Herbert Bernstein. PC-Labor. fiir Leistungselektronik und elektrische Rntriebstechnik

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1 Herbert Bernstein PC-Labor fiir Leistungselektronik und elektrische Rntriebstechnik Wechsel- und Drehstromtechnik Dioden, Thyristoren und TRIACs Gleich-, Wechsel- und Drehstrommotore Gleichstrom-Kleinstmotore Schrittmotore Ansteuerschaltungen Praktische Applikationen Mit 475 Abbildungen und 50 Tabellen Franzis

2 Inhalt 1 Wechsel- und Drehstromtechnik 1.1 Grundlagen des Wechselstroms KenngroBen von sinusformigen Wechselspannungen und -stromen Effektivwert von Wechselspannung und -strom Beziehungen mehrerer SinusgroBen zueinander Wechselstromleistung Elektrische Leiter Widerstand und Temperatur Kupfer als Leiterwerkstoff Einfacher Wechselstromkreis Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis Spule im Wechselstromkreis Reihenschaltung von reinen Wirk- und reinen Blindwiderstanden Parallelschaltung von reinen Wirk- und reinen Blindwiderstanden Induktive und kapazitive Blindleistung Scheinleistung Messung der Phasenverschiebung Erweiterter Wechselstromkreis Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand Reihenschaltung von Widerstand und Spule Parallelschaltung von Widerstand und Spule Reihenschaltung von R, C und L Parallelschaltung von R, C und L Leistung im Wechselstromkreis Kompensationsschaltung fur den Einphasenbetrieb Elektrische Leitungen im Wechselstromkreis Starkstromkabel Fernmeldekabel Hochfrequenzkabel Drehstrom Sternschaltung Dreieckschaltung 116

3 8 Inhalt Simulation einer ungleichmabigen Belastung in einer Sternschaltung " Simulation einer ungleichmabigen Belastung in einer Dreieckschaltung Drehstromleistung Blindstromkompensation fur Drehstromnetze Leitungen in Drehstromnetzen Elektrische Arbeit und Energie Allgemeine Leistungsmessung Leistungsmessung bei Wechselstrom Leistungsmessung bei Drehstrom Leistungsfaktormessung Wirkungsgrad Elektrische Energie und Warmemenge Dioden in der Leistungselektronik Aufbau von Dioden Raumladung und Raumladeschicht pn-ubergang unter verschiedenen auberen Bedingungen pn-ubergang in Sperrichtung pn-ubergang in DurchlaBrichtung Kennlinien von Dioden Farbkennzeichnung von Kleinsignaldioden nach JEDEC und Pro-Electron Montage- und Lotvorschriften Warmeableitung Untersuchung von Dioden Statische Aufnahme der Kennlinie Statischer und dynamischer Innenwiderstand Dynamische Aufnahme der Kennlinie Aufbau von Datenblattern Begriffserklarungen zu Dioden Z-Dioden Statische Kennlinienaufnahme einer Z-Diode Dynamische Kennlinienaufnahme von Z-Dioden Diode als Gleichrichter Einweggleichrichtung Leistungshalbierung durch Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Briickengleichrichtung Drehstrom-Einweggleichrichtung Drehstrom-Briickengleichrichtung 195

4 Inhalt 2.5 Gleichrichterschaltungen mit Ladekondensator Einweggleichrichter mit Ladekondensator Einweggleichrichter mit Ladekondensator fiir negative Ausgangsspannung Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator Briickengleichrichtung mit Ladekondensator Siebschaltungen RC-Siebschaltung LC-Siebschaltung Spannungsvervielfacherschaltungen Delon- oder Greinacherschaltung Villardschaltung Kaskadenschaltung Begrenzerschaltungen Positive Klipperschaltung mit Diode Negative Klipperschaltung mit Diode Bidirektionale Klipperschaltung mit Dioden Positive Klipperschaltung mit Z-Diode Negative Klipperschaltung mit Z-Diode Bidirektionale Klipperschaltung mit Z-Dioden Differenzierglied mit Amplitudenbegrenzung Thyristoren und TRIACs Vierschichtdiode Thyristor Gleichstromziindung eines Thyristors Wechselstromzundung eines Thyristors Impulsziindung des Thyristors Dynamisches Verhalten von Thyristoren Loschverfahren Reihen- und Parallelschaltung von Thyristoren Schutzschaltungen Elektromagnetische Vertraglichkeit EntstbrmaBnahmen an induktiven Lasten Entstb'rmaBnahmen bei Thyristoren Thyristor als Leistungsschalter Schaltende Leistungssteuerung Prinzip der Phasenanschnittsteuerung Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor Phasenanschnittsteuerung mit zwei Thyristoren Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor im Gleichstromkreis Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor im Wechselstromkreis..277

5 - 0 Inhalt i.1 3.t /J //.3 Nullspannungsschalter mit Thyristor 279 Schwingungspaketschalter 281 Leistungselektronik mit TRIAC 284 Aufbau eines DIACs 284 Aufbau eines TRIACs 286 Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC 290 Kuhlung fur Thyristoren und TRIACs 292 Thermische Ersatzschaltung 296 Thyristor als steuerbarer Gleichrichter 300 Halbgesteuerte Briickenschaltung 301 Steuerbarer Gleichrichter mit Mittelpunktschaltung 306 Gesteuerte Drehstrom-Gleichrichter 307 Steuerbarer Drehstrom-Einweggleichrichter 309 Halbgesteuerter Drehstrom-Bruckengleichrichter 311 Vollgesteuerter Drehstrorn-Briickengleichrichter 312 Wirkungsweise der Kommutierung 313 Wechselrichter mit Thyristoren 317 Thyristor-Wechselrichter in Mittelpunktschaltung 318 Thyristor-Wechselrichter in Briickenschaltung 319 IC-Leistungselektronik 321 Phasenanschnittsteuerung mit TRIAC 323 Nullspannungsschalter mit TRIAC 324 Schwingungspaketschaltung Elektromotoren und Antriebstechnik Physikalische Grundlagen Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Aufbau und Anordnung der Rotorwicklungen Magnetsystem Kommutatorsystem Konstruktionsprinzip Drehmoment Drehzahl Anlaufvorgang Abgebende Motorleistung Wirkungsgrad Kennliniendarstellung Thermische Eigenschaften Erwarmung und thermische Zeitkonstanten Abkiihlung und Kiihlverfahren Intervallbetrieb Elektronisch kommutierende Gleichstrommotoren 374

6 Inhalt ,.2.7 4, Konstruktionsprinzip 375 Drehfelderzeugung 378 Drehmoment 380 Drehzahl 388 Anlaufvorgang und Schwingungsverhalten 392 Leistung 394 Wirkungsgrad 396 Verluste 397 Thermische Eigenschaften 398 Maximaler Belastungsstrom 398 Drehstrommotor 402 Wirkungsweise des Asynchronmotors 402 Schlupf, Moment und Drehzahl 407 Ansteuerung eines Drehstrommotors 410 Wirkungsgrad und Verlust 417 Magnetfeld 419 Ersatzschaltbild fur Asynchronmotoren 419 Drehzahlanderungen 422 Schlupfsteuerung 427 Verlustfreie Steuerung durch Frequenzanderung 428 Motordaten 430 Belastungscharakteristik 439 Synchronmotor 442 Reluktanzmotor 443 Praxis der Antriebstechnik 445 Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen..446 Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthaufigkeit 450 Sanftanlauf und Sanftumschaltung 452 Mechanische Verstellgetriebe 453 Auswahl fur ein Untersetzungsgetriebe 457 Bremsmotoren : 2 Gleichstromkleinstmotoren 464 Gleichstromkleinstmotoren mit eisenlosem Laufer 464 Elektromechanisches Verhalten 465 Mechanische Leistung 471 Wirkungsgrad 473 Anlauf unter Last 476 Anlaufwinkel 480 Erwarmung 483 Auswahlkriterien fiir DC-Kleinstmotoren 488

7 12 Malt Warmeverhalten in kontinuierlichen Antrieben Warmeverhalten des Motors im Positionierbetrieb Analyse fur eine inkrementale Anwendung Zuverlassigkeit von Gleichstromkleinstmotoren Wicklungsarten Versuche zur Lebensdauer Regelung und Motorelektronik Regelung von Gleichstromkleinstmotoren Betrieb eines Gleichstromkleinstmotors Auslegung eines Gleichstromkleinstmotors Motorauswahl mittels CD-ROM Antriebsauslegung fur Zahnradbetrieb Antriebsauslegung fur Riemenbetrieb Antriebsauslegung fur Spindelbetrieb Antriebsauslegung fur Transportband Antriebsauslegung fur Aufzugsbetrieb Benutzerdefinitionen Schrittmotoren mit Ansteuerungselektronik Aufbau und Wirkungsweise von Schrittmotoren Drehmoment Optimales Drehmoment Auflosungsverfahren bei Schrittmotoren Reluktanzschrittmotor Konventioneller Permanentmagnetschrittmotor Hybridschrittmotor Scheibenmagnetschrittmotor Steuerelektronik fiir Schrittmotoren Aufbau der Steuerelektronik Unipolare und bipolare Treiber Konstantspannungstreiber Konstantspannungstreiber mit Hilfsspannung Konstantstromtreiber mit Chopper Konstantstromtreiber mit Linearverstarker Einsatz von Schrittmotoren in der Praxis Merkmale von Schrittmotoren Haltemoment und Selbsthaltemoment Dynamisches Moment und Abgabeleistung Hohe Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungsmethoden Uberschwingen Ansteuerung von Schrittmotoren EinfluB auf das Leistungsverhalten 583

8 Inhalt Reduktionsgetriebe Auswahl von Schrittmotoren und Treiberelektronik Kommutierungswinkel Dampfung durch Ausschwingen mit der Eigenfrequenz Resonanz bei mittleren Schrittraten Dampfung durch L/R-Treiber Positioniergenauigkeit Mikroschrittbetrieb Praktische Auswahlkriterien Priifen von Schrittmotoren Leistungsrate fur Schrittmotoren Anwendungsbeispiel fur einen Schrittmotor PC-Schnittstellen zum Ansteuern von Schrittmotoren Interne Funktionen des Zeitgeber-Bausteines Zeitgeber 8253 im System Programmierung des Betriebsarten des Schnittstellen-Baustein Anwendung von Schrittmotoren 637 Hinweise zur CD-Rom 642 Sachverzeichnis 645