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2013 | Buch

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Elektrische Antriebe - Grundlagen

Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben

verfasst von: Dierk Schröder

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer-Lehrbuch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

"Elektrische Antriebe - Grundlagen" ist eine aktuelle und bewährte Einführung in die Grundlagen der Antriebstechnik. Behandelt werden u.a. Antriebsanordnungen mit Gleichstrommaschinen sowie Drehfeldmaschinen mit Asynchron- und Synchronmaschinen. Sie werden anhand der Systemgleichungen, der Signalflusspläne sowie der Stellglied- und Regelungsvarianten diskutiert. Am Ende des Buches finden sich zahlreiche Übungsaufgaben mit Lösungen.

Das Lehrbuch ist Teil eines umfassenden Werks derselben Autoren. Dieses umfasst neben "Elektrische Antriebe - Grundlagen" die Bände "Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen", "Intelligente Verfahren - Identifikation und Regelung nichtlinearer Systeme" sowie die Bücher "Leistungselektronische Schaltungen" und " Leistungselektronische Bauelemente". Es dient als Kompendium für das Gesamtwerk und enthält einführende Einordnungen und Querverweise zu den benachbarten Gebieten sowie ein Stichwortverzeichnis der behandelten Gebiete in den anderen Bänden. Diese erfassen das Fachwissen für die zunehmend wichtigen Gebiete der elektrischen Antriebstechnik an sich und angrenzender Gebiete mit Komponenten der elektrischen Antriebstechnik, wie z.B. Netzgeräte, Photovoltaik, aktive Filter, StatCom-Anlagen sowie Anwendungen in der Mechatronik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Antriebsanordnungen: Grundlagen

Zusammenfassung

Wie bereits im Einführungskapitel dargestellt, sind die mechanischen Grundgesetze ein wesentlicher Ausgangspunkt, um ein Antriebssystem entsprechend den statischen und dynamischen Anforderungen auszulegen. Im folgenden werden deshalb diese Grundgesetze der Mechanik für die Leser wiederholt, die eine Auffrischung bekannter Grundkenntnisse der Mechanik wünschen.

Dierk Schröder

2. Verluste und Erwärmung im Antriebssystem

Zusammenfassung

Die Verlustleistung an der Übertragungsstelle bei der Energieübertragung bzw. -wandlung läßt sich in gleicher Weise an einem mechanischen Modell (Kupplung) wie an einem elektrischen Modell (Luftspalt einer elektrischen Maschine) ermitteln.

Dierk Schröder

3. Gleichstrommaschine

Zusammenfassung

Das Grundprinzip der Energiewandlung ausgehend von elektrischer oder magnetischer Energie und Wandlung in mechanische Energie ist bei allen elektrischen Maschinen prinzipiell gleich und kann anhand der Systemgleichungen für die Gleichstrommaschine am plausibelsten erklärt werden. Allerdings setzt dies Vorkenntnisse aus dem Wissensgebiet der elektrischen Maschinen voraus, die nicht immer gegeben sind. Aus diesem Grund werden die Systemgleichungen der Gleichstrommaschine nicht als gegeben angenommen.

Dierk Schröder

4. Stellglieder und Regelung für die Gleichstrommaschine

Zusammenfassung

In dem folgenden Kapitel werden die leistungselektronischen Stellglieder für die Gleichstrom-Nebenschlussmaschine genutzt, um je nach den Betriebsbedingungen der Maschine die notwendige Ankerspannung und den Ankerstrom bereitzustellen. Es gibt zwei Arten der Stellglieder, erstens die DC/DC-Wandler – Abbildung 4.11, die eine feste Gleichspannung in die von der Maschine benötigte Ankerspannung umformen und zweitens die netzgeführten Thyristor-Stellglieder – Abbildung 4.37, die Spannungsausschnitte des Drehspannungssystems in eine variable Gleichspannung wandeln.

Dierk Schröder

5. Drehfeldmaschinen

Zusammenfassung

Aufgrund des robusten mechanisch-elektrischen Aufbaus ist die Asynchronmaschine (ASM) eine wichtige Alternative zur Gleichstrom–Nebenschlußmaschine (GNM) geworden. Insbesondere bedingt durch die Entwicklung ein– und ausschaltbarer leistungselektronischer Bauelemente können jetzt die notwendigen Stellglieder relativ einfach realisiert werden. Zusätzlich sind durch die Fortschritte der Mikroelektronik die gegenüber der Gleichstrommaschine komplexeren Steuer- und Regelverfahren realisierbar. Somit sind die Voraussetzungen gegeben, drehmoment- und drehzahlvariable Drehfeldmaschinen-Antriebe einzusetzen.

Dierk Schröder

6. Synchronmaschine

Zusammenfassung

In Kap. 5.2 wurde die prinzipielle Funktionsweise der Asynchronmaschine und im besonderen die Drehfelderzeugung und die Drehmomentbildung erläutert. Bezüglich der Drehfelderzeugung sind die in Abschnitt 5.2.1 ausführlich beschriebenen Vorgänge direkt auf die Synchronmaschine übertragbar, da der Stator einer Synchronmaschine mit demjenigen einer Asynchronmaschine identisch aufgebaut ist.

Dierk Schröder

7. Transversalflußmaschine

Zusammenfassung

Der Fortschritt im Bereich elektrischer Antriebe ist – wie bereits mehrfach dargestellt – gekennzeichnet durch den Übergang von der Gleichstrommaschine zu den Drehstrommaschinen. Die wartungsaufwendige Gleichstrommaschine mit Kommutator ist in ihren Belastungsgrenzen weniger genau bestimmbar als die Drehstrommaschinen.

Dierk Schröder

8. Geschaltete Reluktanzmaschinen

Zusammenfassung

In Kap. 6.2, in dem der Signalflußplan der Synchron-Schenkelpolmaschine abgeleitet wurde, hatte sich als Drehmomentgleichung ergeben:

$${{M}_{Mi}}=\frac{3}{2}\cdot {{Z}_{p}}\cdot \left( {{M}_{dE}}\cdot {{I}_{E}}\cdot {{I}_{q}}+({{L}_{d}}-{{L}_{q}})\cdot {{I}_{d}}\cdot {{I}_{q}} \right)$$

(8.1)

Das Drehmoment M _Mi ist, wie bereits diskutiert, einerseits eine Funktion von I _E · I _q und andererseits eine Funktion von (L _d − L _q) sowie von I _d · I _q. Wenn der erste Term in Gl.

Dierk Schröder

9. Linearmotoren

Zusammenfassung

Linearmotoren erlauben bei der Umsetzung von Bewegungen durch Wegfall eines Getriebes oftmals mechanisch einfachere Lösungen für elektromotorische Antriebe. In Kombination mit der Magnetschwebetechnik ist vollkommen berührungsloser und damit verschleißfreier Personenverkehr oder abriebfreier Transport von Gegenständen möglich. Die Anwendung von Lineardirektantrieben und magnetischer Schwebetechnik in der Traktion zielt meist auf hohe Geschwindigkeiten ab. So verwendet der Transrapid die Kombination von synchronem Linearantrieb und elektromagnetischem Schweben. Lineare Direktantriebe in Verbindung mit Magnetschwebetechnik sind aber auch für den reibungsfreien und präzisen Transport von Personen und Teilen in der Fördertechnik sowie in der Montagetechnik und im Werkzeugmaschinenbau einsetzbar. Geeignete Kombinationen von Antreiben, Tragen und Führen eröffnen neue Perspektiven für die Antriebstechnik.

Dierk Schröder

10. Lagerlose Permanentmagnetmotoren

Zusammenfassung

In industriellen Applikationen der Antriebstechnik mit besonders hohen Anforderungen an den Drehzahl- und Temperaturbereich, die Wartungsfreiheit oder die Lebensdauer stößt man bei Antrieben mit konventioneller Lagertechnik häufig an technische Grenzen. Dies gilt auch in besonderem Maße für Pumpen und Kompressoren mit hohen technischen Ansprüchen hinsichtlich der Dichtheit und des Verschleißes bei hohen Drehzahlen, hohen Temperaturen, hohen Drücken oder auch chemisch aggressiven Gasen und Flüssigkeiten. Die mechanischen Lager und Dichtungen der ansonsten verschleißfrei arbeitenden bürstenlosen Antriebe bestimmen daher nicht nur deren Wartungsintervalle und Lebensdauer, sondern beschränken unter Umständen auch ganz wesentlich deren Einsatzgebiete.

Dierk Schröder

11. Kleinantriebe

Zusammenfassung

Schrittmotoren sind eine Sonderbauform der Synchronmaschine mit ausgeprägten Statorpolen. Die charakteristische Eigenschaft von Schrittmotoren ist das schrittweise Drehen des Rotors und damit der Motorwelle um den Schrittwinkel α, verursacht durch ein sprungförmig weitergeschaltetes Statormagnetfeld.

Dierk Schröder

12. Umrichterantriebe

Zusammenfassung

Aus den Kapiteln 5 und 6 ist zu entnehmen, daß auch die Drehfeldmaschinen in der Drehzahl und im Drehmoment steuerbare Antriebe sind. Allerdings ist der regelungstechnische Aufwand erheblich größer, wenn diese Antriebe statische und dynamische Eigenschaften wie Gleichstrommaschinen haben sollen.

Dierk Schröder

13. Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldmaschinen

Zusammenfassung

In den Kapiteln mit den Signalflußplänen der Drehfeldmaschinen und der Stellglieder waren die grundsätzlichen Steuerbedingungen unter der Voraussetzung einer Einspeisung der Drehfeldmaschinen mit einem komplexen Spannungssystem (Raumzeiger-Darstellung) dargestellt worden. Weiterhin war gezeigt worden, daß das dynamische Verhalten nur dann leicht verständlich ist, wenn eine Orientierung des Koordinatensystems K auf beispielsweise einen Fluß erfolgt.

Dierk Schröder

Backmatter

Titel: Elektrische Antriebe - Grundlagen
verfasst von: Dierk Schröder
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-30471-2
Print ISBN: 978-3-642-30470-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-30471-2