EBOOK - Electrical Drives - Principles Planning Applications Solutions - Full Edition (Jens Weidauer) | Cộng đồng Kỹ thuật cơ điện Việt Nam EBOOKBKMT

Truyền động điện - Nguyên lý, Lập kế hoạch, Ứng dụng, Giải pháp (Jens Weidauer)

Electrical drives are the most important source of mechanical energy in machines and industrial plant. In our modern world, they ensure that motion can take place, and that transport and manufacturing processes are possible at all. Although the technical field of electrical drives is over 100 years old, today it is more dynamic and diverse than ever.
It starts with the electric motors themselves, the heart of all electrical drives. Today, they are not only available in the widest range of designs and power classes – from standard motors for direct-on-line operation to highly-efficient servo motors – but they also distinguish themselves through their ever more ingenious design principles and use of novel materials. Smaller, lighter, and more efficient electric motors give designers new degrees of freedom, pushing ahead the development of machines, plant equipment, and electrical vehicles.

Drive controllers are also becoming more powerful and smaller due to fast, low-loss switching power semiconductors, faster microprocessors, as well as modern manufacturing technologies. In combination with innovative electrical motors, the torque, speed, and position of electrical drives can today, at any given time, be set exactly as required by the manufacturing or transport process. In many instances, the controller and electric motor are brought together and combined in one device. In particular, electromobility is driving the development of real mechatronic systems, in which gearbox, electric motor, and drive controller merge together to provide customised drive solutions.
As part of a modern automation solution, electrical drives must be universally coordinated. To enable this, they are equipped with communication interfaces as well as integrated control, safety, and diagnostic functions going well beyond those of the classic drive controller. These allow the planner to implement the required coordination functions centrally, distributed, or in the drive itself.
Through both technical advancements and increasingly finer adaptations for special requirements, the wealth of types of electrical drives will continue to increase. Good orientation in the world of electrical drives is therefore indispensable for both decision makers and designers. This book provides this. Both the principles as well as the application of electrical drives are presented systematically and clearly. This comprehensive overview will benefit the reader and provide added confidence when evaluating drive solutions.
Now in its third edition, this “standard work of electrical drives” will continue to broaden the knowledge of electrical drives, and for many technicians be a useful guide when designing efficient machines, plant equipment, and electrical vehicles.

Contents

1 Electrical drives at a glance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1 A short history of electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Design of modern electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Classification of electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Speed variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.2 Motor and controller types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.3 Technical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Mechanical principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Electrical principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1 Fields in electrical engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Developing torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Lorentz force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Current carrying loop in a magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.3 Induced voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.4 Quantities and equations of electrical engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.5 Components of electrical engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Fixed-speed and variable-speed drives with DC motors . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1 DC drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
4.2 The DC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.1 Operating principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2 Construction and electrical connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 DC motor maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.4 Mathematical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.5 Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Fixed-speed drives using DC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.1 Design and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.2 Shunt-wound characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.3 Series-wound characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Variable-speed drives using DC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.1 Design and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2 Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.3 Speed encoders for DC drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.4 Control structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Contents
7
5 Fixed-speed and variable-speed drives with asynchronous motors. . . 64
5.1 Drives with asynchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 The asynchronous motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.1 Functional principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.2 Construction and electrical connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.3 Mathematical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.4 Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Fixed-speed drives using asynchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.1 Design and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.2 Starting an asynchronous motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.3 Stopping an asynchronous motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Variable-speed drives with asynchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Design and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.2 Changing the speed using contactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.3 Speed changing using frequency converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.4 V/f control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.5 Vector-control operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.6 Speed encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5 Modern frequency converter functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.5.2 Power options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.5.3 Electronic options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.5.4 Process interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5.5 User interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5.6 Open-loop and closed-loop functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6Servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1 Design and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2 Classification of servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.1 Control functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.2 Motor types, types of amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.3 Technical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3 Speed and position encoders for servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.1 Classification and characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.2 Commutation encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.3.3 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3.4 Sine/cosine encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.5 Absolute encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.4 Servo drives using DC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.4.1 Design and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.4.2 DC motors for servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.4.3 Controllers for servo drives using DC motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.4.4 Control scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.5 Servo drives with brushless DC motors (block commutation) . . . . . . . . . . . . . 146
6.5.1 Design and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.5.2 The brushless DC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.5.3 Frequency converters for servo drives with brushless DC motors . . . . . . . 149
6.5.4 Control scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Contents
8
6.6 Servo drives using synchronous motors (sinusoidal commutation) . . . . . . . . 152
6.6.1 Design and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.6.2 The synchronous motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.6.3 Frequency converters for servo drives with synchronous motors . . . . . . . 155
6.6.4 Control scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.7 Servo drives with asynchronous motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.8 Direct drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.8.1 Designs and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.8.2 Linear motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.8.3 Torque motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.9 Control of and tuning servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.9.1 General quality criteria for evaluating control loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.9.2 Servo drive control loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.9.3 Tuning the current control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.9.4 Tuning the speed control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.9.5 Tuning the position control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.10 Functions of modern servo amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.10.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.10.2 Power options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.10.3 Electronic options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.10.4 Process interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.10.5 User interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.10.6 Closed-loop and open-loop control functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7 Stepper drives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.1 Designs and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2 Classification of stepper drives based upon motor type . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3 Technical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4 The stepper motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.2 Permanent magnet stepper motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.3 Hybrid stepper motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.5 Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.6 Control characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8 Electrical drive systems at a glance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.1 From drive to drive system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.2 Classification of electrical drive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.2.1 Components in a drive system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.2.2 Functionality of drive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.2.3 Information flow in drive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2.4 Energy flow between drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.2.5 Electromagnetic interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.3 Planning of electrical drives as a system task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Contents
9
9 Fieldbuses for electrical drives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.1 Motivation and functional principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.2 Overview of fieldbuses in common use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.3 AS-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.3.2 Topology, wiring, physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.3.3 Access method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.4 CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.4.2 Topology, wiring, physical interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.4.3 Access method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9.4.4 Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.5 PROFIBUS DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.5.2 Topology, wiring, physical interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.5.3 Access method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.5.4 PROFIBUS DP-V2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.5.5 Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.6 PROFINET I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.6.2 Topology, wiring, physical interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.6.3 Access method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.6.4 Device descriptions for engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10 Process control with electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.1 Definition of terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.2 Process control with single drive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.2.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.2.2 Example: Level control with a fixed-speed drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.2.3 Example: Pressure control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.2.4 Example: Elevator drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
10.3 Process control with multi-drive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.3.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.3.2 Example: Carriage with mechanically coupled drives . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.3.3 Example: Coating line with tension and winding drives . . . . . . . . . . . . . . 251
10.4 Drives with integrated technology functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11 Motion control with electrical drives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.1 Definition of terms and functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.2 Representing and processing position information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
11.3 Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.3.1 Applications and fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.3.2 Positioning controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
11.3.3 Machine data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.3.4 Position detection, position processing and referencing . . . . . . . . . . . . . . 275
Contents
10
11.4 Synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.4.1 Applications and principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.4.2 Synchronisation control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.4.3 Machine data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.5 Motion control with PLCopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.6 Safety functions in electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.6.1 Applications and principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.6.2 Safe stop functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
11.6.3 Safe movement functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.6.4 Safe fieldbuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
12 EMC and electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.1.1 Background and definition of terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.1.2 EMC interference model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.1.3 Coupling mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
12.1.4 Mathematical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
12.2 Electrical drives as a source of interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12.2.1 Galvanic disturbances generated by converter-fed DC drives,
countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12.2.2 Galvanic disturbances generated by DC-link converters,
countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.2.3 Galvanic interference generated by the inverter, countermeasures . . . . 319
12.2.4 Radiated interference due to the inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.2.5 Radiated interference arising from digital drives, countermeasures . . . 327
12.3 Electrical drives as susceptible devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.2 Galvanic interference, countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.3 Capacitive interference, countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
12.3.4 Inductive interference, countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
12.4 EMC guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
13 Planning electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.2 Selecting the drive type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
13.3 Selecting the motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.3.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.3.2 Taking a gearbox into consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
13.3.3 Sizing the motor using mechanical parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
13.3.4 Thermal sizing of the motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
13.3.5 Constructional motor selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
13.3.6 Selecting the encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.4 Sizing the converter for variable-speed and servo drives . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.4.1 Electrical sizing of the converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Contents
11
13.4.2 Thermal sizing of the converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.4.3 Thermal sizing of the supply infeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.4.4 Sizing the supply infeed based on the DC link capacitance . . . . . . . . . . . . 373
13.4.5 Sizing the braking chopper and braking resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
13.4.6 Selecting the power options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.4.7 Electronic options, accessories, connecting cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.5 Planning example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13.5.1 Application data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13.5.2 Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14 Troubleshooting electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.1 Avoiding faults and troubleshooting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.2 Possible faults and errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
14.2.1 Motor faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
14.2.2 Encoder faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.2.3 Faults in the controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
14.2.4 Supply faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.2.5 Communication errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
14.2.6 EMC problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.2.7 Planning errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
14.2.8 Parameter setting errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
14.3 Fault indication .

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