Table Of ContentManfred 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)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1987
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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
