Elektrische Antriebstechnik I - Cheatsheet

Physikalische Prinzipien elektrischer Antriebe

Definition:

Physikalische Prinzipien elektrischer Antriebe basieren auf der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie mithilfe elektromagnetischer Effekte.

Details:

• Heinrich-Hertz-Gesetz: \( U = R \cdot I \)
• Induktionsgesetz: \( \epsilon = -\frac{d\Phi}{dt} \)
• Stromkreis: Kirchhoffschen Regeln (Knotenregel und Maschenregel)
• Drehmoment: \( M = k_m \cdot I \)
• Leistung: \( P = U \cdot I \)
• Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter: Anwendungen in verschiedenen industriellen Prozessen
• Verlustmechanismen: Kupferverluste, Eisenverluste, mechanische Verluste

Wechselwirkungen zwischen mechanischen und elektrischen Systemen

Definition:

Beschreibung der Interaktion zwischen mechanischen und elektrischen Komponenten in einem System, beispielsweise wie Elektrizität mechanische Bewegung erzeugt und umgekehrt.

Details:

• Elektromotoren: Wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um
• Generatoren: Wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um
• Gleichungen der Leistung: \( P = U \times I \)
• Effizienz: Verhältnis von Output zu Input, oft in Prozent
• Rückwirkung von mechanischer Belastung auf den elektrischen Strom
• Drehmoment (\tau): \( \tau = F \times r \)
• Newton'sche Gesetze und Kirchhoff'sche Gesetze als Grundlagen

Arten von Halbleiterbauelementen: Dioden, Transistoren, Thyristoren

Definition:

Verschiedene Halbleiterbauelemente einschließlich Dioden, Transistoren und Thyristoren, die in elektrischen Antriebssystemen verwendet werden.

Details:

• Dioden: Bauelemente, die Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Wichtige Parameter: Sperrspannung, Durchlassstrom.
• Gleichrichterdiode: Wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.
• Z-Diode: Spannungsstabilisierung durch Zener-Effekt.
• Transistoren: Halbleiterschalter und Verstärker. Zwei Haupttypen: Bipolartransistor (BJT) und Feldeffekttransistor (FET).
• BJT: NPN oder PNP, Stromverstärkung durch Basis-Emitter-Strom.
• FET: Spannungsgesteuert (z.B. MOSFET), verwendet im Schaltbetrieb und als Verstärker.
• Thyristoren: Kontrollierte Halbleiterschalter; behalten Einschaltzustand bei, bis der Strom unter einen bestimmten Wert fällt. Typ: SCR (Silicon Controlled Rectifier), wird durch Gate-Signal ausgelöst.

Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung

Definition:

Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung referenziert die Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeit und des Drehmoments eines elektrischen Antriebsmotors.

Details:

• Geschwindigkeitssteuerung: Ziel ist es, die Drehzahl des Motors auf einen gewünschten Wert \( \text{n}_{\text{Soll}} \) zu regeln.
• Drehmomentsteuerung: Hier wird das Drehmoment \( T \) des Motors gezielt geregelt, um eine bestimmte Last zu bewegen.
• Typische Regelstrategien: PID-Regler, Vektorregelung (u.a. Feldorientierte Regelung (FOR)).
• Mathematische Modelle des Motors notwendig für präzise Regelung.
• Umsetzung in der Praxis: Einsatz von Sensoren (Encoder, Drehmomentsensoren), Umrichtersteuerungen.

Verlustmechanismen und Schutzmaßnahmen in Halbleiterbauelementen

Definition:

Verluste in Halbleitern durch Schalt- und Leitungsverluste; Schutzmaßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Details:

• Schaltverluste: Energieverluste bei jedem Schaltvorgang \[ P_{sw} = \frac{1}{2} V_{GE} I_{c} t_{on} f_{sw} \]
• Leitungsverluste: \[ P_{on} = I_{c}^2 R_{on} \]
• Thermisches Management: Kühlkörper, aktive Kühlung
• Snubber-Schaltungen: Begrenzung von Überspannungen
• Zenerdioden und TVS-Dioden: Schutz vor transienten Spannungen
• Gate-Treiber: Optimierung der Schaltgeschwindigkeit

Energieeffiziente Schalttechniken

Definition:

Energieeffiziente Schalttechniken minimieren Leistungsverluste in elektrischen Antrieben durch optimierte Steuerungsstrategien und Schaltelemente.

Details:

• Verwendung von Soft-Switching-Techniken zur Reduktion von Schaltverlusten
• DC-DC-Wandler und verlustarme Transistoren (z.B. MOSFETs, IGBTs)
• Phasenanschnittsteuerung und Pulsweitenmodulation (PWM) zur effizienten Motorsteuerung
• Reduktion von Oberwellen und harmonischen Verzerrungen
• Wärmemanagement zur Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten

Sensorlose Regelungsverfahren

Definition:

Regelungsverfahren für elektrische Antriebe ohne physische Sensoren zur Erfassung rotorbezogener Größen

Details:

• Drehzahl- und Positionsbestimmung durch Beobachter oder Beobachtungsalgorithmen
• Verfahren: EMK-Beobachter, Kalman-Filter, Modellbasierte Ansätze
• Vorteile: Kostenreduktion, erhöhte Zuverlässigkeit
• Nachteile: Erhöhte Komplexität, mögliche eingeschränkte Genauigkeit bei niedrigen Drehzahlen
• Beispielgleichung: Zustandsschätzung \(\frac{dx}{dt} = Ax + Bu + w\), \(y = Cx + Du + v\)

Fortgeschrittene Antriebskonzepte im Automobilbereich

Definition:

Fortschrittliche Antriebskonzepte wie Hybrid, Plug-in-Hybrid, vollelektrische Antriebe und Brennstoffzellen.

Details:

• Hybridantriebe: Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor
• Plug-in-Hybrid: Erweiterung des Hybridantriebs mit der Möglichkeit, die Batterie extern zu laden
• Elektrische Antriebe: Nutzung von Elektromotoren, Antriebsbatterien und Leistungselektronik
• Brennstoffzellenantriebe: Energiewandlung durch Wasserstoff und Sauerstoff
• Wichtige Parameter: Effizienz, Reichweite, Ladezeit, Umweltfreundlichkeit