Elektrische Antriebstechnik: Theoretische Grundlagen, Bemessung und regelungstechnische Gestaltung

512 Pages·1971·36.145 MB·German

by  Obering. Dr.-Ing. Fritz Kümmel (auth.)

Fritz Kiimmel
Elektrische Antriebstechnik
Theoretische Grundlagen
Bemessung und regelungstechnische Gestaltung
Mit 445 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin· Heidelberg· New York 1971
Obering. Dr.-Ing. FRITZ KUMMEL
Kelkheim/Taunus
ISBN-13: 978-3-642-80595-0 e-ISBN-13: 978-3-642-80594-3
DOl: 10.1007/978-3-642-80594-3
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© by Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 1971.
Softeover reprint of the hardcover 1st edition 1971
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der Warenzeichen- nnd Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betraehten waren nnd daher von
jedermann benutzt werden diirften.
Vorwort
Die Antriebe stell en ein wichtigesBindeglied zwischen dem Maschinen
bau und del' F;lektrotechnik dar. Deshalb wird ihre Entwicklung durch
Impulse aus beiden Gebicten bestimmt. So hat die Optimierung und
Automatisierung vieleI' 1<'E'rtigungsverfahren die Anforderungen an die
elektrischen Antriebe hinsichtlich statischer Genauigkeit und dynami
scher Schnelligkeit stiindig erhoht. Sie waren del' AnstoB zu del' in den
letzten beiden Jahrzehnten erfolgten Anpassung del' Regelungstheorie
an die besonderen Bedurfnisse dieses Anwendungsbereiches. Die antriebs
technische Entwicklung wurde auch durch die Fortschritte auf dem
Gebiet del' Leistungs-Halbleiter wesentlich gefordert. Es haben sich
deshalb sowohl in theoretischer wie auch in praktischer Beziehung grund
legende Anderungen ergeben.
Daraus erwachsen dem Projektierungsingenieur, wie auch dem An
wender del' elektrischen Antriebe, eine Reihe Probleme. Beschriinkte
sich ursprunglich die Antriebsprojektierung im wesentlichen auf die
leistungsmiiBige Bemessung del' elektrischen Maschinen, so ist heute
die Auswahl del' Antriebsart, die Festlegung des geeignetsten Regelungs
konzeptes und die Bemessung des Stromrichter-Stellgliedes hinzu
gekommen. Das erfordert neben del' Beherrschung del' Anwendungs
technik elektrischer Maschinen auch ausreichende Kenntnisse auf
den Gebieten del' Halbleiter, del' Stromrichter und nicht zuletzt del'
Regelungstechnik.
Auf jedem diesel' Spezialgebiete steht eine umfangreiche Fach
literatur zur Verfugung. Allerdings ist ihre Nutzanwendung fUr die
Antriebstechnik teilweise schwierig, da die besonderen Verhiiltnisse
dieses Anwendungsbereiches oft nicht berucksichtigt sind. Sie liegen in
den unvcrmeidlichen Schwankungen del' statischen und dynamischen
Betriebskonstanten sowie deren Nichtlinearitiiten und in den Dberlast
forderungen. Daw kommen die Schwierigkeiten, die sich aus den erheb
lichen StorgroBen und del' engen riiumlichen wie auch elektrischen
Kopplung von elektrischen Informations- und Leistungsgliedern er
geben.
In Erkenntnis diesel' Problematik babe ich versucht, auf engem
Raum eine zusammenfassende Darstellung del' fUr die geregelten Antriebe
wichtigen GesetzmiiBigkeiten und Bemessungsregeln zu geben. Die
einzelnen Sondergebiete, wie elektrische Maschinen, Halbleiter, Strom
richter, Regelungstechnik, werden speziell im Hinblick auf ihre Antriebs-
VI Vorwort
anwendung behandelt. Bei den benutzten Berechnungsverfahren wird
auf geringen mathematischen Aufwand geachtet. Da in Zukunft in
steigendem MaBe die Projektierung und Bemessung uber Digitalrechner
erfolgen wird, sind fUr einige unfangreichere Rechenvorgange FluB
diagramme angegeben. Sie stellen die Grundlage fur umfassende System
rechenprogramme dar, mit denen nieht nur die leistungsmaBige Anpas
sung der Antriebskomponenten, sondern auch eine strukturelle Opti
mierung maglich sein wird. 1m ganzen setzt die Darstellung elementare
Grundkenntnisse voraus, wie sie heute jeder durchschnittlich vorge
bildete Ingenieur im Laufe seines Studiums erwirbt.
Auf konstruktive und geratetechnische Gesichtspunkte wird nicht
eingegangen, da sie fUr das Verstandnis der Zusammenhange nicht
unbedingt notwendig sind und im ubrigen, im Zuge der schnellen tech
nischen Entwicklung, laufend Anderungen erfahren. Um den Dberblick
nicht zu beeintrachtigen, werden technologische Probleme der einzelnen
Anwendungsgebiete nicht behandelt. Zu diesem Verzieht konnte ich
mich um so leichter entschlieBen, als in der praktischen Anwendung
immer deutlieher wenige Einheitsschaltungen dominierten. Sie sind in
ihren antriebsteehnisehen Eigenschaften so variabel, daB sie sich leicht
speziellen Forderungen anpassen lassen. Diese Einheitsschaltungen
werden, unter Berucksichtigung der wesentlichen EinfluB- und Star
graBen, eingehend untersucht. Bei Mehrmotorenantrieben lieBen sich
allerdings technologisehe Gesiehtspunkte nicht ganz ausschlieBen,
da hier teilweise die zu verarbeitende Werkstoffbahn ein passives
Regelkreisglied ist.
Bei der Darstellung der einzelnen Antriebsarten ist ihre untersehied
liehe praktisehe Bedeutung berueksichtigt. Deshalb wird dem geregelten
Gleichstromantrieb ein breiterer Raum als dem geregelten Drehstrom
antrieb eingeraumt. Auf eine ausreichende Darstellung der Drehstrom
Grundlagen wurde nicht verzichtet, denn Fortschritte auf den Gebieten
der Schaltthyristoren und der integrierten Informationselektronik
kannen u. U. bald den geregelten Drehstromantrieben weite Anwen
dungsbereiche erschlieBen.
Trotz des groBen Stoffumfangs war ich bemuht, uber-die Beschrei
bung der physikalischen GesetzmaBigkeiten hinaus, durch Zahlenan
gaben, Kennlinien und Bemessungsrichtlinien nutzliche Projektierungs
unterlagen zu schaffen. Bei dieser Zielsetzung sind mitunter Lucken
in der Darstellung und trotz aller Sorgfalt, Fehler nicht ganz zu ver
meiden. Ich ware deshalb den Lesern fUr Verbesserungsvorschlage dank
bar. Wichtige, oft benutzte Formeln sind zur schnellen Anwendung als
Zahlenwertgleiehungen geschrieben.
Ich danke der Firma AEG-Telefunken, daB sie diese Arbeit maglich
gemacht hat; nicht zuletzt dadurch, daB ich wahrend meiner lang-
Vorwort VII
jahrigen Tatigkeit als Projektierungsingenieur auf verschiedenen An
wendungsbereichen weitgehende antriebstechnische Erfahrungen sam
meln konnte. Herr Dipl.-Ing. H. BURSKENS hat mir in dankenswerter
Weise bei der Korrektur geholfen. SchlieBlich danke ich dem Springer
Verlag, daB er auf meine, nicht immer leicht zu erfUllenden Wunsche,
bereitwillig eingegangen ist.
Mage das Buch dazu beitrag en , wachsendes Interesse fUr ein Gebiet
zu wecken, das in so hohem MaBe schapferisches, ingenieurmaBiges
Denken erfordert und das auch weiterhin wesentlich den allgemeinen
technischen Fortschritt mitbestimmen wird.
Kelkheim/Ts, im Friihjahr 1971
Fritz Kiimmel
Inhaltsverzeichnis
1 Elektrische Maschinen. . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Aufgabenstellung bei der Antriebsprojektierung 1
1.2 Dynamische Antriebsbelastung 3
1.3 Lastmomente der Arbeitsmaschinen 7
1.4 Asynchronmotoren . . . . . 10
1.41 SchleifringIaufermotoren . . 11
1.411 Betriebskennlinien . . 11
1.412 Berechnungsprogramm 17
1.42 KafigIaufermotoren 28
1.421 Betriebskennlinien 28
1.422 Bremsschaltungen 32
1.43 Aussetzbetrieb 35
1.44 Dynamische Einfliisse 37
1.45 Frequenzsteuerung 40
1.46 Schaltvorgange bei Asynchronmotoren 46
1.5 Synchronmotoren ........ . 51
1.51 Synchronmotor mit Vollpollaufer. . . 53
1.52 Anlauf von Synchronmotoren . . . . 56
1.53 Synchronmotor mit Schenkelpollaufer 58
1.54 Frequenzsteuerung ..... . 60
1.6 Gleichstrommaschinen. . . . . . . . . . 61
1.61 Allgemeine Betriebseigenschaften 61
1.62 Maschinen-Konstanten und -Kennlinien 66
1.63 Dynamisches Verhalten des Gleichstrommotors 74
1.64 Stromrichtergespeister Gleichstrommotor 78
1.65 Gleichstrom·Stellmotoren . 79
2 Transistoren und Thyristoren. . . 84
2.1 Transistoren. . . . . . . . . 84
2.11 Kenndaten und Grundschaltungen . 84
2.12 Temperaturkompensation . 87
2.13 Gleichspannungsverstarker 89
2.14 Leistungsstufen . . . 91
2.15 Spannungsversorgung. 93
2.2 Thyristoren . . . . 94
2.21 Wirkungsweise. . . 94
2.22 Beanspruchung . . 97
2.23 Statische Kennwerte 100
2.24 Dynamische Kennwerte 108
2.241 Einschaltvorgang 108
2.242 Sperrvorgang . . 110
InhaI tsverzeichnis IX
3 Stromrichter-GrundschaItungen. . . . . . . 115
3.1 Wirkungsweise netzgefiihrter Stromrichter . 115
3.2 Allgemeine Bemessungsregeln . . 116
3.3 Vollgesteuerte Briickenschaltung . 123
3.4 Halbgesteuerte Briickenschaltung 128
3.5 Dreiphasige Einwegschaltung.Sternschaltung. 132
3.6 VoIIgesteuerte Drehstrom-Briickenschaltung . 140
3.7 Halbgesteuerte Drehstrom-Briickenschaltung. 147
3.8 GegenparaIIeIschaltungen . . . . 151
4 Aullere Anpassung del' Stromrichtel' 165
4.1 Bemessung von Transformatoren und Drosseln . 165
4.11 Stromrichter-Transformatoren . 165
4.12 G1attungsdrosseln . . . . . . . . . . . 167
4.13 WechseIstromdrosseln ........ . 173
4.2 Netzriickwirkung und OberweIIenunterdriickung 174
4.3 Beschaltllng gegen Schaltiiberspannungen 182
4.31 Lastbeschaltung . . . . . 182
4.32 Transformatorbeschaltung. 188
4.4 Uberlast- und Kurzschlu13schutz 196
4.41 Kurzschlu13arten. . . . . 196
4.42 G1eichstromkurzschlu13 . . 197
4.43 Verlust der Sperrfahigkeit eines Ventils. 201
4.44 Kippung im Wechselrichterbetrieb ... 203
4.45 Kreisstromkurzschlu13 bei GegenparaIIelschaltung 204
4.46 Uberstromabschaltung durch Schalter . . . . . 206
4.47 Uberstromabschaltung durch Schmelzsicherungen 207
4.5 Stiirschutz del' Informationselektronik 212
4.51 Spannungsversorgung und Schaltbedingungen . . 212
4.52 Stiireinfliisse. . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.53 Schutz gegen kapazitive und induktive Beeinflussung . 217
4.54 Potentialverbindungen . . . . . . . . . 218
I) Steuerung und Regelung von Drehstrommotoren . 221
5.1 Steuer- und Regelmiiglichkeiten bei Drehstrommotoren 221
5.2 Untersynchrone Stromrichterkaskade 223
5.3 Schlupfgesteuerter Asynchronmotor . 225
5.31 Betriebskennlinien . . . . . . . 225
5.32 Anschnittsteuerung antiparal\eler Thyristoren 229
5.33 Regelschaltung 232
5.4 Direktumrichter . . . . . . . . . . 234
5.5 Maschinenkommutierter Wechselrichter 237
5.6 Gesteuerte Liischung von Thyristoren . 238
.5.7 Wechselrichter mit Zwangskommutierung 241
5.71 Einphasige Wechselrichter 241
5.72 Dreiphasige'iVechselrichter ..... 242
x
Inhaltsverzeichnis
5.8 Selbstgefiihrte Frequenzumrichter 245
5.81 Umrichterkombinationen .. 246
5.82 Spannungseinstellung. . . . 246
5.83 Frequenz. und Spannungsregelung 249
6 Bemessung der Motoren . . . . . . . . 251
6.1 Bemessung der Gleichstrommotoren nach dem Lastspiel . 252
6.11 Momentgleichungen . . . . . . . . 252
6.12 Effektive Motorbelastung. . . . . . . . . . . 255
6.13 Motorbemessung bei Feldschwachung. . . . . . 261
6.14 Motorbemessung bei Begrenzungsbeschleunigung 266
6.2 Leonard·Antriebe ...... . 268
6.21 Konstanten des Ankerkreises 269
6.22 Betriebseigenschaften 271
6.23 Steuerschaltungen . . . . . 272
6.24 Mehrmotorenantriebe. . . . 274
6.3 Bemessung der Drehstrommotoren nach dem Lastspiel 277
6.31 Fuhrungsbetrieb ohne Begrenzung 278
6.32 Schaltbetrieb mit Begrenzung 281
7 Regelungstechnik fUr Antriebe . . . 283
7.1 Prinzipieller Aufbau von Antriebsregelkreisen 283
7.11 Funktionsgliederung . . . . . . . . . 284
7.12 Normierung des Regelkreises ..... 286
7.2 Frequenzgangdarstellung und Ubergangsfunktion. 288
7.21 Berechnungsgrundlagen. 288
7.22 Frequenzgangdarstellung . 293
7.23 Stabilitat und Dampfung . 300
7.3 Stabilisierung von Regelkreisen . 304
7.31 Phasenrandoptimum . . . 304
7.311 Optimierungsregeln . 304
7.312 Abhangigkeit der Dampfung von der Integrierzeit 307
7.313 Bestimmung des gunstigsten Reglerfrequenzganges 310
7.314 Fehlanpassung. . . . . . . . . . . . . . 313
7.315 Optimierung bei linear ansteigendem Sollwert . . 318
7.316 Optimierung bei verzogertem Sollwert . . . . . 319
7.317 Berucksichtigung nicht kompensierter Zeitkonstanten 323
7.32 Symmetrisches Optimum . 326
7.321 Optimierungsprinzip . . . . . . . . 326
7.322 Ubergangsfunktion. . . . . . . . . 329
7.323 Optimierung bei verzogertem Soli wert 332
7.33 Vergleich der Optimierungsverfahren . 333
7.4 Einstellen des Regler.Zeitverhaltens. 333
7.41 PID-Regler 334
7.42 PI-RegIer. . . . . . . . . . 338
7.43 PD-Regler . . . . . . . . . 339
7.44 Erhohung der Grenzfrequenz durch starre Gegenkopplung. 341
7.45 Herabsetzung der Grenzfrequenz des Regelkreises 342
7.46 Korrektur des Regelkreis-Frequenzganges. . . . . . . . 343
Inhaltsverzeichnis XI
7.5 Einfiu13 von Totzeiten und Nichtlinearitaten 345
7.51 Totzeiteinfiu13 . . . . . . . . . . . . 345
7.511 Wirkung auf das Zeitverhalten. . 345
7.512 Beriicksichtigung beim Phasenrandoptimum . 348
7.513 Totzeit bei Ankerumschaltung . . . . . . . 351
7.514 Zeitverhalten hei Totzeit und unkompensierten Zeitkon-
stanten . . . . . 354
7.52 Sattigungserscheinungen . . 356
7.ii3 Geknickte Kennlinien. . . . 360
7.531 Amplitudenbegrenzung 360
7.532 Amplitudenunterdriickung. 362
7.633 Hystereseerscheinung. . . 363
8 Regelungsgrundsehaltungen und ihre Bemessung 366
8.1 Ermittlung der Regelkreiskonstanten 366
8.11 Die Maschinenkonstanten . . . . . . . 366
8.12 Die Verstarkungsfaktoren. . . . . . . 368
8.2 Gleichstromantriebe mit einfachem Regelkreis 370
8.21 Stellgliedkonstanten . . . . . . . . . 370
8.22 Optimiernng nach dem Phasenrandoptimum 371
R.221 Wirkschalthild des Regelkreises 371
8.222 Optimale Einstellung des Reglers 372
8.23 Optimierung nach dem Symmetrischen Optimum. 377
R.24 Lastverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . 378
8.241 Ermittiung des Lastverhaltens aus dem Fiihrungsverhalten 378
8.242 Lastverhalten bei Phasenrandoptimierung. . 379
8.243 Lastverhalten bei symmetrischer Optimierung 385
8.25 Regelverhalten hei Feldschwachung . . . . . 388
8.26 Motorfeldregelung bei Sammelschienenspeisung 397
8.27 Schwellwert-Strombegrenzung. . . . . . . . 400
8.28 Empirische Optimierung des Regelkreises . . . 402
8.3 Gleichstromantriebe mit unterlagertem Stromregelkreis 408
R.31 Dynamische Einstellung des Stromregelkreises . 408
8.311 Clrundschaltung . . . . . . . . 409
8.:312 Einstellung hei stehendem Motor. 414
8.:31:{ Einflu13 von Glattungsgliedern . . 416
8.:314 Verzogerung des Sollwertanstieges 421
8.315 Fehlanpassung. . . . . . . . . 422
8.32 Dynamische Einstellung des Drehzahlregelkteises 425
8.33 Lastverhalten . . . . . . . . . . 430
R.34 Bemessnng der Regler-Riickflihrung 433
R.35 Regelvcrhalten bei Feldschwachung 435
8.4 Stellantriebc. . . 437
9 Mehrmotoreuantriebe 441
9.1 Starr gekoppelte Antriehe 441
9.11 Aufgabenstellung 441
!U2 Mornentausgleich 441
9.2 Bandspei('her-gekoppelte Mehrmotorenantriebe . 443
9.21 G1eichlaufregelung liber Tanzerwalzen 443
9.22 Schlingenheherregelung hei Einzelspeisung 448