Die elektrische Maschine als Aktor

Transkript

1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Die elektrische Maschine als Aktor Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Struktur einer Antriebsregelung

3 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Die elektrische Maschine als Aktor elektrische (Synchron-)Maschine

4 Krafterzeugung durch elektrische Energie Die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie oder umgekehrt richtet sich nach den Maxwell schen Gleichungen 1. Durchflutungsgesetz (Ampère s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell) 2. Induktionsgesetz (Faraday s Gesetz) die Lorentz-Kraft 3. Gesetz von Gauss (Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen) 4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder (es gibt keine magnetischen Monopole nur geschlossene magnetische Feldlinien)

5 die Lorentz-Kraft physikalische Grundlage Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

6 die Lorentz-Kraft physikalische Grundlage Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

7 Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen?!? I f B B die Argumente, die diesen Wechsel bei Industrieantrieben forcierten (Bürstenverschleiß, Wärmeentwicklung im Rotor, ), sind in Kfz-Anwendungen von untergeordneter Bedeutung Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

8 Synchronous Motor with Surface Mount Permanent Magnets in Kfz-Anwendungen werden bürstenlose Antriebe nur dann eingesetzt wenn der Kunde bereit ist, für die technischen Vorteile zu bezahlen (Baugröße, Gewicht )

9 Synchron-Servomotor mit Selten-Erd-Magneten

10 Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

11 Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine man muss sich natürlich fragen : hat meine Anwendung wirklich Vorteile durch den Feldschwächbereich? oder bin ich die Charakteristik wegen des Schaltgetriebes einfach nur gewöhnt? Grunddrehzahlbereich Feldschwächbereich

12 Auslegungskriterien für elektrische Motoren Drehmoment Dauermoment, Stillstandmoment Überlastverhalten (bei Servoantrieben liegt das Verhältnis Dauer-Drehmoment zu Maximal-Drehmoment zwischen 1:3 und 1:6) das Maximal-Drehmoment bestimmt die Baugröße!!! Drehzahl Stellbereich (Maximal-Drehzahl) Rundlaufeigenschaften bei kleinen Drehzahlen Leistungssteigerung über Drehzahlerhöhung möglich (ohne Vergrößerung des Motors!)

13 Baugrößen-/Gewichtsreduktion durch Einengung von Toleranzen Netz- bzw. Versorgungsspannung Toleranz in der Regel 10 % Gewinn im Nennstrom Antriebsmotor Drehmoment muss in jedem Fall (auch bei Minimalspannung) bereitgestellt werden der auszulegende Nennstrom ist entsprechend höher (Energieerhaltungssatz) der Motor muss größer (und schwerer!) ausgelegt werden Einengung der Spannungstoleranz durch geregelte Leistungselektronik Drehmoment kann problemlos (bei definierter Versorgungsspannung) bereitgestellt werden der auszulegende Nennstrom hat ebenfalls eingeengte Toleranz (Energieerhaltungssatz) der Motor muss nicht größer (und schwerer!) ausgelegt werden

14 Synchronmaschinen mit Permanentmagneterregung Feldschwächung Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt wegen des großen Luftspalts ist der zur Feldschwächung notwendige d-strom allerdings viel größer (!) als der Strom, der für elektrische Erregung notwendig wäre wenn jemand im Feldschwächbereich unerwartet den d-strom abschaltet (z. B. Not-Aus oder Defekt) entsteht an den Motorklemmen eine Spannung, die wesentlich größer ist als die Nennspannung

15 Synchronmaschinen mit Permanentmagneterregung Beispiel eines Motors Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

16 airgap diameter Comparison : Outer Rotor Inner Rotor smaller diameter rotor stator winding electrical excitation permanent magnet excitation Integration in die Anwendung (Lüfter, Pumpen) erhebliche Reduktion von Volumen und Masse möglich source: VENSYS Energiesysteme

17 Zahnspulenwicklung bei einer Außenläufer-Synchronmaschine hier können die gleichen Fertigungseinrichtungen wie bei der Herstellung von Gleichstrom-Ankern verwendet werden!!! sehr interessant für BOSCH Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

18 Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen

19 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Die elektrische Maschine als Aktor elektrische (Asynchron-)Maschine

20 Gleichstrom- und Drehstrommaschinen EC Motor/BLDC Motor Synchronmaschine Gleichstrommaschine Asynchron-maschine

21 Elektrisches Ersatzschaltbild Asynchronmaschine Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN

22 Stromortskurve der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN

23 Stromortskurve der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN

24 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN

25 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz

26 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit unterschiedlichen, aber konstanten Frequenzen und unterschiedlichen Spannungen (U/f = konstant)

27 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit unterschiedlichen, aber konstanten Frequenzen und konstanter Spannung (Feldschwächbereich)

28 Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren Motoren mit mechanischer Kraftübertragung bürstenbehaftete Motoren bürstenlose Motoren piezoelektrische Motoren Unipolarmotoren Gleichstrommotoren Drehfeldmotoren asynchron synchron Wanderwellenmotoren Ultraschallmotoren Feldwicklung Feldmagnete (Reihen-) Hauptschluss Schleifringläufer Nebenschluss Käfigläufer Reluktanz mit Feldwicklung Permanentmagnet Transversalfluss Doppelschluss frequenzgesteuert feldorientiert Synchron- Reluktanz Geschaltete Reluktanz Schrittmotoren trapezförmige EMK sinusförmige EMK vergrabene Magnete Oberflächenmagnete

29 Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen DC SM ASM Vorteile - einfach zu regeln - Innenbelüftung einfach zu realisieren - hohe Schutzart - geringer Raumbedarf - Wartungsfreiheit - niedriges Eigenträgheitsmoment - hohes Stillstands- Drehmoment - hohe Dynamik - Verlustleistung im Stator - hohe Schutzart - Wartungsfreiheit - hohe Überlastbarkeit - niedrige Kosten - hohes Stillstands- Drehmoment - großer Drehzahlstellbereich Nachteile - niedrige Schutzart - mechanischer Verschleiß (Bürsten, Kollektor) - Strombegrenzung - Stillstand (Kollektor-Lamellen) - hohe Drehzahl (Kommutierung) - max. Klemmenspannung von 200 V (Trafo notwendig) - Verlustleistung im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohe Kosten - eingeschränkter Drehzahlbereich - eingeschränkte Überlastbarkeit (Entmagnetisierungsgefahr) - Oberschwingungs- Verluste vorwiegend im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohes Trägheitsmoment - Feldstrom erforderlich (Verluste, Bauvolumen, größerer Umrichter) - komplexe Regelung - parameterabhängige Regelung

30 historische Entwicklung bei industriellen Antrieben wer das Ergebnis voraussah und diesen Weg wählte, war pleite, bevor es soweit kam

31 künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben??? bis 2000 seit 2000 ab 20xx?

32 Ausführungsformen Zylinderläufer das ist normal wegen des Kommutators wäre diese Ausführung als Gleichstrommaschine nicht einfach zu realisieren Scheibenläufer Glockenläufer

33 Ausführungsformen

34 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Die elektrische Maschine als Aktor Getriebe

35 Mechanische Kopplung Zahnstange Spindel Zahnriemen Getriebe Kette

36 Abtrieb : 100 Nm bei 100 min -1 mit Getriebe (ü = 10 : 1) Auslegung von Getrieben Wechselwirkung mit Motorgröße bei Auslegung als Direktantrieb (ohne Getriebe) bestimmt das Drehmoment die Baugröße des Motors wird ein Motor mit folgenden Daten benötigt: 10 Nm bei 1000 min -1 die Baugröße des Motors ist damit deutlich kleiner die Kombination Motor + Getriebe kann daher kleiner bzw. leichter sein als ein getriebeloser Direktantrieb

37 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Die elektrische Maschine als Aktor Zusammenwirken der Komponenten

38 Struktur einer Antriebsregelung s* Lageregelung Drehzahlregelung n* i* s n Drehmoment-/Strom Regelung i M 3~ Kommutierungssignale Tacho Lagegeber

39 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine Arbeitspunkt Lastkennlinie Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb P el > 0 P mech > 0 Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

40 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine Veränderungen der Speisespannung verschieben die Kennlinie Arbeitspunkt Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb P el > 0 P mech > 0 Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

41 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine Drehzahl die Betriebsbereichsgrenzen sind willkürliche Definitionen die Maschine selbst reagiert nur nach den Maxwell-Gleichungen die Vorzeichenumkehr bei Drehzahl, Drehmoment und Strom haben in der el. Maschine keine besondere Bedeutung Gegenstrom-Bremsbetrieb P el > 0 P mech > 0 Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

42 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine es kann allerdings sein, dass externe Einrichtungen (z. B.Stromrichter) mit der Stromumkehr Probleme haben Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb P el > 0 P mech > 0 Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

43 Betriebskennlinie Drehfeldmaschine mit Drehzahlregelung eine elektrische Maschine mit Umrichterspeisung und Drehzahlregelung weist nach außen immer die Kennlinie einer Synchronmaschine auf egal um welche Art von elektrischer Maschine es sich handelt

44 Drehmoment Betriebskennlinie Synchronmaschine Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Veränderungen der Speisespannung verschieben die Kennlinie aber nur vertikal Veränderungen der Speisefrequenz verschieben die Kennlinie horizontal das ist genau das, was die Drehzahlregelung bei Änderungen des Drehzahlsollwerts bewirkt Drehzahl Lastkennlinie Arbeitspunkt Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

45 Drehmoment Betriebskennlinie Synchronmaschine auch hier sind die Betriebsbereichsgrenzen willkürliche Definitionen der Übergang von Motor- zu Generatoretrieb oder umgekehrt erfolgt quasi automatisch Motorbetrieb P el > 0 P mech < 0 Drehzahl sobald der Arbeitspunkt vom ersten Quadranten in den vierten Quadranten wechselt (oder umgekehrt) Generatorbetrieb P el < 0 P mech > 0

46 Drehmoment-/Drehzahl-Charakteristik von umrichtergespeisten Synchronmaschinen Grenzkennlinie durch maximalen Speisestrom Grenzkennlinie durch maximale Speisespannung Kennlinie der drehzahlgeregelten Synchronmaschine thermische Grenzkennlinien leider wird in den meisten Datenblättern nur der 1. Quadrant dargestellt Quelle : SIEMENS