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2021 | Buch

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Elektrische Antriebe – Grundlagen

Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben

verfasst von: Prof. Dr. Dierk Schröder, Prof. Dr. Ralph Kennel

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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

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Über dieses Buch

Dieses Werk bietet einen Einstieg in das Gebiet der elektrischen Antriebstechnik. Ausgehend von den mechanischen und elektromagnetischen Grundlagen, werden die Antriebskonzepte sowohl mit Gleichstrommaschinen als auch mit Asynchron- und Synchronmaschinen erläutert. Systemgleichungen, Signalflusspläne und Regelungsvarianten werden vorgestellt und diskutiert. Das Lehrbuch stellt abschließend Übungs- und Prüfungsaufgaben mit Lösungen zur Verfügung.

Die siebte Auflage enthält zusätzliche Kapitel zum Thema Reluktanz-Synchronmaschine, die wegen des äußerst einfachen und damit kostengünstigen Rotorkonzepts in Industrie- und Elektromobilitätsanwendungen eine immer größere Rolle spielen wird, sowie zum Thema „geberlose Regelung“, die im Hinblick auf die Kosten und die Zuverlässigkeit von elektrischen Antrieben ebenfalls wichtige Beiträge leistet.

Die von Prof. Dierk Schröder ins Leben gerufene Lehrbuchreihe umfasst neben dem Einführungstitel „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“.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 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, Ralph Kennel

Kapitel 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, Ralph Kennel

Kapitel 3. Gleichstrommaschine

Zusammenfassung

Die Gleichstrommaschinen haben die große Bedeutung als drehzahlvariabler Antrieb verloren. Es besteht daher die berechtigte Frage, ob es noch sinnvoll ist, die Regelungen dieses Antriebs in der Ausbildung zu benutzen. Die Antwort ist, es ist sinnvoll, denn durch die Trennung von Ankerkreis und Feldkreis können die Regelungen in exemplarischer Klarheit erläutert werden.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 4. Leistungselektronische Schaltungen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die leistungselektronischen Stellglieder für die Versorgung von Gleichstrom-Nebenschlussmaschinen GNM und von Drehfeldmaschinen – Asynchronmaschinen ASM und Synchronmaschinen SM - vorgestellt. Die Stellglieder sind notwendig, damit die elektrischen Maschinen in der Drehzahl und im Drehmoment steuerbar bzw. regelbar sind. Es muss u. a. entschieden werden, ob die elektrische Maschine wie heute üblich eine Drehfeldmaschine ist oder aufgrund spezieller Randbedingungen noch eine Gleichstrommaschine sein kann.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 5. Asynchronmaschinen

Zusammenfassung

Die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer ist inzwischen aufgrund des robusten Aufbaus die Standardmaschine für elektrische Antriebe. Da die Stellglieder mit den ein- und auszuschaltenden Leistungshalbleitern wie dem IGBT und die signalverarbeitende Elektronik ebenso verfügbar sind, sind in der Drehzahl und im Drehmoment geregelte Asynchronmaschinen ebenso der Standard.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 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, Ralph Kennel

Kapitel 7. Reluktanz-Synchronmaschine

Zusammenfassung

In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts wurde in vielen Anwendungsbereichen die Gleichstrom-Antriebstechnik mehr und mehr durch die damals so genannte „bürstenlose Antriebstechnik“ ersetzt. Zunächst standen sich hier die Asynchronmaschine und die Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung als Konkurrenten gegenüber. Gegen Ende des letzten Jahrhunderts sah es so aus, dass die Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung den Wettbewerb gewonnen hatte – vor allem in Anwendungen, in denen vom elektrischen Antrieb Servoeigenschaften erwartet werden.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 8. Geschaltete Reluktanzmaschinen

Zusammenfassung

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

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 9. 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, Ralph Kennel

Kapitel 10. 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, Ralph Kennel

Kapitel 11. Umrichterantriebe

Zusammenfassung

In Kapitel 5 wurde die Signalflusspläne für die Asynchronmaschine bei Statorfluss- und Rotorfluss-Orientierung entwickelt, es ergab sich.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 12. Regelungen von Drehfeldmaschinen

Zusammenfassung

Abbildung 12.1 zeigt die prinzipielle Struktur der Entkopplung, bei der der Fluß gesteuert und die Drehzahl geregelt wird. Im rechten Block von Abbildung 12.1 ist die Asynchronmaschine ASM und im linken Block das Entkopplungsnetzwerk EK angeordnet. Beide Blöcke verwenden den Gleichungssatz (5.92) bis (12.6).

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Kapitel 13. Physikalische Modellbildung der Gleichstrommaschine

Zusammenfassung

Die physikalische Modellbildung der Gleichstrommaschine gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil werden die drei grundlegenden physikalischen Prinzipien vorgestellt: das elektrostatische Feld und die Coulombkraft, das stationäre Magnetfeld und die Lorentz-Kraft sowie das dynamische Magnetfeld und die Induktionsspannung. Im zweiten Teil der physikalischen Modellbildung wird das Magnetfeld in verschiedenen Konfigurationen vorgestellt: das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Drahts und einer Zylinderspule, die magnetische Flussdichte, die Lorentzkraft, Hysterese, Weiss-sche Bezirke, Bündelung des Magnetfelds, Einfluss von Luftspalten, Wechselwirkungen, magnetischer Kreis, Grenzflächenkräfte wie Querdruck und Längszug und die Brechungsgesetze.

Dierk Schröder, Ralph Kennel

Backmatter

Titel: Elektrische Antriebe – Grundlagen
verfasst von: Prof. Dr. Dierk Schröder
Prof. Dr. Ralph Kennel
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-63101-0
Print ISBN: 978-3-662-63100-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-63101-0