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Elektrische Antriebstechnik: Band 2 Stromrichtergespeiste Gleichstrommaschinen und voll umrichtergespeiste Drehstrommaschinen PDF

210 Pages·1987·4.335 MB·English
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Manfred Meyer Elektrische Antriebstechnik Band 2 Stromrichtergespeiste Gleichstrom maschinen und voll umrichtergespeiste Dreh strommas chinen Mit 173 Abbildungen und 8 Tabellen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1987 Dr.-Ing. Manfred Meyer Ordinarius des Elektrotechnischen Institutes der Universitat Karlsruhe ISBN 978-3-540-17022-8 ISBN 978-3-642-86543-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-86543-5 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek: Meyer, Manfred: Elektrische Antriebstechnik/Manfred Meyer. - Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer Bd. 2. Meyer, Manfred: Stromrichtergespeiste Gleichstrommaschinen und voll umrichtergespeiste Drehstrom strommaschinen. - 1987 Meyer, Manfred: Stromrichtergespeiste Gleichstrommaschinen und voll umrichtergespeiste Drehstrom maschinen/Manfred Meyer. - Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer, 1987 (Elektrische Antriebstechnik / Manfred Meyer; Bd.2) Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder iihnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergiitungsanspriiche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die "Verwertungs gesellschaft Wort", Miinchen, wahrgenommen. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1987 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenzeichen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Texterfassung: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft, Berlin; Datenkonvertierung: Briihlsche Universitiitsdruckerei, GieBen; 2160/3020-543210 Vorwort Die elektrische Antriebstechnik, iiber deren gegenwiirtigen Stand in diesem zweibiindi gen Werk berichtet wird, befindet sich in einer stiirmischen Entwicklung. Wiihrend die Anpassung der elektrischen Maschinen an die Anforderungen der modernen Antriebs technik in evolutionaren Bahnen veriauft, werden die Fortschritte auf den Gebieten "Umformung elektrischer Energie (Leistungselektronik)" sowie "Steuer-, Regel-, MeB- und Uberwachungstechnik" durch Innovationen bei den elektrischen Bauele men ten gepriigt. Technische Fortschritte ermoglichen immer wieder neue, bessere Losungen fUr die an ein Antriebssystem gestellten Forderungen beziiglich Regeldyna mik, Pendelmomenten, Wirkungsgrad, Netzriickwirkungen, Geriiuschabstrahlung und Betriebssicherheit. 1m voriiegenden Band 2 werden geregelte elektrische Antriebe behandelt. Zuniichst wird der heute am weitesten verbreitete geregelte elektrische Antrieb, die stromrichter gespeiste Gleichstrom-Kommutatormaschine, eingehend beschrieben. Es wird gezeigt, daB dieser Antrieb neben vielen Vorteilen einen groBen Nachteil hat, den mechani schen Kommutator; dieser bedarf einerseits der Wartung, andererseits bestimmt er die Grenzleistung in Abhiingigkeit von der Drehzahl. In den letzten fiinfundzwanzig lahren wurden vielfiiltige Antriebslosungen in Form von geregelten stromrichterge speisten Drehstrommaschinen erarbeitet, mit denen die durch den mechanischen Kommutator gegebenen Einschriinkungen iiberwunden werden konnten. Ich habe versucht, die vielen he ute auf dem Markt angebotenen Antriebsvarianten, die sich sowohl hinsichtlich der Art der eingesetzten elektrischen Maschinen als auch der verwendeten Strom richter und der angewandten Steuer- und Regelverfahren unter scheiden, systematisch zu gliedern. An ausgesuchten Beispielen werden Funktion und Wirkungsweise dieser Antriebe eingehend erkliirt. Dabei habe ich mich bemiiht, den Stoff moglichst anschaulich darzustellen. Auf die Ableitung der die Betriebsweise der Antriebe beschreibenden Gleichungen wurde weitgehend verzichtet; der stiirker an der Theorie der elektrischen Antriebstechnik interessierte Leser wird mittels eines umfangreichen Literaturverzeichnisses auf vertiefende VerOffentlichungen hinge wiesen. Die Kenntnis der Grundlagen der Elektrotechnik und Grundkenntnisse iiber das stationiire und das dynamische Verhalten elektrischer Maschinen, iiber Stromrichterschaltungs- und der Stromrich tersteuerungstechnik sowie iiber die Regelungstechnik wurden vorausgesetzt. Das zweibiindige Werk will und kann keinen Anspruch auf Vo llstiindigkeit erheben. Antriebssysteme mit Universalmotoren, Elektro-Kleinstmotoren und Dreh strom-Kommutatormaschinen wurden wegen ihrer relativ geringen gesamtwirtschaft lichen Bedeutung bewuBt ausgeklammert. Aber auch bei den behandelten Antriebs gruppen wurde nicht der Versuch unternommen, eine vollstiindige Ubersicht iiber die VI Vorwort heute im Einsatz und in der Entwicklung befindlichen Varianten zu geben. Ich bin auf die Antriebsarten ausfUhrlich eingegangen, die heute eine wirtschaftliche Bedeutung besitzen und auf jene, von denen ich annehme, daB sie noch eine bekommen werden. Die beiden Bande "Elektrische Antriebstechnik" sind aus dem Manuskript einer zweisemestrigen Vorlesung hervorgegangen, die ich fUr Studenten des siebten und achten Semesters an der Universitat Karlsruhe halte. Sie wenden sich deshalb zunachst an Studierende der Universitaten, der wissenschaftlichen Hochschulen und der Fachhochschulen, soweit sie sich mit der elektrischen Antriebstechnik befassen. Daruber hinaus sollen aber auch in der industriellen Praxis mit Antriebsaufgaben befaBte Ingenieure angesprochen werden, denen ein aktueller Uberblick uber die wichtigsten elektrischen Antriebe mit ihren Vor- und Nachteilen geboten wird. Das Manuskript wurde von Frau A.Krisch und von Frau M.Zimmer mit groBer Ausdauer und Sorgfalt geschrieben. Frau L.Huber und Frau B.Bohn erstellten die Bildvorlagen mit Geduld und Prazision. Die Herren Dr.-Ing. F.Bauer, Dr.-Ing. G.Clos und Dr.-Ing. H.Vogelmann pruften kritisch Teile des Manuskriptes, Herr Dr.-Ing. W.Fetscher sah mit Akribie das gesamte Manuskript durch; ihre bei der Diskussion des Stoffes vorgetragenen Anderungsvorschlage trugen zu Verbesserungen bei. Allen vorstehend genannten gilt mein herzlicher Dank. Beim Springer-Verlag bedanke ich mich fiir die gute und angenehme Zusammenarbeit. Nicht zuletzt danke ich meiner Frau fUr die Geduld, mit der sie die Arbeit an diesem Werk tolerierte. Karlsruhe, im Oktober 1986 Manfred Meyer Inhaltsverzeichnis Formelzeichen, Indizes and Schaltplanzeichen . . . . . . . . . . . . . . . XI 1 Einflihrung . 1 1.1 Aligemeines zum geregelten elektrischen Antrieb . 1 1.2 Uberblick iiber die historische Entwicklung der elektrischen Antriebe 3 2 Geregelte stromrichtergespeiste Gleichstrom-Kommutatormaschine . 9 2.1 Gleichstrom-Kommutatormaschine 9 2.1.1 Leistungsbereich und Ausfiihrung 9 2.1.1.1 Gleichstromkleinmaschinen . 9 2.1.1.2 Gleichstromservomotoren 9 2.1.1.3 GroBere permanenterregte Gleichstrommaschinen 11 2.1.1.4 Elektrisch erregte Gleichstrommaschinen des mittleren Leistungs- bereichs 11 2.1.1.5 Gleichstrommaschinen des oberen Leistungsbereichs . 13 2.1.2 Aufteilung des Umsatzvolumens auf Leistungsklassen 15 2.2 Auswirkungen der Stromrichterspeisung auf das Betriebsverhalten der Gleichstrom-Kommutatormaschine. 16 2.3 Leistungsbereich und Ausfiihrung der Stromrichter 22 2.3.1 Elektronische Gleichstromsteller . 22 2.3.2 Netzgefiihrte Stromrichter 22 2.4 Projektierung des Leistungsteils eines Einquadrantantriebs 23 2.4.1 Anforderungen durch die Arbeitsmaschine 23 2.4.2 Netz- und Umgebungsbedingungen 25 2.4.3 Auswahl der Gleichstrom-Kommutatormaschine. 26 2.4.4 Dimensionierung der Gliittungsdrosselspule (falls erforderlich) . 28 2.4.5 Auswahl des Stromrichters . 28 2.4.6 Ermittlung der erforderlichen ideellen Leerlaufgleichspannung des Stromrichters . 29 2.4.6.1 Induktive Gleichspannungsiinderung: Dx 30 2.4.6.2 Ohmsche Gleichspannungsiinderung: Dr 31 VIII Inhaltsverzeichnis 2.4.6.3 Spannungsreserve fUr transiente Spannungsfalle: Dr . 31 2.4.6.4 Spannungsfall im Stromrichter: Dv . . . . . . . . 32 2.4.6.5 Ohmscher Spannungsfall in den gleichstromseitigen Leitungen (und in der Glattungsdrossel): DGL • • • . . • • • • 32 2.4.6.6 Zusatzlicher ohmscher Spannungsfall im Ankerkreis der Gleichstrom-Kommutatormaschine: Dm . . . . . . . 32 2.4.6.7 Erforderliche ideelle Leerlaufgleichspannung: Udi • • • 33 2.4.7 Dimensionierung des Stromrichtertransformators (falls erforderlich) 34 2.5 Regelung eines Einquadrantantriebs 34 2.5.1 Einfiihrung in die Aufgabenstellung 34 2.5.2 Analyse der Regelstrecke. . . . . 37 2.5.3 Analyse des Stellglieds Stromrichter 39 2.5.4 Optimierung des Stromregelkreises. 41 2.5.5 Optimierung des Drehzahlregelkreises 46 2.5.6 Geregelter Betrieb im Feldschwachbereich 54 2.5.7 AbschlieBende Bemerkungen . . . . . . 58 2.6 Mehrquadrantenantriebe mit netzgefUhrtem Stromrichter . 60 2.6.1 Feldumkehrschaltung mit mechanischer Umschaltung des Erregerstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.6.2 Feldumkehrschaltung mit elektronischer Umsteuerung des Erregerstroms . . . . . . . . . . . . . 62 2.6.3 Mechanische Ankerkreisumschaltung . . . 65 2.6.4 Elektronische Umsteuerung des Ankerstroms 67 2.6.4.1 Kreisstromfreie Gegenparallelschaltung. . . 67 2.6.4.2 Kreisstrombehaftete Kreuzschaltung. . . . 71 2.6.5 Ermittlung der erforderlichen Leerlaufgleichspannung des Stromrichters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.7 Mehrquadrantenantriebe mit se1bstgefiihrtem Stromrichter 75 2.7.1 Grundschaltungen eines iiber elektronischen Gleichstromsteller gespeisten Antriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.7.2 Mechanische Umschaltung des Stellers und des Ankerkreises 77 2.7.3 Elektronische Umsteuerung des Ankerstroms . . . . 77 2.7.4 Umkehrantrieb zum AnschluB an das Drehstromnetz 78 2.8 Netzriickwirkungen und Blindleistungsbedarf . 80 2.9 AbschlieBende Uberlegungen . . . . . . . . 83 3 Geregelte stromrichtergespeiste Drehstrommaschinen 87 3.1 Uberblick ................. . 87 3.2 Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen . . . . 88 3.2.1 Stromrichtergespeiste Gleichstrom-Stromrichtermaschine (Stromrichtermotor, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, Elektronikmotor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Inhaltsverzeichnis IX 3.2.1.1 Vergleich mit der Gleichstrom-Kommutatormaschine 89 3.2.1.2 Grundsatzliche Wirkungsweise . . . . . . . . . . 91 3.2.1.3 Steuerung des maschinenseitigen Stromrichters . . . 97 3.2.1.4 Gesamter Antrieb: Ausfiihrungsbeispiele, Anwendungsbereich . 102 3.2.1.4.1 Antriebe kleiner Leistung. . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2.1.4.2 Antriebe groBerer Leistung. . . . . . . . . . . . . . 104 Anfahrvorgang mit selbstgefiihrtem maschinenseitigen Stromrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Anfahrhilfen fiir Antriebe mit maschinengefiihrtem maschinenseitigen Stromrichter. . . . . . . . . . . . .. 106 Strukturen der Steuerung und Regelung bei drehzahlgeregelten Vierquadrantenantrieben . . . . . . . . . . . . . .. 109 Elektrisch erregte Gleichstrom-Stromrichtermaschine ohne bewegte Kontakte . . . . . . . . . . . . . . 115 MaBnahmen zur Verminderung der Welligkeit des Drehmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Aufwandsvergleich mit der stromrichtergespeisten Gleichstrom-Kommutatormaschine, Anwendungen 118 3.2.2 Speisung der Synchronmaschine aus einer steuerbaren Drehspannungsquelle oder einer regelbaren Drehstromquelle 119 3.2.2.1 Feldorientierte Regelung bei Speisung aus einer gesteuerten Drehspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.2.2.2 Feldorientierte Regelung bei Speisung aus einer geregelten Drehstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.2.2.3 Technische Realisierung der Drehstrom- bzw. Drehspannungsquelle 126 3.2.2.4 Anwendungen ....................... 131 3.3 Stromrichtergespeiste Drehstrom-Asynchronmaschinen . 131 3.3.1 Einfiihrung in das Betriebsverhalten . . . . . . . . 132 3.3.2 St atorspannungs-S tatorfrequenz-Kennliniensteuerung 137 3.3.2.1 Steuerkennlinie . . 137 3.3.2.2 Schaltungs beispiele 138 Gruppenantrieb 139 Einzelantrieb . 142 3.3.3 Statorstrom-Rotorfrequenz-Kennliniensteuerung. 145 3.3.3.1 Steuerkennlinien fur konstanten magnetischen HauptfluB . 145 3.3.3.2 Schaltungsbeispiel. . . . . . . . . . . 147 3.3.3.3 Weitere Losungsmoglichkeiten . . . . . 150 3.3.4 Feldorientierte Steuer- und'Regelverfahren 150 3.3.4.1 Einfiihrung. . . . . . . . 150 3.3.4.2 Schaltungsbeispiele . . . . . . . . . . 159 3.3.4.3 AbschlieBende Bemerkungen . . . . . . 164 3.3.5 Auswirkungen der Stromrichterspeisung auf die Drehstrom- Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 3.3.5.1 Auswirkung der Stromrichterspeisung auf den Statorstrom . 165 3.3.5.2 Auswirkung der Stromrichterspeisung auf das Drehmoment. 169 x Inhaltsverzeichnis 3.3.6 Unterdriickung der niederfrequenten Anteile des Pendelmoments bei iiber Stromrichter mit Phasenfolgeloschung und eingepragtem Gleichstrom gespeisten Drehstrom-Asynchronmaschinen durch Strompulsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 3.3.7 Speisung mit angenahert sinusformigem Strom und angenahert sinusfOrmiger Spannung durch Strompulsen . . . . . . . 178 3.4 Netzriickwirkungen und Blindleistungsbedarf der umrichter gespeisten Drehstrommaschinen . 179 3.5 AbschlieBende Uberlegungen . . 183 Literaturverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Sachverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Inhalt des Bandes 1: Asynchronmaschinen im Netzbetrieb und drehzahlgeregelte Schleifringliiufermaschinen EinfUhrung 2 Elektrische Antriebe ohne kontinuierliche Drehlzahlsteuerung, dargestellt am Beispiel der Asynchronmaschine mit Kiifigliiufer 3 Verfahren zur Drehzahlbeeinflussung mit geringem Aufwand 4 Stromrichterkaskaden fUr gegenliiufigen, untersynchronen und iibersynchronen Betrieb Formelzeicheo, Iodizes uod Schaltplaozeicheo 1. Formelzeichen A Fliicheninhalt Proportionalitiitskonstante, Faktor Proportionalitiitskonstante, Faktor Kapazitiit eines Kondensators Gliittungskapazitiit Spannungsiinderung, Spannungsfall bezogene Spannungsiinderung, bezogener Spannungsfall ohm scher Spannungsfall induktive Spannungsiinderung Verzerrungsleistung f Frequenz fN Nennfreq uenz fR Frequenz der Rotorgr6Ben Is Frequenz der Statorgr6Ben J.t Steuerfrequenz f(x) Funktion von x I Strom allgemein, Effektivwert des Stroms Zeitwert des Stroms I I Zeitzeiger des Stroms I £ Raumzeiger des Stroms I Regelgr6Be des Stroms I Fiihrungsgr6Be des Stroms I Ankerstrom Kreisstrom Leiterstrom Rotorstrom auf die Statorseite bezogener Rotorstrom Statorstrom Strom iiber die Klemme U, Strom im Strang U Strom iiber die Klemme V, Strom im Strang V Strom iiber die Klemme W, Strom im Strang W Gleichstrom (Mittelwert) Erregerstrom auf die Statorseite bezogener Erregerstrom Ankerstrom, der sich bei stillstehender mit dem Drehmoment Mo belasteter Maschine einstellt Magnetisierungsstrom allgemein Magnetisierungsstrom des Rotorflusses 'P'R

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