Auslegung eines elektrischen Antriebs

Transkript

1 Kapiel 4 Auslegung eines elekrischen Anriebs 4.1. Thermische Auslegung Der Anriebsmoor erfähr bei der elekromechanischen Energiewandlung eine Erwärmung durch die dabei ensehenden Verlusleisungen. Verlusaren: 1. Leerlaufverluse (Eisenverluse): (~Qualiä des Blechmaerials und der Verarbeiung) irbelsromverluse (gebleche Eisenpakee) Ummagneisierungsverluse (Hyserese) P = k V 0 0. Lasverluse (Kupferverluse) (~Sromdiche in den Leiern) durch den Ankersrombelag für den drehmomenbildenden Srom für die Erregung (agneisierungssrom). Bei einer Erregung mi Permanenmagneen enfallen diese Verluse P = R I = k VL Ersaz L 3. Zusazverluse (~Konsrukion des oors) oorkühlung (Venilaor...) Reibungsverluse (Lager und Dichung) Srömungsverluse im oor (Lufspal...) Oberwellenverluse und weiere Richwer der Zusazverluse: ewa 0,5 bis 1 % der Bemessungsleisung. Dami: V V0 VL V = 0 + L ( ) P = P + P P k k ' ' PV = k0pb + klpb b Die meisen elekrischen aschinen werden so opimier, dass das aximum des irkungsgrades am Bemessungspunk lieg. Die Belasbarkei des oors is eine Eigenschaf des oors, die ihm bei seinem Enwurf migegeben wird. ie jedes Baueil des aschinenbaus auch, muss für den Anriebsmoor gelen Belasung während des Beriebes Belasbarkei des Anriebsmoors. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 61

2 Die hermische Belasbarkei wird durch die im oor verwendee ärmeklasse der Isoliersoffe (heue meis organische Kunssoffe) besimm, deren Zersezungsemperaur deulich uner der von Eisen und Kupfer lieg. Genorm is die Grenzemperaur ϑ grenz l. folgender Tafel ärmeklasse A E B F H C Grenzemperaur in 0 C >180 Grenzüberemperaur: Θ grenz = ϑ grenz - ϑ U [Θ grenz ] = K Die Umgebungsemperaur wird zu ϑ U = 40 C angesez. Die hermische Belasung häng von der Größe alle Verlusleisungen ab. Einkörper-Näherung (oor wird näherungsweise als ein homogener Körper aufgefass!) Verlusleisungen: PV = k0 Pb + kl Pb b PV = PV0 + P VL() PV0 - Leerlaufverluse (k 0 P b ) P VL - Lasverluse (R ers I = k L P b ) ( quadraische Abhängigkei ) ärmeenergiebilanz: Q w Q C Q K Bild 4.1: Thermisches Einkörpermodell Q anfallende gesame ärmemenge Q C im oor gespeicher Q K durch Konvekion abgeben (ärmeleiung u. - srahlung vernachlässigen) Q = PV d, QC = C dθ, QK = A d, Q + Q = Q Θ C K CdΘ+ Ad = PV d Θ Überemperaur über ϑ u C dθ P +Θ = V C ärmekapaziä [C ] = s/k A d A dθ T +Θ=Θend DGL für Θ A ärmeabgabevermögen [A] = /K d C T A = T ärmezeikonsane [T ] = s Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 6

3 P V end A =Θ Θ end Endüberemperaur [Θ end ] = K Als Lösung der DGL für die Erwärmung bei einer sprungförmig vorgegebenen Verlusleisung p v () und dem vereinfachen Einkörpermodell ergeben sich Exponenialfunkionen, die auch bei periodischem echsel von Beriebs- und Pausenzeien den Temperaurverlauf im oor besimmen. Genauere Ergebnisse erfordern auch bessere odelle des oors. Das sind Zwei- oder ehrkörpermodelle oder die Zerlegung des oors in finie Elemene (FE) mi einer nachfolgenden hermischen Simulaion. Temperaurverläufe werden auch im Labor und durch Sie im Prakikum gemessen. Lösung für Erwärmung: /T 1 e ( ) end ( ) Θ = Θ ( ) Lösung für Abkühlung /T Θ =Θend e Θ Θ end 0,5 1 0,63 1 0,86 0,98 0,37 0,14 T einige min einige 10 min Sunden 0, P b 1 k 10 k 1 T Bild 4.: Temperaurverlauf bei Erwärmung und Abkühlung Bei der Abkühlung (abklingende Exponenialfunkion) gil die gleiche Zeikonsane, wenn der oor mi Eigenkühlung weier mi voller Drehzahl läuf oder eine Fremdkühlung vorgesehen is. Seh der oor sill, so wird die Abkühlung verschlecher, was sich in einer vergrößeren ärmezeikonsane T S äußer. Richwere für T /T S : 0,5 für offene aschinen, 0,7 für geschlossene aschinen Beriebsaren elekrischer aschinen - Auswahl nach DIN VDE 0530 Zur Angabe von garanieren Beanspruchungsgrenzen und zum Vergleich mi vorliegenden Belasungen wurden die verschiedenen Belasungen als ypische Formen von Belasungsspielen in den genormen Beriebsaren fesgeleg. Die Bemessungsberiebsar einer aschine is auf dem Leisungsschild verzeichne. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 63

4 B B B Tafel 4.1: Beriebsaren elekrischer aschinen - Auswahl nach DIN VDE 0530 Bemessungsberiebsar S1 - Dauerberieb ϑ U 0 p m ϑ() S - Kurzzeiberieb p m ϑ U 0 B p v S3 - Aussezberieb ϑ max p m p v B ϑ max ϑ() S ϑ() Charakerisik Ein Berieb mi konsaner Belasung, dessen Beriebsdauer ausreich, den hermischen Beharrungszusand zu erreichen ( B B >> 4 T) T - ärmezeikonsane p m () - mechanische Leisung p V () - Verlusleisung - Belasungszei, Beriebsdauer B Die Beriebsdauer B mi konsaner Belasung reich nich aus, um den hermischen Beharrungszusand zu erreichen. In der Pause P erfolg die Abkühlung, bis aschinen- und Kühlmielemperaur höchsens um K voneinander abweichen (Abkühlung auf Umgebungsemperaur) B B << T; S >> 4 T S - Sillsandszei Der Berieb is eine Folge gleichariger Spiele mi konsaner Beriebs- und Sillsandszei. Der kurzzeiige Anlaufsrom beeinfluss die Erwärmung nich merklich. B < T S < T ED = BB/( B + B S) (= r ) ϑ p v U ED - relaive Einschaldauer B S B S B B + S = s s - Spieldauer S4 - Aussezberieb mi Einfluss des Anlaufvorgangs S5 - Aussezberieb mi elekrischer Bremsung S6 - Ununerbrochener periodischer Berieb mi Aussezbelasung S7 - Ununerbrochener periodischer Berieb mi elekrischer Bremsung S8 - periodischer Berieb mi Drehfrequenzänderung S9 - Ununerbrochener Berieb mi nichperiodischer Lasänderung und Drehfrequenzänderung Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 64

5 (Indirekes) Auslegungsverfahren für elekrische Anriebe: Prinzip: eff (Spiel) b (oor) mi vereinfachenden Annahmen für Anriebe bis milerer Leisung ( ~ I; P VL ~, gil für Nebenschluss- und Regelverhalen) Beispiel: Beriebsar periodischer Berieb mi aussezender Belasung (S6) 1 Θ max Θ max Θ end Θ max N= kons = 0 eff 3 4 Bild 4.3: s Periodisches Spieldiagramm für das Beispiel (Ausschni auf der Zeiachse im hermischen Beharrungszusand) ehode: Berechne durch eine Energiebilanz ein äquivalenes konsanes omen ( eff ), das die gleiche Endüberemperaur Θ end hervorbring wie das reale Spiel (). Die einzelnen Belasungs- und Pausenzeien sind viel kleiner als die ärmezeikonsane T ( ν << T, N konsan), so dass der Unerschied zwischen Θ max und Θ end zu vernachlässigen is (einige K). PV0s +k = P eff s V0 s s 4 s + k ()d = ( ν ν) eff ()d b s 0 ν ν= 1 Achung! 1. Annahmen müssen gülig sein!. Rechenweg und Beriebsar müssen passen! z. B. oor S3 ED = r = Σ Bν / s [ED] = % n 1 eff = ν Bν < b (S3) Bν ν= 1 oder oor S1 ED = 100% : 1 n eff = ν B ν < b s ν= 1 (S1) Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 65

6 Kühlung elekrischer aschinen Zur Kühlung sind drei verschiedene Kühlaren möglich: Selbskühlung (auch Freie Kühlung genann): Die aschine wird ohne Verwendung irgendeines Lüfers durch naürliche Lufbewegung und Srahlung gekühl. Eigenkühlung: Die Kühlluf wird durch einen am Läufer angebrachen oder von ihm angeriebenen Lüfer zusäzlich beweg. Fremdkühlung: Die Kühlung erfolg enweder durch einen Lüfer, der nich von der elle der aschine angerieben wird, oder anselle der Luf durch ein anderes fremdbeweges Kühlmiel. Selbskühlung wird nur bei kleinen Leisungen angewand. Bei aschinen bis zu mileren Leisungen dominier die Eigenkühlung. Zur Fremdkühlung geh man bei drehzahlgesellen Anrieben über, wo im uneren Bereich die Lüferleisung des Eigenlüfers nich ausreichen würde, oder bei Großmaschinen, die dann meis einen geschlossenen Kreislauf besizen. Die Klassifikaion der Kühlmehoden der elekrischen aschinen sind in der VDE 0530 T. 6 (auch DIN IEC 34 T. 6) mi dem so genannen IC-Code (IC - Inernaional Cooling Code) fesgeleg. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 66

7 Eigenkühlung Fremdkühlung Bild 4.4: Beispiele für Kühlungsaren von Anriebsmooren Bild 4.5: Durchzugsbelüfee elekrische aschine Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 67

8 4.. echanische Auslegung eines Anriebsmoors Prinzip: maximale Belasung im Berieb mechan. Belasbarkei des oors mechan. Belasung - durch Lasschwankungen der Anriebssrecke - durch die Anriebsdynamik (Anlauf, Sillsezen) - durch Regel- und Seuervorgänge Sind im Lasspiel der Anriebssrecke sehr hohe Drehmomensöße enhalen (z. B. bei Pressenanrieben, Seinbrechern), so kann der Anriebsmoor davon durch ein zusäzliches Schwungrad enlase werden (mechanischer Energiespeicher). Ein Anrieb is hinreichend ausgeleg, wenn das Lasspiel der vorliegenden Anriebsaufgabe sowohl hermisch als auch mechanisch den ausgewählen oor nich unzulässig beanspruch Anriebsauslegung bei dynamischer Las Dynamische Las: Zeilicher echsel von kurzzeiigen Belasungsphasen mi großen Kräfen und Enlasungsphasen. Eine klassische Auslegung des oors allein würde zu sehr großen Anriebsmooren führen. Kleinere Einheien lassen sich mi dem Einsaz eines Schwungrades (FI groß!) als Energiespeicher aufbauen. Solche Lösungen sind üblich (Kolbenkompressoren, Pressen,...) Ein Schwungrad sorg dafür, dass der Drehmomenverlauf w an der oorwelle durch die Speicherwirkung des Schwungrades sark gegläe wird (momengläende Speicherwirkung eines Schwungrades). Im Grenzfall eines unendlich großen Schwungrades (welches allerdings nie auf Drehzahl gebrach werden könne) würde sich an der oorwelle der arihmeische ielwer des (dann ideal glaen) omenes einsellen. 1. Beispiel: Anrieb von Kolbenpumpen (periodisch schwankendes ()= K ()) K1 () K () Bild 4.6: omenenverlauf eines Kolbenkompressors T k Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 68

9 T 1 K = K ()d T = mileres omen, T=Periodendauer 0 Für periodische Zeifunkionen gil nach Fourier: K () K νπ = + Kν sin + ϕ ν T ν = 1 Näherung für 1. Glied der Fourierreihe: ˆ π K 1() = K1 + K1sin + ϕ 1 harmonische Schwingung (Grundschwingung) T Achung, Das idersandsmomen is allgemein eine sochasische Zeifunkion, die von den zufälligen Reibungsvorgängen in der Anriebssrecke abhäng. Die deerminiere Beschreibung periodischer oder angenäherer milerer idersandsmomene sell daher nur eine Näherung dar! Energieinhal der roierenden assen: = J (πn ) = π J 1 kin ges ges N Achung: Eine Energieänderung eines Sysems mi J ges is nur durch eine Drehzahländerung mi möglichs weicher Kennlinie möglich! Δ = = π J ( N N ) 1 Berechnung der irkung eines Schwungrades: ges 1 N s Arbeisbereich für J = 0 ( = K ()) N S s=0 k Arbeisbereich mi J > 0 S 0 s=1 (s) = s s s k1 K () ()+ FI J π k dn d Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 69

10 Die linearisiere Nebenschlusskennlinie der DAS wird zu einer Ursprungsgerade, wenn bei S = 1 das omen S (Sillsandsmomen) eingeführ wird, das allerdings nur ein fikiver Rechenwer is, weil die naürliche Kennlinie wei vorher mi dem Kippmomen von der Geraden abweich. -s-kennlinie der DAS : = s * s. Bewegungsgleichung: s + S T dn () π 1 sin( ) = FI J π d () k s k k Drehzahländerung auf Schlupfänderung umrechnen: NS N dn s = ; N = NS ( 1 s) = N ds S N d d Ergebnis: FI J π N S ds K ( ) + s( ) = s d s T m T m - mechanische Zeikonsane π Lösung der DGL: s () = s+ s cos( + ϕ 1) es ineressier nur die max. Schlupfschwankung T s ax. Schlupfschwankung: s = / k1 s Tm + 1 π T irkungskee: FI T m s ˆ Î I Fazi : - Schwungrad verringer Sromaufnahme und verringer Sromschwankungen - Schwungrad führ zu gleichmäßigerem Lauf (kleinere omenenschwankungen ˆ ). Beispiel Kurbelpresse: eff Bild 4.7: Ausschni aus der verkeeen Pressensraße einer Karosseriefabrik (Quelle: Schuler) Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 70

11 N x Vorgelegewelle Kurbelwelle Schwungrad als Kupplung ausgeführ N x F b Presswerkzeug H b - Arbeishub w1 w Verlusarbei Pressen Nuzarbei Pressen Verlusarbei Pause Lasspiel an der oorwelle uner der Annahme eines rägheisfreien Sysems (J ges = 0) 0 pr, α pr p, α p s, π, α Bild 4.8: Schema und periodisches Arbeisspiel einer Kurbelpresse Erläuerungen: der Drehmomenbedarf der Kurbelwelle is idealisier (recheckförmig) die Übersezung der omene auf die oorwelle wird zunächs ohne Beachung von J ges (J ges 0 ) mi der Leisungsbilanz uner Annahme milerer Drehzahlen errechne die Verlusarbei im Presswerkzeug während des Pressvorganges is erheblich, weil im erkzeug und im Pressenanrieb erhebliche Verluse aufreen. Der irkungsgrad wird hier als konsan und vereinfachend mi η Pr = 50 % angenommen. das Sysem wird als sarres Einmassensysem auf der oorwelle angesehen die Träghei wird in modernen Pressen überwiegend in der Vorgelegewelle (Kupplung) konzenrier. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 71

12 Auslegung eines Regelanriebs Fragen: o muss beg liegen?, ie groß muss das Trägheismomen J ers sein? Lösungsweg: Bewegungsgleichungen für die Zusände Pressen und Pause aufsellen (zwei Gleichungen) und daraus die Unbekannen beg und J ers besimmen. Es lieg nahe, die Begrenzung und die Größe des Schwungrades so zu opimieren, dass sich ein Lasspiel an der oorwelle einsell, das nur noch aus einem konsanen Drehmomen beg beseh. Das wird erreich, wenn die Aufladephase des Schwungrades genau für die iederaufladung ausreich (dicke Pfeile im Diagramm m() und dünner Verlauf der Drehzahl n()). N N soll N n() N min1 N min1 N min N min w beg w1 pr a pa pr pr a pa pr m() Opimierung der Zei pa auf pa 0 durch Variaion von beg und J ges s s - Spieldauer pr - Pressdauer a - Aufladezei pa - Respause w1 - Pressmomen an der oorwelle w - Pausenmomen an der oorwelle w beg w1 Bild 4.9: Beriebsverhalen des Regelanriebs für zwei unerschiedliche ere der Drehmomenbegrenzung Hinweise: - ährend der Anrieb an der omenbegrenzung arbeie, is die Drehzahlregelung wirkungslos. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 7

13 - Die Drehzahlabsenkung in der Pressphase is aus echnologischen Gründen (Qualiä der Pressung) zu begrenzen. Die inderung der mileren Drehzahl des Lasspiels kann ohne Probleme durch einen höheren Drehzahlsollwer ausgeglichen werden. - Für das speisende Nez ergib sich nach wie vor ein periodischer impulsförmiger Leisungsfluss, allerdings mi erheblich geringerem er als ohne Schwungrad, dafür von längerer Dauer. Bewegungsgleichung, wenn w > beg ; = beg ; Δ = pr ; w = w1. ΔN ( beg1 w1) = π Jges Pressen pr +ΔN ( beg1 w ) = π Jges Pause p Die beiden Bewegungsgleichungen beinhalen zwei Unbekanne J ges und beg, die z. B. durch Division der Gleichungen nach beg aufgelös werden können. ( ) ( beg1 w ) ( ) ( +Δ ) beg1 w1 ΔN p p = = = N ( ) pr pr x ; ( beg1 w1) = ( beg1 w ) x; beg1 1+ x = w1 + x w ; beg = (w1 + x w)/(1+ x); Die erforderliche Gesamräghei J ges wird dann durch Einsezen von beg in eine der beiden Bewegungsgleichungen errechne. Für den Regelanrieb exisier für jeden Arbeispunk N soll genau eine Einsellung für beg und J ges, mi der während des gesamen Spiels erreich werden kann, dass die Drehzahl genau dann den Ausgangswer wieder erreich, wenn das Spiel von Neuem beginn. Da das J ges der ferigen Presse nich mehr veränder werden kann, läuf die Lösung auf eine adapive Srombegrenzung in der Regeleinrichung hinaus, die in Abhängigkei vom Sollwer und Informaionen aus der Presse (Oberer Topunk) eine selbsäige Anpassung von beg an das Lasspiel ü- bernimm. Voreil dieser Bemessung: - Eingangssrom des Sellgliedes bleib mi guer Näherung konsan - Keine Nezrückwirkungen durch schwankenden Srom - Kleinere Umricher und Anriebsmoore verwendbar Durch sinnvolle Regelung sind verbessere Anriebslösungen gegenüber klassischer Technik möglich. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 73

14 4.4. Erscheinungsbild und allg. Normen für Elekromaschinen Tafel 4.3: Schuzaren elekrischer Beriebsmiel nach DIN IEC 34, Teil 5 /VDE 0530 Teil 5 und DIN Besandeil Ziffern Bedeuung für den Schuz des Beriebsmiels Code Buchsaben Erse Kennziffer x IP Gegen Eindringen von fesen Fremdkörpern Bedeuung für den Schuz von Personen Gegen Berühren von gefährlichen Teilen mi 0 (nich geschüz) (nich geschüz) 1 50 mm Durchmesser Handrücken 1,5 mm Durchmesser Finger 3,5 mm Durchmesser erkzeug 4 1,0 mm Durchmesser Drah 5 saubgeschüz Drah Zweie Kennziffer y Gegen Eindringen von asser mi schädlichen irkungen 0 (nich geschüz) 1 senkreches Tropfen Tropfen (15 Neigung) 3 Sprühwasser 4 Sprizwasser 5 Srahlwasser 6 sarkes Srahlwasser 7 zeiweiliges Unerauchen 8 dauerndes Unerauchen Die Schuzar definier Aussagen von elekrischen Beriebsmieln zum 1. Schuz von Personen gegen das Berühren von gefährlichen Teilen innerhalb des Gehäuses;. Schuz der aschine innerhalb des Gehäuses gegen Eindringen von fesen Fremdkörpern; 3. Schuz der aschine innerhalb des Gehäuses gegen schädliche Einwirkungen durch das Eindringen von asser. Dazu is in der Norm ein IP-Code (IP - Inernaional Proecion Code) vereinbar: IP x y. Kennziffer (0... 8) 1. Kennziffer (0... 5) Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 74

15 Tafel 4.4: Tabelle der vorzugsweise ausgeführen Beriebsmiel Kennbuchsaben asserschuz zweie Kennziffer y IP Berührungs- 0 IP 00 IP 0 und Fremd- 1 IP 11 IP 1 IP 13 körper- schuz IP 1 IP IP 3 erse Kennziffer x 4 IP 44 5 IP 54 IP 55 IP 56 Tafel 4.5: Bauformen elekrischer aschinen - DIN IEC 34 / VDE 0530 T. 7 Bezeichnung Skizze Beschreibung I B3 I 1001 I B5 I 3001 I B14 I 3601 I V1 I 3011 horizonale elle, Gehäuse mi Füßen und zwei Lagerschilden, Fußaufsellung, Füße unen, wichigse Grundbauform horizonale elle, Gehäuse ohne Füße und mi zwei Lagerschilden, davon ein Flanschlagerschild auf Anriebsseie, Flanschanbau horizonale elle, Gehäuse ohne Füße und mi zwei Lagerschilden, davon ein Flanschlagerschild mi Lagerschildzenrierung auf Anriebsseie, Flanschanbau verikale elle, Gehäuse ohne Füße und mi zwei Lagerschilden, davon ein Flanschlagerschild auf Anriebsseie unen, Flanschanbau I V3 I 3031 verikale elle, Gehäuse ohne Füße und mi zwei Lagerschilden, davon ein Flanschlagerschild auf Anriebsseie oben, Flanschanbau I B6 I 1051 horizonale elle, Gehäuse mi Füßen und zwei Lagerschilden, Fußanbau, Füße links (von Anriebsseie aus gesehen) Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 75

16 I 711 horizonale elle, Gehäuse mi normalen Füßen und zwei Sehlagern auf gemeinsamer Grundplae, übliche Form für Großmaschinen Die Norm leg für die Klassifizierung zwei verschiedene Code-Formen fes. Im Code 1 folg den Buchsaben I (Inernaional ouning Code) der Buchsabe B für horizonale elle bzw. V für verikale elle noch eine Ziffer für die Beschreibung der Aufsellung bzw. Befesigung. Im Code werden den Buchsaben I vier Ziffern angehäng, die in einer fesgelegen Zuordnung zueinander Anordnung der elle, Aren der Lagerschilde, Fuss- und Gehäusear sowie Aufsellung und Befesigung angeben. Im Code sind wesenlich mehr Bauformen charakerisier. Skrip GEA05_04.doc Prof. ichalik 76