Literaturverzeichnis 232 Sachwortverzeichnis 233