Elektroantrieb

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Einleitung

Elektroantrieb, regelbare elektrische Antriebe, sie dienen dazu, elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz in mechanische Energie für den Antrieb von Maschinen und Geräten (Arbeitsmaschinen) in Industrie, Gewerbe, Verkehr und Haushalt umzuwandeln. Verlangt werden einfacher, robuster Aufbau, gute dynamische Eigenschaften sowie hohe Belastbarkeit (Überlast), wobei alle Betriebszustände (Anlauf, Drehzahlregelung, Bremsen) erfasst werden müssen.

Daraus resultieren die Grundaufgaben der elektrischen Antriebstechnik:

• a) Umwandeln der elektrischen Energie in mechanische Energie zur Durchführung des technologischen Prozesses mit möglichst geringen Verlusten;
• b) Bereitstellen der Kräfte bzw. Drehmomente und Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeiten und Drehzahlen nach den Erfordernissen des technologischen Prozesses;
• c) Erfassen und Verarbeiten aller Informationen, damit dem technologischen Prozess die mechanische Leistung gemäß seinem Bedarf zugeführt wird.

Zur elektromechanischen Energieumwandlung werden hauptsächlich rotierende Maschinen und zur Drehzahlanpassung verschiedene Getriebe herangezogen; diese bilden mit der Arbeitsmaschine ein Antriebssystem, das als Steuer- oder Regelkreis geschaltet ist:

Die Hauptelemente bilden Elektromotoren – diese sind die Regelstrecke im Regelkreis – und Stromrichter, das sind die Leistungsteile aus Thyristoren und Transistoren zur Energieversorgung der Motoren mit den Ansteuer-Stromkreisen und den Drehzahlreglern und Strombegrenzern.

Waren zuerst die Dampf- und Wasserkraftmaschinen die wichtigsten Motoren für die Arbeitsmaschinen der Industrie, so begann sie der Elektromotor gegen Ende des 19. Jahrhunderts zu verdrängen; in einem Rationalisierungsschub um 1880 wurden mechanische und hydraulische Steuerungssysteme durch elektrische mit stromrichtergespeisten Servoantrieben ersetzt, wobei die zunehmende Automatisierung der Prozesse zur Entwicklung der Servoantriebe mit Lageregelung und Nachführeinrichtungen von höchster Präzision und Dynamik führte.

So drang die Steuerungs- und Regelungstechnik in die elektrische Antriebstechnik ein – besonders auch in den Werkzeugmaschinenbau, wo voneinander unabhängige Antriebe mit weiten Drehzahlstellbereichen erforderlich sind und wo früher ein Zentralantrieb oder gar manuelle Betätigung den Antrieb lieferten.

Die Entwicklung wurde gerätetechnisch ermöglicht durch die Erfindung der Transistoren und Thyristoren mit der zugehörigen Schaltungstechnik, für die sich die Bezeichnung Leistungselektronik eingebürgert hat. Durch sie wurde der Einsatz der robusten Asynchron- und Synchronmotoren in geregelten Antrieben möglich, die nun von Stromrichterschaltungen mit variabler Frequenz gespeist werden.

Servoantriebe werden im Gegensatz zu den Produktionsantrieben nicht durchlaufend gefahren, sondern kurzzeitig mit Unterbrechungen zur Einstellung irgendwelcher Positionen von mechanischen Betätigungsorganen, z. B. von Ventilen in der chemischen Verfahrenstechnik oder Positionen der Werkzeuge bei Werkzeugmaschinen.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Elektroantriebe ist die Verkehrstechnik; hier werden in den Hybridantrieben neben dem klassischen Energiespeicher (Kraftstofftank) mit dem dazugehörigen Energie- und Kennungswandler (Verbrennungskraftmaschine und Getriebe) noch ein zusätzlicher regenerativer Energiespeicher mit dem dazu passenden Energie- und Kennungswandler eingebaut.

Solche Hybridantriebe haben also mehrere parallele Antriebsmaschinen und mehrere parallel geschaltete Getriebe, die gemeinsam betrieben werden und Energie beim Bremsen oder bei Fahrt im Gefälle rückgewinnen können, wobei die gewonnene Energie während der anschließenden Beschleunigungsfahrt wieder abgegeben wird. Wichtig ist, dass trotz unterschiedlichen Antriebsmaschinen (Verbrennungskraftmaschine, Elektromotor) die Zugkraft kontinuierlich aufrechterhalten wird.

Im System der regelbaren elektrischen Antriebe bilden Arbeitsmaschinen und Elektromotoren die wichtigsten Komponenten. Bei den Elektromotoren stehen die drei Grundtypen Gleichstrommotor, Asynchronmotor und Synchronmotor zur Auswahl; von diesen bietet der Gleichstrommotor hinsichtlich der Regelbarkeit die günstigsten Eigenschaften. Durch Fortschritte in der Leistungselektronik haben auch die Wechsel- und Drehstrommotoren Bedeutung für geregelte Antriebe erlangt.

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Gleichstrommotoren

Der Gleichstrommotor hat gegenüber den anderen Motortypen den großen Vorteil einer einfachen Drehzahlregelung, als Nachteil aber die mechanische Empfindlichkeit des Kollektors und die Kosten seiner Wartung (Bürsten und Kommutator). Auch das Stabilitätsverhalten ist günstig, weil selbsterregte Schwankungen entfallen, die sonst beim Betrieb mit dem Wechselstromnetz auftreten können.

Die Beeinflussung der Drehzahl kann über die angelegte Spannung und über die Erregung des Motors erfolgen, damit ist auch elektrisches Bremsen möglich, entweder Nutzbremsung oder Widerstandsbremsung, je nachdem, ob die Speiseeinrichtung den negativen Strom führen kann.

Bei konstanter Erregung ist die stationäre Drehzahl des Motors der angelegten Ankerspannung proportional, aber der ausnutzbare Drehzahlstellbereich ist nach unten begrenzt, wenn der Motor nicht mehr ruhig und gleichmäßig läuft.

Die zweite Möglichkeit zur Drehzahlsteuerung besteht in der Beeinflussung der Feldspannung, wobei mit kleiner werdender Erregung die Drehzahl des Motors wächst.

Von dieser Möglichkeit macht man Gebrauch, wenn eine Anzahl von Motoren mit unterschiedlichen Drehzahlen an einer gemeinsamen Speisequelle für die Ankerspannung betrieben werden soll. Derartige Antriebsaufgaben kommen bei Papiermaschinen, Kalandern (siehe Kautschuk: Kalandrieren) oder in der Textilindustrie vor, wo die einzelnen Antriebe über das Arbeitsgut miteinander verknüpft sind und ihre Drehzahlen in einer bestimmten Relation stehen müssen. In diesem Fall wird die Ankerspannung aller Motoren von einer gemeinsamen Sammelschiene geliefert, die wiederum von einem gesteuerten Stromrichter gespeist wird, der für die Einstellung des allgemeinen Drehzahlniveaus benützt wird. Die Regelung der verschiedenen Motordrehzahlen erfolgt über die jeweiligen Erregerfelder.

Am häufigsten ist der Gleichstrom-Nebenschlussmotor, weil Anker und Feldwicklung unabhängig voneinander angesteuert werden können. Beim Reihenschlussmotor werden Feldwicklung und Anker vom Motorstrom durchflossen, was eine starke Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung bewirkt.

So ist für die geregelten Antriebe der Werkzeugmaschinen der Gleichstrom-Nebenschlussmotor der am besten geeignete Servomotor; zu seiner Drehzahlsteifigkeit kommt noch hinzu, dass durch entsprechende Stromrichtergeräte die Drehzahl in weitem Bereich verändert werden kann. Gleichstrom-Reihenschlussmotoren werden vor allem bei Hebezeugen und Fahrzeugantrieben eingesetzt.

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Asynchronmotoren

Die Asynchronmotoren sind die am häufigsten eingesetzten elektrischen Maschinen überhaupt. In ihnen werden die Erscheinungen des magnetischen Drehfelds ausgenutzt, dessen Amplitude der angelegten Speisespannung proportional ist; die Spannungen und Ströme im Läufer werden durch das Drehfeld induziert, daher wird die Maschine auch als Induktionsmaschine bezeichnet.

Das Wirkungsprinzip hat einen sehr einfachen, robusten und preiswerten Aufbau der Maschine zur Folge; ein wesentlicher Nachteil ist allerdings die starke Gebundenheit an die durch die Speisefrequenz festgelegte synchrone Drehzahl, aber mit modernen Transistor- und Thyristorschaltungen sind Stellglieder auf dem Markt, welche aus der 50-Hertz-Spannung des Versorgungsnetzes eine kontinuierlich veränderbare Frequenz und Amplitude der Motor-Speisespannung zur Anpassung an die Arbeitsmaschine ermöglichen.

Die Läuferwicklung besteht im einfachsten Fall aus einem Kupfer- oder Aluminiumkäfig (Käfig- oder Kurzschluss-Läufermotor) oder aus einer Drehstromwicklung, die in Stern- oder Dreiecksform geschaltet ist und deren drei Anschlüsse über Schleifringe nach außen geführt sind (Schleifring-Läufermotor); hierdurch kann man durch Zu- oder Abschalten von Widerständen – allerdings verlustbehaftet – die Drehzahl beeinflussen. Man kann so auch weitere Einrichtungen an den Läufer von Asynchronmaschinen anschließen und den Motor hinsichtlich des Drehmoments und der Drehzahl beeinflussen (Kaskadenschaltungen).

Der Asynchronmotor nimmt selbst bei idealem Leerlauf einen Strom aus dem speisenden Netz auf, der circa 30 Prozent seines Nennstroms beträgt. Dies ist ein Magnetisierungsstrom, der zum Aufbau des Drehfelds dient. Der erforderliche Magnetisierungsstrom ist daher der Größe des Luftspalts proportional; aus diesem Grunde ist man bestrebt, den Luftspalt bei Asynchronmotoren möglichst klein zu halten, was eine gewisse Präzision bei der Motorenfabrikation erfordert.

Asynchronmotoren mit Schleifringläufer werden für Elektroantriebe eingesetzt, die unter robusten Betriebsbedingungen gute Anlaufeigenschaften und im Bremsbetrieb hohe Bremsmomente aufweisen müssen, z. B. als Hüttenwerks- und Zementmühlenmotoren.

Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufer sind die billigsten Motoren und für alle Anwendungsgebiete geeignet, bei denen ein robuster und nur auf eine Drehzahl beschränkter Betrieb ohne große Anforderungen an die Drehzahlgenauigkeit vorliegt, z. B. bei Antrieben von Zentrifugen, Kreiselpumpen, Verdichtern u. a.

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Synchronmotoren

Der Synchronmotor besitzt wie der Asynchronmotor im Ständer eine vom Netz gespeiste Ständerwicklung, die das Drehfeld erzeugt. Der in diesem Drehfeld umlaufende Läufer besteht hier jedoch aus einem über Schleifringe mit Gleichstrom gespeisten Magnet-Polpaar-System, das magnetisch vom Drehfeld mitgenommen wird: Die Drehzahl des Motors ist also starr, d. h. ohne Schlupf, an die Frequenz des speisenden Netzes gebunden mit der Folge, dass er bei Überlastung oder Störung aus dem Tritt fällt.

Zum Anlauf wird der Synchronmotor entweder durch einen Anwurfmotor auf die synchrone Drehzahl hochgefahren oder durch einen Dämpferkäfig im Läufer asynchron angefahren und bei circa 95 Prozent der Drehzahl durch Zuschalten der Gleichstromerregung ruckartig in den Synchronismus gezogen.

Beim Synchronmotor wird die zum Aufbau des Drehfelds erforderliche Erregung vom Läufer her aufgebracht. Dies führt zu folgenden Vorteilen in der Anwendung:

• a) Er benötigt keinen Magnetisierungsstrom aus dem Netz, er kann im Gegenteil durch Übererregung zusätzlich noch Blindleistung – z. B. für andere Asynchronmaschinen – liefern und so den Leistungsfaktor der Gesamtanlage verbessern.
• b) Der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer kann größer sein als beim Asynchronmotor, er ist also in dieser Hinsicht robuster und einfacher aufgebaut.
• c) Er ist gegen Spannungsabsenkungen im speisenden Netz weniger empfindlich, da sein Drehmoment nur proportional mit der Spannung abnimmt, während es beim Asynchronmotor quadratisch sinkt.

Synchronmotoren sind meist Einzelmaschinen für dauernd laufende Antriebe großer Leistungen (bei Zementmühlen, rotierenden Umformern und dergleichen bis zu 20 Megawatt) oder für Kleinstantriebe in der Zeitmess- und Phono-technik.