Energieeffiziente elektrische Antriebe

Energieeffiziente elektrische Antriebe

Johannes Teigelkötter Energieeffiziente elektrische Antriebe Grundlagen, Leistungselektronik, Betriebsverhalten und Regelung von Drehstrommotoren Mit 139 Abbildungen und 4 Tabellen

Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter Hochschule Aschaffenburg Deutschland ISBN 978-3-8348-1938-3 DOI 10.1007/978-3-8348-2330-4 ISBN 978-3-8348-2330-4 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. 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 Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de

Vorwort In Industrieländern werden ca. 2/3 der erzeugten elektrischen Energie für die elektrische Antriebstechnik verwendet. Daher ist hier die Steigerung der Energieeffizienz eine wichtige Aufgabe für Ingenieure. Um die Energieeffizienz von elektrischen Antrieben zu steigern, ist der gesamte Antriebsstrang von der Energiequelle über den Stromrichter und Motor bis hin zum Antriebsprozess zu optimieren. Mögliche Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz sind in verschiedenen Studien analysiert worden [1, 2]. Die Optimierung des Wirkungsgrads von einzelnen Komponenten im Antriebsstrang bringt häufig nur eine geringe Energieeinsparung. Der Energieverbrauch kann beträchtlich durch eine ganzheitliche Systemoptimierung gesenkt werden. Beispielsweise ermöglichen hochdynamische elektrische Antriebe in Werkzeugmaschinen kürzere Bearbeitungszeiten bei besserer Bearbeitungsqualität im Vergleich zu konventionellen Lösungen. Das Einsparpotenzial bei einer Systemoptimierung kann bis zu 60 % betragen. Um elektrische Antriebe als Gesamtsystem zu optimieren, sind interdisziplinäre Kenntnisse und Fähigkeiten auf den Gebieten der Mechanik, elektrischer Maschinen, Leistungselektronik, Regelungstechnik und Messtechnik notwendig. In diesem Buch werden zunächst einige wichtige Grundlagen und Begriffe aus diesen Bereichen erläutert. Danach werden Methoden der modernen Antriebstechnik gelehrt. Die mathematische Beschreibung erfolgt mit Raumzeigern, um den Einstieg in die weiterführende Literatur zu erleichtern. Die Lehrinhalte werden in jedem Kapitel mit Übungsaufgaben vertieft. Neben den Inhalten der Vorlesungen Antriebstechnik, Elektrische Maschinen und Leistungselektronik an der Hochschule Aschaffenburg wurden auch grundlegende Ergebnisse aus verschiedenen Industrieprojekten in diesem Buch berücksichtig. Für die gute Zusammenarbeit insbesondere bei diesen Projekten möchte ich Dipl.-Ing. (FH) Frank Nöthling, Dipl.-Ing. (FH) Rüdiger Mann, Michael Reis und M. Eng. Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kowalski danken. Damit das Konzept dieses Buches weiterentwickelt werden kann, würde ich mich über Rückmeldungen freuen. Aschaffenburg, den 30. August 2012 Johannes Teigelkötter johannes.teigelkoetter@h-ab.de V

Inhaltsverzeichnis Symbol- und Abkürzungsverzeichnis... XI 1 Einführung... 1 2 Grundlagen elektromechanischer Energiewandler... 3 2.1 MechanischeGrundlagen... 3 2.1.1 Energieeffiziente Bewegungssteuerung... 4 2.1.2 Getriebe im Antriebsstrang..... 6 2.1.3 Stationäre Kennlinien von Arbeitsmaschinen... 8 2.1.4 Übungsaufgaben... 9 2.2 Drehstromtechnik... 10 2.2.1 Komplexe Wechselstromrechnung...... 10 2.2.2 Drehspannungssysteme... 14 2.2.3 Übungsaufgaben... 18 2.3 ElektromagnetischeGrundlagen... 19 2.3.1 Magnetischer Kreis in elektrischen Maschinen... 19 2.3.2 Induktion... 21 2.3.3 Kräfte im Magnetfeld.... 22 2.3.4 Elektrobleche und Eisenverluste... 23 2.3.5 Magnetische Kreise mit Permanentmagnete.... 26 2.3.6 Übungsaufgaben... 28 3 Drehfeldmaschinen... 31 3.1 MagnetischesWechselfeld... 31 3.1.1 Grundwellenfeld... 35 3.2 MagnetischesDrehfeld... 36 3.3 DrehmomentundBaugröße... 39 3.4 Übungsaufgaben... 42 4 Raumzeiger... 45 4.1 DefinitionderRaumzeiger... 45 4.2 RotierendeKoordinatensysteme... 48 VII

VIII Inhaltsverzeichnis 4.3 Leistungsbeziehungen... 49 4.4 SteuerungderWirk-undBlindleistung... 51 4.5 BerechnungeinesAusgleichsvorgangs... 52 4.6 Übungsaufgaben... 55 5 Pulswechselrichter... 57 5.1 Leistungshalbleiter... 57 5.1.1 Leistungsdioden... 58 5.1.2 IGBT.... 60 5.2 IdealerZweipunkt-Wechselrichter... 62 5.3 Grundfrequenztaktung... 64 5.4 Raumzeigermodulation... 66 5.5 DreiphasigePulsweitenmodulation... 67 5.6 Übungsaufgaben... 69 6 Asynchronmaschine... 73 6.1 Raumzeiger-ErsatzschaltbildderASM... 74 6.2 StationärerBetriebmitsinusförmigenGrößen... 79 6.3 Stationäre Kennlinien einer ASM bei Betrieb mitfrequenzvariablerspannung... 82 6.4 RegelungvonAsynchronmaschinen... 84 6.4.1 Rotorfrequenz-Regelung...... 85 6.4.2 Indirekte Statorgrößen Regelung... 86 6.5 GrundfrequenztaktungimFeldschwächbereich... 89 6.6 EnergieeffizienteAntriebemitASM... 92 6.6.1 Wirkungsgrad einer ASM...... 92 6.6.2 Effizienzoptimierte Regelung... 96 6.7 Übungsaufgaben... 99 7 Synchronmaschine... 101 7.1 PermanenterregteSynchronmaschine... 102 7.1.1 Modell der PSM... 103 7.1.2 Quasistationärer Betrieb einer PSM..... 107 7.1.3 Regelung einer PSM..... 108 7.1.4 Optimierte Betriebsführung der PSM.... 109 7.2 Übungsaufgaben... 112 8 Messtechnik... 115 8.1 MessungelektrischerGrößen... 116 8.1.1 Strommessung... 117 8.1.2 Spannungsmessung..... 121 8.1.3 Leistungsmessung...... 122

Inhaltsverzeichnis IX 8.2 MessungmechanischerGrößen... 124 8.2.1 Drehzahl- und Lagemessung.... 124 8.2.2 Beschleunigungsmessung...... 130 8.2.3 Drehmomentmessung... 131 8.3 Übungsaufgaben... 133 9 Drehzahl- und Lageregelung... 135 9.1 Regelkreis... 135 9.2 Kaskadenregelung... 138 9.2.1 Drehzahlregelkreis...... 139 9.2.2 Lageregelkreis.... 142 9.2.3 Führungsgrößenaufschaltung... 144 9.3 Übungsaufgaben... 145 10 Direktantriebe... 147 10.1 Linearmotoren... 148 10.2 Torquemotoren... 150 10.3 Übungsaufgaben... 154 11 Anhang: Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben... 157 11.1 Mechanische Grundlagen... 157 11.2 Drehstromtechnik... 158 11.3 Elektromagnetische Grundlagen... 159 11.4 Drehfeldmaschinen...... 161 11.5 Raumzeiger..... 162 11.6 Pulswechselrichter... 164 11.7 Asynchronmaschine..... 167 11.8 Synchronmaschine...... 171 11.9 Messtechnik..... 172 11.10 Drehzahl- und Lageregelung..... 174 11.11 Direktantriebe... 177 Literatur... 179 Sachverzeichnis... 183

Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Abkürzungen ASM DSR GFT IE IGBT IPMSM ISR MOSFET NdFeB PSM PWM PWR Si SMS SPMSM Asynchronmaschine Direkte Selbstregelung Grundfrequenztaktung International Efficiency Insulated Gate Bipolar Transistor Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Indirekte Statorgrößen Regelung Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Neodym Eisen Bor (Material für Permanentmagnete) Permanenterregte Synchronmaschine Pulsweitenmodulation Pulswechselrichter Sinusmodulation Sinusmodulation mit Symmetrierung Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor Symbolverzeichnis a Drehoperator a = e j120 [a]=1 A Fläche [A]=m 2 A Strombelag [A]= A m a Beschleunigung [a]= m s 2 B Flussdichte [B]= Vs m 2 C Kapazität [C]=F D Durchmesser [D]=m XI

XII Symbol- und Abkürzungsverzeichnis e E F Spannung [e]=v Gleichspannung [E]=V Kraft [F]=N g Erdbeschleunigung g = 9,81 m s 2 G Übertragungsfunktion [G]=1 H mag. Feldstärke [H]= A m i Strom [i]=a J Massenträgheit [J]=kg m 2 k Komparatorausgang [k]=1 l Länge [l]=m L Induktivität [L]=H m Masse [m]=kg m Modulationsfunktion [m]=1 m Anzahl der Stränge [m]=1 M Drehmoment [M]=Nm n Drehzahl [n]= 1 min p Augenblicksleistung [p]=w p Polpaarzahl [p]=1 P Wirkleistung [P]=W q Augenblicksblindleistung [q]=var Q Blindleistung [Q]=var R ohmscher Widerstand [R]=Ω r differentieller Widerstand [r]=ω R Radius [R]=m R m mag. Widerstand [R m ]= A Vs s Position, Strecke [s]=m s Laplace-Variable [s]= 1 s s Schlupf [s]=1 S Stromdichte [S]= A m 2 S Steuersignal [S]=1 t Zeit [t]=s T Periodendauer, Zeitkonstante [T]=s ü Getriebeübersetzung [ü]=1 v Geschwindigkeit [v]= m s V mag. Spannung [V]=A w Windungszahl [w]=1 W Energie [W]=Ws Z Impedanz [Z]=Ω α Winkelbeschleunigung [α]= 1 s 2 γ Rotorwinkellage [γ]=rad δ Luftspaltdicke [δ]=mm є Energieeffizienz [є]=1

Symbol- und Abkürzungsverzeichnis XIII η Θ ϑ μ μ 0 ν τ τ P ϕ φ ψ ω Ω Wirkungsgrad [η]=1 Durchflutung [Θ]=A Polradwinkel oder Flusswinkel [ϑ]=rad Permeabilität [μ]= Vs Am Permeabilität des Vakuums μ 0 = 4π10 Strang a, b oder c [ν]=1 Zeitkonstante [τ]=s Polteilung [τ P ]=m magnetischer Fluss [ϕ]=vs Phasenverschiebungswinkel [φ]=rad verketteter Fluss [ψ]=vs elektrische Kreisfrequenz [ω]= 1 s mechanische Kreisfrequenz [Ω]= 1 s 7 Vs Am Hochstellungen K S R Konjugiert komplex im x, y-koordinatensystem im ständerfesten Koordinatensystem im rotorfesten Koordinatensystem Tiefstellungen A Antrieb a, b, c zur Unterscheidung der drei Stränge B Beschleunigung d, q d, q-koordinaten d Zwischenkreisgröße D Diode dc Gleichgröße Fe Größe im Eisen i ideale oder innere Größe K Kipppunkt L Größe im Luftspalt m Größe im Magneten P Periode T Transistor S Synchron S Ständergröße

XIV Symbol- und Abkürzungsverzeichnis r Rotorgröße α, β α, β-koordinate μ Magnetisierung σ Streuung parallel transversal Überschreibungen Ableitung nach der Zeit ˆ Scheitelwert, Amplitude ˆ maximal möglicher Wert Vektor stationär Unterschreibungen Raumzeiger Größe mit Nullsystem Effektivwertzeiger