Antriebstechnik. Dirk Söffker

Transkript

1 Veranstaltung Dirk Söffker Lehrstuhl Steuerung, Regelung und Systemdynamik Fakultät für Ingenieurwissenschaften Universität Duisburg-Essen VE 0: Formales/Hinweise Dirk Söffker, SRS, U DuE -1-

2 Inhalt der Veranstaltung - Voraussetzungen - Inhalte - Grundaufbau der weiteren Veranstaltungen SRS (PO08 / Master) Termin und Ort Wenige Termine Termine Di, aber: Uhr MB 244 Grundidee des Veranstaltungsaufbaues - Interaktives Skript mit Literaturhinweisen, Passwort: - Fachbücher/Aufsätze >> Bibliothek - >> Verwendung der Unterlagen ist auf die Nutzung im Rahmen dieser Veranstaltung beschränkt, es gilt das Urheberrecht der Autoren. <<< Vorlesung/Übung - Übung folgt der Veranstaltung direkt Sprechstunden - Alle betreuenden Personen direkt ansprechen (Do Uhr, Lehrstuhl SRS) - Sebastian Wirtz, M.Sc., Dipl.-Ing. Georg Hägele Übungsaufgaben - Beispiel-/Übungsaufgaben Prüfung schriftlich, wird bekanntgegeben VE 0: Formales/Hinweise Dirk Söffker, SRS, U DuE -2-

3 VE 0: Formales/Hinweise Dirk Söffker, SRS, U DuE -3-

4 VE 0: Formales/Hinweise Dirk Söffker, SRS, U DuE -4-

5 Einbettung der Veranstaltung in die Forschungsschwerpunkte: VE 0: Formales/Hinweise Dirk Söffker, SRS, U DuE -5-

6 1.1 Maschinenbauliche/mechatronische Systeme als komplexe Systeme, Anlagen und Prozesse - Aktorik ist zentraler - Bestandteil maschinenbaulicher Systeme/Prozesse/Produkte, wenn Energie/Leistung übertragen werden muss (geregelt/ungeregelt) und - Bestandteil von offenen/geschlossenen Regelkreisen, wenn die Systemdynamik beeinflusst werden soll (muss). VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -1-

7 1.2 Aktorik: Energiewandlung und resultierende Unterscheidungen 1) Beeinflussen von Energie-/Leistungsflüssen - Wandlung der Energie > Energiewandler - Beeinflussen zur Verfügung stehender Energie (z. B. aus einer Hilfsenergiequelle) > Steller 2) (Steuernde/regelnde) Eingangsgröße - energiearm (Spannungspegel etc.)/ energielos (Information) > Steller/Aktor - energiereich > Wandler/Umformer Quelle: Steinhilper/Sauer VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE Quelle: Steinhilper/Sauer -2- Quelle: Steinhilper/Sauer

8 1.3 Aktoren im offenen/geschlossenen Regelkreis Betrachtungsebenen 1) Realisierung von (statischen) physikalischen Effekten > Funktion -Energie/Leistung - Phys. Größen (Kraft / Weg / Spannung / Druck / ) 2) Dynamische Realisierung der Funktion > Übertragungselement - Abstraktes Verhalten im Zeit- und Frequenzbereich - Lineares / Nichtlineares Verhalten VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -3- Quelle: Steinhilper/Sauer

9 1.4 Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien I (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl) 1. Wirkprinzip: Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich gegenseitig ab (Coulomb). Quelle: Irlinger 2. Wirkprinzip: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfahren eine Kraft (Biot-Savard). Quelle: Irlinger 3. Wirkprinzip: Körper mit gleicher magnetischer Polung stoßen sich gegenseitig ab (Coulomb). Quelle: Irlinger VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -4- Quelle: Steinhilper/Sauer

10 Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien II (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl) 4. Wirkprinzip: Asymmetrien im Kristallgitter bestimmter Kristalle führen bei Anlegen äußerer Spannungsfelder zu Verschiebungen (umkehrbar und reversibel) (Curie). Quelle: Irlinger 5. Wirkprinzip: Ausgewählte Legierungen (z. B. Eisen-Nickel) verspannen sich im Magnetfeld und ändern ihre Abmessungen (Joule). Quelle: Irlinger 6. Wirkprinzip: Körper denen sich bei Erwärmung aus (Heron). Quelle: Irlinger VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -5- Quelle: Steinhilper/Sauer

11 1.5 Aktorik: Zusammenhänge hinsichtlich der Integration/Einbindung Früher: Heute: Funktionsrealisierung auf Basis von wirkmechanismenorientierter Vorgehensweise (physik./chem./.) > Energie/Leistung wird gewandelt > Steller/Wandler > Beschreibende Größen sind Signale (> math. Funktionen) > Begriffe: Stelleinrichtung / Steller Funktionsrealisierung auf Basis von Wirkmechanismen, deren zeitliches (dynamisches) Verhalten durch informationstechnische (bzw. energetisch entkoppelte) Größen gesteuert/geregelt werden > Energie/Leistung wird gewandelt > Steller/Wandler > Beschreibende Größen (intern) sind Signale (math. Funktionen) > Steuernde/Regelnde Eingangsgrößen (extern) werden als Information beschrieben > Begriffe: Aktor (wenn Stelleinrichtung/Steller mit entsprechenden Schnittstellen ausgestattet sind, Beispiel: Profibus) Konsequenz: Aktorik beeinflusst Energie-/Stoffflüsse (> Energie). Verhalten der Aktorik wird durch informationsverarbeitende Einheiten beeinflusst. VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -6- Quelle: Steinhilper/Sauer

12 1.6 Aktorik: Klassifizierungsmöglichkeiten Klassifizierung an Hand - der Form der verwendeten (Hilfs-)Energie (Czichos) (elektrisch, fluidisch, thermisch, chemisch) - der Form der verwendeten Wirkprinzips (elektromagnetisch, elektrorheologisch, piezokeramisch,.) - der verwendeten Zwischenenergieform (Wallaschek) (magnetisches Feld, elektrisches Feld, ) - der aktorischen Bewegung (Linearaktor, rotatorischer Aktor, ) - - des grobunterteilten zugrundeliegenden Wirkprinzips und des verbleibendes Restes (Janocha) Klassifizierung von Aktoren (nach Janocha) - Elektronische Aktoren (Dioden, Leistungstransistoren, Thyristoren) - Elektromagnetische Aktoren (Selbst- und fremdgeführte Motoren, Linearmotor, ) - Fluidtechnische Aktoren (Hydraulische Antriebe, pneumatische Antriebe) - Unkonventionelle Aktoren (Bimetalle, memorybasierte Aktoren, elektrorheologische Aktoren, piezoelektrische Aktoren, magnetorestriktive Aktoren, ) VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -7-

13 1.6 Aktorik: Klassifizierungsmöglichkeiten - grafisch Aktorik Konventionelle elektromagnetische Aktorik Konventionelle fluidische Aktorik Unkonventionelle Aktorik Gleichstrom- Motoren Wechsel- Strommotoren Elektromagnete Linearmotoren Hydraulik Pneumatik Fremderregt Selbsterregt Asynchronmotor Synchronmotor piezoelektrisch magnestriktiv thermomechanisch Hydrozylinder Hydromotor VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE -8-

14 1.7 Aktorik: Ein-/Anbindung an/in Prozesse/Systeme/Regelkreise Die informationstechnische Realisierung der Ansteuerung geschieht durch - analoge Signale (z. B V Gleichspannung, leistungslos, -5-5 V Gleichspannung, leistungslos, 0-1 V Gleichspannung, leistungslos) > Steller/Stellglied - digitale Signale (z. B. digital I/O n-bit, PWM, ) - digitale Integration I (z. B. durch Integration in ein Bussystem (Profibus, CAN-Bus, Feldbus, ) - digitale Integration II (z. B. durch Integration in ein (offenes) Netzwerk (LAN, WAN, WLAN, ) > Aktor -9- DV-Anbindung Prozess/ System VE 1: Einführung Dirk Söffker, SRS, U DuE Modifiziert nach Irlinger (Quelle)

15 Aktorik: Übersicht Aktorik Konventionelle elektromagnetische Aktorik Konventionelle fluidische Aktorik Unkonventionelle Aktorik Gleichstrom- Motoren Wechsel- Strommotoren Elektromagnete Linearmotoren Hydraulik Pneumatik Fremderregt Selbsterregt Asynchronmotor Synchronmotor piezoelektrisch magnestriktiv thermomechanisch Hydrozylinder Hydromotor -1- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

16 2 Konventionelle elektromagnetische Aktorik 2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe Ständer = Stator Läufer = Rotor = Anker : feststehender Teil des Motor : rotierender Teil des Motors Kommutator : Stromwender/Umrichter (wechselt die Stromrichtung) Abb.: Ständer-Läufer-Anordnungen (Janocha) Grundprinzip: Quelle: Janocha Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzung elektomagnetischer Felder (Abstoßung zweier Felder) > Innenläufer-/Außenläufermotoren - typisch: Innenläufermotor (kostengünstig, geringes Läuferträgheitsmoment, etc.) > Realisierung elektromagnetischer Felder durch - Permanentmagnete (PM) - elektromagnetische Felder (erzeugt durch Spulen) VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE -2-

17 2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe II Grundprinzip: Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzung elektromagnetischer Felder Beispiel: Gleichstrommotor Quelle: Williams Unterscheidungskriterium: Erzeugung/Schaltung des (Anker-)spulenstromes/Läufermomentes - Kommutator (Umschalter) koppelt mechanisch die Umschaltung > Selbstgeführte Motoren (mit mechanischem Kommutator) - Kommutator (Umschalter) koppelt elektrisch die Umschaltung > Selbstgeführte Motoren (mit elektronischem Kommutator) - Von außen zugeführtes Wechsel-/Drehstromfeld generiert Ströme (Asynchronmotor) oder Magnetfelder (Synchronmotor) > Fremdgeführte Motoren -3- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

18 2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe II Mechanismus Kommutierung (bei Gleichstrommotoren): i) Strom fließt über Bürste, Spule, Bürste. Im Rotor wird ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt. ii) Die Spulenenden sind kurzgeschlossen, es wird kein Drehmoment erzeugt. Der Rotor bleibt auf Grund seiner Trägheit in Bewegung. iii) Der Strom fließt auf Grund der gedrehten Kommutierung in die andere Richtung (der Rotor ist auch gedreht). Im Rotor wird ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt. Optimierung: Verteilung mehrerer Spulen am Rotorumfang, Erzeugung gleichmäßigerer Momente Probleme: - Drehzahlabhängiges Bürstengeräusch - Verschleiß der Kohlebürsten (Schaltfunken) - Funkstörungen - Pulsierender Magnetfluss - Drehzahlbegrenzung Quelle: Gerling -4- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

19 2.2 Selbstgeführte Motoren Unterschiedliche Ausführungen - Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung (Stator: PM) - Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung (Stator: PM) (EC-Motor bzw. Gleichstrommotor mit bürstenloser Kommutierung) - Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung (Stator: EM mit Spule) (Universalmotor) Prinzipieller Aufbau I Quelle: Gerling Quelle: Gerling -5- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

20 2.2 Selbstgeführte Motoren Bei selbstgeführten Motoren wird die Spannung des generierten Feldes durch die Läuferstellung selbständig (d.h. durch die Läuferstellung) erzeugt. Verschiedene Bauformen: Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator (GM mit Nebenschluss) (ortsfestes StatorMF (PM), geschaltetes LäuferMF (EM)) (wird zeitweilig auch als fremderregte GM bezeichnet, weil die Statorwicklung als PM das Feld einprägt) Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper Gleichstrommotor mit elektronischem Kommutator (GM mit Nebenschluss) (bürstenloser GM; EC-Motor (electronically commutated) (schaltbares StatorMF (EM), drehendes LäuferMF (PM)) VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE Kommutator-Reihenschluss- Motor (Universalmotor (Allstrommotor)) Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator (ortsfestes StatorMF (EM)) Erregerwicklung ist mit Läuferwicklung in Reihe geschaltet > Betrieb mit Gleichstrom / Wechselstrom) -6-

21 2.2 Selbstgeführte Motoren Verschiedene Bauformen: Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator Regelung über Vorwiderstand des Läuferstromes (> Verlustleistung) Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten) Vorteile permanenterregte GM: - geringere Stromaufnahme, höherer Wirkungsgrad (Wicklung fehlt) - keine Kurzschlüsse o.ä. wegen der wegfallenden Wicklung Vorteile elektrisch erregte GM: - höhere Leistungsdichte Gleichstrommotor mit elektronischem Kommutator (bürstenloser GM) Regelung über Leistungshalbleiter winkelabhängig (Hallsensoren) Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten) Vorteile GM: - Lineare Drehmoment-/Strom Charakteristik, gutes Regelverhalten, gute Gleichlaufrobustheit Nachteile GM: VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE - Dynamik und Anlaufmoment begrenzt (mechanischem Komm.), ungünstiger Wärmehaushalt -7- Kommutator-Reihenschluss- Motor (Universalmotor) Regelung über Phasenanschnittsteuerung Hohes Anzugmoment 4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich

22 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM 2.3. Grundgleichungen GM Elektrisches Ersatzschaltbild: Quelle: Gerling Grundgleichungen: -8- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

23 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM Selbstgeführte GM mit Nebenschluss I Elektrisches Ersatzschaltbild: Grundgleichungen: Quelle: Gerling Resultierende Kennlinie: Quelle: Gerling -9- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

24 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM Selbstgeführte GM mit Nebenschluss II Quelle: Gerling -10- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

25 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM Selbstgeführte GM mit Nebenschluss III Bremsen von GM mit Nebenschluss i) Generatorische Nutzbremsung -11- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

26 ii) Widerstandsbremsen, Kurzschlussbremsen iii) Gegenstrombremsen -12- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE

27 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM Selbstgeführte GM mit Nebenschluß IV Regelung / Drehzahlsteuerung: i) Vergrößerung Vorwiderstand im Ankerkreis Resultierende Drehmoment- Drehzahlcharakteristik: ii) Verringerung der Erregung Quelle: Gerling VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE Quelle: Gerling -13-

28 2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM Selbstgeführte GM mit Nebenschluß V Regelung / Drehzahlsteuerung: iii) Verringerung der Klemmenspannung Resultierende Drehmoment- Drehzahlcharakteristik: Quelle: Gerling -14- VE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE