Elektrische Antriebe Grundlagen

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1 Elektrische Antriebe Grundlagen

2 Dierk Schröder ElektrischeAntriebe Grundlagen Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben 6.,wesentlichüberarbeiteteAuflage

3 Dierk Schröder Technische Universität München München, Deutschland Extras Online zu diesem Buch finden Sie auf ISBN ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag GmbH Deutschland 1994, 2000, 2007, 2009, 2013, 2017 DasWerk einschließlichallerseinerteileist urheberrechtlichgeschützt.jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, Berlin, Germany

4 Vorwort zur sechsten Auflage Dieses Lehrbuch bietet eine Einführung in das Gebiet der elektrischen Antriebstechnik. Von den mechanischen Grundlagen ausgehend, werden die Antriebsanordnungen mit Gleichstrommaschinen sowie mit Asynchron- und Synchronmaschinen erläutert. Mittels bewährter Darstellung werden die Systemgleichungen, die Signalflusspläne und die Regelungsvarianten erarbeitet und diskutiert. Aufbauend auf diesen Kenntnissen werden mechatronische und technologische Aufgabenstellungen angesprochen. Am Ende des Buches finden sich Übungs- und Prüfungsausgaben mit Lösungen. Die sechste Auflage ist grundlegend überarbeitet worden. Ein wesentlicher Aspekt bei der Überarbeitung des Buchs war die zunehmende Verknüpfung der verschiedenen Wissensgebiete aufgrund der zunehmenden Anforderungen an die elektrischen Antriebe. Außer der perfekten Regelung sollen beispielsweise zusätzlich die Effizienz oder der Wirkungsgrad und die Geräusche berücksichtigt werden. Es wurden deshalb drei Gebiete neu aufgenommen: Die betriebliche Optimierung des Antriebs mit der Darstellung der verschiedenen Zusatzeffekte wie die Kupfer-, die Eisen- sowie die Wechselrichterverluste, die modellbasierten prädiktiven Regelungen - Theorie und Praxis sowie praktische Ergebnisse bei dem 12 MW M2C- Hochleistungs-Umrichter. Außer den neuen Beiträgen wurden alle Kapitel kritisch hinsichtlich des Standes der Technik überprüft und an die Entwicklung angepasst. Zusätzlich wurden die Querverweise zu den anderen Büchern dieser Reihe ausgebaut. Bei der Überarbeitung wurde wie bisher auf bestmögliches Verständnis und Themenfolge geachtet. Dieses Lehrbuch ist Teil einer umfassenden Reihe von Werken. Diese umfasst neben Elektrische Antriebe Grundlagen die Bände Elektrische Antriebe Regelung von Antriebssystemen, Intelligente Verfahren Identifikation und Regelung nichtlinearer Systeme sowie die Bücher Leistungselektronische Schaltungen und Leistungselektronische Bauelemente. Diese Buchreihe wird von interessierten Kollegen weiter geführt. In diesem Jahr werden noch - neben dieser Neuauflage, die vierte Auflage von Elektrische Antriebe. Leistungselektronische Schaltungen und die zweite Auflage von Intelligente Verfahren - Identifikation und Regelung nichtlinearer Systeme erscheinen. Im kommenden Jahr ist die fünfte Auflage von Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen geplant.

5 VI Die Zielgruppen Das Buch wendet sich an Studierende der Elektrotechnik, des Maschinenbaus und der Informatik oder verwandter Studienrichtungen sowohl an Technischen Universitäten als auch an Hochschulen. Das Gesamtwerk ist auch hervorragend als Nachschlagewerk in der industriellen Praxis geeignet. Der Autor Univ.- Prof. i.r. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h. c. Dierk, Schröder, Fellow IEEE, ehem. Technische Universität München, Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme. München, im Sommer 2017 Dierk Schröder

6 1 Antriebsanordnungen: Grundlagen Mechanische Grundgesetze AnalogienzwischenTranslationundRotation ÜbertragungsstellenundGetriebe DrehmomentbilanzimAntriebssystem Normierung der Gleichungen und Differentialgleichungen Zeitliches Verhalten des rotierenden mechanischen Systems AnalytischeBehandlung GraphischeBehandlungvonBewegungsvorgängen NumerischeLösungüberDifferenzengleichung SystemArbeitsmaschine Antriebsmaschine StationäresVerhaltenderArbeitsmaschine 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) Asynchronesbzw.Nebenschluß-Verhalten Konstant-Moment-Verhalten SynchronesVerhalten Beispiel:Gleichstrom Nebenschlußmaschine Statische Stabilität im Arbeitspunkt GraphischeMethoden Rechnerische Stabilitätsprüfung über die linearisierte DifferentialgleichungimArbeitspunkt Stabilitätsprüfung über die Laplace-Transformation BemessungderAntriebsanordnung Arbeitsmaschinen Antriebsmaschinen... 33

7 VIII 2 Verluste und Erwärmung im Antriebssystem VerlusteanderÜbertragungsstelle Leistungsbilanz VerlustarbeitanderÜbertragungsstelle Motor VerlustebeimBeschleunigen ErwärmungelektrischerMaschinen VerlustleistungundTemperatur Rechengang: mathematische Grundlagen StrombelastungundVerlustleistung NormenundBetriebsarten BetriebsartenundBemessungsdaten 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 (BetriebsartS6) Unterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung (BetriebsartS7) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last- und Drehzahländerungen(BetriebsartS8) Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung(BetriebsartS9) Betrieb mit diskretem konstantem Belastungszustand (BetriebsartS10) MittelwertbetriebbeiperiodischerBelastung MaschinenmitmehrerenBemessungsbetrieben Aufstellungshöhe,TemperaturundKühlmittel BelüftungundKühlung ElektrischeBedingungen Gleichstrommaschine Einführung Regelungstechnische Modellbildung der Gleichstrommaschine SignalflußplanderGleichstrom Nebenschlußmaschine Ankerkreis Feldkreis,Erregerkreis ZusammenfassungvonAnkerkreisundErregerkreis Signalflußpläne,Übergangsverhalten Führungsverhalten und Führungs-Übertragungsfunktion LastverhaltenundStör Übertragungsfunktion Einfluß von ψ auf n (Feldschwächung)... 99

8 IX Zusammengefaßter Plan (linearisiert, überlagert, vereinfacht) SteuerungderDrehzahl DrehzahlsteuerungdurchdieAnkerspannung SteuerungdurchdenFluß SteuerungdurchAnkerspannungundFeld StationäresVerhalten,Kennlinien Zeitverhalten Drehzahl-Steuerung durch Vorwiderstand im Ankerkreis Drehzahlverstellung durch geschaltete Vorwiderstände Zeitliches Verhalten bei Spannungs- und Stromsteuerung DrehzahländerungdurchSpannungsumschaltung DrehzahländerungmitkonstantemStrom Arbeitsbereich-Grenzen der fremderregten Gleichstrommaschine Bereich1:SpannungsverstellungimAnkerkreis Bereich2:Feldverstellung Bereich 3: Erhöhung der Drehzahl bei konstanter Spannung und konstantemfluß Leistungselektronische Schaltungen Leistungselektronische Schaltungen für Antriebe Einführung LeistungselektronischeBauelemente Einführung NetzgeführteStromrichter-Stellglieder Einführung Grundprinzipien netzgeführter Stellglieder DreiphasenBrückenschaltung(B6-Schaltung) Kommutierung Überlappung Wechselrichterbetrieb Wechselrichterkippen Verschiebungsfaktor, Leistungsfaktor Umkehrstromrichter UmkehrstromrichterAblaufBefehlsfolge DC-DC-WandlerEinführung U UmrichterEinführung Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder Gleichstromantriebe Grenzen des Betriebsbereichs von Stromrichter und Maschine Strom- und Drehzahlregelung der Gleichstrommaschine Ankerstromregelung Drehzahlregelung Großsignalverhalten PrädiktiveStromregelung Führungs-undStörverhaltenvonRegelkreisen Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder Drehstromantriebe Direktumrichter Stromrichtermotor I-Umrichter DC-DC-WandlerGleichstrommaschine

9 X Tiefsetzsteller(buckconverter) Hochsetzsteller(boostconverter) SteuerverfahrenbeiDC-DC-Wandlern PulsweitensteuerungPWM Pulsfolgesteuerung Hysterese-Regelung Gleichstromsteller Gleichstrommaschine Tiefsetzsteller (buck converter) Gleichstrommaschine Ein-Quadrant-Bremsbetrieb (boost converter) Gleichstrommaschine Zwei-Quadrant-Steller mit Ankerstromumkehr Gleichstrommaschine Zwei-Quadranten-Stellglied mit Ankerspannungsumkehr Gleichstrommaschine Vier-Quadranten-Stellglied Gleichstrommaschine Regelungen Gleichstromsteller Gleichstrommaschine QuerverweiseDC-DC-Wandler Asynchronmaschinen Einführung FunktionsweisevonAsynchronmaschinen Erzeugung eines Drehfeldes im Luftspalt durch den Stator Spannungsinduktion im Rotor StromaufbauimRotor Entstehung des Drehmoments, stationäre Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie HöherePolpaarzahlen Raumzeiger-Darstellung DefinitioneinesRaumzeigers RücktransformationaufMomentanwerte Koordinatensysteme DifferentiationimumlaufendenKoordinatensystem Schleifringläufermaschine Asynchronmaschine: Signalflußplan mit Verzögerungsgliedern AsynchronmaschineimstationärenBetrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine ElektrischeVerhältnisseimstationärenBetrieb ErsatzschaltbilderderAsynchronmaschine StromortskurvedesStatorstroms AsynchronmaschinebeiUmrichterbetrieb SteuerverfahrenbeiStatorflußorientierung SteuerverfahrenbeiRotorflußorientierung Asynchronmaschine am Umrichter mit eingeprägtem Statorstrom Linearmaschinen

10 XI 6 Synchronmaschine FunktionsweisevonSynchronmaschinen Synchron Schenkelpolmaschine ohne Dämpferwicklung BeschreibendesGleichungssystem Synchron Schenkelpolmaschine in normierter Darstellung Signalflußplan Synchron Schenkelpolmaschine Spannungseinprägung Signalflußplan Synchron Schenkelpolmaschine Stromeinprägung ErsatzschaltbildderSynchron Schenkelpolmaschine SchenkelpolmaschinemitDämpferwicklung Synchron Vollpolmaschine Beschreibendes Gleichungssystem und Signalflußpläne ErsatzschaltbildderSynchron Vollpolmaschine Steuerbedingungen der Synchron Vollpolmaschine ohne Dämpferwicklung PermanentmagneterregteMaschinen RegelungmitNebenbedingungen Transversalflussmaschinen Geschaltete Reluktanzmaschinen 335 Prof. Dr. H. Bausch, Universität d. Bundeswehr München 7.1 Einleitung Aufbau Betriebsverhalten Energieumwandlung Stromrichterschaltungen SteuerungundRegelung Lagerlose Permanentmagnetmotoren 365 Prof. Dr. W. Amrhein; Dr. S. Silber ACCM/ Johannes Kepler Universität Linz 8.1 Einleitung Kraft-undDrehmomentberechnung MagnetischeKoenergie MaxwellscherSpannungstensor Fourier-ReihendarstellungderFeldgrößen Drehmomentberechnung Kraftberechnung InterpretationderErgebnisse Ausführungsbeispiele zu lagerlosen Permanentmagnetmotoren RegelungundelektronischeAnsteuerung ApplikationenlagerloserScheibenläufermotoren

11 XII 9 Kleinantriebe Schrittmotoren Einführung,Funktionsprinzip Grundtypen von Schrittmotoren Reluktanz-Schrittmotor PermanentmagneterregterSchrittmotor Hybrid-Schrittmotor GegenüberstellungDrehfeld Schrittfeld Betriebskennlinien,Betriebsverhalten StatischerDrehmomentverlauf StatischesLastverhalten Einzelschritt-Fortschaltung Grenzkennlinien,Betriebsbereiche Ansteuerung,Leistungselektronik ErsatzschaltbildeinesMotorstrangs Unipolare und bipolare Speisung der Strangwicklungen Leistungstreiber Betriebsarten:Voll-,Halb-undMikroschrittbetrieb Bestromungstabellen Positioniergenauigkeit,Schrittwinkelfehler Drehzahlverhalten,Resonanzfrequenzen ParametrischeAnregung Dämpfung Modellbildung AuslegungvonSchrittmotorantrieben ErmittlungderStartgrenzfrequenz BerechnungvonlinearenFrequenzrampen ElektronischkommutierteGleichstrommaschine Umrichterantriebe Direktumrichter Stromrichtermotor PrinzipielleFunktion LastgeführteKommutierung Anfahrvorgang Drehmomentpendelungen RegelungdesStromrichtermotors EinsatzgebieteStromrichtermotor Umrichter mit Phasenfolgelöschung und eingeprägtem Strom (I- Umrichter) PrinzipiellesSystemverhalten ModifizierterI-Umrichter Selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis.. 462

12 XIII Grundfunktion ModulationsverfahrenbeiPulsumrichtern Zweipunktregelung (Prinzipdarstellung) Pulsweitenmodulation(PWM) Raumzeiger-Modulation OptimiertePulsmuster Mehrpunkt-Wechselrichter Hochleistungs-Wechselrichter Serien-ZellenWechselrichter M2C-Wechselrichter Leistungsfaktor-Korrektur(PFC) Regelungen von Drehfeldmaschinen Entkopplung Asynchronmaschine Feldorientierung Asynchronmaschine Entkopplung Synchronmaschine Feldorientierung Synchronmaschinen PM-MaschinemitReluktanzeinflüssen WeiterführendeInformationen Statorstrom-Regelungen ÜberlagerteRegelverfahren[97] Technologische Aufgabenstellungen OptimierungBetrieb Verlustminimierung DirektantriebgegenGetriebemotor Betriebsoptimierung Verlustminimierung Einführung Modelle Kupferverluste Eisenverluste Oberschwingungen TransienterSkin-Effekt PermanentmagneterregteSynchronmaschinePM-SM Asynchronmaschine Fahrzeuge SynchroneReluktanzmaschine Einphasen-Asynchronmaschine Akustik ModellPrädiktiveRegelungMPC Einführung MPC Theorie und Praxis Dr.P.Stolze,TUMünchen ASM Grundgleichungen HeuristikzurReduktiondesRechenaufwands Grundprinzip

13 XIV ValidierungderheuristischenVorselektion BestimmungdeswertkontinuierlichenOptimums Systembeschreibung für das wertkontinuierliche Optimierungsproblem BinärerSuchbaum BestimmungdesSektors ExperimentelleErgebnissefürZweilevel-Umrichter Experimentelle Ergebnisse für Dreilevel-Flying-Capacitor- Umrichter Variabler Schaltzeitpunkt Grundprinzip BerechnungdesvariablenSchaltzeitpunktes Regelalgorithmus ExperimentelleErgebnissefürZweilevel-Umrichter Kombination von Heuristik und variablem Schaltzeitpunkt Regelalgorithmus ExperimentelleErgebnissefürZweilevel-Umrichter Experimentelle Ergebnisse für Dreilevel-Flying-Capacitor- Umrichter ZusammenfassungundAusblick Physikalische Modellbildung der Gleichstrommaschine Einführung TheoriederFelder ElektrostatischesFeld,Coulomb-Kraft Magnetfeld-Lorentzkraft Magnetfeld-Induktionsspannung Wechselwirkungen zwischen Ladungen Lenz sche Regel MagnetischeFeldstärke MagnetischeFlussdichte 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 VerständniselektrischerMaschinen Magnetfeldbündelnde Wirkung ferromagnetischer Materialien QuellenfreiheitdesmagnetischenFeldes Kraft auf bewegte Ladungen im Luftspalt zwischen ferromagnetischenmaterialien Oberflächenströme

14 XV Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen Werkstoffen MagnetischerKreis Grenzflächenkräfte: magnetischer Querdruck und Längszug BrechungsgesetzefürmagnetischeFeldlinien Zusammenfassung Physikalisches Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine Prinzip der Momenterzeugung Ableitung der Momenten-Grundgleichung Betrachtung der Gleichstrommaschine als magnetischen Kreis Kommutator AbleitungderMomenten-Grundgleichung RotormitNuten Beschleunigung des Rotors Ableitung der Mechanik-Grundgleichung Entstehung einer Gegenspannung Ableitung der Bewegungsinduktions-Grundgleichung Eigeninduktivität des Rotors Ableitung der Ankerkreis-Grundgleichung Übungsaufgaben 659 Prüfungsaufgaben 700 Variablenübersicht 727 Literaturverzeichnis 743 AusgewählteArbeitendesLehrstuhls AntriebstechnikundbenachbarteGebiete(Bücher) Elektroantrieballgemein Leistungshalbleiter Leistungselektronik:Ansteuerung,Beschaltung,Kühlung Gleichstromsteller,DC-DC-Wandler NetzgeführteStromrichter:SchaltungstechnikundAuslegung NetzgeführteStromrichter:Regelung Direktumrichter UntersynchroneKaskade(USK) Stromrichtermotor Stromzwischenkreis-Umrichter(I-Umrichter) Spannungszwischenkreis-Umrichter(U-Umrichter) Asynchronmaschine:Regelung Synchronmaschine Reluktanzmaschine

15 XVI GeberloseReluktanzmaschine Linearmotoren LagerlosePermanentmagnetmotoren Kleinantriebe Betriebsoptimierung PrädiktiveRegelung MPC Stichwortverzeichnis 809