Elektrische Maschinen
85 Elektrische Antriebe
zahl in der Regel unterhalb aller kritischen Drehzahlen liegt.
Die Rotoren von elektrischen Maschinen müssen vor der Montage gewuchtet wer-den. Dies geschieht durch Anbringen von Gewichten oder durch Entfernen von Ma-terial. Die Wuchtgüten haben einen gro-ssen Einfluss auf die Belastung der Lager und sind bei Antrieben, die schwingungs-arm betrieben werden sollen, genau zu planen und zu definieren.
3.9.5 Leistungsschilder
Gemäss der Norm IEC 60034-1 muss jede elektrische Maschine mit einem gut lesba-ren Leistungs- oder Typenschild aus dauer-haftem Material ausgerüstet werden. Ne-ben den HerstellerangaNe-ben (Name, An-schrift, Typ- und Seriennummer) enthalten neuere Schilder auch einen elektronisch lesbaren Code mit Informationen wie Bau-jahr, Herstelleradresse und den wichtigs-ten Dawichtigs-ten und Weblinks. Während die minimal notwendigen Angaben in der Norm spezifiziert sind, ist deren Anord-nung und Ergänzung mit anderen Grössen frei wählbar.
In Abbildung 3.81 und Abbildung 3.82 sind zwei typische Leistungsschilder eines Normmotors und eines Servomotors erläu-tert.
Servomotoren unterscheiden sich von Normmotoren in erster Linie dadurch, dass sie mit einer variablen Drehzahl eingesetzt werden. Daher sind auf den Datenschil-dern kaum Leistungsdaten sonDatenschil-dern eher Drehmomentwerte für verschiedene Dreh-zahlen zu finden.
]]Durch unterschiedliche Ausdehnungs-koeffizienten entstehende Spannungen (z. B. im Verbund Stahl, Kupfer und Isola-tion).
Neben den nominalen Lasten fliessen auch Spitzenbelastungen wie Kippmomente während des Hochlaufs, die besonders kri-tischen Kurzschlussdrehmomente und -kräfte sowie Stossbelastungen in die me-chanische Auslegung ein.
Hohe Beachtung muss in elektrischen Ma-schinen den Schwingungen geschenkt werden, die einerseits von aussen mecha-nisch oder auch elektrisch angeregt wer-den können. Die elektrische Anregung ist durch Drehmomentenrippel aufgrund von Stromoberschwingungen bei Umrichter-betrieb möglich. Folgende zwei Schwin-gungsarten treten hauptsächlich auf:
]]Biegeschwingung: Die Welle der elekt-rischen Maschine ist ein elastisches Gebilde aus Stahl. Durch Unwucht verlagert sich der Schwerpunkt, was zu Biegeschwingun-gen führt.
]
] Torsionsschwingungen: Ein Antrieb besteht aus verschiedenen Schwungmas-sen. Die Wellen bilden eine Torsionsfeder.
Durch einmalige oder periodische Drehmo-mentstösse wird das System zu Schwin-gungen angeregt.
Unterschieden werden Eigenschwingun-gen und erzwunEigenschwingun-gene SchwingunEigenschwingun-gen. Ers-tere werden angeregt durch kurzzeitige Kraftwirkungen auf die Welle. Die stets vorhandene Dämpfung bewirkt über die Zeit ein vollständiges Abklingen. Bei Torsi-onsschwingungen erfolgt die Anregung durch eine periodische Kraftwirkung, z. B.
einer kleinen unvermeidbaren Restun-wucht, wodurch die Welle mit der anre-genden Frequenz schwingt.
Wenn die Anregung zu einer Schwingung mit der Eigenfrequenz führt, können durch Resonanzen bei geringer Dämpfung starke Erschütterungen und Überbeanspruchun-gen entstehen. Von kritischen Drehzahlen spricht man, wenn die Drehzahl einer Ei-genfrequenz der Welle entspricht. Kleine und mittlere Maschinen werden meist un-terkritisch betrieben, da die
Betriebsdreh-86
Elektrische Maschinen
Abbildung 3.81:
Leistungsschild eines Normmotors.
1 Typ: Drehstrommotor, Strangzahl 2 Bemessungsleistung bei Nenndrehzahl 3 Bemessungsdrehzahl (an der Welle) 4 Elektrische Grössen in Sternschaltung 5 Elektrische Grössen in Dreieckschaltung 6 Zu Grunde liegende Norm
7 Betriebsart
8 Bemessungsfrequenz
9 Isolierstoffklasse oder Wärmeklasse bk Wirkungsgradklasse und Wirkungsgrad bl Vorschriften und Zertifikate
bm Gewicht der gesamten Maschine bn Kühlungsart
bo Bauform bp Schutzart
1 Typ: Drehstrommotor, Strangzahl 2 Stillstandsdrehmoment M0
3 Bemessungsdrehmoment MN
4 Bemessungsspannung UN
5 Stillstandsstrom I0
6 Bemessungsstrom IN
7 Maximal zulässige Drehzahl nmax
8 Bemessungsdrehzahl nN
9 Bemessungsfrequenz fN
bk Isolierstoffklasse oder Wärmeklasse bl Gewicht der gesamten Maschine bm Kühlungsart
bn Bauform bo Schutzart
bp Bezeichnung des Positionsgebers
bq Daten der eingebauten Bremse (PM-Motoren) br Zu Grunde liegende Norm
bs Vorschriften und Zertifikate Tabelle 3.8:
Wichtigste Angaben auf Leistungs schildern von Normmotoren.
Abbildung 3.82:
Leistungsschild eines Servomotors.
Tabelle 3.9:
Wichtigste Angaben auf Leistungs schildern von Servomotoren.
Herstellerlogo Maschinentyp
3~ Motor Seriennummer Motorbezeichnung Hersteller
P ... kW Duty S1 cos ϕ m ... kg
n ... 1/min f ... Hz Cl. F IC
U ... V I ... A IE 1 IM
U ... V I ... A IE 1 IP
IEC 60034 CE ... QR-Code
Herstelleranschrift MADE IN ...
1 2 3 4 5 6
9 bk
bp bo bl
bm bn
Herstellerlogo Maschinentyp
3~ Motor Seriennummer Motorbezeichnung Hersteller M0 ... Nm I0 ... A nmax ... 1/min
MN ... Nm IN ... A nN ... 1/min
UN ... V f ... Hz Cl. F IC
Encoder ... m ... kg IM
Bremse ... VDC,... Nm IP
IEC 60034 CE ... QR-Code
Herstelleranschrift MADE IN ...
1 2 3 4
5 6
7 8
9 bk
bl
bm bn bo bp
bq br
7 8
= Gleichstrom
wechselrichten
Wechselstrom umrichten
=
Wechselstrom gleichrichten Gleichstrom
umrichten AC 1
DC 2
AC 2
DC 1 = =
AC 1
DC 2
AC 2
DC 1
=
=
=
=
4.1 Grundfunktion
Die Grundaufgabe der Leistungselektronik (LE) ist das Umformen («Umrichten») von elektrischen Grössen (Ströme, Spannun-gen, Frequenz) aus einer vorgegebenen Form in die für die Anwendung notwen-dige Form. Die LE ist ein Bindeglied zwi-schen der angelieferten elektrizwi-schen Ener-gie (Netz 1) und deren Verwendung (Netz 2 oder elektrische Maschine). Beispiele sind Antriebe, Netzgeräte zur Speisung von elektrischen Geräten, statische Netzkupp-lungen und vieles mehr. Als «Leistungs-elektronik», «Stromrichter» oder im engli-schen «converter» werden die Leistungs-halbleiter mit der notwendigen Steuer- und Regelelektronik bezeichnet. Leistungselek-tronik wird in der Automatisierung, Ener-gieerzeugung, Energieübertragung, An-triebstechnik und in Stellgeräten von Re-geleinrichtungen für die verschiedensten Anwendungen und in vielen Variationen eingesetzt.
Die verschiedenen möglichen Grundfunk-tionen von Stromrichtern werden gemäss Abbildung 4.1 bezeichnet.
Oft erfolgen Umformungen über meh-rere Stufen. So macht zum Beispiel ein typischer Frequenzumrichter aus einer Eingangs-Wechselgrösse zuerst eine Gleichgrösse und danach aus dieser wie-der eine Wechselgrösse, aber mit anwie-deren Parametern. In (Abbildung 4.2) sind die verschiedenen Stufen und ihre Bezeich-nungen dargestellt.
Die konkrete Funktion einer leistungselek-tronischen Schaltung ist oft schwer aus dem physikalischen Aufbau der Schaltung zu erkennen. Dazu kommt, dass die Elekt-ronik aus Schutzgründen fast immer «ver-packt» ist. Entsprechend ist sie für den Anwender meist eine «black-box».
Leistungselektronik
Kapitel 4
Energieform 1, (Netz 1) u1,i1,f1,ϕ1
Energieform 2, (Netz 2, Antrieb)
u2,i2,f2,ϕ2 Steuerung, Regelung
Leistungselektronik
Abbildung 4.1:
Grundfunktion von leistungselektroni-schen Schaltungen.
Abbildung 4.2:
Umformungspfade.
Links: Funktion;
rechts: Schaltung.
Stromrichterfunktion Stromrichterbezeichnung Wechselstrom gleichrichten Gleichrichter (rectifier)
Gleichstrom umrichten Gleichstromsteller, DC-Steller (dc-dc converter) Gleichstrom wechselrichten Wechselrichter (inverter)
Wechselstrom umrichten Gleiche Frequenz bei AC1 und AC2:
Wechselstromsteller, AC-Steller (ac power controller) Verschiedene Frequenzen bei AC1 und AC2:
Frequenzumrichter (frequency converter)
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Leistungselektronik
Abbildung 4.3:
Halbleiterscheibe am Beispiel einer einfachen pn-Diode.
Abbildung 4.4:
Silizium-Bauele-mente. Von links:
IGBT, Frankenstück als Grössenver-gleich, GTO und
Thyristor.
Abbildung 4.5:
Gehäuseformen von einzelnen Bauele-menten verschiede-ner Hersteller.
millimetern Dicke und bis 300 mm Durch-messer. Silizium (Si) ist das hauptsächlich eingesetzte Halbleitermaterial. In der Ver-gangenheit wurde auch Germanium ein-gesetzt. Seit einigen Jahren gewinnen Halbleiter auf der Basis von Silizium-Karbid (Silicon Carbide, SiC) und Gallium-Nitrid (Gallium Nitride, GaN) an Bedeutung. Ge-genüber den konventionellen Silizium-elementen ist ihr Anteil am ganzen Markt-volumen aber klein
Je nach Bauelement, das mit den HL reali-siert werden soll, sind diese abwechs-lungsweise so mit Fremdatomen dotiert, dass sie Elektronenmangel (p-Dotierung) oder Überschuss (n-Dotierung) haben. Ab-bildung 4.3 zeigt den Aufbau einer einfa-chen pn-Diode (Zweischicht-Element).
Das eigentliche HL-Bauelement wird aus den Wafern hergestellt. Eine Auswahl zeigt Abbildung 4.4. Für den Anwender ist meist nur das grössere Gehäuse sichtbar, welches die Funktionen Schutz, Isolation und Wärmeabfuhr übernimmt.
Abbildung 4.5 zeigt eine Auswahl von Ele-menten für Ströme von wenigen Ampère und einigen hundert Volt (kleine Kunst-stoffgehäuse) bis kA und kV (grosse Me-tall-Keramik-Gehäuse). Oft werden auch ganze Gruppen von Bauelementen in ei-nem Gehäuse zu Modulen zusammenge-fasst.
Eingesetzt werden Halbleiterbauelemente mit drei Grundfunktionen:
a. Dioden, die in Vorwärtsrichtung leiten und in Rückwärtsrichtung sperren.
b. Thyristoren, die sich in Vorwärtsrich-tung über die Ansteuerung einschalten lassen («zünden»). Sie schalten aus, wenn der Strom null wird und sperren in Rück-wärtsrichtung.
c. Transistoren, wie MOSFET und IGBT, die sich in Vorwärtsrichtung über die Ansteu-erung ein- und ausschalten lassen und in Rückwärtsrichtung schon bei kleinen Spannungen leiten. Das Leiten in Rück-wärtsrichtung wird zum Teil mit zusätzli-chen Dioden gewährleistet.
4.2 Halbleiterbauelemente
Halbleiter (HL) sind chemische Elemente, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen den Leitern (Metallen) und den Nichtlei-tern (Isolatoren) liegt. Durch das «Verun-reinigen» (Dotieren) der reinen HL mit an-deren Elementen wird an-deren Leitfähigkeit gezielt verändert. Dotierte Halbleiterstruk-turen bilden die Grundlage aller leistungs-elektronischen Halbleiterbauelemente.
Ihre Geschichte beginnt in den 1950er-Jahren des 20. Jahrhunderts mit den bipo-laren Bauelementen. 1948 wurde der Transistor in den Bell Labs erfunden und 1958 wurde von General Electric der Thy-ristor als Produkt am Markt eingeführt. Die feldeffektbasierten Strukturen waren erst gegen 1980 für die Leistungselektronik verfügbar (MOSFET).
Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Bauelemente bilden sogenannte Wafer, hochreine Scheiben von einigen
Zehntel-A
K
≈ 0,5 mm
… 200 mm
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