Elektrische Maschinen und Antriebssysteme: Komponenten, Systeme, Anwendungen

724 Pages·1999·27.79 MB·German

by  Liviu Constantinescu-Simon

Liviu Constantinescu-Simon
Alexandru Fransua
Karl Saal
Elektrische
Maschinen und
Antriebssysteme
Komponenten, Systeme, Anwendungen
LiviuConstantinescu-Sirnon
Alexandru Fransua
KarlSaal
Elektrische Maschinen
und Antriebssysteme
Aus dem Programm ____
Elektrische Energietechnik
Handbuch Elektrische Energietechnik
von L.Constantinescu-Slmon (Hrsg.)
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
von W.Böge (Hrsg.)
Elektrische Energieversorgung
von K.Heuckund K.-D.Dettmann
Elektrische Maschinen und Antriebs
systeme
von L. Constantinescu-Simon, A.Fransua
und K. Saal
ElektronischeAntriebstechnik
von C.Wehrmann
DynamischesVerhalten elektrischer Maschinen
von O.Justus
Elektrische Maschinen undAntriebe
von K.Fuestund P.Döring
Elementederangewandten Elektronik
von E.Böhmer
ElektromagnetischeVerträglichkeit
von A.Rodewald
.
vleweg _____"
Liviu Constantinescu-Simon
Alexandru Fransua
Kar! Saal
Elektrische Maschinen
und Antriebssysteme
Komponenten, Systeme, Anwendungen
Mit 454 Abbildungen
~
vreweg
DieDeutscheBibliothek- CIP-Einheitsaufnahme
Constantinescu-Simon,Liviu:
Elektrische Maschinen und Antriebssysteme:Komponenten,Systeme,
Anwendungen/LiviuConstantinescu-Simon;AlexandruFransua;
KarlSaal.- Braunschweig;Wiesbaden:Vieweg,1999
ISBN978-3-322-89563-9 ISBN978-3-322-89562-2(eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-89562-2
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Konzeptionund Layoutdes Umschlags:UIrikeWeigel,www.CorporateDesignGroup.de
Gedrucktaufsäurefreiem Papier
v
Vorwort
DieIdeezudiesem Handbuchentstand vor ein paarJahren in einem Gespräch, das ich mit dem
Cheflektor des Verlags Vieweg, Dipl.-Ing. Ewald Schmitt führte. Damals äußerte ich den
Wunsch, ein Handbuch überElektrischeMaschinen und Antriebeschreiben zu wollen, das als
komprimiertes Kompendium auch alle notwendigen Inhalte, wie z.B. spezielle Kapitel der
Mathematik, Elektrotechnik, Werkstoffe, Meßtechnik, Leistungselektronik, Regelungstechnik
u.a. beinhalten sollte. Während meiner beruflichen Laufbahn hatte ich ein solches Buch beim
Studiumoderbei Auseinandersetzungen mit Problemender elektrischenMaschinen vermißt.
Der Verlag Vieweg schlug mir indes ein wesentlich komplexeres Projekt mit der Herausgabe
des Handbuches Elektrische Energietechnik vor. Da in diesem Handbuch die Kapitel über
ElektrischeMaschinen und Antriebssysteme stark gekürzt werden mußten, gab mir der Verlag
Vieweg ein paar Jahre später die Gelegenheit, ein zweites Buch, das Ihnen jetzt vorliegt, zu
schreiben.
Als besonderes Glückempfinde ich die Tatsache, daß ich die Mitarbeit von Prof. Dr.vlng., Dr.
h.c. Alexandru Fransua, Konsultantprofessor an der TU .Politehnica" in Bukarest und mein
langjähriges Vorbild, für dieses Buch sichern konnte, da ich ihn als einen der besten, interna
tionaletabliertenSpezialistenaufdiesem Fachgebietschätze.
DiesesBuchist direktoderindirektvon Einflüssen geprägt, die meine bewegteBerufslaufbahn
mit sich brachte:
• DieJahre an derTH Bukarest, in denen ich ,,ElektrischeMaschinen und dessen Mathema
tische- und AnalogmodelIierung"an der FakultätfürComputertechnikgelesen habe;
• mein zweijähriges Humboldt-Dozentenstipendiumbei Prof.Dr-Ing.Ph.K. Sattleran dem
Institutfür ElektrischeMaschinen der RWTH Aachen; das von Prof. Dr. Sattler und Prof.
Dr. Henneberger organisierte Kolloquium über 2D- und 3D-Feldsimulation unter Teil
nahme von Prof. Erdely von Boulder-Colorado, sowie das Treffen mit dem damaligen
Humboldt-Stiftung-Präsidenten und Nobelpreisträger Werner Heisenberg anläßlich eines
Hurnboldt-Treffens inder VillaHammerschmidt;
• die Forschungsjahre im ,,Black & Decker Europäischen Forschungszentrum Idstein", wo
in Zusammenarbeit mit Herr Dipl.-Ing. Reinhard Krauer (heute Director Technology bei
IMI Norgren-Herion Fluidtronik GmbH & Co.KG, Stuttgart) das erste Simulationsverfah
ren für Universalmotorenentstand,
• die letzten 17Jahren Zeitder Lehre an der FachhochschuleFrankfurtam Main, in der mir
sehr daran lag, Vorlesungen von Niveau zu halten, sowie Forschungsarbeiten im Bereich
Simulationsverfahren für Elektrische Maschinen, Drosseln und Transformatoren voran zu
treiben.
Aberdas Wesentliche war der permanente Kontakt mit Prof. Dr. AI.Fransuaund derWunsch,
seine besondere Betrachtungsweise des Stoffes, sein wissenschaftliches und pädagogisches
Talent, in diesem Buch vereint, dem deutschen Wissenschaftler, Ingenieur und Studenten zu
gänglichzu machen.
Uns ist bekannt, daß die technologische Entwicklung dieses Jahrhunderts beispiellos ist, daß
die Fachliteraturund die Publikationen im Bereich der Elektrischen Maschinen und Automati
sierungssysterne täglich, weltweit, aufHunderten von Seiten erscheinen und es dem Leser un
möglich ist, dieser Informationsflut einerseits erfolgreich nachzukommen und andererseits für
jedeFragestellungeineAntwortzu finden. DiesenAnspruchkönnen wir auch mit diesem Buch
nichterheben.
VI Vorwort
Die Entstehung des Buches erfolgte über mehrere Jahre. Räumliche Entfernungen zwischen
den Autoren mußten überwunden werden, eine mehrfache und stetig verbesserte Darstellung in
der deutschen Sprache wurde systematisch vorangetrieben. In diesem Prozeß wurde Prof. Dr.
Ing. Karl Saal, Prof.a.d. an der TU"Transilvania"Brasov/Kronstadt,Rumänien in unserTeam
aufgenommen. Durch sein kompetentes Korrektorat hat er das Manuskript geprägt, Verbesse
rungen vorgeschlagen und durchgeführt.
Das Buch wurde als eine einheitliche Studie über Grundvorgänge, Kenndaten, Komponenten
und Leistungseigenschaften der wichtigsten elektrischen Maschinentypen im stationären und
dynamischen Betrieb, sowie über Steuerkomponenten moderner industrieller Antriebssysteme
konzipiert.
Es verfolgtdas Ziel, dem Leser das phänomenologische Verständnis der heutigen Antriebssy
steme und ihrerBestandteile, sowie deren Betriebsprinzipien aufder GrundlagederMechanik,
Elektrotechnik, Elektronik und Leistungselektronik genau zu erklären, ohne ausschließlich die
reine abstrakte mathematischeDarstellunganzuwenden.
Gleichzeitig haben die Verfasser aufdie rein inneren Aspekte der Antriebssysteme, mit denen
der Industriefachmann nicht unmittelbar in Berührung kommt und die den Stoff überladen
hätten, verzichtet. Auf diese Weise gelang es, den reichen Inhalt auf einen relativ geringen
Umfang zu beschränken.
Damit füllt das Buch eine Lücke, die in der internationalen Fachliteratur bislang nicht besetzt
war.
Das Buch wendet sich an Techniker, Ingenieure und Studenten der Fächer Elektrotechnik,
Elektronik, Automatisierungstechnik, Mechanik, Flugzeugbau, Maschinenbau, die nicht nur
eine vollständige, genaue Einführungsondern auch einen tieferen Einblick indie modernen re
gelbaren und nichtregelbaren, automatisierten und nichtautomatisierten Elektrische Antriebe
wünschen. Zum Verständnis werden die Grundlagenkenntnisse der Elektrotechnik vorausge
setzt.
Zur Vertiefung des Stoffs sind am Ende der Kapitel zahlreiche Übungen mit sorgfältig kom
mentiertenLösungenangefügt.
Unser Dank gilt den beidenjungen Ingenieuren Dr.-Ing. Hans-Georg Herzog sowie Dipl.-Ing.
Martin Parchatka, die sich an der letzten Korrekturphase des Manuskriptes erfolgreich betei
ligten.
Unser besonderer Dank gilt auch den Mitarbeitern des Verlags Vieweg, Herrn Cheflektor
Dipl.-Ing.Ewald Schmittund Herrn HartrnutKühn von Burgsdorffals technischem Redakteur
für die verständnisvolle,fachkompetente und permanenteUnterstützung,
Die Verfasserbedankensich schonjetztbei den Lesern, die durch ihre Hinweise und Anregun
gen eine verbesserte weitere Auflage dieses Buches ermöglichen werden. Auf diese Weise
wird es gelingen, dieses Fachbuch noch besser aufdie Bedürfnisse in Studium und Praxis ab
zustimmen. Dies gilt insbesondere für den heute im Fluß befindlichen Gebrauch der Fachter
mini,die infolge nationaler und internationalerNormung z.T.uneinheitlichangewandt werden.
Valensole,Alpesde HauteProvence
im August 1999 Prof Dr.-Ing. Liviu Constantinescu-Simon
VII
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichenverzeichnis.................................................................................................. XIII
1 Grundbegriffeund Bauelementeder elektrischen Antriebssysteme .
1.1 Allgemeines überdieAntriebssysteme I
1.2 Elektrische Maschinen:Definitionen,Betriebsarten,Verluste,Thermik 3
1.3 AuswahlelektrischerMaschinennachden Betriebsverhältnissen 7
1.3.1 Betriebsarten 8
1.3.2 Aufstellungsort,Schutzgrade undSchutzarten.......................................... 12
1.4 Mechanische Kennliniender elektrischenMotoren 14
1.5 MechanischeKennlinienderArbeitsmaschinen................................................... 15
1.6 StationäreZuständeelektrischerAntriebssysteme.StatischeStabilität................ 17
1.7 Dynamische Zuständederelektrischen Antriebssysteme.. 21
1.8 ElektromagnetischeSteuerungs-undSchutzgeräte.............................................. 23
1.8.1 ElektromagnetischesRelais....................................................................... 23
1.8.2 Steuerschütz 28
1.8.3 Überstromauslöser. c............... 31
1.8.4 Schmelzsicherungen.................................................................................. 31
1.9 ElektronischeLeistungselemente 32
1.9.1 Dioden....................................................................................................... 32
1.9.2 Transistoren............................................................................................... 33
1.9.2.1 DerBipolartransistor 33
1.9.2.2 DerMOS-Transistor 35
1.9.2.3 IGBT- Insulated GateBipolarTransistor.................................. 36
1.9.2.4 IntelligentePowermodule(IPM) 36
1.9.3 Thyristoren 36
1.9.4 Triac undDiac........................................................................................... 41
1.9.5 Z-Diode..................................................................................................... 42
1.9.6 Leistungsstromrichter................................................................................ 42
1.10 Mechanische Übertragungssysteme 44
1.11 Übungen 51
2 GleichstrommotoreninelektrischenAntriebssystemen................................................... 73
2.1 Bauelementeder Gleichstrommotoren 73
2.2 Erregerfeld,induzierteSpannung,Drehmoment 78
2.2.1 DasmagnetischeFeldderHauptpole 78
2.2.2 DieinduzierteelektromagnetischeSpannungineinerSpule der
Läuferwicklung 82
2.2.3 Gleichstromwicklungen :................................................. 85
2.2.4 DieelektromotorischeSpannungdesGleichstrommotors 90
2.2.5 DaselektromagnetischeDrehmomentdesGleichstrommotors................. 94
2.3 Diemagnetische Ankerrückwirkung 96
2.4 Energetische Arbeitsbetriebe- stationäreunddynamische Zustände.................. 101
2.4.1 DerMotorbetrieb.......... 101
2.4.2 Generatorbetrieb........................................................................................ 105
VIII Inhaltsverzeichnis
2.4.3 ElektrischerBremsbetrieb 108
2.4.4 GleichungenderdynamischenBetriebszustände 111
2.4.5 Einteilungder Gleichstrommaschinen nachErregungsart 113
2.5 KennlinienderGleichstrommotoren 114
2.5.1 Motoren mitFremd-oderNebenschlußerregung 114
2.5.2 Motor mit Reihenschlußerregung.............................................................. 123
2.6 AnlaufderGleichstrommotoren- automatisierteAnlaufstromkreise 129
2.6.1 Direkter Anlauf 129
2.6.2 AnlaufmitWiderstandsanlasser................................................................ 133
2.6.3 AnlaufbeiverringerterAnkerspannungohneWiderstandsanlasser 135
2.6.4 Automatischer Anlaufvorgang 135
2.6.5 Handumschaltergesteuerter Anlasser 140
2.7 Anwendungder Gleichstrommaschine alsBremseindenelektrischen
Antrieben 142
2.7.1 Gegenstrombremsen.................................................................................. 142
2.7.2 BremsungimGeneratorbetrieb mitEnergierückgewinnung
(Nutzbremsung)......................................................................................... 145
2.7.3 BremsungimGeneratorbetrieb ohneEnergierückgewinnung
(Widerstandsbremsung) 147
2.8 DrehzahlsteuerungderGleichstrommotoren 148
2.8.1 DrehzahlstellenüberdieAnkerspannung UA 148
2.8.2 Feldsteuerung 150
2.8.3 Leonard-Umforrner 151
2.9 Übungen 156
3 LeistungselektronischeStellgliederfürGleichstromantriebe.......................................... 195
3.1 Gleichstrom-StromrichteralsStellglieder 195
3.1.1 Einwegstromrichter(Einwegschaltung) 195
3.1.2 Brückenschaltung(Wechselstrom-Zweipulsgleichrichter) 201
3.2 Drehstrom-Stromrichter 208
3.2.1 Dreipulsstromrichter(ZweiquadrantenSternschaltung) 208
3.2.2 Umkehrstromrichter
(DreipulsstromrichterinVierquadranten-Sternschaltung) 215
3.2.3 Drehstrombrückenschaltung (Sechspulsstromrichter) 221
3.3 Energetische Betrachtungen über Stromrichter 223
3.4 KommutierungsvorgängeinStromrichtern 227
3.5 AnalogeSteuergerätefürnetzgeführteStromrichter 234
3.6 Gleichspannungssteller......................................................................................... 242
3.6.1 SchaltungeinesGleichstromstellersmitLöschthyristor 244
3.6.2 SteIlermit Nutzbremsung.......................................................................... 249
3.6.3 Brems-Chopper (Pulsschalter) 253
3.7 Übungen :........................................................................................... 253
4 ElektrischeTransformatoreninAntriebssystemen.......................................................... 281
4.1 GrundausführungendeselektrischenTransformators 281
4.1.1 WicklungendesWechselstromtransformators.......................................... 283
4.1.2 Ölkessel..................................................................................................... 284
4.2 Erregerfeld,Rückwirkungsfeld,Gleichungssystem,Ersatzschaltbild 284
Inhaltsverzeichnis IX
4.2.1 MagnetischesFeld..................................................................................... 284
4.2.2 GleichungssystemdesdynamischenBetriebs 288
4.2.3 StationäresBetriebsverhalten- Ersatzschaltbild,Zeigerbild 292
4.2.4 Leistungsbilanz 299
4.2.5 VereinfachtesErsatzschaltbild 302
4.3 KennliniendesWechselstromtransformators 302
4.4 Drehstromtransformatoren 309
4.5 Spartransformatoren 318
4.6 Übungen , 321
5 AsynchronmotoreninelektrischenAntriebssystemen 343
5.1 Bauelementeder Drehstrom-Asynchronmaschine 343
5.1.1 Allgemeines 343
5.1.2 Aufbau....................................................................................................... 343
5.2 Erregerfeld,induzierteSpannung,elektromagnetischesDrehmoment................. 347
5.2.1 Das magnetischeFeldeiner Wechselstromwicklung 348
5.2.2 Drehfeld, dasmagnetischeFeld derDrehstromwicklung 361
5.2.3 SpannungsinduktiondurchdieDrehfelder................................................ 368
5.2.4 DaselektromagnetischeDrehmomentderDrehstrommaschine................ 374
5.3 Dasmagnetische Rückwirkungsfeld 376
5.4 StationäreunddynamischeArbeitszustände 378
5.4.1 Motorbetrieb 378
LeistungsfaktordesMotors 381
5.4.2 DerGeneratorbetrieb................................................................................. 382
5.4.3 Bremsbetrieb 385
5.4.4 GleichungendesstationärenZustandes 387
5.4.5 GleichungendesdynamischenZustandes 399
5.5 KennliniendesDrehstrom-Asynchronmotors 411
5.5.1 DieMechanischeKennliniedesAsynchronmotorsmitSchleifringläufer 411
5.5.2 Mechanische KennliniendesAsynchronmotorsmitKurzschlußläufer.... 416
5.5.3 Wirkungsgradkennlinie............................................................................. 421
5.5.4 Leistungsfaktorkennlinie........................................................................... 422
5.6 Anlaufvon Asynchronmotoren 422
5.6.1 Direkter Anlauf 423
5.6.2 Stern-Dreieck-Anlauf................................................................................ 426
5.6.3 AnlaufmitDrosselspulen imStänderstromkreis....................................... 428
5.6.4 AnlaufmitSpartransformator 429
5.6.5 AnlaufdesAsynchronmotorsmitSchleifringläufer.................................. 430
5.7 Bremsender Asynchronmaschine 433
5.7.1 BremsschaltungimBremsbetrieb 433
5.7.1.1 BremsbetriebdurchReversierung , 433
5.7.1.2 BremsbetriebdurchÄnderungderStrangfolgeimStänder........ 435
5.7.2 BremsungimGeneratorbetrieb mitEnergierückgewinnung..................... 436
5.7.3 BremsungimGeneratorbetriebohneEnergierückgewinnung 437
5.8 Drehzahlstellen vonAsynchronmotoren 439
5.8.1 Ständerspannungssteuerung 440
5.8.2 Polumschaltung :......... 441
5.8.3 Frequenzsteuerung 443