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Prof. Dr.-Ing. A. Mertens IAL, Leibniz Universität Hannover

Elektrische Antriebe Stand: 2.5.2019

Elektrische Antriebe Vorlesungsskript Stand: 2. Mai 2019

Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) Fachgebiet Leistungselektronik und Antriebsregelung Leibniz Universität Hannover

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Einführung .......................................................................................................................... 4 1.1 Einordnung dieser Vorlesung ...................................................................................... 4 1.2 Die Rolle der elektrischen Antriebstechnik ................................................................. 4 1.3 Aufbau eines elektrischen Antriebssystems ................................................................ 7 1.4 Literaturhinweise ......................................................................................................... 9 Lasten und mechanische Antriebskomponenten .............................................................. 10 2.1 Lasten......................................................................................................................... 10 2.1.1 Stationäre Lasten ................................................................................................ 10 2.1.2 Dynamische Lasten ............................................................................................ 13 2.1.3 Stabile und labile Betriebspunkte....................................................................... 15 2.2 Mechanische Antriebselemente ................................................................................. 17 2.3 Drehzahl und Drehmoment an der Maschinenwelle ................................................. 18 2.3.1 Einmassenmodell ............................................................................................... 18 2.3.2 Mehrmassensysteme........................................................................................... 20 Drehzahlveränderliche Antriebe mit Gleichstrommaschinen .......................................... 21 3.1 Beschreibung der Gleichstrommaschine ................................................................... 21 3.2 Kennlinien von fremderregten Gleichstrommaschinen ............................................. 22 3.3 Stellglieder für Gleichstromantriebe ......................................................................... 25 3.3.1 Halbleiterbauelemente für Stellglieder ............................................................... 26 3.3.2 Analoge Leistungsverstärker .............................................................................. 30 3.3.3 Schaltende Leistungsverstärker (Chopper) ........................................................ 32 3.3.4 Netzgeführte Stromrichter .................................................................................. 35 3.4 Messwandler .............................................................................................................. 40 3.4.1 Messung elektrischer Größen ............................................................................. 40 3.4.1.1 Spannungsmessung ..................................................................................... 40 3.4.1.2 Strommessung ............................................................................................. 41 3.4.2 Messung mechanischer Größen ......................................................................... 42 3.4.2.1 Drehzahlmessung ........................................................................................ 43 3.4.2.2 Lagemessung............................................................................................... 43 3.5 Regelung von Gleichstromantrieben ......................................................................... 45 3.5.1 Anforderungen an den Betrieb ........................................................................... 45 3.5.2 Dynamisches Verhalten eines Antriebs mit Gleichstrommaschine ................... 46 3.5.3 Regelkreis für einen drehzahlgeregelten Gleichstromantrieb ............................ 50 3.5.4 Sollwertbearbeitung für Positionierantriebe....................................................... 53 3.5.5 Einbettung in überlagerte Automatisierungssysteme mit Feldbussen................ 54 EC-Motoren ...................................................................................................................... 56 4.1 Aufbau und Funktionsweise ...................................................................................... 56 4.2 Spannung, Strom und Drehmoment .......................................................................... 58 4.3 Stellglieder und Betriebsverhalten............................................................................. 61 4.4 Schrittweise drehendes Feld – Raumzeiger des Flusses ............................................ 62 4.5 Kontinuierlich drehendes Feld................................................................................... 64 Drehzahlveränderliche Antriebe mit Synchronmaschinen ............................................... 67 5.1 Spannungsgleichung und Drehmoment der PMSM .................................................. 67 5.2 Elektronische Stellglieder für Drehfeldmaschinen .................................................... 70 5.3 Regelung von PMSM ................................................................................................ 75 5.4 Betriebsverhalten und Betriebsgrenzen von PMSM ................................................. 76 5.4.1 Betriebsgrenzen der PMSM ohne Feldschwächung........................................... 76 5.4.2 Betrieb der PMSM mit Feldschwächung ........................................................... 77 5.4.3 Reluktanzmoment und Feldschwächung bei anisotropen PMSM...................... 80 Drehzahlveränderliche Antriebe mit Induktionsmaschinen ............................................. 82 Seite 2 von 105

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6.1 Ersatzschaltbild und Stromortskurve der Induktionsmaschine ................................. 82 6.2 Betrieb von Induktionsmaschinen mit variabler Drehzahl ........................................ 83 6.2.1 U/f-Betrieb ......................................................................................................... 84 6.2.2 Doppelt gespeiste Induktionsmaschine .............................................................. 87 6.3 Stellglieder für Induktionsmaschinen ........................................................................ 88 6.4 Regelung von Induktionsmaschinen .......................................................................... 88 7 Allgemeines zu elektrischen Maschinen in Antriebssystemen ........................................ 91 7.1 Kennzeichnung und Normung elektrischer Maschinen............................................. 91 7.1.1 Bauformen .......................................................................................................... 91 7.1.2 Baugrößen .......................................................................................................... 93 7.1.3 Schutzarten ......................................................................................................... 94 7.1.4 Schutzklassen ..................................................................................................... 95 7.1.5 Leistungsschilder ................................................................................................ 97 7.1.6 Liste von Normen ............................................................................................... 98 7.2 Erwärmung und Schutz elektrischer Maschinen ....................................................... 99 7.2.1 Erwärmung und Kühlung ................................................................................... 99 7.2.1.1 Maschinenverluste ...................................................................................... 99 7.2.1.2 Thermisches Modell.................................................................................... 99 7.2.1.3 Thermische Grenzen und Kühlung ........................................................... 100 7.2.1.4 Betriebsarten ............................................................................................. 102

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1 Einführung 1.1 Einordnung dieser Vorlesung Ziel dieser Vorlesung ist es, eine Einführung in drehzahlveränderliche elektrische Antriebe zu geben, die als mechatronisches System aus Aktoren, Sensoren, einer Steuerungselektronik und leistungselektronischen Stellgliedern aufgebaut sind. Dabei werden Kenntnisse über Struktur, Komponenten und Systemvarianten von elektrischen Antrieben mit verschiedenen elektrischen Maschinen vermittelt. Verschiedene Lösungen werden vorgestellt und ihre Eigenschaften einander gegenübergestellt. Dabei wird auch ein Einblick in Stellglieder und Regelung von elektrischen Antrieben gegeben. Die Anforderungen, die an elektrische Antriebssysteme gestellt werden, leiten sich aus der Anwendung ab. Die angetriebenen Lasten und ihre Eigenschaften sowie die mechanischen Komponenten des Antriebssystems bestimmen daher die Dimensionierung des elektrischen Antriebssystems maßgeblich. Die Herleitung der Anforderungen an den Antrieb aus der Antriebsaufgabe sowie die Auswahl von entsprechenden Antriebssystemen und –komponenten soll mit dem Stoff dieser Vorlesung ermöglicht werden. Die Vorlesung „Elektrische Antriebe“ richtet sich vor allem an Studierende der Mechatronik und des Maschinenbaus. Dabei werden Kenntnisse über die Gleichstrommaschine, die (permanentmagneterregte) Synchronmaschine und die Induktionsmaschine (Asynchronmaschine) im stationären Betrieb (Speisung mit einer festen Spannung und Frequenz) als bekannt vorausgesetzt. Die erwarteten Vorkenntnisse entsprechen den Inhalten der Vorlesung „Grundlagen der elektromagnetischen Energiewandlung“ von Prof. Ponick. Studierende, die diese Vorlesung nicht gehört haben, können selbstverständlich auch mit den Vorkenntnissen aus entsprechenden Vorlesungen anderer Universitäten teilnehmen oder sich die Voraussetzungen im Selbststudium erarbeiten. In dieser Übersichtsvorlesung kann selbstverständlich die große Komplexität der Komponenten, wie beispielsweise die leistungselektronischen Umformer oder die Regelung, nicht ausreichend dargestellt werden. Es werden lediglich grundsätzliche Funktionsweisen und Begrenzungen des Betriebs erläutert. Eine Berechnung oder Dimensionierung leistungselektronischer Umformer ist nicht Gegenstand dieser Vorlesung. Für eine vertiefte Betrachtung muss hier auf die weiteren Lehrveranstaltungen des Fachgebiets, „Leistungselektronik I und II“, „Leistungshalbleiter und Ansteuerungen“ und „Regelung elektrischer Drehfeldmaschinen“ verwiesen werden.

1.2 Die Rolle der elektrischen Antriebstechnik In einem mechatronischen System wird ein mechanischer Prozess mit Hilfe der elektronischen Informationsverarbeitung gesteuert und optimiert. Dazu muss das elektronische Subsystem mit dem mechanischen Prozess interagieren (Bild 1):  Informationen über den Zustand des mechanischen Prozesses werden mit Hilfe von Sensoren gewonnen. Diese wandeln physikalische Größen in elektrische Signale um und machen sie so einer elektronischen Informationsverarbeitung zugänglich.  Umgekehrt muss das Ergebnis der Informationsverarbeitung, nämlich der steuernde Eingriff, im mechanischen Prozess zur Wirkung gebracht werden. Hierzu sind in der Regel Kräfte oder Bewegungen erforderlich. Die dazu erforderlichen Subsysteme werden Aktoren genannt.

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Mechatronisches System Elektronisches Subsystem

Sensoren

Informationsverarbeitung

Aktoren

Kräfte Bewegung

Mechanischer Prozess

Bild 1: Vereinfachte Struktur eines mechatronischen Systems Der Einfluss auf den mechanischen Prozess erfordert in der Regel Energie. Dem Aktor muss daher außer dem Steuersignal auch noch Energie zugeführt werden. Hierzu bietet sich zunächst elektrische Energie an, da sie ohnehin im elektronischen Subsystem benötigt wird. Es sind jedoch auch andere Energieformen denkbar, wie sie in hydraulischen und pneumatischen Stellantrieben, in Verbrennungsmotoren und Turbinen eingesetzt werden. Auch bei diesen mechanischen Antrieben muss das elektrische Steuersignal aus der Informationsverarbeitung zunächst mit Hilfe von elektrischen Aktoren in eine mechanische Stellgröße umgesetzt werden, beispielsweise zur Stellung eines Ventils. Ordnet man solche mechanischen Antriebe gedanklich dem mechanischen Prozess zu, so wird deutlich, dass kein mechatronisches System ohne elektrische Aktoren realisiert werden kann. Zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Kräfte oder Bewegungen bieten sich verschiedene Wirkprinzipien an (hier sind nur die wichtigsten genannt):  Elektromagnetische Kraftwirkungen. Ursache sind die mit dem elektrischen Strom verknüpften Magnetfelder. Auf Elektromagnetismus basierende Wirkprinzipien von Aktoren haben wegen der hohen Leistungsdichte mit Abstand die größte Verbreitung und Vielfalt erlangt.  Elektrostatische Kraftwirkungen. Ursache sind die Kräfte, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Sie sind bei gewöhnlichen Abmessungen weitaus schwächer als elektromagnetische Kräfte und werden erst bei Abständen weit unter 1mm interessant. So kommen elektrostatische Aktoren vornehmlich in Zusammenhang mit der Mikrotechnologie zur Anwendung.  Piezoelektrische Kraftwirkungen. Sie beruhen auf der Kontraktion oder Expansion von bestimmten Kristallen unter Einfluss eines elektrischen Feldes und zeichnen sich durch große Kräfte und kleine Stellwege aus. Sie kommen beispielsweise zur Feinpositionierung im Mikrometerbereich und darunter oder zur Ventilsteuerung zur Anwendung. In jüngster Zeit werden auch Prinzipien vorgestellt, mit deren Hilfe piezoelektrische Antriebe für kontinuierliche, lineare oder rotatorische Bewegungen verwendet werden können. Grundsätzlich werden dabei hohe Kräfte und geringe Geschwindigkeiten erzielt. Seite 5 von 105

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Gegenstand dieser Vorlesung sind Antriebe mit elektromagnetischen Wirkprinzipien. Nach der Teilnahme an dieser Vorlesung sollte der Hörer in der Lage sein:  Aufbau und wesentliche Bestandteile eines geregelten elektrischen Antriebssystems zu kennen und zu verstehen, und  elektrische Antriebe entsprechend den Anforderungen der Anwendung auswählen und einsetzen zu können. Die folgende Tabelle gibt Eigenschaften von elektrischen Antrieben im Vergleich mit anderen Antriebsarten an. Eigenschaft

Elektromagnetischer Aktor

Pneumatischer Aktor

Verbrennungsmotor

Energiezufuhr

Oft ohnehin vorhanden; (biegsame) Kabel

Zentrales Luftdruckaggregat; Dichtheit

Kraftstoff; Hohe Energiedichte

Lokale Emissionen

Keine

Keine

Abgase

Wirkungsgrad

Hoch

Mittel

Gering

Entwärmung

Einfach

Einfach

Aufwändig

Nutzbremsung

Möglich

Nicht möglich

Nicht möglich

Leicht, vielfältige Bauformen verfügbar

Leicht, wenn Druckluft gegeben

Eingeschränkt

Geräusche

Sehr gering

Mittel

Stark

Schwingungen

Sehr gering

Mittel

Stark

n-M-Kennlinien

Vielfältig, auch Linearantriebe

Vorwiegend Linearantriebe

kaum beeinflussbar

Stellbereich (n,M)

>1:1000 möglich

Vorwiegend Linearantriebe

1:10

Verschleiß, Wartung

Sehr gering

Gering

Hoch

Lebensdauer

Sehr hoch

Hoch

Mittel

Konstruktive tegration

In-

Es wird deutlich, dass elektromagnetische Aktoren für Stell- und Positionieraufgaben hauptsächlich mit pneumatischen Antrieben konkurrieren, während für durchlaufende Antriebe Verbrennungsmaschinen wegen der hohen Energiedichte insbesondere im mobilen Bereich interessant sind. In vielen Anwendungen sind elektrische Antriebe jedoch konkurrenzlos. Neben den oben aufgeführten positiven Eigenschaften elektrischer Antriebe sind jedoch auch nicht erwünschte Nebeneffekte zu berücksichtigen:  mechanische Schwingungen und Vibrationen,  Emission von Geräuschen und Lärm,  Aussendung elektromagnetischer Störungen (über Anschlussleitungen oder Abstrahlung),  Erwärmung der Umgebung und der Arbeitsmaschine,  Gefährdung von Personen durch elektrische und mechanische Wirkungen,  Brand- und Explosionsgefahr. Diese Nebenwirkungen dürfen zulässige Grenzen, die in Verordnungen und Normen festlegt sind, nicht überschreiten.

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1.3 Aufbau eines elektrischen Antriebssystems In mechatronischen Systemen kommen elektromagnetische Antriebe als Aktoren zum Einsatz. Ihre Aufgabe besteht darin, die von der Informationsverarbeitung angeforderte physikalische Größe zu realisieren. Diese kann eine Kraft, Geschwindigkeit, Lage oder eine Kombination davon sein, in rotierenden Systemen entsprechend ein Drehmoment, Drehzahl oder Drehwinkel. Dazu ist zumeist eine Regelung der gewünschten Größen anhand von Messwerten erforderlich, d.h. es erfolgt ein Nachstellen solange, bis der Messwert dem gewünschten Sollwert entspricht. Die prinzipielle Struktur eines solchen geregelten elektrischen Antriebssystems ist in Bild 2 dargestellt. Die Aufgaben der einzelnen Blöcke sind wie folgt: Aufgaben des informationsverarbeitenden Teilsystems (Steuerung, Regelung):   

Vergleich der vorgegebenen Führungsgrößen F (Sollwerte: Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel; Kraft, Geschwindigkeit, Position usw.) mit den entsprechenden Messwerten M (Istwerte) und Bildung der sich aus der Regelabweichung ergebenden Stellgrößen S. Überwachung und Schutz des Antriebssystems einschließlich des angetriebenen Elements anhand von Messwerten und Signalen. Ausgabe von Meldegrößen und Messwerten Me an übergeordnete Überwachungseinrichtungen oder Steuerungen.

Aufgaben des elektrischen Energieumformers (Stellelement, Leistungsteil, Endstufe):  

Umformung der elektrischen Energie (z. B. Gleichrichten von Drehstrom in Gleichstrom oder Umrichten der Frequenz). Einstellung der Motorspannungen und –ströme entsprechend der Stellgröße S.

Aufgaben des elektromechanischen Energiewandlers (Motor):  

Erzeugung eines Drehmomentes oder einer Kraft. Erzeugung einer stetigen oder schrittweisen, rotatorischen oder translatorischen Bewegung.

Aufgaben des mechanischen Energieumformers (Übertragungselement, Getriebe):  

Änderung des Drehmoments und der Drehzahl. Umformung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung.

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Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines geregelten elektrischen Antriebs Dieses Bild macht deutlich, dass ein elektrisches Antriebssystem für sich gesehen wiederum die Grundstruktur eines mechatronischen Systems nach Bild 1 aufweist. Um ein solches System realisieren zu können, ist...