Elektrische Antriebe Grundlagen

Transkript

1 Dierk Schröder Elektrische Antriebe Grundlagen Mit durchgerechneten Übungsund Prüfungsaufgaben 3., erweiterte Auflage Mit 250 Abbildungen und 17 Tabellen Sprin ger

2 Inhaltsverzeichnis Einführung 1 1 Antriebsanordnungen: Grundlagen Mechanische Grundgesetze Analogien zwischen Translation und Rotation Ubertragungsstellen 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 M w = f(n, V) Widerstandsmoment Mw = f(<f) Widerstandsmoment M w = f(r) Widerstandsmoment M w = f(i) Stationäres Verhalten der Antriebsmaschinen: MM = f(n, tp) Asynchrones bzw. Nebenschluß-Verhalten Konstant-Moment-Verhalten Synchrones Verhalten Beispiel: Gleichstrom-Nebenschlußmaschine Statische Stabilität im Arbeitspunkt Graphische Methoden Rechnerische Stabilitätsprüfung über die Hnearisierte Differentialgleichung im Arbeitspunkt Stabilitätsprüfung über die Laplace-Transformation Bemessung der Antriebsanordnung Arbeitsmaschinen Antriebsmaschinen 39

3 X Inhaltsverzeichnis 2 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 Strombelastung und Verlustleistung Normen und Betriebsarten Betriebsarten und Bemessungsdaten Dauerbetrieb (Betriebsart Sl) Kurzzeitbetrieb (Betriebsart S2) Aussetzbetrieb (Betriebsart S3) Aussetzbetrieb mit Einfluß des Anlaufvorgangs (Betriebsart S4) Aussetzbetrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart S5) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Aussetzbelastung (Betriebsart S6) Unterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung (Betriebsart S7) Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last- und Drehzahländerungen (Betriebsart S8) Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung (Betriebsart S9) Betrieb mit diskretem konstantem Belastungszustand (Betriebsart S10) Mittelwertbetrieb bei periodischer Belastung Maschinen mit mehreren Bemessungsbetrieben Aufstellungshöhe, Temperatur und Kühlmittel Belüftung und Kühlung Elektrische Bedingungen 72 3 Gleichstrommaschine Magnetische Feldtheorie Wechselwirkungen zwischen Ladungen Wechselwirkungen zwischen statischen Ladungen - das elektrische Feld Wechselwirkungen zwischen bewegten Ladungen - das magnetische Feld Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Ladungen Wechselwirkungen zwischen Ladungen - Lenz'sche Regel Wechselwirkungen zwischen Ladungen - Beispiele Magnetische Feldstärke 87

4 Inhaltsverzeichnis XI Magnetische Flussdichte 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 Verständnis elektrischer Maschinen Magnetfeldbündelnde Wirkung ferromagnetischer Materialien Quellenfreiheit des magnetischen Feldes Kraft auf bewegte Ladungen im Luftspalt zwischen ferromagnetischen Materialien Oberflächenströme Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen Werkstoffen Magnetischer Kreis Maxwell'sche Flächenspannung Brechungsgesetze für magnetische Feldlinien Zusammenfassung Physikalisches Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine Prinzip der Momenterzeugung - Ableitung der Momenten-Grundgleichung Betrachtung der Gleichstrommaschine als magnetischen Kreis Kommutator Ableitung der Momenten-Grundgleichung Rotor mit Nuten Beschleunigung des Rotors - Ableitung der Mechanik-Grundgleichung Entstehung einer Gegenspannung - Ableitung der Bewegungsinduktions-Grundgleichung Eigeninduktivität des Rotors - Ableitung der Ankerkreis-Grundgleichung Signalflußplan der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine Ankerkreis Feldkreis, Erregerkreis Zusammenfassung von Ankerkreis und Erregerkreis Signalflußpläne, Übergangsverhalten Führungsverhalten und Führungs-Übertragungsfunktion Lastverhalten und Stör-Übertragungsfunktion Einfluß von ip auf n (Feldschwächung) Zusammengefaßter Plan (linearisiert, überlagert, vereinfacht) Steuerung der Drehzahl Drehzahlsteuerung durch die Ankerspannung 175

5 XII Inhaltsverzeichnis Steuerung durch den Fluß Steuerung durch Ankerspannung und Feld Stationäres Verhalten, Kennlinien Zeitverhalten Drehzahl-Steuerung durch Vorwiderstand im Ankerkreis Drehzahlverstellung durch geschaltete Vorwiderstände Zeitliches Verhalten bei Spannungs- und Stromsteuerung Drehzahländerung durch Spannungsumschaltung Drehzahländerung mit konstantem Strom Arbeitsbereich-Grenzen der fremderregten Gleichstrommaschine 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 Gleichstromsteller, DC-DC-Wandler Tiefsetzsteller Steuerverfahren für Gleichstromstcller Pulsweitensteuerung (T konstant) Pulsfolgesteuerung (T variabel) Hysterese-Regelung des Gleichstromstellers Gleichstromstellerschaltungen für Ein- und Mehr-Quadrant-Betrieb von Gleichstrommaschinen Prinzip des Tiefsetzstellers (Bück-Wandler) Prinzip des Hochsetzstellers (Boost-Wandler) Motorischer Ein-Quadrant-Betrieb Generatorischer Ein-Quadrant-Betrieb Zwei-Quadrant-Betrieb Vier-Quadrant-Betrieb Antriebssystem Gleichstromsteller-Gleichstrommaschine Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder Grundprinzip Dreiphasen-Mittelpunktschaltung Dreiphasen-Brückenschaltung (B6-Schaltung) Netzstrom, Verschiebungsfaktor cos <p\ und Leistungsfaktor A Grenzen des Betriebsbereichs von Stromrichter und Maschine Verfahren zur Drehmomentumkehr bei Stromrichtern Drehmomentumkehr durch Wenden des Ankerstroms Drehrichtungsumkehr eines Gleichstromantriebes, der von einem kreisstromfreien Umkehrstromrichter gespeist wird Drehmomentumkehr durch Wenden des Feldstroms Strom- und Drehzahlregelung der Gleichstrommaschine 250

6 Inhaltsverzeichnis XIII Ankerstromregelung Drehzahlregelung Führungs- und Störverhalten von Regelkreisen Drehfeldmaschinen Einführung Funktionsweise von Asynchronmaschinen Erzeugung eines Drehfeldes im Luftspalt durch den Stator Spannungsinduktion im Rotor Stromaufbau im Rotor Entstehung des Drehmoments, stationäre Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie Höhere Polpaarzahlen Raumzeiger-Darstellung Definition eines Raumzeigers Rücktransformation auf Momentanwerte Koordinatensysteme Differentiation im umlaufenden Koordinatensystem Allgemeine Drehfeldmaschine Asynchronmaschine: Signalfiußplan mit Verzögerungsglicdcrn Asynchronmaschine im stationären Betrieb Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Asynchronmaschine Elektrische Verhältnisse im stationären Betrieb Ersatzschaltbilder der Asynchronmaschine Stromortskurve des Statorstroms Asynchronmaschine bei Umrichterbetrieb Steuerverfahren bei Statorfiußorientierung Steuerverfahren bei Rotorflußorientierung Asynchronmaschine am Umrichter mit eingeprägtem Statorstrom Synchronmaschine Funktionsweise von Synchronmaschinen Synchron -Schenkelpolmaschine ohne Dämpferwicklung Beschreibendes Gleichungssystem Synchron-Schenkelpolmaschine in normierter Darstellung Signalfiußplan Synchron-Schenkelpolmaschine - Spannungseinprägung Signalfiußplan Synchron-Schenkelpolmaschine - Stromeinprägung Ersatzschaltbild der Synchron-Schenkelpolmaschine Schenkelpolmaschine mit Dämpferwicklung Synchron-Vollpolmaschine Beschreibendes Gleichungssystem und Signalflußpläne Ersatzschaltbild der Synchron-Vollpolmaschine 377

7 XIV Inhaltsverzeichnis Steuerbedingungen der Synchron-Vollpolmaschine ohne Dämpferwicklung Permanentmagneterregte Maschinen Transversalflußmaschine 391 Prof. Dr. H. Weh, Universität Karlsruhe 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 410 Prof. Dr. H. Bausch, Universität d. Bundeswehr München 8.1 Einleitung Aufbau Betriebsverhalten Energieumwandlung Stromrichterschaltungen Steuerung und Regelung Linearmotoren 440 Prof. Dr. G. Henneberger, RWTH Aachen 9.1 Einführung Technik von Linearmotoren Industrielle Anwendungsmöglichkeiten Hochgeschwindigkeits-Anwendungen Lagerlose Permanentmagnetmotoren 453 Prof. Dr. W. Amrhein, Universität Linz: Dr. S. Silber, LCM-Linz 10.1 Einleitung Kraft- und Drehmomentbercchnung Magnetische Koenergie Maxwellscher Spannungstensor Fourier-Reihendarstellung der Feldgrößen Drehmomentberechnung Kraftberechnung Interpretation der Ergebnisse Ausführungsbeispiele zu lagerlosen Permanentmagnetmotoren. 468

8 Inhaltsverzeichnis XV 10.4 Regelung und elektronische Ansteuerung Lagerlose Motoren mit drei passiv stabilisierten Freiheitsgraden Kleinantriebe 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 Selbstgeführter Stromrichter mit Phasenfolgelöschung und eingeprägtem Strom 544

9 XVI Inhaltsverzeichnis Prinzipielles Systemverhalten Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters Steuer- und Regelverfahren Weiterentwicklungen der selbstgeführten I-Umrichter Selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung (Pulsumrichter) Modulationsverfahren bei Pulsumrichtern Mchrpunkt-Wechselrichter Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldmaschinen Entkopplung Feldorientierung 586 Übungsaufgaben 591 Prüfungsaufgaben 632 Variablenübersicht 659 Literaturverzeichnis 674 Antriebstechnik und benachbarte Gebiete (Bücher) 674 Elektroantrieb allgemein 678 Leistungshalbleiter 679 Leistungselektronik: Ansteuerung, Beschaltung, Kühlung 682 Gleichstromsteller, DC-DC-Wandler 683 Netzgeführte Stromrichter: Schaltungstechnik und Auslegung 685 Netzgeführte Stromrichter: Regelung 687 Direktumrichter 692 Untersynchrone Kaskade (USK) 694 Stromrichtermotor 696 Stromzwischenkreis-Umrichter (I-Umrichter) 698 Spannungszwischenkreis-Umrichter (U-Umrichter) 700 Asynchronmaschine: Regelung 702 Synchronmaschine 707 Reluktanzmaschine 708 Geber lose Reluktanzmaschine 715 Linearmotoren 715 Lagerlose Permanentmagnetmotoren 717

10 Inhaltsverzeichnis XVII Kleinantriebe 719 Stichwortverzeichnis 721