Mehr Energieeffizienz, besseres Maschinen-design. Warum noch länger warten?

Der hocheffiziente Synchronreluktanzmotor bildet den Kern zweier ABB-Antriebs-pakete, die neue Möglichkeiten in puncto Energieeffizienz und Design eröffnen.Der Synchronreluktanzmotor mit seiner innovativen Rotor-Technologie ermöglichtEnergieeinsparungen um mehr als 35 %. ABB bietet ihn zusammen mit einemFrequenzumrichter als IE4-Antriebspaket für höchste Energieeffizienz und als High-Output-Antriebspaket für hohe Leistungsdichte an. Beide bieten neue Chancenfür Ihr Maschinendesign, weil sie weniger Verlustwärme erzeugen, leichter undkompakter sind.Weitere Informationen über den ABB-Synchronreluktanzmotor finden Sie unterwww.abb.de/motors&drives

Prof. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch

AntriebspraxisEnergieeffiziente Antriebssystememit fester oder variabler Drehzahl

Vogel Business Media

Prof. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. Peter F. BroschJahrgang 1934. Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch absolviertenach demAbitur eine Lehre als Elektromechaniker undanschließend ein Studium im Bereich Elektrotechnik ander damaligen TH Hannover. Er promovierte 1967 beiProf. Dr.-Ing. Heinz Jordan. Danach war er geschäfts-führender Gesellschafter im Ingenieurbüro für Betriebs-und Fertigungsmittel, Hannover. Seit 1971 lehrt er ander Hochschule Hannover, Fakultät I Elektrotechnikund Informationstechnik, in den Bereichen ElektrischeMaschinen, Antriebe und Leistungselektronik. Prof.Dr.-Ing. Peter F. Brosch ist Ehrenprofessor an der Zheji-ang University of Sciences and Technology (ZUST),Hangzhou, und der Universität in Hefei in derVolksrepublik China. Er lehrte noch im SS 2016 an derHochschule Hannover und betreute Abschlussarbeiten.

HaftungsausschlussAutor und Verlag haben alle Texte in diesem Buch mitgroßer Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nichtausgeschlossen werden. Eine Haftung des Verlags oderdes Autors, gleich aus welchem Rechtsgrund, ist ausge-schlossen. Die im Buch wiedergegebenen Bezeich-nungen können Warenzeichen sein, deren Benutzungdurch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaberverletzten kann.

Weitere Informationen:www.vbm-fachbuch.de

Das Werk erschien vormals unter den Titeln:Moderne Stromrichterantriebe, 1. bis 5. AuflagePraxis der Drehstromantriebe, 1. Auflage

ISBN 978-3-8343-3400-8

E-Book ISBN 978-3-8343-6218-61. Auflage. 2017Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten.Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form(Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderenVerfahren) ohne schriftliche Genehmigung desVerlages reproduziert oder unter Verwendungelektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigtoder verbreitet werden. Hiervon sind die in §§ 53,54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefällenicht berührt.Printed in GermanyCopyright 1990 by Vogel Business Media GmbH & Co.KG, Würzburg

Vorwort

Motto: Praktische Tätigkeit ohneWissen ist blind und Wissen ohne praktische Tätigkeit lahm!

Industrie 4.0 mit der weitgehenden Vernetzung der industriellen Produktion im ganzen Wertschöp-fungsbereich verlangt eine Digitalisierung aller Prozesse. Hinter fast jeder Bewegung im Planungs-, Be-arbeitungs- und innerbetrieblichen Transportbereich steckt ein Elektroantrieb oder soll ein solcher ein-gebaut werden. Das führt zu weiter anhaltender Automatisierung und verstärkt zunehmender Mecha-tronik – quasi als Schlüsseltechnologie. Die Digitalisierung und Vernetzung erfordern eine ganzheitlicheSicht der Antriebstechnik, eingepasst in das ganze System. Genau das liefert dieses Buch, das eine Ge-samtschau der eingesetzten elektrischen Antriebe enthält. Das Starten, Drehzahlverstellen, Energiespa-ren und das vernetzte Arbeiten werden beschrieben. Das Buch erklärt sowohl die Arbeitsweise derKomponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Feldbusanbindung in be-triebliche und globale Netze.Auf dem Stand der Technik erfahren Studierende und Praktiker, die ihr Wissen auffrischen wollen,

alles über die Entwicklung der Antriebe mit einem engen Bezug zur industriellen Praxis. So ist das Buchauch als übersichtliches Nachschlagewerk von großemNutzen. Zusätzliche Informationen undAktuali-sierungen erhält man unter www.vbm-fachbuch.de mit dem Onlineservice InfoClick.Für die Antriebslösungen von Elektroantrieben wird hauptsächlich der Leistungsbereich von 100 W

bis 100 kW betrachtet, weil dieser mit großen Stückzahlen am Markt vorherrscht. Praxisnah verzahnenQuerverweise Abschnitte und Kapitel. Vertiefungen werden in besonders kenntlich gemachten Einrah-mungen behandelt. Fallbeispiele versorgen den Praktiker direkt mit wichtigen Daten. Internet- und In-serat-Adressen oder das Lieferantenverzeichnis des Verbandes Elektrischer Antriebe im ZVEI(«www.zvei.org/antriebe/lieferantenverzeichnis») ermöglichen einen tagesaktuellen Datenzugriff aufFirmendaten und firmeneigene Auslegungsprogramme.

Für Resonanz und Anregungen aus Nutzerkreisen bin ich immer dankbar. Den schnellsten Kontakt er-füllt eine E-Mail an: peter.brosch@hs-hannover.de.

Mein Dank gilt allen, die an diesem Buch mitgeholfen haben. Der Vogel Business Media danke ich be-sonders für die langjährige gute Zusammenarbeit.

Hannover, 2016 Peter F. Brosch

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Mechatronische Antriebslösungenmit DC-/EC-Kleinmotoren,

Kleingetriebemotoren und Pumpensind unsere Kernkompetenz.

Tief in die Systeme unserer Kundeneinzutauchen, ist unsere Stärke.

Immer wieder neue Antwortenauf ganz individuelleHerausforderungen zu finden,ist unsere Leidenschaft.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Stand der elektrischen Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Besondere Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 Qual der Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.5 Direkt und ohne Mechanik – «Mechatronik» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6 Dezentral installiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7 Gleichstrom- oder Drehstromlösung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.8 Kfz-(Hilfs-)Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.9 Lebensdauerkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 DasmoderneAntriebspaket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1 Bestimmungsgrößen bei der Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Mikrorechner sorgen für Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3 Vorteile der veränderbaren Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4 Antriebsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5 Drehzahlveränderbare Antriebe im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 AllgemeineGrundlagen der Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1 Grundsystem des Antriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Physikalische Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Antriebsmomente elektrischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4 Grundtypen der Lastkennlinien (Arbeitsmaschinen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5 Stabiler Betriebspunkt (Arbeitspunkt des Antriebs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6 Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.8 Zeitkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.9 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.10 Äquivalente Belastung (mittlere Belastung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.11 Mechanische Übergangsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.12 Energieumsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.13 Wachstumsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Controller-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.1 Versorgung am Netz oder über Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2 Ventile: elektronische Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3 Grundlagen der Halbleitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.4 Schutz von Halbleiterschaltern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.5 Signalelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.6 Ausfallraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5 ElektrischeMaschinen und Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2 Erzeugung einer kontinuierlichen Drehbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.3 Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.4 Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.5 Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.6 Lager und Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.7 Permanentmagnete in elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.7.1 Arbeitspunkt der Magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.8 Maschinenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.9 Lüfter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.10 Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.11 Wicklungen elektrischer Maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.11.1 Gleichstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.11.2 Entstehung des Drehmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.11.3 Drehfeldmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Inhaltsverzeichnis

8 Inhaltsverzeichnis

5.11.4 Wicklungen in derMaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.12 Polwicklung – verteilteWicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6 Antriebspraxismit Stromwendermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.1 Stromwendermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.1.1 Gleichstrommaschinen – fremderregt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.1.1.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.1.1.2 Betriebsverhalten der fremderregten Gleichstrommaschine (fGM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.1.1.3 Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.1.1.4 Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.1.5 Betrieb der Gleichstrommaschine an konstanter Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.1.6 Drehzahlvariabler Betrieb der PM- und fremderregten Gleichstrommaschine . . . . . . . . . . . 114

6.2 Drive Controller – Stromquellen für Maschinen mit Stromwendern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.2.1 Netzgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.2.1.1 Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.2.1.2 Schaltungen netzgeführter Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.2.1.3 Ausgangsspannung mit ungesteuerten Ventilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.2.1.4 Steuerung der Ausgangsspannung mit steuerbaren Ventilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286.2.1.5 Steuerkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296.2.1.6 Kommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306.2.1.7 Betriebskennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346.2.1.8 Arbeitspunkt des Antriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.2.1.9 Glättungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.2.1.10 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.2.1.11 Regelung des netzgeführten Stromrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1506.2.1.12 Betrieb in den 4 Quadranten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1576.2.1.13 4-Q-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1616.2.1.14 Umsteuervorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1626.2.1.15 Umkehrstromrichter mit Kreisstrom und Brückenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.2.1.16 Stromrichterbetrieb im Feldschwächbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.2.2 Selbstgeführte Stromrichter – Gleichstromsteller (Chopper) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.2.2.1 Tiefsetzsteller – IQ-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.2.2.2 1-Quadranten-Betrieb (Tiefsetzsteller) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.2.2.3 4-Quadranten-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.2.2.4 Umsetzung der Bremsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716.2.2.5 Regelung beim Steller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716.2.2.6 Netzrückwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.2.2.7 Übersetzungsverhältnis beim Gleichstrom-Tiefsetzsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

6.3 Universalmotor (AC und DC) – Reihenschlussmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1746.3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1746.3.2 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1756.3.3 Phasenanschnittsteuerung des Reihenschlussmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1786.3.4 Pulsbetrieb des Reihenschlussmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.4 Kleinmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

7 Antriebspraxismit Drehfeldmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1837.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

7.1.1 Entwicklung der AC-Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1847.1.1.1 AC-Bewegungsantriebe / Bearbeitungsantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1857.1.1.2 AC-Kompaktantriebe als dezentrale Antriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1867.1.1.3 AC-Positionierantriebe / Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1877.1.1.4 Drehende und lineare AC-Direktantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

7.2 Drehfeldmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1887.2.1 Aufbau der Drehstrommaschinen in der Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1887.2.2 Drehstrom-Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1897.2.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1897.2.2.2 Allgemeiner Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1907.2.2.3 50-Hz-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927.2.2.4 Betrieb mit besonderen Läuferarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1967.2.2.5 Betrieb am 50-Hz-Drehstromnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1997.2.2.6 Direktschalten (Direct on Line, DOL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.2.2.7 Konventionelle Anlaufverfahren (Hochlauf). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017.2.2.8 Bremsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Inhaltsverzeichnis 9

7.2.2.9 Drehzahlsteuerung von Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.2.2.10 Betrieb am 50-Hz-Wechselstromnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.2.2.11 Betrieb mit variabler Speisefrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.2.2.12 Asynchron-Servomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.2.2.13 Asynchron-Linearantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.2.3 Drehstrom-Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.2.3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.2.3.2 Betrieb mit variabler Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2227.2.3.3 Synchron-Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2237.2.4 Bürstenlose Gleichstrommaschinen – Elektronisch kommutierte Maschine (EKM,AC-Servo). 2237.2.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2237.2.4.2 Betrieb mit variabler Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.4.3 EK-Servomaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.4.4 EK-Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.5 Reluktanzmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.5.1 Aufbau und Betrieb mit 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.5.2 Synchron-Reluktanzmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.2.6 Linear-Aktoren und Linear-Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2307.2.6.1 Piezo-Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2317.2.6.2 Elastomer-Aktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2317.2.6.3 Linearantrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327.2.7 Transversalflussmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2337.2.8 Geschaltete Reluktanzmaschine (gRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2347.2.8.1 Aufbau und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2347.2.8.2 Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2357.2.9 Schrittmotoren – reiner Positionierantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2357.2.9.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2357.2.9.2 Positionierbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

7.3 Umrichter mit U- und I-Zwischenkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2377.3.1 Übersicht: Maschinen und Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2377.3.2 Elektronische Drehspannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2377.3.2.1 Umrichterarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2377.3.2.2 Aufbau der Zwischenkreisumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2397.3.3 Umrichter mit Spannungszwischenkreis (U-Umrichter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.3.3.1 Wechselspannungs-Wechselrichter (1-phasig) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.3.3.2 Drehspannungserzeugung (Sinus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2427.3.3.3 Drehspannungen (Block) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2427.3.3.4 Spannungsraumzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2467.3.3.5 Drehfeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.3.3.6 Realisierung der U/f-Kennlinie beim U-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.3.4 Umrichter mit Stromzwischenkreis (I-Umrichter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.3.4.1 Drehfelderzeugung beim I-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2507.3.4.2 Strompulsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2527.3.4.3 U/f-Kennlinie beim I-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2547.3.4.4 Vorteile der «Sinus»-Pulsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.3.5 Modulationsverfahren bei U-Umrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.3.5.1 Allgemeines Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.3.5.2 Anforderungen an die Ventilsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2557.3.5.3 Blockbetrieb-Grundfrequenztaktung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2567.3.5.4 Unterschwingungsverfahren (PWM, Sinus-Δ-Modulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2577.3.5.5 Verwandte Modulationsverfahren (Voltage-Vector-Control, Überlagerungsverfahren) . . . 2607.3.5.6 Pulserzeugung in der Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2617.3.5.7 Raum-Zeiger-Modulation (RZM, SZM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2637.3.5.8 Hysterese-Strom-Modulation (HSM, Pulsen mit Stromvorgabe, Toleranzbandregelung) . 2697.3.5.9 Steuerbausteine und Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.3.6 Steuerteil und Software der Umrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2697.3.6.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2727.3.6.2 Schnittstellen, Parameter und Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2737.3.6.3 Wichtige Parameter und ihre Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2747.3.7 Drehzahl- und Drehmomentregelung (Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.3.7.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2817.3.7.2 U/f-Kennliniensteuerung bzw. Frequenzregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.3.7.3 Mehrmaschinenantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

10 Inhaltsverzeichnis

7.3.7.4 Entwicklung der Drehmomentregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2827.3.7.5 Feldorientierte Regelung (FOR, «Vektor»-Regelung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2837.3.7.6 Direkte Drehmomentregelung – Direct Torque Control (DTC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2897.3.7.7 FOR-Regelung beim I-Umrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2957.3.7.8 Gegenüberstellung der Regelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

7.4 Sonderfragen bei Umrichterantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2987.4.1 Erwärmung bei Umrichterbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2987.4.2 Netzrückwirkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2997.4.2.1 Allgemeiner Vergleich der Stromrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2997.4.2.2 U-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2997.4.2.3 I-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3097.4.3 Bremsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3097.4.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3097.4.3.2 U-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3107.4.3.3 I-Umrichter – nur Nutzbremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3157.4.4 Pendelmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3177.4.5 Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3187.4.6 Vergleich U-Umrichter gegen I-Umrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

7.5 Besonderer Betrieb von Umrichterantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5.1 IE/IES-Effizienzklassen – Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5.1.1 Effizienzklassen von Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5.1.2 Effizienzklassen von Controllern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5.1.3 Effizienzklassen von Antriebssystemen (Motorsysteme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5.2 Antriebsüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3257.5.2.1 Sonolyzer – einfache Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3257.5.2.2 Intelligente Zustandsüberwachung mit Sensor-Tag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3267.5.3 Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3267.5.4 Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3287.5.5 Asynchron-Servomaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

7.6 Umrichter und elektronisch kommutierte Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3307.6.1 Entwicklung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3307.6.2 Arbeitsweise der EK-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3317.6.2.1 Blockstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3317.6.2.2 Arbeitsweise Sinus-Bestromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3337.6.2.3 Vergleich: Blockbetrieb und Sinus-Bestromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3377.6.3 Gebersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3377.6.4 Stromrichtereinheit und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

7.7 Umrichter und «geschaltete Reluktanzmaschine» (gRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3417.8 Umrichter und Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

7.8.1 Piezo-Aktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3437.8.2 Elastomer-Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3447.8.3 Tauchspulaktor (DC-Aktor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3457.8.4 Linear-Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3467.8.4.1 Motortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3477.8.4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3497.8.5 Solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3497.8.6 Linearantriebe – Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

7.9 Controller (Drehstromsteller) und Drehstrom-Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3517.9.1 Arbeitsweise und Einsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3517.9.2 Steller als Sanftanlaufgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3527.9.3 Steller als Sanftauslaufgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.9.4 Elektronische KUSA-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.9.5 Betrieb mit variabler Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.9.5.1 Gesteuerter Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.9.6 Grenzen des Betriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3577.9.7 Verluste bei Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3587.9.8 Argumente für den Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3587.9.9 Energiesparfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3587.9.10 Drehstromsteller mit Unterschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

7.10 Drehzahlstarter (Eaton). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3597.10.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3597.10.2 Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3597.10.3 Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3617.10.4 Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Inhaltsverzeichnis 11

7.11 Stromrichterantriebe mit Schleifringläufern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3617.11.1 Stromrichterkaskade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.11.1.1 Untersynchroner Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.11.1.2 Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.11.1.3 Übersynchroner Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.11.2 Doppeltgespeister Schleifringläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

7.12 Controller und Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3647.12.1 Positionieren mit Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3647.12.2 Betrieb und Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3657.12.2.1 Blockbestromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3657.12.2.2 Sinusbestromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3677.12.2.3 Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3717.12.2.4 Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

7.13 Besondere AC-Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3747.13.1 Getriebemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3747.13.2 Integral- und Kompaktantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

7.14 Stromrichter-AC-Direktantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.14.1 Maschine und Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.14.2 Elektroniksteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.14.3 Direkte Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.14.3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3767.14.3.2 Typische Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3777.14.4 Direkte Drehantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3787.14.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3787.14.4.2 Typische Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

7.15 Antriebe im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3807.15.1 Bewegungsantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3807.15.2 Servoantriebe – Positionierantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3827.15.3 Dezentrale Antriebe (Module) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3897.15.3.1 Dezentrale Intelligenz (Submodule) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3897.15.3.2 Subsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

7.16 Motion Control und Mechatronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3907.16.1 Motion-Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

8 Digitalisierung undAntriebsvernetzung, Industrie 4.0, dezentraleModule und Sicherheitsfunktionen . 4018.1 Digitalisierung und Industrie 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

8.1.1 Digitalisierung und Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4018.1.2 Bussystem-Nutzergruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4078.1.3 Vorteile der Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

8.2 Dezentrale Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.3 Sicherheitsfunktionen elektrischerAntriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4098.4 Antriebsintegrierte Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

9 Auswahl und Bemessung festdrehzahl- und drehzahlvariabler Stromrichter-Antriebe . . . . . . . . . . . . . . 4159.1 Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4159.2 Netzdrosseln, Netztransformatoren und Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

9.2.1 Drosseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4189.2.2 Netztransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4199.2.3 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

9.3 Checklisten zur Festlegung derAntriebsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4199.3.1 Netzgeführter Stromrichter und Gleichstrommaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4199.3.2 U-Umrichter und Drehstrom-Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4199.3.3 Positionierantriebe –Motion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

9.4 Maschinendaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4229.5 Fallbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

9.5.1 Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4229.5.2 Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4259.5.3 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4289.5.4 Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4309.5.5 EK-Motor (Positionierantrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4369.5.6 Schrittmotor (Positionierantrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

9.6 Klemmkennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4419.7 Normen und Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4419.8 Auslegungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

12 Inhaltsverzeichnis

10 Messungen an Antrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44510.1 Messungen allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

10.1.1 Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44510.1.2 Aliasing-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44610.1.3 Geräteanzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

10.2 ElektrischeMessungen amAntrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44810.2.1 Netzgeführte Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44810.2.2 Umrichter und Drehstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44810.2.2.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44810.2.2.2 Messungen amUmrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

10.3 MechanischeMessungen amAntrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45410.3.1 Drehzahl und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45410.3.2 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45510.3.2.1 Lagerschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45510.3.2.2 Lagerströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45710.3.3 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46110.3.4 Erwärmungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46110.3.4.1 Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46110.3.4.2 Infrarot-Thermografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

10.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

11 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46511.1 Gesetz zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46511.2 Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46511.3 Ursache undAusbreitung der Störungen bei Frequenzumrichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46611.4 Störfestigkeit und Entstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

11.4.1 Leitungsgebundene Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46711.4.2 Nicht leitungsgebundene Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

11.5 Neubeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.6 Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.7 Anschlusshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

Formelzeichen (Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

Abkürzungen und Begriffe (Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

1 Einleitung

1.1 Stand der elektrischen Antriebs-technik

Mit einem geschätzten Weltmarktpotential vonca. 13 Mrd. € haben drehzahlveränderbare An-triebe ein erhebliches Wirtschaftsvolumen. Allediese Antriebe sind «Stromrichterantriebe», wennman vom verschwindend kleinen Anteil mecha-nischer Verstellantriebe absieht. Stromrichteran-triebe sind ein anhaltend innovatives Produktge-biet mit jährlich durchschnittlichen Wachstumsra-ten von über 5%. Viele Komponenten der Pro-dukte sind noch keine 3 Jahre alt.Heute arbeiten erst 12% der Industrieantriebe

in Deutschland drehzahlvariabel. Bei Neuinstalla-tionen sind es ca. 25%. Sinnvoll wäre ein Anteilaus energetischen Gründen eher bei 50% allerAntriebe (ZVEI; Tabelle 1.1).Waren vor ca. 20 Jahren noch rund 80% der

drehzahlveränderbaren Antriebe in Gleichstrom-technik (DC) ausgeführt, so gab es seither einenenormen Strukturwandel, der die Situation heutemehr als umgekehrt hat. Drehstromantriebe(AC) liegen besonders bei Leistungen von0,75100 kW weit vorne, da die Fortschritte beiden Bauelementen der Leistungselektronik be-sonders bei der Hardware die Senkung der Ko-sten und Abmessungen ermöglicht haben (Bild1.1 und Tabelle 1.2) [1.1 bis 1.5, 1.8]. Durch denEinsatz von Intelligenten Power Modulen (IPM)weitet sich der Bereich besonders in Richtungkleiner Leistungen zunehmend aus.Der Absatz von AC- und DC-Motoren ist

in den letzten Jahren nahezu stabil geblieben.Immer schnellere Mikrorechner revolutio-

nierten die Steuer- und Regelungstechnik. Diegroßen analogen Baugruppen wurden durchkleine Mikrorechnerplatinen ersetzt. Auf engstemRaum werden in den digitalen Geräten komplexeFunktionalitäten realisiert. Die Software ersetztvoluminöse Analogtechnik und ermöglicht dieschnelle Drehmomentregelung bei Asynchronma-schinen, die heute den Grundstock dieser Ent-wicklung bildet. Selbsttests, Inbetriebnahmehil-fen, Regleroptimierung und schnelle elektro-nische Synchronisation von Wellen sind weitge-hend zu einem hohen Standard in der digitalenAntriebstechnik geworden.

a)

b)

c)

Bild 1.1 Entwicklungen der Antriebstechnik in derBundesrepublik Deutschland (ZVEI) – Entwicklung derProduktionswerte für elektrische Maschinen und Strom-richter Verteilung der Antriebe auf die Leistung

14 Einleitung

All diese Entwicklungen ermöglichen den de-zentralen intelligenten Antrieb in modularerTechnik, der wiederum dem Maschinenbau dieentscheidenden Kostenvorteile verschafft. Die Di-gitaltechnik brachte die digitalen Schnittstellen,die eine Datenvernetzung der Antriebseinheitenermöglichte. Zur dezentralen Verteilung der Ener-gieumsetzung in den Modulen kommt nun folge-richtig die dezentrale Installation. Die Antriebesitzen in der Anlage genau dort, wo sie mecha-nisch gebraucht werden und werden dort «vorOrt» mit Energie und Daten versorgt. Die steu-ernde SPS wandert in den dezentralen Antriebund macht den zentralen Schaltschrank z.T. über-flüssig.Steckerverbindungen an den Geräten und Mo-

toren ermöglichen den schnellen Austausch derAggregate im Fehlerfall, ohne dass das Personal«elektrisch» geschult sein muss.Die 80er-Jahre waren durch eine stark zuneh-

mende industrielle Automatisierung gekenn-zeichnet, die auch nicht vor dem PkwHalt machte– einem Markt mit sehr großen Stückzahlen undhohen Anforderungen. Dies setzte sich auch in

den 90er-Jahren – wenngleich gebremst durch dieKonjunkturkrise und verschärft durch den not-wendigen Strukturwandel in der Industrie – wei-ter fort. Heute sind dezentrale Module gefragt. Sobeobachtet man in den letzten Jahren eine ständigweiter wachsende Nachfrage nach reaktions-schnellen, wartungsarmen und möglichst kleinenAntriebssystemen in hoher Schutzart. Pneumatik,Hydraulik und Elektroantriebe stehen hier in ei-ner gewissen Konkurrenz; wegen der einfacherenSteuerung und Regelung weitet sich der Bereichder Elektroantriebe – besonders der drehzahlver-änderbaren – jedoch laufend aus.Der wichtigste Trend der letzten Jahre war der

Systemgedanke, der heute durch den Begriff «Me-chatronik» gekennzeichnet wird. Nicht einzelneKomponenten stehen im Vordergrund, sondern daselektromechanische System «Elektrischer Antrieb –Motion Control» ergänzt durch den entsprechenden«Software»-Überbau. Die mechanischen Kompo-nenten müssen in ein System eingebunden werden;dies ist auch der verbindende Grundgedanke desBuches. Elektrische Maschinen, Leistungselektronikund Software stehen nicht berührungslos nebenei-

Tabelle 1.1 Energieumsatz [Quelle: Siemens, 2015]

30% 70% 80%

In Deutschland benötigt die Industriefast 30% der End-Energie ...

... davon entfallen ca. 70% des Strom-bedarfs auf elektrisch angetriebene Sys-teme.

Die Energiekosten betragen mind. 80%der Lebenszyklus-Kosten eines elektri-schen Antriebs

Tabelle 1.2 Verteilung der Gesamtstückzahl auf die Leistung [Quelle: Gontermann, KSB]

Stand der elektrischen Antriebstechnik 15

nander, sondern sind eng verwoben. Die Grenzender Disziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Soft-ware sind aufgehoben. Die neuen Kompaktantriebe–Umrichter,Maschine undGetriebe als Einheit – so-wie Motion Control bestätigen diesen Trend. Ersetzt sich mit dem dezentralen, aber vernetzten An-triebsmodul in derAnlage weiter fort.Elektrische drehzahlveränderbare Antriebe

sind ein wichtiger und bestimmender Bestandteilvieler Maschinen geworden. Ihr Verhalten beein-flusst in starkem Maße die Qualität und die Kos-ten der erzeugten Produkte im weitesten Sinn!Die gewünschten Anpassungen der Antriebe andie optimalen Produktionsbedingungen erfor-dern immer mehr dezentrale drehzahlveränder-bare Antriebslösungen.

Die rein mechanischen Verstellmöglichkeiten derDrehzahl über Getriebe und die stufigen Verfahren,wie z.B. die Polumschaltung bei Asynchronmaschi-nen, werden in Zukunft sicher ihre Marktnischenbehalten, aber an Bedeutung weiter verlieren. Fern-ziel ist sicher, möglichst alle infrage kommenden ca.50% der Antriebe drehzahlvariabel arbeiten zu las-sen – allein schon, um Energie einzusparen und dieLebensdauerkosten zu senken. Zur Art der dreh-zahlvariablenAntriebe und zu ihrem Einsatz in denverschiedenen Industriezweigen gibt Bild 1.2 Hin-weise. DieWünsche der Nutzer derAntriebe sind:

maßgeschneiderte, innovativeAntriebslösungen, Antriebskonzepte, die sich schnell und effizi-ent erweitern und modifizieren lassen,

Papier und Druckmaschinen

Anteil in Prozent

19

16

13

12

9

7

5

6

13

Bereich

Lebensmittelindustrie

Anlagenbau

Handhabung und Montage

Kunststoffverarbeitung

Energietechnik

Werkzeugmaschinen

Metallindustrie

Andere

Bild 1.2Einsatz von drehzahlveränderbaren Antriebenin der Industriea) Kenngrößen der Bereicheb) Einsatzfelder

a)

b)

16 Einleitung

Antriebskonzepte, die flexibel und wirtschaft-lich auf Anforderungen eingehen,

Senkung der Engineeringkosten, Verkürzung der Projektlaufzeiten und Senkung der Lebensdauerkosten.

1.2 Besondere Eigenschaften

Elektrische Antriebe haben besondere Eigenschaf-ten, die mit zum verbreiteten Einsatz führten. Siesollen kurz genannt werden:

einfache Energiezufuhr über (biegbare) Lei-tungen «aus der Steckdose» oder Batterie,

hohe Verfügbarkeit und sofort einsatzbereit, leichte Bedienbarkeit und umweltschonenderBetrieb,

geringe Leerlaufverluste und hoher Wirkungs-grad,

kleine Abmessungen mit guten Anbaumög-lichkeiten,

lageunempfindliche Aufstellung, einfache Anpassung an den geforderten Dreh-zahl- und Drehmomentverlauf,

großer Drehzahlbereich, verbunden mitgroßem Stellbereich,

Drehzahl 0 ist möglich (Stillstandsbelastung), gute Regelbarkeit, hohe, kurzzeitige Überlastbarkeit, Nutzbremsung (Energierückspeisung) ist mög-lich,

geräusch- und erschütterungsarmer Lauf, einfache, messtechnische Erfassung der Be-triebszustände.

1.3 Qual der Auswahl

In den letzten Jahren gab es eine schnelle Weiter-entwicklung bei elektronischen Bauteilen, z.B. beiden verschiedenen hochsperrenden, modernenHalbleiterschaltern und beim Einsatz der Mikro-prozessoren und Signalprozessoren. Diese Fort-schritte auf dem Gebiet der Leistungs- und Infor-mationselektronik sowie der verstärkte Trendzum an die Antriebsaufgabe optimal angepasstenEinzelantrieb (Modul) bestimmen das Bild in fastallen Industriezweigen, im Handwerk und imHaushalt. Im vorliegenden Buch wird die verwir-rende Vielfalt am Markt bei (drehzahlveränder-baren) Antrieben (Bild 1.3):

Bild 1.3 Vielfalt der drehzahlveränderbaren Antriebemit Stromrichtern im Leistungsbereich bis ca. 100 kW

Komponenten 17

Gleich-, Wechselstrom- und Drehstrommaschi-nen,

netzgeführten und selbstgeführten Stromrich-tern,

1- oder Mehrquadrantenantrieben, 2- oder 6-pulsigen Stromrichtern antiparallel Umrichter mit Spannungs- oder Stromzwi-schenkreis sowie

Gleichstrom- und Drehstromsteller usw.

mit System durchleuchtet, wobei zur besserenÜbersicht lediglich der Leistungsbereich von eini-gen 10 Watt bis zu rund 100 kW Wellenleistungnäher betrachtet wird. Im darunterliegendenniedrigeren Leistungsbereich und bei Leistun-gen über dem genannten Bereich überwiegenspezielle Auslegungen und Konstruktionen, dienicht mehr allgemein beschrieben und erfasstwerden können. In Sonderfällen werden jedochauch die im Kontext relevanten Aspekte außer-halb des abgegrenzten Leistungsbereiches auf-gegriffen.

1.4 Komponenten

Elektrische drehzahlveränderbare Antriebe be-stehen aus 3 Hauptkomponenten:

dem Stromrichter als elektronischem Stellglied, der elektrischen Maschine als elektromecha-nischem Energiewandler und

der mechanisch angekoppelten Arbeitsmaschine,dem «Verbraucher» der mechanischen Energie(Prozess), wie Bild 1.4 zeigt.

Während lange Zeit der netzgeführte Stromrichterzusammen mit der fremderregten Gleichstrom-maschine – mit Nebenschlussverhalten (fGNM) –das Feld beherrschte, wird diese Lösung heutevermehrt durch umrichtergespeiste Drehfeldma-schinen – asynchroner (DAM) oder synchroner(SYM) Bauart – substituiert. Ziel der Bemühungender letzten Jahre war es, die wartungsarme Dreh-feldmaschine anstelle der stromwenderbehaftetenGleichstrommaschine einzusetzen. Erst die bereitserwähnten neueren Halbleiterentwicklungen er-möglichten den Ersatz der aufwendigen Thyri-storumrichter durch kompakte Umrichter mitIGTB-Halbleitern bis etwa 10 MW, wobei dieobere Grenze fließend ist. Der Einsatz von Mikro-prozessoren mit komplexen Regelalgorithmenkann dem Drehstromantrieb heute die gleichenEigenschaften verleihen, die bisher nur denGleichstromantrieb auszeichneten.Die neu entwickelten Kompaktantriebe mit

Umrichter und Maschine als Einheit stellen einenweiteren Meilenstein dar. Bild 1.5 zeigt als Bei-spiel eine kleine Maschine mit integrierter Elek-tronik. Leistungsteil, Steuerteil und die elektro-nisch kommutierte Maschine (EK) mit nachge-schaltetem Getriebe sind als Einheit entwickelt.Wegweisendes Beispiel dafür, dass die heutigeEntwicklungsrichtung zu kompakten und kom-plexen Antriebslösungen führt. Bereits hier seivermerkt, dass die endgültige Entscheidung überden Einsatz einzelner Antriebsvarianten, wegender unterschiedlichen Wichtung der mannigfal-tigen Auswahlkriterien, vom Planer und/oder Be-treiber selbst zu fällen ist [1.6, 1.7].

Bild 1.4Gesamtsystem eines An-triebs mit den einzelnenKomponenten

18 Einleitung

1.5 Direkt und ohne Mechanik –«Mechatronik»

Elektrische Direkt-Linearantriebe und direktwir-kende Drehantriebe finden als Positionieran-triebe im Werkzeugmaschinenbereich oder derHandhabungstechnik zunehmendes Interesse.Sie werden meist als Drehstrommaschinen aus-geführt. Bild 1.6 zeigt einen direktwirkendenDrehantrieb aus dem Hebezeugbereich und ei-nen direktwirkenden Linearantrieb. Ziel der Ent-wicklung ist es, die Mechanik, z.B. bei Textil-oder Druckmaschinen, möglichst zu reduzieren.Diese Entwicklung zeigt Bild 1.7 im Antriebs-schema. Modular aufgebaute Maschinen wurdenbisher mechanisch über Königswellen gekoppelt.Flexibler lässt sich das über schnelle System-busse erreichen, wenn man damit Antriebsmo-dule koppelt und synchronisiert. So wird diestarre Mechanik konstruktiv aufgelöst und durchElektronik ersetzt. Die Mechatronik hält Einzugin die Anlagen.

1.6 Dezentral installiert

Statt des Hauptantriebs mit mechanischer Ener-gieübertragung über Getriebe und Königswelle,sind die dezentralen modularen Antriebe im Ein-

Bild 1.5 Kompaktantrieb; elektronisch kommutierteMaschine mit Getriebe [Quelle: Nekar-Mot.]

Bild 1.7 Kopplung von Antriebena) Königswelle zur mechanischen Verteilungb) Systembus zur elektronischen Synchronisation derAntriebsmodule im mechatronischen System

a)

b)

Bild 1.6 Direktantriebea) Anpassung über Getriebe und Direktantrieb mit Son-dermotor

b) Anpassung über Getriebe und Transportband sowieLinearmotor

b)

a)

Gleichstrom- oder Drehstromlösung? 19

satz, die ihre Daten über Bussysteme austauschen.Folgerichtig benötigen diese Antriebe auch einedezentrale Installation. Dabei werden Energie-und Datenleitungen an die Maschine geführt undan Knoten bei «Bedarf» angezapft, wie in Bild 1.8dargestellt ist. So ein Knoten kann auch kompletteStromrichter enthalten.Bild 1.9 zeigt ein typisches Beispiel verteilter

dezentraler Antriebe an einem Fördersystem.

1.7 Gleichstrom- oderDrehstromlösung?

Die Frage, ob Gleichstrom oder Drehstromlösung,steht bei den Betrachtungen nicht mehr verbissenim Vordergrund, denn jede Variante hat ihre be-sonderen Eigenschaften, die der Anwender tech-nisch und wirtschaftlich optimal nutzen sollte. Sokonkurrieren die Lösungen teilweise miteinanderoder ergänzen sich bei anderen Aufgaben. DerTrend bei Industrieantrieben – besonders in derAutomatisierungstechnik und im Werkzeugma-

Bild 1.8 Dezentrale Installation mit Geräteträger. DieLeitungen werden «gepierst». [Quelle: Wieland]

Bild 1.9 Dezentrale Antriebe mit dezentraler Installation für Bussystem und Energieleitung (SEW)

20 Einleitung

schinenbereich – geht allerdings eindeutig zumdrehzahlvariablen Drehstromantrieb mit Fre-quenzumrichter.Bei Kleinantrieben (P < 500 W) sieht die Vertei-

lung anders aus. Besonders in der Kraftfahrzeug-technik werden noch immer große Stückzahlenvon Gleichstromantrieben eingesetzt, die immeröfter auch über Stromrichter gesteuert oder gere-gelt betrieben werden. Bei den Maschinen spieltder Verschleiß an Bürste und Stromwender kaumeine Rolle, da die Lebensbetriebszeiten in der Pra-xis sehr gering sind (oft unter 60 h).

1.8 Kfz-(Hilfs-)Antriebe

Hybridantriebe sind zz. beim Pkw hoch aktuell,wenngleich sie langfristig in der Prognose nur ei-nen geringen Prozentanteil (<2%) ausmachen wer-den. Asynchron- und Synchronmaschinen werdenaus der 300-V-Batterie über Frequenzumrichter mit3- oder 6-phasigem Drehstrom gespeist.Besonders Hilfsantriebe mit hohen Betriebs-

stundenzahlen, z.B. Lenkhilfsantriebe, werden alsUmrichterantriebe gebaut und in Großserie einge-setzt. Bild 1.10 zeigt Hilfsantriebe.

Bild 1.10 Pkw-Hilfsantriebe [Quelle:Bosch]a) DAM-Lenkantrieb undb) Steuergerät mit Leistungsteil(Ströme bis 140 A): Die um das Leis-tungsteil angeordneten3 Leistungsplatinen sind gut zu er-kennen.

c) Scheibenwischer-Kompakteinheit

a)

b)

c)

Lebensdauerkosten 21

1.9 Lebensdauerkosten

Die steigenden Energiepreise rücken die Lebens-dauerkosten – Life-Cycle-Costs – immer stärkerins Blickfeld. Beim Betrieb einer Anlage fallen dieInvestitionen im Vergleich zu den Energiekostenbei elektrischen Antrieben immer weniger ins Ge-wicht. Hochwirkungsgradmotoren können dieBetriebskosten erheblich senken, auch wenn zu-nächst die Beschaffungskosten 10…20% höherausfallen.Bild 1.11 zeigt die grob aufgeschlüsselten Le-

bensdauerkosten für 3 Motoren mit unterschied-lichen Leistungen im betrachteten Bereich. DasDiagramm zeigt, dass der Kaufpreis und die In-stallation sowie die Wartung eine untergeordneteRolle gegenüber den Energiekosten spielen.

Bild 1.11 Lebensdauerkosten für 3 Motoren mit unter-schiedlichen Leistungen und Betriebszeiten

Bild 1.12Die drei Aspekte von Industrie 4.0[Quelle: ZVEI]

Industrie 4.0 [1.9]In der Industrie verändert die voranschreitendeDigitalisierung und Vernetzung der Produktiondie Wertschöpfungsketten – diesen Wandel be-zeichnen wir als Industrie 4.0. Der Begriff «Indus-trie 4.0» steht für das Zusammenspiel von dreiFaktoren:

zum einen geht es um die Digitalisierung undIntegration von Wertschöpfungsketten hin zuWertschöpfungsnetzwerken in der Industrie,

zum zweiten um die Digitalisierung des Pro-dukt- und Serviceangebots und

zum dritten um neue Geschäftsmodelle.

Dabei entstehen neue Angebote im Internet derDinge, Dienste und Menschen. Bild 1.12 fasst diesedrei Aspekte von Industrie 4.0 zusammen.Durch die Digitalisierung und Integration der

Wertschöpfungsketten sind Daten aus unter-schiedlichen Phasen des Produktlebenszyklus un-ternehmensübergreifend verfügbar – und dasvom Angebotsprozess über die Fertigung bis hinzum Service vor Ort. Alle Unternehmen im Wert-schöpfungsnetzwerk können so jederzeit auf diefür sie relevanten Daten zugreifen. So erhalten dieKonstrukteure der Hersteller beispielsweise diefür sie entscheidenden Daten der Komponenten-lieferanten und der Besteller bindet die digitalenKonstruktionsdaten der Lieferanten bereits vorabin das Design ihrer Fabrikhallen ein. Das führt zueinem Effektivitätsgewinn, von dem alle Beteilig-ten profitieren. Dafür müssen Informationen überProdukte und Dienstleistungen allerdings digitalvorliegen.Unter der Digitalisierung des Produkt- und

Serviceangebots versteht man daher die vollstän-dige virtuelle Beschreibung von Dienstleistungenund Produkten.

22 Einleitung

Die durchgängige Digitalisierung ermöglichtaber auch völlig neue, digitale Geschäftsmodelle.Auf Basis von Daten, die zum Beispiel in einer

Cloud (von SAP oder Microsoft) liegen, entstehenDienste und Angebote, die dem Anwender ent-scheidende Vorteile bringen: Dazu gehört bei-spielsweise die effizientere und vorausschauendeWartung von Anlagen. Entsprechende Prognosenerwarten [1.10]:

Wartungskosten minus 10 bis 40%, Ausfallzeiten der Maschinen minus 30 bis 50%, Kosten für Lagerung minus 20 bis 50%, Kosten für Qualitätsmaßnahmen minus 10 bis20%.

Somit sind erhebliche Einsparungen im Mittel zuerwarten.

2 Das moderne Antriebspaket

2.1 Bestimmungsgrößen bei der Aus-wahl

Bild 2.1 gibt einen Überblick über Bestimmungs-größen bei der Auswahl eines Antriebs. Bei dertechnischen Klärung und der Entscheidungsfin-dung zur Beschaffung sollten bereits 3 große Kos-tenblöcke ausgewogen berücksichtigt werden:

Errichtungskosten (Investitionen), Betriebskosten – Lebensdauerkosten – und Umweltschutz.

Große Kapazitäten bei Halbleiter- und Maschi-nenherstellern und der Kampf um Marktanteileführen zu verstärktem Kostendruck auf die Mit-bewerber. Kostenvorteile der Serienfertigungwerden weitergegeben und «verbessern» laufenddie Einstandspreise der Drehstromantriebe ge-genüber der traditionellen Gleichstromlösung, diean den Kostensenkungen kaum noch teilnimmt.Zusätzlich lassen sich Vorteile finden, wenn durchdie geringeren Abmessungen der Drehstromma-schinen kostbarer Konstruktionsplatz für andereMaschinenkomponenten frei wird.Lange Jahre wurde wenig auf die Kostenein-

sparung beim Betrieb der Maschinen geachtet,obwohl über die Möglichkeiten zur Erfassung derEinsparung mehrfach berichtet wurde [2.1, 2.2].Neuerdings rücken auch die Betriebskosten – Le-bensdauerkosten – stärker ins Blickfeld, ebenso

wie die Wartungskosten (Service), wegen dersteigenden Personalaufwendungen. Hochwir-kungsgradmotoren werden vermehrt eingesetzt,um die Energiekosten entsprechend der gesetz-lichen Vorgaben zu senken. Die neuen mikropro-zessorgesteuerten Stromrichter mit eingebautenDiagnoseroutinen bieten Vorteile, die mangünstig zur Kostensenkung nutzen kann.Wartungsintervalle können so leicht erfasst undStillstandszeiten besser eingeplant werden, diezustandsbezogene Wartung gewinnt an Bedeu-tung. Der Wartungsaufwand für den Strom-wenderapparat der Gleichstrommaschine fälltzunächst bei solchen allgemeinen Vergleichenstark ins Gewicht, jedoch kann eine pauschaleBetrachtung ohne Berücksichtigung einzelnerDetails leicht zu einer falschen Entscheidung füh-ren. Bei modernen Gleichstrommaschinen ent-sprechen nach Herstellerangaben die Bürsten-standzeiten bei normalem Betrieb der Lagerle-bensdauer.Zwei wesentliche «Umweltschutzaspekte» ge-

winnen zunehmend an Bedeutung:

Netzrückwirkungen und Geräuschemission.

Die unerwünschte Rückwirkung der eingesetztenStromrichter auf das speisende öffentliche Netznimmt stark zu, da jeder Stromrichter ein Ober-schwingungsgenerator ist; netzfreundliche Strom-

Bild 2.1Bestimmungsgrößen für dieAuswahl eines Antriebs

24 Das moderne Antriebspaket

richterschaltungen gewinnen so an Bedeutung.Der erfreulichen Reduzierung der Einschaltstrom-spitzen beim Maschinenanlauf durch den Strom-richter – besonders bei Drehstromasynchronma-schinen – stehen starke Netzrückwirkungendurch Oberschwingungen bei Strom und Span-nung gegenüber, deren Grenzen in entspre-chenden Vorschriften beschrieben sind [2.3]. Ob-wohl die Rahmenvorschriften eingehalten wer-den, kann die starke Zunahme der Zahl der einge-setzten Stromrichterantriebe zu Störungen derAggregate untereinander führen.Die Geräuschemission des Antriebspakets –

Stromrichter, elektrische Maschine und angekup-pelteArbeitsmaschine – kann durch die Eigenschaf-ten der Gesamtkonstruktion deutlich beeinflusstwerden. Der Anteil und das unvermeidbare Spek-trum an Oberschwingungen in den Betriebsgrößenvon gleich- und sinusförmigen Strömen sollte mög-lichst gering sein. 16-kHz-Pulsung – außerhalb desHörbereiches des Menschen – ist bei Frequenzum-richtern anzustreben, um einen Teil der lästigenGeräusche zu eliminieren, z.B. bei Bühnen-Antrie-ben.

2.2 Mikrorechner sorgenfür Wirtschaftlichkeit

Die Kostenstrukturen unterliegen dem laufendenWandel, den der Anwender beachten muss, umdie Langzeitentwicklung der Kosteneinzelposten

am Einsatzplatz seiner Antriebe richtig zu erfas-sen. Die neuen Generationen der mikroprozessor-gesteuerten Stromrichter bieten sich hierfür förm-lich an, da fast alle Geräte über eine serielleSchnittstelle in beiden Richtungen Daten austau-schen können.Die Einführung des Mikroprozessors in die

Stromrichtertechnik – verbunden mit dem Über-gang zur direkten digitalen Regelung (DDC) –brachte in kurzer Zeit neue technische Lösungenauf dem Gebiet der prozessorientierten Antriebs-pakete. Die digitale Steuerung und Regelung desStellglieds schafft gleichzeitig eine gute Möglich-keit, die aktuellen Antriebszustände über Schnitt-stellen (RS232, RS486, Smartphone usw.) an dieProzesssteuerung rückmelden zu lassen. Dadurchist jeder Prozess leichter in eine Betriebshierarchieeinzubinden [2.4] (siehe Bild 2.2). Prozessorien-tierte Antriebe sind so einfacher zu steuern, zu re-geln und zu überwachen, wobei die Antriebskom-ponenten selbst intern auch noch rechnerüber-wacht geschützt oder gewartet werden können.

2.3 Vorteile der veränderbaren Dreh-zahl

Die stufenlose Drehzahlverstellung eines Antriebskann folgende Vorteile bieten:

Energieeinsparung, z.B. bei Pumpen und Lüf-tern,

Bild 2.2 Automatisierungspyramide und Vernetzung (auch mit externen Partnern bis global, Industrie 4.0)

Antriebsbeispiele 25

Netzentlastung, da Anlaufstromspitzen redu-ziert werden,

Prozessverbesserung im Teillastbereich, daGeschwindigkeiten dem Prozess optimal an-passbar,

Qualitätsverbesserung, da Spitzenbelastungenund Laststöße von empfindlichen Anlagenferngehalten werden,

Wartungskostensenkung, da Verschleiß redu-ziert wird,

Verbesserung der Arbeitsplatzbedingungen,weil z.B. die Transportgeschwindigkeit von Ar-beitsbändern der Arbeitsleistung der Bedienerangepasst werden kann.

2.4 Antriebsbeispiele

Einige Beispiele für drehzahlvariable Strom-richterantriebe vermitteln einen Einblick in diePraxis.Im Haushalt findet man diese Antriebe neben

den vielen einfach geschalteten Festdrehzahlan-trieben in

Heimwerkergeräten (Bild 2.3) und Waschma-schinen.

Bei Industrieantrieben zeigt sich neben den vielenFestdrehzahlantrieben eine breite Palette von

Lüftern, Pumpen, Förderanlagen, Handha-bungsgeräten (Bild 2.4) und Werkzeugmaschi-nen (Bild 2.5) und Roboterantrieben (Bild 2.6) bishin zu den Spezialantrieben bei

Textilmaschinen (Bild 2.7), Verpackungsanla-gen (Bild 2.4) oder Transferstraßen,

Linearantrieben (Bild 2.8) oder direkten (getriebelosen) Hebezeugantrieben(Bild 2.9).

Die kurze Aufzählung mit den dargestellten An-trieben muss unvollständig sein. Sie sollte nurHinweise auf den umfassenden Einsatz geben.

Bild 2.3 Heimwerker-Bohr-Schraubermit Rutschkupp-lung; ein Steller ermöglicht die Drehzahlverstellung desAkku- oder batteriegespeisten Motors.

Bild 2.4Komplettlösung einer komplexen Mehrachsanlage zum Füllen und Verpacken [Quelle: Mitsubishi]

26 Das moderne Antriebspaket

2.5 DrehzahlveränderbareAntriebe im Vergleich

Mechanische und elektrische Verstellmöglich-keiten konkurrieren auf dem Markt (Bild 2.10).Den prinzipiellen Kennlinienverlauf dieser bei-den Antriebsvarianten zeigt Bild 2.11. Währenddas mechanische Verstellgetriebe im ganzen Ar-beitsbereich mit konstanter Leistung (P) arbeitet,muss man beim Elektroantrieb zwei Betriebsbe-reiche beachten: den Bereich konstanten Drehmo-mentes (M) bis zur Eckdrehzahl (T) mit steigenderLeistung und den anschließenden Konstant-Leistungsbereich (P).Wesentliche Unterschiede ergeben sich so im

Bereich kleiner Drehzahlen. Dort kann eine Ma-schine kleiner Leistung über ein Getriebe großeDrehmomente aufbringen (Getriebemotor). Beim

Bild 2.5 Werkzeugmaschinenantriebe Vario-Linear-baustein [Quelle: Hauser]

Bild 2.6 6-achsiger Roboter mit Steuerschrank [Quelle:ABB]

Bild 2.7 Texturiermaschine mit umrichtergespeistenGalettenantrieben (Reluktanzmotoren)

Bild 2.8 Linearantrieb Rexroth/Foto + Detail: [Quelle: In-dramat]a) Frequenzumrichter mit verschiedenen Linearmo-toren,

b) Detailansicht

a)

b)

Drehzahlveränderbare Antriebe im Vergleich 27

Bild 2.9 Aufzug-Direktantrieb [Quelle: Kone]

Bild 2.10 Verstellbereiche S = 1 : nStell/nBezug verschie-dener Antriebssysteme mit variabler Drehzahl elek-trischer und mechanischer Bauart

Bild 2.11 Kennlinienvergleich zwischen mechanischerund elektrischer Lösung: Verstellgetriebeantrieb (a) –Stromrichterantrieb (b) – mechanisches Verstellgetriebeim Schnittbild ohne Motor (c)[Quelle: Getriebebau NORD]

a)

b)

c)

28 Das moderne Antriebspaket

Elektrodirektantrieb wäre hierfür eine sehr großeMaschine erforderlich, da das Volumen ein Elek-tromotor vom Drehmoment und nicht von derLeistung bestimmt wird (Bild 2.12). Aus diesemGrund werden viele Getriebemotoren über Um-richter drehzahlvariabel betrieben, wenn mannicht auf die Torque-Motoren mit ihren großenDrehmomenten auch bei kleinen Drehzahlen aus-weichen kann.

Bild 2.12 SystemvergleichGrößenvergleich der elektrischen Maschinen bei konstantem Drehmoment und konstanter LeistungAH: Achshöhe

Diese Problematik führt in der Praxis oft zuFehleinschätzungen, wenn einemechanische Dreh-zahlverstellung durch eine elektrische Lösung er-setzt werden soll (s. Bild 2.11). Durch die 29/87-Hz-Technik bei den Frequenzumrichtern sind abergute Anpassungsmöglichkeiten gegeben.Bevor näher auf die Antriebskomponenten ein-

gegangen wird, sollen zunächst die antriebstech-nischen Grundlagen betrachtet werden.

3 Allgemeine Grundlagen der Antriebstechnik

3.1 Grundsystem des Antriebs

Elektrische Antriebe können grob aufgeteilt wer-den in solche, die direkt am Netz (Direct on Line,DOL) angeschaltet laufen, und solche, die übermechanische oder elektronische Stellglieder (Fre-quenzumrichter, Drive Controller) an einem Netzarbeiten. Direkt am Wechselstromnetz laufen z.B.die vielen Kleinantriebe in den Geräten im Haus-halt (in der sog. Weißen Ware), in kleinen Werk-zeugen, als Antriebe für Pumpen und Lüfter imHKL-Bereich im Leistungsbereich bis ca. 2 kW.Bei größeren Leistungen werden die Antriebe di-rekt an das Drehstromnetz angeschlossen oderüber Starter eingeschaltet oder über Drive-Con-trol-Geräte (Frequenzumrichter) drehzahlvariabelbetrieben. Alle diese Antriebe unterliegen jedochdenselben physikalischen Gesetzen, die das fol-gende Kapitel vorstellt.Unabhängig vom Leistungsbereich lässt sich

ein elektrischer Antrieb mit einfachen Systemgrö-ßen beschreiben. Wie Bild 3.1 zeigt, sind für einsolches System im Allgemeinen zu berücksichti-gen:

das Netz, das elektronische Stellglied – der Stromrich-ter –,

die Schalter oder die elektrische Maschine,hauptsächlich antreibend im Motorbetrieb, da-her vom Praktiker meist kurz «Motor» ge-nannt, und

die angekuppelte meist passive Arbeitsma-schine.

Dabei ist es in der Antriebstechnik üblich, die ein-zelnen Systemkomponenten mit ihren Kennlinienzu beschreiben (siehe hierzu Bild 3.1 b). Dort sinddie mechanischen Größen in derWinkelgeschwin-digkeits- oder Drehzahl-Drehmoment-Ebene unddie elektrischen in der Spannungs-Strom-Ebenedargestellt. Leider ist die übliche Drehzahlangabein Umdrehungen/Minute dem System der gesetz-lichen Einheiten (SI) eigentlich fremd, jedochzugelassen (siehe Tabelle 3.1). Zum besseren Ver-ständnis wird bei mechanischen Darstellungendaher dieWinkelgeschwindigkeit benutzt, wäh-rend bei den Antrieben dann später praxisnahvon der Drehzahl n gesprochen wird.

Bild 3.1 Grundsystem des Antriebs (a) mit den Kennlinien der Komponenten (b)

b)

a)

30 Allgemeine Grundlagen der Antriebstechnik

Praxistipp ist überschlägig n/10, wenn man n in min–1 ein-setzt. Bei 1500 min-1 ist etwa 150 s–1.Der Drehzahlstellbereich ist definiert mit

S = 1 : nStell/nBezug.In Bild 3.2a sind die Kenngrößen für die Be-

schreibung des Antriebsgrundsystems abgebildet.Die angetragene positive Zählrichtung1 ist frei,aber zweckmäßig gewählt. Sie gibt die positivenZählrichtungen für alle eingetragenen elektri-schen und mechanischen Größen an.

Damit sind auch die für jeden Antrieb charak-teristischen vier möglichen Betriebsquadrantenfestgelegt (Bild 3.2b). Zwei Betriebsarten der elek-trischen Maschine lassen sich unterscheiden:

Motorbetrieb (treiben) = Abgabe mechanischerEnergie an der «Motor»-Welle im I. und III.Quadranten und

Generatorbetrieb (bremsen) = Aufnahme me-chanischer Energie an der «Generator»-Welleim II. und IV. Quadranten (Bremsbetrieb), u.U.mit Rückspeisung ins Netz (Nutzbremsung)[3.1].

3.2 Physikalische Gesetze

Für die mechanische Behandlung eines Antriebs-problems reichen drei Gesetze aus:

1 Oft werden die treibenden und bremsenden Drehmo-mente mit entgegengesetzten Zählrichtungen darge-stellt. Dieses Vorgehen führt erfahrungsgemäß beider Berechnung unbekannter Probleme zu Schwierig-keiten. U. U. ist das Drehmoment M über der Dreh-zahl n aufgetragen, weil diese Darstellung in der Pra-xis oft interessiert.

Tabelle 3.1 SI-Einheiten (Internationales Einheitensystem)

SI-Basiseinheiten

nehcieZemaNnehcieZemaN

l Meter mMasse m Kilogramm kgZeit t Sekunde s

I Ampere Athermodynamische Temperatur T Kelvin KStoffmenge n Mol mol

Iv Candela cd

Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderen Namen (Auszug)

Name Zeichen

m/m1=dar1dartnaidaRlekniWrenebes/tnaidaRtiekgidniwhcseglekniW ω 1 rad/s = 1/s

Frequenz eines periodischen Vorganges Hertz Hz 1 Hz = 1 s –1s/mgk1=N1NnotweNtfarK 2

m/N1=aP1aPlacsaPkcurD 2

elektrisches Potential, elektrische Spannung Volt V 1 V = 1 J/C

mhOdnatsrediWrehcsirtkele Ω 1 Ω = 1 V/A1=S1SsnemeiStrewtieLrehcsirtkele Ω –1

s·V1=bW1bWrebeWssulFrehcsitengammagnetische Flussdichte, magnetische Induktion Tesla T 1 T = 1 Wb/m2

suisleCdarGrutarepmeT-suisleC C 1 C = 1 K