Elektrische Maschinen und Antriebe

Transkript

1 Prof. Dr. Hermann Merz Prof. Dr. Götz Lipphardt Elektrische Maschinen und Antriebe Grundlagen und Berechnungsbeispiele für Einsteiger 2. Auflage VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach

2 Inhalt 1 Einleitender Überblick Der Weg der Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher Anwendungen elektrischer Energie: Motoren und Antriebe Inhalte des Buchs Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Maschinen Elektrische Antriebe 19 2 Grundbegriffe der Elektrotechnik Elektrische Ladung Quellen, Potential und Spannung Elektrischer Strom Elektrischer Grundstromkreis Elektrischer Widerstand (im Gleichstromkreis) Elektrische Energie (im Gleichstromkreis) Elektrische Leistung (im Gleichstromkreis) Wirkungsgrad Bezugspfeile für Strom und Spannung Spannungsbezugspfeile Strombezugspfeile Erzeuger- und Verbraucherpfeilsystem (EPS und VPS) / Erzeugerpfeilsystem Verbraucherpfeilsystem Übungsaufgaben 31 3 Lineare Gleichstromnetze Begriffsdefinitionen Komponenten linearer Gleichstromnetzwerke Ohm'scher Widerstand/Leitwert Ideale Energiequellen Topologie von Gleichstromnetzen Knoten und Zweige Maschen und Bäume Topologische Grundstrukturen Grundstromkreis Reine Reihenschaltung 42

3 Reine Parallelschaltung Allgemeines Netz : Fundamentale Berechnungsmethoden Ohm'sches Gesetz Kirchhoff sehe Regeln Knotenregel Maschenregel Lineare Quellen Verhalten realer Energiequellen Modelle für das Verhalten realer Energiequellen Kennzeichen linearer Quellen Lineare Spannungsquelle Lineare Stromquelle Hinweise zur Modellierung realer Quellen Umwandlung linearer Quellen Umwandlung einer linearen Spannungsquelle Umwandlung einer linearen Stromquelle Beispiel für äquivalente lineare Quellen Leistungsanpassung bei linearen Quellen Leistungsanpassung bei der linearen Spannungsquelle Leistungsanpassung bei der linearen Stromquelle Methoden zur Umformung von Netzwerken Berechnung von Widerstandsersatzschaltungen Ä. 1 Reihenschaltung aus Ohm'schen Widerständen oder Leitwerten Parallelschaltung aus Ohm'schen Widerständen oder Leitwerten Sterne und Dreiecke aus Ohm'schen Widerständen Sterne und Dreiecke aus Ohm'schen Leitwerten Beispiel für die Berechnung einer Widerstandsersatzschaltung Widerstandsberechnung bei Punkten gleichen Potentials Berechnung von Quellenersatzschaltungen Berechnung von Spannungen und Strömen bei Serien- und Parallelschaltungen von Widerständen oder Leitwerten Spannungsteilerregel Stromteilerregel Berechnung stark verzweigter Netzwerke Zweigstromanalyse Zweipoltheorie Übungsaufgaben 73

4 4 Elektrische und magnetische Felder Grundlagen der Feldtheorie Experimentelle Erfahrungen Der (physikalische) Feldbegriff Lokale und globale (integrale) Feldgrößen Lokale Feldgrößen Globale (integrale) Feldgrößen Die Feldgrößen des elektrischen Strömungsfelds Die Feldgrößendes elektrostatischen Felds Die Feldgrößen des magnetischen Felds Ferromagnetische Materialien Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld Zugspannungen im Magnetfeld und im elektrostatischen Feld Feldlinien Definition Magnetische Feldlinien an Grenzflächen Feldlinienverlauf bei homogenen Feldern Die Maxwell'schen Gleichungen Die Feldgleichungen Das Durchflutungsgesetz (1. Maxweh" sehe Gleichung) Das Induktionsgesetz (2. Maxwell'sche Gleichung) Die Kontinuitätsgleichungen (Quellen und Wirbel) Quelleneigenschaft des elektrostatischen Felds Wirbeleigenschaft des magnetischen Felds / Die Materialgleichungen Anwendungsbeispiel: Kondensator Begriffsdefinitionen Kondensator Kapazität Parallel- und Reihenschaltung von Kapazitäten Parallelschaltung : : Reihenschaltung Der Kondensator als Energiespeicher Laden des Kondensators und fundamentale /-«-Beziehung Gespeicherte Energie des Kondensators Entladen des Kondensators Anwendungsbeispiel: Spule Begriffsdefinitionen Spule : 118

5 Selbstinduktion Fundamentale «-(-Beziehung und Induktivität Schaltungen magnetisch nicht gekoppelter Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung Spule als Energiespeicher Bestromen der Spule Gespeicherte Energie der Spule Entströmen der Spule Anwendungsbeispiel: Transformator (Grundlagen) Magnetisch gekoppelte Spulen Gegeninduktion Gegeninduktivität Transformatorprinzip Übungsaufgaben Lineare Wechselstromnetze Begriffe Wechselstromnetz/Sinusstromnetz Komponenten von Wechselstromnetzen Wirk- und Blindleistung Sinusförmige Spannungen und Ströme Mathematische Beschreibung #2 Grafische Darstellung elektrischer Sinusgrößen 137, Festlegung des Zeitnullpunkts Sinusgrößen als Funktion des Winkels Sinusgrößen als Funktion der Zeit Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom Integrale Kennwerte sinusförmiger Größen Arithmetischer Mittelwert Effektivwert Darstellung sinusförmiger Größen durch komplexe Zeiger Exponentialform Algebraische Form Komplexer Drehzeiger Reelle Zeitfunktion Beispiel für das Rechnen mit sinusförmigen Wechselgrößen Zeigerdiagramm und Phasenwinkel cp Komponenten linearer Wechselstromnetze

6 5.3.1 Ideale Wechselspannungsquellen Reale Wechselspannungsquellen ' Allgemeine komplexe Widerstände und Leitwerte Verhalten eines Ohm'schen Widerstands/Leitwerts bei sinusförmiger Wechselspannung Verhalten einer Spule bei sinusförmiger Wechselspannung Verhalten eines Kondensators bei sinusförmiger Wechselspannung Zusammenfassung der Zeigerdiagramme Berechnung linearer Wechselstromnetze Fundamentale Berechnungsmethoden Ohm'sches Gesetz in komplexer Form Kirchhoff sehe Regeln in komplexer Form Komplexe Widerstands- und Leitwertsersatzschaltungen Reihenschaltung Parallelschaltung Effektivwertzeigerdiagramme Komplexe Spannungsteilerregel Komplexe Stromteilerregel Leistung im Wechselstromnetz Momentanleistung am Verbraucher ; ' Momentane Wirk- und Blindleistung Mittlere Leistungen Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor Komplexe Leistung / Blindleistungskompensation (klassisch) Übungsaufgaben Lineare Drehstromnetze Vorteile von Drehstromsystemen Drehstromgeneratoren Prinzip der Drehstromerzeugung Symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem Verkettung Sternschaltung des Generators (4-Leiter-Netz) Dreieckschaltung des Generators (3-Leiter-Netz) Drehstromverbraucher Symmetrische und unsymmetrische Verbraucher Drehstromverbraucher am 4-Leiter- und 3-Leiter-Netz Berechnung von Drehstromnetzen

7 6.4.1 Drehstromverbraucher am 4-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Drehstromverbraucheram 3-Leiter-Netz Sternschaltung Dreieckschaltung Leistung im Drehstromnetz Ausgangslage für die Leistungsberechnung Momentanleistung Komplexe Leistung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung Drehstromleistung bei symmetrischer Last Kollektive Leistung Blindleistungskompensation im Drehstromnetz (klassisch) Problemstellung...' Sternschaltung der Kondensatoren Dreieckschaltung der Kondensatoren Übungsaufgaben Überblick über elektrische Maschinen Unterscheidungsmerkmale für elektrische Maschinen Haupttypen elektrischer Maschinen Transformator Rotierende elektrische Maschinen und Linearmaschinen /2.1 Drehfeldmaschine Einphasen-Wechselstrommaschine Gleichstrommaschine Schrittmotor Spezielle Typen rotierender elektrischer Maschinen Servomotor Elektronisch kommutierter Motor Reluktanzmaschine High-Torque-Motor (Direktantrieb) Transformator Mechanischer Aufbau Eisenkern." Wicklungen Funktionsprinzip des Einphasentransformators Bezugspfeile beim Einphasentransformator

8 1 1 ( 1 I t j [ i i i f i i Wicklungssinn '. 231 Magnetische Kopplung und Strombezugspfeile 232 Klemmenspannungen 234 Schema für die Festlegung der Bezugspfeile 234 Der ideale Emphasentransformator 237 Bezugspfeile und Wicklungssinn 237 Ideale Spannungstransformation 238 Ideale Stromtransformation '. 239 Ideale Widerstandstransformation 241 Der reale Einphasentransformator 241 Vollständiges Ersatzschaltbild des Einphasentransformators 242 Kupferverluste.' 242 Unvollständige magnetische Kopplung 243 Eisenverluste 245 Leerlauf- und Kurzschlussversuch 246 Leerlaufversuch 246 Kurzschlussversuch 248 Berechnungsbeispiel 252 Nennbetrieb (Kapp'sches Dreieck) 253 Drehstromtransformator 254 Aufbau eines Drehstrom-Kerntransformators 254 Wicklungen und Schaltungen 254 Schaltgruppen 255 Kennbuchstaben 255 Kennzahl 256 Elektrisches Ersatzschaltbild bei symmetrischer Last 257 Nennspannungen 258 Übersetzungsverhältnis 258 Übungsaufgaben 261 Drehstromasynchronmaschine 263 Aufbau des Drehstromasynchronmotors 263 Funktionsweise 266 Schlupf 267 Ständerdrehfeld 268 Läufer-und Luftspaltdrehfeld 271 Drehmomentbildung 271 Elektrisches Ersatzschaltbild 273 Leistungsbilanz des Drehstromasynchronmotors

9 9.5 Ortskurve des Ständerstroms (Heyland-Kreis) Drehmoment-Schlupf-Kennlinie (Kloss'sche Formel) Übungsaufgaben Drehstromsynchronmaschine Aufbau des Drehstromsynchrongenerators Funktionsweise des Drehstromsynchrongenerators Elektrisches Ersatzschaltbild Betrieb am starren Netz Synchronisierung mit dem Netz Drehstromgenerator als Blindleistungserzeuger Drehstromgenerator als Wirkleistungserzeuger Übungsaufgaben Gleichstrommaschine Grundlegende physikalische Gesetze Kraft auf stromdurchfiossene gerade Leiter im Magnetfeld Spannungserzeugung in der Läuferwicklung Aufbau des Gleichstrommotors Ständer Läufer, Kommutator und Bürsten Läuferblechpaket Kommutator und Bürsten /2.2.3 Stromverlauf bei der Kommutierung Ankerwicklung Ankerrückwirkung Die Grundgleichungendes Gleichstrommotors Induzierte Spannung Drehmoment Leistungsbilanz des Gleichstrommotors Drehmoment als Funktion von Fluss und Strom Drehmoment als Funktion der Drehzahl (M-«-Kennlinie) Erregungsarten und elektrische Ersatzschaltbilder Erregung von Gleichstrommotoren Elektrische Ersatzschaltbilder Fremderregter Gleichstrommotor Nebenschlussmotor Reihenschlussmotor Betriebsverhalten von Gleichstrommotoren

10 Nebenschlussverhalten Reihenschlussverhalten Übungsaufgaben Elektrische Antriebe Einführende Übersicht Leistungsantrieb Ungesteuerte, gesteuerte und geregelte Antriebe Ungesteuerter Antrieb Gesteuerter Antrieb Geregelter Antrieb Einsatz-und Betriebsbedingungen Bauform und Aufstellung (IM) Schutzart (IP) Kühlung (IC) Betriebsarten Physikalische Grundgesetze der Antriebstechnik Das dynamische Grundgesetz der Rotation Bezugspfeile für Drehzahl und Drehmoment Bewegungsgleichung eines rotierenden Körpers Freischneiden : Beispiel für das Aufstellen einer Bewegungsgleichung Umrechnung von Bewegungsgrößen Umrechnung von translatorischer Bewegung in rotatorische Umrechnung von Drehmomenten Umrechnung von Trägheitsmomenten bei rotierenden Massen Umrechnung von Trägheitsmomenten bei geradlinig bewegten Massen Beispiel für die Umrechnung von Bewegungsgrößen Stationäre M-n-Kennlinien und Arbeitspunktstabilität Stationäre AfL-n-Kennlinien von Arbeitsmaschinen Konstante Antriebsleistung Konstantes Lastmoment Quadratisch ansteigendes Lastmoment Stationäre M M -n-kennlinien von Motoren Stationärer Arbeitspunkt Drehmomentgleichung Beispiel für eine Arbeitspunktberechnung Statische Stabilität im Arbeitspunkt

11 12.4 Antriebsdynamik Langsame Drehzahländerungen Konstantes Beschleunigungsmoment Linear abnehmendes Beschleunigungsmoment Beliebiger Verlauf des Beschleunigungsmoments Schnelle Drehzahländerungen Klassische Verfahren der Drehzahlsteuerung Drehzahlsteuerung beim Drehstromasynchronmotor Grundsätzliche Möglichkeiten [/-/-Steuerung Drehzahlsteuerung beim Gleichstrommotor Stromrichterantriebe Stromrichterventile ; Diode.' Thyristor Leistungstransistor Stromrichter Netzgeführter Stromrichter für Gleichstrommotoren Wechselstrombrückenschaltung mit Dioden Wechselstrombrückenschaltung mit Thyristoren Drehstrombrückenschaltung Transistorumrichter für den Drehstromasynchronmotor Grundsätzlicher Aufbau eines [/-Umrichters A4.2 --Pulsweitenmodulation 381 A2f7 Antriebsregelung Struktur eines geregelten Antriebs Verfahren für die Lage-und Drehzahlregelung Aufbau von Gesamt-Antriebsmoduln Netzteil Leistungsteil-Interface Signalverarbeitungseinheit Schnittstellen Übungsaufgaben 395 Lösungen der Übungsaufgaben 397 Literatur 405 Stichwortverzeichnis