Elektrische Antriebe sind heute wichtige und bestimmende Komponenten vieler Maschinen und Anlagen. Dabei teilen sich die Antriebe in verschiedene Varianten auf. Zu einem hohen Prozentsatz (80%) sind es einfache Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen. Immer häufiger nehmen jedoch die anspruchsvolleren Antriebe zu, die in weiten Bereichen drehzahlvariabel arbeiten. Der Markt fordert kostengünstige, robuste und wartungsarme Lösungen. Dadurch wurde der bewährte Gleichstromantrieb bei Neukonstruktionen im betrachteten Leistungsbereich zu Gunsten des Drehstromantriebs weitgehend verdrängt.
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Asynchronmaschinen
1.1 Stand der Technik und Marktsituation
1.2 Wirkungsweise und Aufbau
1.2.1 Bauarten
1.2.1.1 Kurzschlussläufer
1.2.1.2 Schleifringläufer
1.2.2 Bauformen
1.2.3 Motorkonfigurationen
1.2.3.1 Bremsmotoren
1.2.3.2 Getriebemotoren
1.2.3.3 Umrichtermotoren
1.2.3.4 Asynchron-Servomotoren
1.2.4 Baugrößen (Achshöhe und Baulänge)
1.3 Motorkühlung und Motorschutz
1.3.1 Motorschutz
1.3.2 Schutzart
1.4 Betriebsverhalten und Kenngrößen
1.4.1 Drehzahl und Schlupf
1.4.2 Drehmoment
1.4.3 Leistung
1.4.4 Verluste und Wirkungsgrad
1.5 Herstellerneutrale Motortabelle
1.5.1 Normen
1.5.1.1 Normzahlen
1.5.1.2 Toleranzen
1.5.2 Herstellerneutrale Tabelle für Käfigläufer
1.5.2.1 Herstellertabellen
1.5.2.2 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle
1.5.2.3 Charakteristische Kennlinien
1.5.3 Herstellerneutrale Tabelle für Schleifringläufer
1.5.3.1 Alte Motortabelle aus der Vorlesung
1.5.3.2 Betriebsarten
1.5.3.3 Relative Einschaltdauer ED
1.5.3.4 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle
1.5.3.5 Charakteristische Kennlinien
1.6 Wachstumsgesetze
2 An- und Auslaufsteuerungen von Asynchronmaschinen
2.1 Zeitkonstanten bei Antrieben
2.1.2 Hochlaufzeitkonstante
2.1.3 Übergangsvorgänge
2.2 Anlaufverfahren - Konventioneller Betrieb (ohne Elektronik)
2.2.1 Stromverdrängungsläufer
2.2.2 Veränderung der Streuung
2.2.3 Direktschalten
2.3 Konventionelle elektrische Anlaufverfahren (Hochlauf)
2.3.1 Stern-Dreieck-Anlauf (Y-Δ)
2.3.2 Symmetrische Anlassvorwiderstände
2.3.3 Anlasstransformator
2.4 Sanftanlasser
2.4.1 Aufbau und Betriebsverhalten von Sanftanlaufgeräten
2.5 Schweranlauf mit Anlaufkupplung
2.6 Bremsschaltungen
2.6.1 Generatorbetrieb
2.6.2 Gegenstrombremsen
2.6.3 Gleichstrombremsen (DC-Bremsen)
2.7 Dimensionierung von Antriebsmaschinen
2.7.1 Stationäre Kennlinien von Antriebsmaschinen
2.7.2 Stationäre Kennlinien von Arbeitsmaschinen
2.7.2.1 Konstante Antriebsleistung
2.7.2.2 Konstantes Lastmoment
2.7.2.3 Linear ansteigendes Lastmoment
2.7.2.4 Quadratisch ansteigendes Lastmoment
2.7.3 Stabilität des Arbeitspunktes
3 Drehzahlvariable Asynchronmaschinen
3.1 Änderung der Polpaarzahl
3.1.1 Getrennte Wicklungen (p1 und p2)
3.1.2 Dahlanderschaltung (2:1)
3.1.3 Polamplitudenmodulation (PAM)
3.2 Vergrößerung des Schlupfes (Schlupfsteuerung)
3.3 Spannungsabsenkung bei Wechselstrombetrieb
3.4 Drehzahlvariabler Betrieb mit Leistungselektronik
3.4.1 Stromrichter und ihre Bauteile (Halbleiterschalter)
3.4.2 Betrieb am Drehstromsteller
3.4.2.1 Symmetrische Stellerschaltungen
3.4.2.2 Anlaufsteuerung
3.4.2.3 3 -Schaltung
3.4.2.4 Sanftanlauf mit 2-Strang-Geräten
3.4.2.5 Betrieb am Steller mit variabler Drehzahl
3.4.3 Betrieb am Frequenzumrichter
3.4.3.1 Betrieb variabler Speisefrequenz
3.4.3.2 Betriebsbereiche: Konstantfluss- und Feldschwächbereich
3.4.3.3 Spannungsstellbereich – Konstantflussbereich
3.4.3.4 Feldstellbereich – Feldschwächbereich
3.4.4 Steuer- und Regelverfahren sowie besondere Parameter
3.4.4.1 U/f-Kennliniensteuerung
3.4.4.2 Feldorientierte Regelung (FOR)
3.5 Bewegungssteuerungen und Synchronlauf (Motion Control)
3.5.1 Motion Control in der Automatisierung
3.5.2 Elektronische Lösungen
3.5.2.1 Gleichlauf
3.5.2.2 Elektronisches Getriebe
3.5.2.3 Tänzerregelung
3.5.2.4 Kurvenscheibe
3.5.3 Beispiele aus der Praxis
3.5.3.1 Abfüllanlagen
3.5.3.2 Zugregelung
3.5.3.3 Verpackungsmaschinen
3.5.3.4 Sortieranlagen
3.6 Dimensionierung drehzahlvariabler Asynchronmaschinen
3.6.1 Ermittlung der Auslegungsgrößen für Frequenzumrichter
3.6.2 Wahl des Frequenzumrichters
3.7 Demag Antriebsauslegungsprogramm Caldrive
3.7.1 Projektierungsdaten
3.7.2 Lastdaten
3.7.3 Rad und Fahrbahn
3.7.4 Besonderes
3.7.5 Datenbank
3.7.6 Auswahl-Rad
3.7.7 Auswahl Getriebemotor
4 Energieeffiziente Asynchronmaschinen
4.1 Motoren für die EU-Motorwirkungsgradklassen
4.2 Möglichkeiten der Energieeinsparung
4.2.1 Einzelverluste
4.2.2 Statorstromwärme
4.2.3 Rotorstromwärme
4.2.4 Energieeinsparung durch Drehzahlregelung
4.2.4.1 Stoffmengenregelung
4.3 Amortisationszeit
4.3.1 Software zur Ermittlung der Amortisierungszeit
4.4 Kriterien für den Einsatz von Energiesparmotoren
5 Zusammenfassung
6 Anhang
6.1 Formelzeichen
6.1.1 Indizes
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Diplomarbeit zielt darauf ab, den aktuellen Stand der Technik sowie die technologischen Herausforderungen und Lösungen für elektrische Antriebe im Maschinenbau zu analysieren, wobei der Fokus auf Energieeffizienz, Sanftanlauf-Verfahren und drehzahlvariablen Steuerungen unter Verwendung von Asynchronmaschinen liegt. Die Arbeit untersucht, wie moderne Antriebskonzepte, insbesondere unter Einbeziehung von Leistungselektronik, die Effizienz steigern und den Energieverbrauch in industriellen Anlagen senken können, um so eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Antriebsauslegung zu bieten.
- Grundlagen und konstruktive Auslegung von Drehstrom-Asynchronmaschinen.
- Analyse konventioneller und elektronischer An- und Auslaufsteuerungen (Sanftanlauf).
- Technologien zur Drehzahlregelung mittels Leistungselektronik (Frequenzumrichter/Steller).
- Methodiken zur Steigerung der Energieeffizienz und deren wirtschaftliche Amortisierung.
- Einsatz von Antriebsauslegungssoftware in der praktischen Konstruktionsarbeit.
Auszug aus dem Buch
1.1 Stand der Technik und Marktsituation
Elektrische Antriebe sind heute wichtige und bestimmende Komponenten vieler Maschinen und Anlagen. Dabei teilen sich die Antriebe in verschiedene Varianten auf. Zu einem hohen Prozentsatz (80%) sind es einfache Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen. Immer häufiger nehmen jedoch die anspruchsvolleren Antriebe zu, die in weiten Bereichen drehzahlvariabel arbeiten. Der Markt fordert kostengünstige, robuste und wartungsarme Lösungen. Dadurch wurde der bewährte Gleichstromantrieb bei Neukonstruktionen im betrachteten Leistungsbereich zu Gunsten des Drehstromantriebs weitgehend verdrängt. Dies zeigen die Prozentzahlen des Diagramms in Bild 1.1 sehr deutlich.
Betrachtet man die Verteilung der Stückzahlen auf die Leistungsklassen, die die statistische Erfassung des ZVEI vorgibt, so erkennt man, dass die großen Stückzahlen im Leistungsbereich von 750 W…7,5 kW liegen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Grundlagen der Asynchronmaschinen: Vermittelt die theoretischen Basiskenntnisse über Aufbau, Funktionsweise, Betriebseigenschaften und normgerechte Motordaten von Drehstrom-Asynchronmaschinen.
2 An- und Auslaufsteuerungen von Asynchronmaschinen: Behandelt die mechanischen und elektrischen Vorgänge beim Anlaufen und Abbremsen sowie verschiedene Verfahren wie Direktstart, Stern-Dreieck-Anlauf und den Einsatz von Sanftanlassern.
3 Drehzahlvariable Asynchronmaschinen: Erläutert Methoden zur Drehzahländerung, angefangen bei polumschaltbaren Motoren bis hin zum modernen, leistungselektronischen Betrieb mittels Frequenzumrichtern und Motion-Control-Systemen.
4 Energieeffiziente Asynchronmaschinen: Analysiert Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz, untersucht Verlustquellen und stellt wirtschaftliche Berechnungsmodelle zur Amortisierung von hocheffizienten Motoren vor.
5 Zusammenfassung: Fasst die Kernaussagen der Arbeit zusammen und bewertet die zukünftige Bedeutung effizienter Antriebslösungen in der industriellen Praxis.
6 Anhang: Listet die verwendeten Formelzeichen, Indizes und das zugrunde liegende Literaturverzeichnis auf.
Schlüsselwörter
Asynchronmaschine, Energieeffizienz, Drehzahlregelung, Sanftanlauf, Frequenzumrichter, Leistungselektronik, Antriebstechnik, Motordaten, Wirkungsgrad, Amortisation, Motion Control, Motorkühlung, Lastkennlinien, Drehstromantrieb, Synchronlauf.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das primäre Ziel dieser Diplomarbeit?
Ziel ist es, den Stand der Technik elektrischer Antriebe im Maschinenbau zu erfassen, insbesondere im Hinblick auf Asynchronmaschinen, um Lösungen für effiziente, sanfte und drehzahlvariable Antriebsprozesse aufzuzeigen.
Welche Typen von Motoren stehen im Fokus?
Der Fokus liegt primär auf Drehstrom-Asynchronmaschinen, da diese aufgrund ihrer Robustheit und Wirtschaftlichkeit das Standard-Zugpferd in industriellen Antriebsaufgaben darstellen.
Welche Anlaufverfahren werden unterschieden?
Unterschieden werden konventionelle Methoden wie Direkteinschalten, Stern-Dreieck-Anlauf oder Vorwiderstände sowie elektronische Lösungen wie Sanftanlasser und moderne Frequenzumrichter.
Was sind die zentralen Themen der Energieeffizienz-Analyse?
Die Arbeit untersucht Verlustarten im Motor, Materialoptimierungen (z. B. Kupferläufer), drehzahlgeregelte Prozessoptimierung und die betriebswirtschaftliche Rentabilität von Energiesparmotoren.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Die Arbeit basiert auf der Auswertung von Fachliteratur, Herstellerdaten, der Konstruktion herstellerneutraler Vergleichstabellen sowie der theoretischen Ableitung von physikalischen Zusammenhängen und Gesetzmäßigkeiten.
Welche Aspekte der Antriebsauslegung werden behandelt?
Behandelt werden die Ermittlung von Auslegungsgrößen, die Berücksichtigung von Lastkennlinien, Einflussparameter wie Aufstellhöhe oder Kühlung sowie der Einsatz von Auslegungsprogrammen.
Was unterscheidet den Sanftanlauf vom Frequenzumrichter?
Ein Sanftanlasser reduziert lediglich die Anlaufspannung bei fester Netzfrequenz, um Stoßbelastungen zu minimieren, während ein Frequenzumrichter eine vollumfängliche, verlustarme Drehzahl- und Drehmomentregelung ermöglicht.
Warum spielt die Baugröße bei der Antriebsauswahl eine Rolle?
Die Baugröße (Achshöhe) bestimmt maßgeblich das Gewicht, die thermische Belastbarkeit und die mechanische Integration in eine Maschine; sie ist eng verknüpft mit dem geforderten Drehmoment und der Kühlart.
Was ist das Konzept der "87-Hz-Technik"?
Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem durch eine Wicklungsumschaltung (Stern auf Dreieck) der Spannungsstellbereich eines Frequenzumrichters erweitert wird, um eine höhere Leistung bei konstanter Drehmomentabgabe zu erzielen.
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- Dipl.-Ing.(FH) Ayhan Uzun (Autor), 2008, Elektrische Antriebe im Maschinenbau, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186564
