Praxishandbuch Antriebsauslegung

Grundlagen, Formelsammlung, Beispiele
 
 
Vogel Communications Group GmbH & Co. KG (Verlag)
  • 2. Auflage
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  • erschienen im September 2017
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  • 303 Seiten
 
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978-3-8343-6227-8 (ISBN)
 
Antriebssysteme sind für die Bereitstellung mechanischer Bewegungsenergie die treibenden Kräfte bei der Realisierung von industriellen Prozessen.
In der stark überarbeiteten 2. Auflage konzentriert sich das Buch auf die Beschreibung der Auslegung elektrischer Antriebssysteme. Die Auswahl der wesentlichen Bestandteile Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten wird detailliert beschrieben und auf die Berechnung der dafür notwendigen Größen intensiv eingegangen.
Basis bilden die richtige Analyse der physikalischen Größen des geforderten Prozesses, deren Aufarbeitung sowie die Kenntnis der technischen Möglichkeiten und Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Komponenten.

Berechnung der Bewegungsabläufe, Kräfte und Drehmomente
Umrechnung am Abtriebselement und bei Übertragungselementen
Motor- und Stellgeräteauswahl
Berechnung der Werte am Zwischenkreis und Netzgrößen
Auslegung der Netzversorgung und des Bremswiderstandes
Berechnungen rotativer Motoren bei direktem Netzbetrieb
Auslegung der Motorbremse
Projektierungshinweise, Energieeinsparung, Beispiele
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  • Für Beruf und Forschung
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  • Techniker, Konstrukteure
zahlreiche Abbildungen
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978-3-8343-6227-8 (9783834362278)
3834362271 (3834362271)
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MANSIUS, REINHARD, Nach einer Berufsausbildung zum Elektromonteur studierte Reinhard Mansius Elektrotechnik in der Ausrichtung Elektrische Maschinen und Geräte/Automatisierungstechnik. Derzeit ist er als Produktmanager Antriebssysteme bei einem der weltweit führenden Spezialisten von Antriebs- und Steuerungstechnologien für modulare Antriebssysteme und Antriebsauslegungssoftware verantwortlich.
1 - Vorwort und Inhaltsverzeichnis [Seite 5]
2 - 1 Einleitung [Seite 11]
2.1 - 1.1 Aufgaben der Antriebsauslegung [Seite 11]
2.2 - 1.2 Lastkennlinien von Arbeitsmaschinen [Seite 11]
2.3 - 1.3 Kennlinien von Motoren [Seite 13]
2.4 - 1.4 Motor und Arbeitsmaschine [Seite 33]
2.5 - 1.5 Erwärmung und Abkühlung elektrischer Maschinen [Seite 35]
2.6 - 1.6 Betriebsarten elektrischer Maschinen [Seite 40]
2.7 - 1.7 Charakteristiken der Anwendungen [Seite 44]
2.8 - 1.8 Topologie des mechanischen Antriebsstrangs [Seite 47]
2.9 - 1.9 Grundlegende Vorgehensweise bei der Antriebsauslegung [Seite 51]
3 - 2 Berechnung der Bewegungsabläufe [Seite 55]
3.1 - 2.1 Allgemeines [Seite 55]
3.2 - 2.2 Beschleunigungsphase [Seite 57]
3.3 - 2.3 Konstantphase [Seite 59]
3.4 - 2.4 Verzögerungsphase [Seite 60]
3.5 - 2.5 Dreieckprofil [Seite 62]
3.6 - 2.6 Trapezprofil [Seite 64]
3.7 - 2.7 Trapezprofil nach Drittel-Regel [Seite 65]
3.8 - 2.8 Relative Einschaltdauer [Seite 67]
3.9 - 2.9 Fahrbereich [Seite 68]
3.10 - 2.10 Ruck und Ruckbegrenzung [Seite 68]
3.11 - 2.11 Bewegungsgesetze höherer Ordnung [Seite 72]
3.12 - 2.12 Optimierung des Bewegungsablaufs [Seite 75]
4 - 3 Berechnung der Kräfte und Drehmomente [Seite 79]
4.1 - 3.1 Allgemeines [Seite 79]
4.2 - 3.2 Gewichtskraft [Seite 79]
4.3 - 3.3 Hangabtriebskraft [Seite 80]
4.4 - 3.4 Aufstandskraft [Seite 80]
4.5 - 3.5 Anziehungskraft [Seite 81]
4.6 - 3.6 Haftreibkraft [Seite 82]
4.7 - 3.7 Gleitreibkraft [Seite 83]
4.8 - 3.8 Rollreibkraft [Seite 83]
4.9 - 3.9 Prozesskräfte [Seite 85]
4.10 - 3.10 Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte [Seite 85]
4.11 - 3.11 Windkräfte [Seite 86]
4.12 - 3.12 Sonstige Zusatzkräfte [Seite 88]
4.13 - 3.13 Wirksames Gewichtsdrehmoment [Seite 89]
4.14 - 3.14 Haftreibdrehmoment [Seite 91]
4.15 - 3.15 Gleitreibdrehmoment [Seite 91]
4.16 - 3.16 Rollreibdrehmoment [Seite 92]
4.17 - 3.17 Prozessdrehmomente [Seite 93]
4.18 - 3.18 Beschleunigungs- und Verzögerungsdrehmomente [Seite 94]
4.19 - 3.19 Sonstige Zusatzdrehmomente [Seite 97]
4.20 - 3.20 Zusammenfassung der Kräfte und Drehmomente [Seite 97]
5 - 4 Umrechnung am Abtriebselement [Seite 103]
5.1 - 4.1 Allgemeines [Seite 103]
5.2 - 4.2 Ritzel mit Zahnstange [Seite 105]
5.3 - 4.3 Rad [Seite 106]
5.4 - 4.4 Rolle [Seite 106]
5.5 - 4.5 Seiltrommel [Seite 107]
5.6 - 4.6 Zahnriemen [Seite 110]
5.7 - 4.7 Gewindetrieb [Seite 111]
5.8 - 4.8 Schubkurbel [Seite 112]
6 - 5 Umrechnung bei Übertragungselementen [Seite 115]
6.1 - 5.1 Allgemeines [Seite 115]
6.2 - 5.2 Stirnradgetriebe [Seite 117]
6.3 - 5.3 Schneckengetriebe [Seite 118]
6.4 - 5.4 Planetenradgetriebe [Seite 118]
6.5 - 5.5 Keil- und Flachriemen [Seite 120]
6.6 - 5.6 Zahnriemen und Ketten [Seite 120]
6.7 - 5.7 Kupplungen und Gelenkwellen [Seite 121]
6.8 - 5.8 Auswahl und Optimierung des Übersetzungsverhältnisses [Seite 121]
6.9 - 5.9 Auswahl der Getriebegröße [Seite 127]
6.10 - 5.10 Lineare Übersetzung [Seite 128]
7 - 6 Motorauswahl [Seite 129]
7.1 - 6.1 Drehzahlen und Geschwindigkeiten [Seite 129]
7.2 - 6.2 Drehmomente und Kräfte [Seite 132]
7.3 - 6.3 Arbeitspunkte der Anwendung [Seite 135]
7.4 - 6.4 Externes Massenträgheitsmoment [Seite 135]
7.5 - 6.5 Auswahl des Motors [Seite 135]
8 - 7 Auswahl des Stellgerätes [Seite 139]
8.1 - 7.1 Für Nenndaten des Motors [Seite 139]
8.2 - 7.2 Für den tatsächlichen Strombedarf des Motors [Seite 141]
8.3 - 7.3 Nach Kennlinie für Motor mit Stellgerät [Seite 146]
8.4 - 7.4 Erforderliche Ausgangsfrequenz [Seite 146]
9 - 8 Berechnung der Werte am Zwischenkreis [Seite 151]
9.1 - 8.1 Leistungen [Seite 151]
9.2 - 8.2 Energie [Seite 157]
10 - 9 Auslegung der Netzversorgung und des Bremswiderstandes [Seite 159]
11 - 10 Berechnung der Netzgrößen [Seite 167]
11.1 - 10.1 Wirkleistung [Seite 169]
11.2 - 10.2 Scheinleistung [Seite 169]
11.3 - 10.3 Netzstrom [Seite 170]
12 - 11 Auslegung der Motorbremse [Seite 173]
12.1 - 11.1 Allgemeines [Seite 173]
12.2 - 11.2 Berechnung und Überprüfung der Bremsmomente [Seite 174]
12.3 - 11.3 Berechnung und Überprüfung der Bremsenergie [Seite 175]
12.4 - 11.4 Weitere Hinweise [Seite 180]
13 - 12 Berechnungen rotativer Motoren bei direktem Netzbetrieb [Seite 183]
13.1 - 12.1 Möglichkeiten zur Berechnung der Hochlaufzeit [Seite 183]
13.2 - 12.2 Auslegung verschiedener Anlaufverfahren [Seite 186]
13.3 - 12.3 Verlustenergie bei Anlauf, Reversieren und Gegenstrombremsen [Seite 192]
13.4 - 12.4 Zulässige Schalthäufigkeit für S1-Motoren [Seite 196]
13.5 - 12.5 Berechnung der erforderlichen Motornennleistung bei verschiedenen Betriebsarten [Seite 197]
14 - 13 Projektierungshinweise [Seite 205]
14.1 - 13.1 Fehlervermeidung [Seite 205]
14.2 - 13.2 Leistungssteigerung durch Betrieb an höherer Eckfrequenz [Seite 210]
14.3 - 13.3 Energiespeicher für Netzspannungsausfall [Seite 212]
14.4 - 13.4 Energiespeicher für dynamische Anwendungen [Seite 213]
14.5 - 13.5 Lastpendeln [Seite 214]
14.6 - 13.6 Rutschgrenze [Seite 215]
14.7 - 13.7 Kippgrenze [Seite 216]
14.8 - 13.8 Optimierung der Hochlauframpe [Seite 217]
15 - 14 Energieeinsparung [Seite 221]
16 - 15 Beispiele [Seite 225]
16.1 - 15.1 Fahrantrieb mit Frequenzumrichter [Seite 225]
16.2 - 15.2 Drehantrieb mit Frequenzumrichter [Seite 245]
16.3 - 15.3 Linearmotor nach relativer Einschaltdauer [Seite 258]
16.4 - 15.4 Wickelantrieb mit Asynchronmotor in Feldschwächung [Seite 263]
16.5 - 15.5 Betrieb an 87-Hz-Eckfrequenz [Seite 269]
16.6 - 15.6 Bewegungsablauf für eine mitlaufende Bearbeitung [Seite 271]
16.7 - 15.7 Ruckbegrenzung [Seite 274]
16.8 - 15.8 Auslegung mit Polynom 5. Ordnung [Seite 276]
16.9 - 15.9 Anlasswiderstände für Schleifringläufermotor [Seite 277]
16.10 - 15.10 Optimierung der Hochlauframpe [Seite 281]
17 - 16 Technischer Anhang [Seite 285]
17.1 - 16.1 Grundbeziehungen physikalischer Größen [Seite 285]
17.2 - 16.2 Einheiten und deren Umrechnungen [Seite 286]
17.3 - 16.3 Physikalische Konstante [Seite 290]
18 - Stichwortverzeichnis [Seite 301]

1.6 Betriebsarten elektrischer Maschinen

Nicht immer unterliegen die Motoren einer konstanten Belastung. Die weitaus größere Anzahl der Anwendungen ist durch wechselnde Lastspiele gekennzeichnet. In vielen Fällen wirken sich auch der Anlauf und das Abbremsen der Maschine, die sogenannten nichtstationären Zustände, sehr stark auf die Erwärmung aus und können bei der Auslegung deshalb nicht mehr vernachlässigt werden.

Damit man für die Vielzahl der Anwendungen trotzdem mit guter Näherung eine optimale Ausnutzung der Motoren erreichen kann, sind für elektrische Maschinen Betriebsarten festgelegt worden. Diese beschreiben typische Lastspiele, auf die man sich mit seinem speziellen Anwendungsfall referenzieren kann, um einen Motor auszuwählen, der im späteren Betrieb möglichst nahe an seiner zulässigen Grenzübertemperatur betrieben wird.

Die Betriebsart einer elektrischen Maschine wird mit dem Buchstaben S und einer nachfolgenden Ziffer beschrieben. Bei einigen Betriebsarten sind zu ihrer genauen Spezifizierung noch zusätzliche Angaben wie zum Beispiel die relative Einschaltdauer, die zulässigen externen Massenträgheitsmomente, Einschaltzeiten usw. notwendig. Der weitaus größte Teil der Motoren wird für die Betriebsart S1 hergestellt. Bei diesen Maschinen erfolgt keine Angabe der Betriebsart auf dem Leistungsschild. S1-Motoren stehen in genormten Baureihen (IEC-Normmotoren) für ein großes Leistungs- und Drehzahlspektrum zur Verfügung. Aufgrund dieser Tatsache werden sie auch häufig in anderen Betriebsarten eingesetzt. Grundsätzlich lässt sich jede beliebige Betriebsart auf einen äquivalenten Dauerbetrieb zurückführen (siehe auch Abschnitt 12.5).

Dabei kann man Folgendes feststellen:
• Dem für S1-Betrieb bemessenen Motor kann bei Einsatz in anderen Betriebsarten mehr Leistung abverlangt werden. Die trifft bei Verwendung in den Betriebsarten S2, S3 und S6 zu. Es handelt sich dabei um Lastspiele, bei denen der Anlauf und das elektrische Bremsen keine Rolle für die Erwärmung des Motors spielen.
• Die Leistung eines S1-Motors muss beim Einsatz in anderen Betriebsarten vermindert werden. Dies trifft beim Einsatz in den Betriebsarten S4, S5, S7, S8 und S9 zu. Dort haben der Anlauf und/oder die elektrische Bremsung sowie hohe Überlast Einfluss auf das Erwärmungsverhalten des Motors.

Nachfolgend sind die in EN 60 034-1 festgelegten Betriebsarten für elektrische Maschinen kurz aufgelistet. Für eine ausführliche Beschreibung sei an dieser Stelle auf die Norm verwiesen.

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