Elektrische Antriebe (EAM-EA-V)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Electrical Drives)

Lehrveranstaltungen:

• • Elektrische Antriebe
    (Vorlesung, 2 SWS, Jens Igney, Do, 12:15 - 13:45, H6; Erste Vorlesung: Do. 21.10. um 10:15 Uhr im H5; Weitere Informationen finden Sie im StudOn-Kurs: https://www.studon.fau.de/crs3257138.html)
  • Übungen zu Elektrische Antriebe
    (Übung, 2 SWS, Marco Eckstein, Do, 10:15 - 11:45, H5; In Präsenz – Weitere Informationen finden Sie im StudOn-Kurs: https://www.studon.fau.de/crs588630_join.html)

Inhalt:

Elektrische Antriebe
Einleitung: Generelle Aspekte, Folgerungen für die Vorlesung Elektrische Antriebstechnik, Blockschaltbild eines Drehstromantriebssystems
Grundlagen: Motor und Lastmaschine, Rechnen mit normierten Größen, Übersicht der elektrischen Antriebe
Stromrichter für Gleichstromantriebe: Stromrichter für Antriebe an Gleichstromquellen, Stromrichter für Antriebe am Drehstromnetz

Stromrichter für Drehstromantriebe: Übersicht, Stromrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis, IGBT und Elko

Digitale Steuerung und Regelung (Hardware): Blockschaltbild, Microcontroller, PLD, FPGA, ASIC, Zeitscheiben und Interrupt, Abtastung
Drehzahl- und Positionsgeber: Analogtacho, Impulsgeber, Resolver

Steuerung und Regelung: Übersicht, Regelung von Gleichstromantrieben, U/F-Steuerung für Drehstromantriebe, Feldorientierte Regelung allgemein, Feldorientierte Regelung für Antriebe mit Asynchronmaschinen

Mechatronische Antriebssysteme: Motivation und Beispiele, Probleme durch Kombination/Integration

Electrical Drives
Introduction: General aspects, Conclusions for the lecture Electrical Drives, Block diagram of an electrical drive system
Basics: Motor and mechanical load, Calculation with per unit values, Overview of electrical drive systems

Converters for DC-drives: Converters for DC-drives at DC-sources, Converters for DC-drives at three-phase mains
Converters for three-phase AC-drives: Overview, Converters with DC-link intermediate voltage, IGBT and Electrolytic Capacitor
Digital control (Hardware): Block diagram, Microcontroller, PLD, FPGA, ASIC, Time slot and interrupt, Sampling

Speed and Position Sensors: Analog tachometer, Incremental encoder, Resolver
Control: Overview, Closed loop control of DC-Drives, V/F-open loop control of AC-Drives, General aspects of Field-oriented closed loop Control, Field-oriented closed loop control of induction motor drives
Mechatronical drive systems: Motivation and examples, Problems because of combination/integration

Lernziele und Kompetenzen:

Ziel

Die Studierenden sind in der Lage Baugruppen antriebstechnischer Systeme von der Mechanik über die Motoren und leistungselektronischer Stellglieder bis zu übergeordneten Regelkreisen zu benennen und ihren Wirkzusammenhang zu beschreiben, sowie Teilprobleme unter vereinfachten Rahmenbedingungen zu analysieren und zu berechnen und geeignete Antriebslösungen für antriebstechnische Aufgabenstellungen zu erstellen.

Lernziele

Mechanik: Die Studierenden erkennen antriebstechnische Systeme und zerlegen sie in Arbeits- und Lastmaschine. Sie analysieren antriebstechnische Probleme und erhalten Parameter anhand derer sie Beschleunigungsvorgänge und Drehmomentbelastung der elektrischen Maschinen überprüfen.

Netzgeführte Stromrichter:
Die Studierenden beschreiben den Aufbau und Funktionsweise der Diode und des Thyristors. Sie fertigen Schaltbilder verschiedener Stromrichter an und untersuchen und bewerten die Stromoberschwingungen mit denen sie das Versorgungsnetz belasten. Sie zeichnen Spannungs- und Stromzeitverläufe stationärer Betriebspunkte und berechnen deren Parameter.

Selbstgeführter Stromrichter:
Die Studierenden erstellen Spannungs- und Stromzeitverläufe von Antrieben mit Gleichstromsteller und Gleichstrommaschine für verschiedene Betriebspunkte und berechnen deren Parameter. Die Studierenden beurteilen den Einsatz selbstgeführter Stromrichter in Kombination mit Drehfeldmaschinen im Vergleich zu Gleichstromantrieben. Die Studierenden berechnen Pulsmuster von Raumzeigermodulation und Sinus-Dreieck-Modulation und zeichnen anhand derer Spannungszeitverläufe. Die Studierenden beschreiben Aufbau und Funktionsweise des IGBT und skizzieren dessen Treiberschaltung. Sie entnehmen Datenblättern relevante Parameter von IGBT, Freilaufdiode und Elektrolytkondensator. Die Studierenden unterscheiden verschiedene netz- und selbstgeführte Varianten des Einspeisestromrichters und entwickeln ausgehend von einer Antriebsaufgabe ein Umrichter-Gesamtsystem aus geeigneten Teilsystemen.

Steuerung und Regelung: Die Studierenden erstellen das Blockschaltbild der Kaskadenregelung einer Gleichstrommaschine, der U/f-Steuerung und der feldorientierten Steuerung, konzipieren die Parameter der regelungstechnischen Blöcke und berechnen Parameter der Signale. Die Studierenden berechnen Steuerbereiche, Zeitverläufe und Raumzeiger-Ortskurven.

Digitale Regelung: Die Studierenden identifizieren die Baugruppen der Regelung in Abbildungen der gegenständlichen Hardware. Sie erstellen Blockschaltbilder für die Signalwege der digitalen Regelung und wählen hierfür abhängig von der antriebstechnischen Aufgabenstellung die geeigneten Bauteile und Baugruppen (Microcontroller, DSP, programmierbare Logik), deren Eigenschaften und jeweiligen Vorzüge sie gegeneinander abwägen. Sie unterscheiden Vorfilter, Abtast-Halte-Glied und Analog-Digital-Umsetzer.

Drehzahl- und Positionsgeber:
Die Studierenden erstellen Schaltbilder für Signalwege verschiedener Geber abhängig von der Antriebsaufgabe. Sie erklären den Signalweg und berechnen das Signal für einfache Beispiele.

The knowledge based on the lecture „Basics of Electrical Drives“ should be deepened and improved in the region of the converters for DC-Drives and AC-drives with DC-voltage link. The field-orientated closed-loop control should be introduced illustrated by the induction motor and the components necessary for that as digital hardware and speed and position sensors should be treated. The new knowledge could be used for mechatronical drive systems.

Literatur:

Skript
script accompanying the lecture

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
Das Modul ist im Kontext der folgenden Studienfächer/Vertiefungsrichtungen verwendbar:

1. Maschinenbau (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2007 | TechFak | Maschinenbau (Bachelor of Science) | Wahlpflichtmodule | 1.-4. Wahlpflichtmodul | Elektrische Antriebe)
2. Maschinenbau (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2009s | TechFak | Maschinenbau (Bachelor of Science) | Maschinenbau | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | Wahlpflichtmodule | Elektrische Antriebe)
3. Maschinenbau (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2009w | TechFak | Maschinenbau (Bachelor of Science) | Maschinenbau | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | Wahlpflichtmodule | Elektrische Antriebe)
4. Maschinenbau (Master of Science)
   (Po-Vers. 2007 | TechFak | Maschinenbau (Master of Science) | Studienrichtungen Allgemeiner Maschinenbau, Fertigungstechnik, und Rechnergestützte Produktentwicklung | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | 1.-5. Wahlpflichtmodul | Wahlpflichtmodule | Elektrische Antriebe)
5. Mechatronik (Bachelor of Science): 6. Semester
   (Po-Vers. 2007 | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Mechatronik (Studienbeginn bis 30.09.2020) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule (aus Katalog) | Elektrische Antriebe)
6. Mechatronik (Bachelor of Science): 5-6. Semester
   (Po-Vers. 2009 | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Mechatronik (Studienbeginn bis 30.09.2020) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
7. Mechatronik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2020w | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2020) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
8. Mechatronik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2021w | TechFak | Mechatronik (Bachelor of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2021) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
9. Mechatronik (Master of Science): 1-3. Semester
   (Po-Vers. 2010 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule | Katalog | Elektrische Antriebe)
10. Mechatronik (Master of Science): 1-3. Semester
    (Po-Vers. 2010 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Gesamtkonto | Vertiefungsrichtungen | Elektrische Antriebstechnik und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
11. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2012 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn bis 30.09.2020) | Gesamtkonto | M3 Technische Wahlmodule | Elektrische Antriebe)
12. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2012 | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn bis 30.09.2020) | Gesamtkonto | M1-M2 Vertiefungsrichtungen | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
13. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2020w | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2020) | Gesamtkonto | M1-M2 Vertiefungsrichtungen | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
14. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2020w | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2020) | Gesamtkonto | M3 Technische Wahlmodule | Elektrische Antriebe)
15. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2021w | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2021) | Gesamtkonto | M1-M2 Vertiefungsrichtungen | 3 Elektrische Antriebe und Leistungselektronik | Elektrische Antriebe)
16. Mechatronik (Master of Science)
    (Po-Vers. 2021w | TechFak | Mechatronik (Master of Science) | Mechatronik (Studienbeginn ab 01.10.2021) | Gesamtkonto | M3 Technische Wahlmodule | Elektrische Antriebe)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Elektrische Antriebe (Prüfungsnummer: 50901)

(englischer Titel: Electrical Drives)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: WS 2021/2022, 1. Wdh.: SS 2022, 2. Wdh.: keine Wiederholung

1. Prüfer:

Jens Igney

Termin: 14.04.2022, 11:00 Uhr, Ort: H 7 TechF
Termin: 10.10.2022
Termin: 10.10.2022