Labor elektrische Antriebe und Leistungselektronik

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1 . Messungen am stillstehenden Motor a) Induktivität L U-V 4,7mH RU V + RV W + RW V,55Ω +,6Ω +,6Ω b) Widerstand R,5833Ω Erwärmungsversuch Bei diesem Versuch wird der Motor bei n2000min - über 36 Minuten mit dem Nennmoment von M M N,35Nm belastet. Dabei wird die Gehäusetemperatur jede Minute von einem Computerprogramm gemessen und die Werte hinterher ausgedruckt. Da bei unserem Versuch der Computer nach der halben Zeit abgestürzt ist war es uns nicht mehr möglich, den Versuch durchzuführen, da der Motor in der uns zur Verfügung stehenden Zeit nicht mehr abgekühlt wäre. Wir erhielten daraufhin vom Laborassistenten Hr. Walter eine vor längerer Zeit durchgeführte Messung. Der Motor besaß einen Kaltwiderstand von R K,49Ω und einen Warmwiderstand von R W,87Ω Temperaturverlauf bei n2000 /min und M Mn * 0,9,35 Nm 00 Temperatur [ C] Meßdauer [min] Temperatur thermische Zeitkonstante Bestimmung der Endübertemperatur: Zur Bestimmung der Endübertemperatur wird die gemessene Temperatur über der Temperaturänderung aufgetragen. Durch diese Kurve wird dann eine Gerade gelegt (lineare Regression), deren Schnittpunkt mit der Temperatur-Achse die Endübertemperatur ergibt. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite von 3

2 Endübertemperatur Temperatur [ C] y -8,7049x + 86, d_delta Temp [ C] d_delta Temp Linear (d_delta Temp) Das Diagramm zeigt die Endübertemperatur mit der eingezeichneten Regressionsgeraden. Wie deutlich zu sehen ist stimmt die Näherung nur sehr grob mit der reellen Kurve überein. Aus diesem Grund ist die hier errechnete Endübertemperatur von 86,36 C mit Vorsicht zu genießen. Zieht man aber nur den relativ linearen Bereich der Endübertemperatur-Geraden zu Rate erhält man folgendes Schaubild: Endübertemperatur Temperatur [ C] y -22,797x + 09, d_delta Temp [ C] d_delta Temp Linear (d_delta Temp) Hieraus ergibt sich eine Endtemperatur von 09,78 C, was unter Beachtung der Meßwerte wesentlich plausibler erscheint als 86,36 C. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 2 von 3

3 Bestimmung der thermischen Zeitkonstante T th : T th 09,78 C 63,2% 69,38 C Durch Ablesen aus der Temperaturkennlinie ergibt sich T th zu 6,3 min Bestimmung der Wicklungstemperatur: R W ϑw ,3 C Rk,49Ω, 956Ω ϑ ,8 C k R Wgem, 87Ω Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 3 von 3

4 Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 4 von 3

5 .3 Messung im Leerlauf a) Berechnung von K E aus Messwerten: K E U n q 20,4V 000 min V 000 min K E 20,4 4,8V 2000 min V 000 min K E 2 20,9 63,0V 3000 min V 000 min K E 3 2,0 K K + K 3 + K V 20, min E E 2 E3 E b) Ermittlung aus Oszillogramm Aus dem Oszillogramm entnommene Spannung beträgt 8,94V. U RMS uˆ 2 8,94V 2 2, 65V 2,65V 000 min V 000 min K E 2,65 Die starke Abweichung zum obigen Wert läßt sich durch die Umrechnung in den Effektivwert erklären. Die Rechnung erfolgt unter der Annahme, daß es sich bei der oszillographierten Spannung um einen Sinus handelt, was nicht der Fall ist Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 5 von 3

6 .3 Messung am belasteten Motor Motorkonstante K T: M n,5 Nm K T M I berechnete Mittlewerte: K T ( n 000 ) 0, K T ( n 2000 ) 0, ( ) 0,2603 K T n 3000 Zwischenkreis - Wirkungsgrad η: η P P ab Z n 2π s 60 min P Z M Zwischenkreis - Wirkungsgrad 0,7 0,6 Wirkungsgrad eta 0,5 0,4 0,3 0,2 0, 0 0 0,5,5 Drehmoment n 000 min- n 2000 min- n 3000 min- Die Kennlinie zeigt deutlich, daß sich der Wirkungsgrad mit höheren Drehzahlen erhöht. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 6 von 3

7 Der Leistungsfaktor ist nicht besonders gut, was sich durch die verlustbehaftete Leistungselektronik erklären läßt. Der Motor an sich hätte einen besseren Wirkungsgrad Oszillogramm bei M 0, 7 M N blau: Motorstrom An der Welligkeit des Stromes ist gut zu erkennen, wie die Drehzahl des Motors geregelt wird. grün: Tachogenerator rot: Rotor Lage Geber Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 7 von 3

8 2. Positioniersteuerung mit Schrittmotor und Lineareinheit Schrittmotoren werden in der Regel bedingt durch ihr Funktionsprinzip ohne Lagegeber eingesetzt. Diese Lagegeber sind auch unnötig, da die Schrittmotorsteuerung immer weiß, wo sich der Motor gerade befindet. Problematisch wird es dann, wenn bei dynamischen Positionieraufgaben das Masseträgheitsmoment der Last größer wird als das Motormoment. Dies führt zum Überspringen von Schritten, der Motor rutscht durch. Dieser Versuch zeigte anschaulich, wo beim Schrittmotor die Grenzen der Brauchbarkeit liegen. Bei einem Servoantrieb wäre dieses Durchrutschen aufgrund der Regelung nicht aufgetreten. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 8 von 3

9 3. Rotorlagegebersignale bei Sinus-Servomotor Resolver-Signal: Mit einem Resolver ist es möglich, die Lage des Motors zu bestimmen, selbst wenn dieser stillsteht. Funktionsprinzip: Der Resolver ist mit zwei um 90 räumlich versetzten feststehenden Spulen ausgestattet, in denen durch eine rotierende Wicklung eine amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Diese Wicklung liegt auf dem Rotor und wird mit einer Wechselspannung von beispielsweise 2kHz gespeist. In den Statorspulen werden dadurch folgende Spannungen induziert: u u 2 ( α ) sin( t) ( α ) sin( t) k uˆ sin ω k uˆ sin ω Aus diesen beiden Signalen lassen sich der Drehwinkel und die Drehzahl berechnen: u α tan und u2 n 2 π dα dt Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 9 von 3

10 SINCOS-Gebersignal: Beim SINCOS Geber erfolgt die Abtastung mittels eines Photodiodenarray, das von einer Codescheibe teilweise bedeckt wird. Die daraus drehwinkelabhängigen erhaltenen Sinus- bzw. Cosinusspannungen werden ausgearbeitet und über einen Schnittstelle zum Regler geschickt, wo sie zur Regelung des Antriebs hinzugezogen werden. Ein Nachteil bei SINCOS Gebern ist, daß sie in einfacher Ausführung nicht beim Stillstand funktionieren. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 0 von 3

11 4. Demoversuch zur Regleroptimierung. In der Industrie, wo Positioniersteuerungen eingesetzt werden ist es sehr wichtig, daß die Bewegungen von Linearachsen oder ähnlichen mechanischen Stellsystemen immer so schnell wie möglich für die verwendete Aufgabe ablaufen. Dazu mußte die Regelstrecke bis ins kleinste Detail bekannt sein, um einen optimalen Regler für diese Strecke zu entwerfen. Da die genaue Identifikation der Strecke jedoch meist nur näherungsweise möglich ist und es sich oftmals um sehr komplexe Systeme handelt beinhalten moderne Schrittmotor und Servoantriebsteuerungen die Option zur Regleroptimierung. Dabei fährt der Motor das gewünschte Fahrprogramm durch und berechnet sich aus den Messwerten (Strom, Zeit etc.) die optimalen Reglerparameter. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite von 3

12 5. Simulation dynamischen Verhaltens mit Matlab Simulink Die Simulationssoftware MatLab ist heute aus der modernen Entwicklungsabteilung nicht mehr wegzudenken. Mit MatLab ist es möglich, komplizierte Rechnungen und mathematische Zusammenhänge zu lösen und anschaulich darzustellen. Zusätzlich zu MatLab gibt es sogenannte Toolboxen, die dem Benutzer die Bedienung des Programms erleichtern. Eine dieser Toolboxen ist Simulink, die es ermöglicht, einfache bis komplexe Modelle grafisch zu erstellen, zu testen und zu simulieren. Simulink zeichnet sich vor allem durch seine übersichtliche Blockschaltbild Struktur aus. In diesem Versuch sollte ein DC-Servomotor mit angehängter Last in Simulink simuliert werden Zuerst mußten die einzelnen Blöcke berechnet werden. K R 7,5 Ω + 0, Ω 0,3578 Ω T A L R A A 9 mh 7,5 Ω 2, S K T cφ 0, 42 Vs J J M + J L 3 2 ( 0,08 + 0,3) 0 kg m K n 2π cφ 2, 6389 Vs K E 2π J 2π 0,38 kg m 2 48,828 kg m 2 Diese Kennwerte des Servomotors wurden nun in Simulink eingegeben und simuliert. Um ein aussagekräftigeres Schaubild zu erhalten wurde die Ausgangsdrehzahl mit 60 multipliziert, um die Drehzahl in min - zu erhalten. Da sonst aber der Strom im gleichen Diagramm zu klein würde mußte er noch mit dem Faktor 200 multipliziert werden. Das Diagramm zeigt das Drehzahlverhalten und den aufgenommenen Strom beim Einschalten in den ersten 00 ms. Berthold Fuchs, Daniel Maier, Florian Krumm Seite 2 von 3

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