Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen

Gegenstand dieses Buches sind mehrphasige Asynchron- und Synchronmaschi nen, die iiber Stromrichter mit Spannungen und Stromen vedinderlicher Frequenz gespeist werden. Diese Technik, deren Zweck es ist, drehzahlstellbare Antriebe mit kommutatorlosen Maschinen auszufiihren, reicht mit ihren Anfangen in die dreiBiger Jahre zuriick; sie hat aber entscheidende Impulse erst durch die neuere Entwicklung der Technologie der Halbleiterventile fiir groBe Leistungen etwa Anfang der sechziger Jahre erfahren, die sprachlich im Ersatz der "Stromrichter technik" durch die "Leistungselektronik" zum Ausdruck kommt. Obwohl die Gleichstrommaschine yom Umsatz her das Gebiet der drehzahlstellbaren Antriebe heute noch klar dominiert, wachst die Bedeutung der kommutatorlosen Antriebe von Jahr zu Jahr. Mit dieser Entwicklung geht auch eine fortschreitende Verwischung der Grenzen zwischen der Starkstromtechnik und der Schwachstromtechnik im friiheren Sinne einher, stehen doch bei der Planung eines Stromrichterantriebes mindestens drei Fachgebiete Pate: der Elektromaschinenbau, die Stromrichtertechnik bzw. Lei stungselektronik und die Regelungstechnik. Der Schwerpunkt dieses Buches liegt klar bei den elektrischen Maschinen; deren Darstellung ist aber auf Schaffung moglichst vieler Querverbindungen z~ den genannten Nachbargebieten ausgerichtet. 1m Vordergrund steht deshalb nicht Bau und Konstruktion der Maschinen, sondern die Theorie ihres Betriebsverhaltens im Zusammenspiel mit Stromrichtern. Die Darstellung wendet sich in erster Linie an Studenten und jiingere Absolventen Technischer Universitaten und Hoherer Technischer Lehranstalten. Den Erklarungen grundlegender Zusammenhange wird deshalb moglichst breiter Raum gewidmet, Vorkenntnisse iiber die Wirkungs weise von elektrischen Maschinen und Stromrichtern werden vorausgesetzt.

Klappentext

Gegenstand dieses Buches sind mehrphasige Asynchron- und Synchronmaschi­ nen, die iiber Stromrichter mit Spannungen und Stromen vedinderlicher Frequenz gespeist werden. Diese Technik, deren Zweck es ist, drehzahlstellbare Antriebe mit kommutatorlosen Maschinen auszufiihren, reicht mit ihren Anfangen in die dreiBiger Jahre zuriick; sie hat aber entscheidende Impulse erst durch die neuere Entwicklung der Technologie der Halbleiterventile fiir groBe Leistungen etwa Anfang der sechziger Jahre erfahren, die sprachlich im Ersatz der "Stromrichter­ technik" durch die "Leistungselektronik" zum Ausdruck kommt. Obwohl die Gleichstrommaschine yom Umsatz her das Gebiet der drehzahlstellbaren Antriebe heute noch klar dominiert, wachst die Bedeutung der kommutatorlosen Antriebe von Jahr zu Jahr. Mit dieser Entwicklung geht auch eine fortschreitende Verwischung der Grenzen zwischen der Starkstromtechnik und der Schwachstromtechnik im friiheren Sinne einher, stehen doch bei der Planung eines Stromrichterantriebes mindestens drei Fachgebiete Pate: der Elektromaschinenbau, die Stromrichtertechnik bzw. Lei­ stungselektronik und die Regelungstechnik. Der Schwerpunkt dieses Buches liegt klar bei den elektrischen Maschinen; deren Darstellung ist aber auf Schaffung moglichst vieler Querverbindungen z~ den genannten Nachbargebieten ausgerichtet. 1m Vordergrund steht deshalb nicht Bau und Konstruktion der Maschinen, sondern die Theorie ihres Betriebsverhaltens im Zusammenspiel mit Stromrichtern. Die Darstellung wendet sich in erster Linie an Studenten und jiingere Absolventen Technischer Universitaten und Hoherer Technischer Lehranstalten. Den Erklarungen grundlegender Zusammenhange wird deshalb moglichst breiter Raum gewidmet, Vorkenntnisse iiber die Wirkungs­ weise von elektrischen Maschinen und Stromrichtern werden vorausgesetzt.

Inhalt

1. Stromrichter für Drehfeldmaschinen.- 1.1 Übersicht.- 1.2 Umrichter mit Spannungszwischenkreis.- 1.2.1 Umrichter mit veränderlicher Zwischenkreisspannung.- 1.2.2 Umrichter mit konstanter Zwischenkreisspannung.- 1.3 Umrichter mit Stromzwischenkreis.- 1.4 Direktumrichter.- 2. Die Asynchronmaschine mit Stromrichter.- 2.1 Übersicht.- 2.2 Die Asynchronmaschine mit Spannungszwischenkreis-Umrichter.- 2.2.1 Die Ortskurve der Grundschwingungen.- 2.2.2 Der Stromverlauf einschließlich der Oberschwingungen.- 2.2.2.1 Berechnung durch Superposition.- 2.2.2.2 Geschlossene Berechnung.- 2.2.2.3 Zahlenbeispiel.- 2.2.3 Betrieb mit gepulster Spannung.- 2.2.4 Auswirkungen der Oberschwingungen.- 2.2.4.1 Einfluß der Schaltung.- 2.2.4.2 Zusätzliche Verluste.- 2.2.4.3 Drehmomentpulsationen.- 2.2.4.4 Magnetische Geräusche.- 2.2.5 Transientes Verhalten der Maschine.- 2.3 Die Asynchronmaschine mit Stromzwischenkreis-Umrichter.- 2.3.1 Die Ortskurve der Grundschwingungen.- 2.3.2 Der vollständige Verlauf von Strom und Spannung.- 2.3.2.1 Näherungsrechnung.- 2.3.2.2 Genauere Rechnung.- 2.3.2.3 Zahlenbeispiel.- 2.3.3 Betrieb mit gepulstem Strom.- 2.3.4 Auswirkungen der Oberschwingungen.- 2.3.4.1 Einfluß der Schaltung.- 2.3.4.2 Zusätzliche Verluste.- 2.3.4.3 Drehmomentpulsationen.- 2.3.4.4 Magnetische Geräusche.- 2.3.5 Transientes Verhalten der Maschine.- 2.4 Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine (Kaskadenschaltungen).- 2.4.1 Betrieb mit fester Statorfrequenz.- 2.4.2 Betrieb mit fester Rotorfrequenz.- 2.5 Die untersynchrone Stromrichterkaskade.- 2.5.1 Wirkungsweise.- 2.5.2 Angenäherte Berechnung des Betriebsverhaltens.- 2.5.3 Die Kommutierung als Schaltvorgang.- 2.5.4 Zahlenbeispiel.- 2.5.5 Auswirkungen der Oberschwingungen.- 2.6 Bemessung von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen.- 3. Die Synchronmaschine mit Stromrichter.- 3.1 Übersicht.- 3.2 Die maschinengeführte Kommutierung.- 3.2.1 Angenäherte Berechnung.- 3.2.2 Genauere Theorie der Kommutierung.- 3.3 Das Betriebsverhalten der Synchronmaschine mit ZK-Umrichter.- 3.3.1 Einführung.- 3.3.2 Die Maschine mit Polradlagegeber.- 3.3.2.1 Die Vollpolmaschine ohne magnetische Sättigung.- 3.3.2.2 Die Einzelpolmaschine mit magnetischer Sättigung.- 3.3.3 Die Maschine mit Spannungssteuerung.- 3.3.3.1 Die Vollpolmaschine ohne magnetische Sättigung.- 3.3.3.2 Die Einzelpolmaschine mit magnetischer Sättigung.- 3.3.4 Kombinierte Steuerungen.- 3.3.5 Die fremdgesteuerte Maschine.- 3.3.5.1 Die statischen Betriebskennlinien.- 3.3.5.2 Die dynamische Stabilität des Betriebes.- 3.3.6 Anlaufverfahren.- 3.3.6.1 Drehzahluntergrenze für maschinengeführte Kommutierung..- 3.3.6.2 Selbstanlauf des Stromrichtermotors ohne Kommutierungshilfe.- 3.3.6.3 Anlauf mit Kommutierungshilfe.- 3.4 Die Synchronmaschine mit Direktumrichter.- 3.5 Die Synchronmaschine mit Umrichter mit unterdrücktem Zwischenkreis...- 3.6 Auswirkungen der Oberschwingungen.- 3.7 Synchronmaschinen mit wicklungslosem Läufer.- 3.7.1 Gleichpolmaschine nach Schmidt/Lorenz.- 3.7.2 Gleichpolmaschine nach Arco.- 4. Transientes Verhalten von Drehfeldmaschinen.- 4.1 Komplexe Raumzeiger.- 4.1.1 Einführung.- 4.1.2 Vergleich zwischen Raumzeiger und Zeitzeiger.- 4.1.3 Ströme und Flußverkettungen.- 4.1.4 Komplexe Spannungsgleichungen in ruhenden und in rotierenden Koordinatensystemen.- 4.1.5 Das Drehmoment und die Bewegungsgleichung.- 4.1.6 Das Nullstromsystem.- 4.1.7 Oberwellen und Oberschwingungen.- 4.1.8 Behandlung der Verluste beim Vergleich von Rechnung und Messung.- 4.2 Gleichungssysteme für die Asynchronmaschine.- 4.2.1 Das statorfeste System (?, ß, 0-System)..- 4.2.2 Das rotorfeste System (d, q, O-System).- 4.2.3 Das drehfeldfeste System (x,y, O-System).- 4.2.4 Der stationäre Betrieb in Raumzeigerdarstellung.- 4.2.5 Einschalten einer laufenden Asynchronmaschine.- 4.3 Das Gleichungssystem für die Synchronmaschine.- 4.3.1 Die Grundgleichungen im d, q, O-System.- 4.3.2 Andere gebräuchliche Bezeichnungssysteme.- 4.3.3 Der stationäre Betrieb in Raumzeigerdarstellung.- 4.3.4 Systemgleichungen im Bildbereich und Reaktanzoperatoren.- 4.3.5 Veränderliche Drehzahl und magnetische Sättigung.- Anhang 1: Zum Rechnen mit normierten Größen.- Anhang 2: Laplace-Transformation.- Anhang 3: Matrizenrechnung.- Schrifttum.