Gleichstrommotor

13.12.2008
Gleichstrommotor
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.1
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.2
Feldwicklung
Ankerwicklung
S
Anker
φ
Kollektor
Kommutator
N
Stator
H
2-0095 - 3
Prinzipielle Funktion eines Gleichstrommotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.3
Φ ∼ wf i f
Φ
uIC
H
w
wf
2 - 0072 - 0
uI = − w Φ ω sin(ω t )
Kommutator
uIC = − w Φ ω sin(ω t )
Prinzipieller Aufbau und Schaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.4
Ohne Stromwender würde sich die Spule drehen, bis die
Flächennormale und der B-Vektor parallel sind. Das
Drehmoment ist dann Null und die Spule würde in diesem
stabilen Zustand verharren.
Mit Stromwender wird nach dem Durchlaufen eines Polpaares
die Stromrichtung in der Stromschleife nach einer halbe
Umdrehung umgepolt, weshalb beim sin(…) der Betrag zur
Wirkung kommt. Dies bewirkt eine dauernde Drehbewegung der
Gleichstrommaschine.
Stromwender/Kommutator
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.5
1 Ständer
2 Hauptpole
3 Wendepole
4 Polschuhe
5 Kompensationswicklung
6 Erregerwicklung
7 Läufer
8 Hauptfluss
Gleichstrommotor I
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.6
Wendepole: Sind Hilfspole, die dafür sorgen, dass bei der
Kommutierung keine zu hohen Induktionsspannungen auftreten,
welche zu einem Funkenschlag bzw. dem sogenannten Bürstenfeuer führen (Parallelgeschaltete Keramikkondensatoren reduzieren Hochfrequenzstörungen).
Bürstenverschiebung: Stellt eine absichtliche geringe Verdrehung der Bürsten auf dem Kommutator dar. Dies reduziert
ebenfalls das „Bürstenfeuer“.
Gleichstrommotor II
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.7
pw
MA =
φ iA − CM φ iA
πa
PA = uI iA = M A ωA
Motorgleichung
⇒ u I = CM φ ωA
J
p
a
w
:= Trägheitsmoment
:= Zahler der Polpaare
:= Zahl der Ankerzweige
:= Windungzahl der Ankerwicklung
⇒ uI iA = CM φ iA ωA
Erregergleichung
φ = Cφ iE
Gleichungen der Gleichstrommaschine
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.8
Anker
iA(t)
RA
LA
Last
J, ω(t)
uA(t)
uI(t)
M
Felderregung
φ
LE
M A = CM φ iA
φ
= Cφ iE
RE
u I = CM φ ω A
iE(t)
uE(t)
Ersatzschaltbild des fremderregten Gleichstrommotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.9
Elektromechanischer Teil
diA
uA = iA RA + LA
+ CM φ ωA (1)
dt
di
uE = iE RE + LE E
(2)
dt
φ = Cφ iE
(3)
M A = CM φ iA
Bewegungsgleichung
dωA
J
= MA − ML
dt
(4)
(5)
Mechatronische Gleichungen der Gleichstrommaschine
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.10
Drehzahl
n = 2850/min
[sec] 1
Normale Maschinen
τM
0,1
τel
τM
0,01
τ el =
τM =
LA
RA
(C
0,001
J RA
M
Cφ iE )
2
τel
Scheibenläufer
0,0001
P [kW]
Zeitkonstanten von Gleichstromnebenschlussmotoren
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.11
Hochlauf im Leerlauf (ML = 0)
dωA
u − CM φ ωA
J
= M A , iA = A
RA
dt
dωA CMφ
uA
⇒
+
ωA =
CM φ d t
RA
RA
J
dωA CM φ uA
2 ωA
⇒J
=
− ( CMφ )
dt
RA
RA
( CMφ )
2
dωA
CM φ u A
ωA =
⇒
+
dt
J RA
J RA
t
−

u
⇒ ωA (t ) = A 1 − e τ M
CM φ 

J RA
,
τ
=
 M
2

( CMφ )

Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors I
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
d x(t )
+ a0 x(t ) = yc
dt
a0 =
( CMφ )
2
J RA
CM φ u A
yc =
J RA
1 − a e − at
(
y
x(t ) = c 1 − e − a0 t
a0
)
AWZM.12
yc
⇒ s X ( s ) + a0 X ( s ) =
s
yc
⇒ X ( s ) ( s + a0 ) =
s
yc
1
⇒ X (s) =
s ( s + a0 )
yc
a0
⇒ X ( s) =
a 0 s ( s + a0 )
a
s (s + a)
CM φ u A
2
C
φ
(
)
t
M


−
−
t

J RA 
J RA
 = uA  1 − e τ M
=
−
e
1
2
 CMφ 
( CMφ ) 

J RA

J RA
=
,
τ
 M
2

( CMφ )

Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors II
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.13
τM ≡τ =
ω
iA
uA
CM Φ
J RA
( CMφ )
2
uA / RA
ML
τ
t
t
− 
uA 
ωA =
1 − e τ 
CM φ 

τ
t
uA −τt
iA =
e
RA
Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors III
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
(2) und (3) in (1)
AWZM.14
⇒ u A = CM φ ω A +
RA M A
( CM φ )
2
Geradengleichung
y = m x+c
uA
RA M A
⇒ ωA =
−
C M φ ( CM φ ) 2
Momentensensor
MA
iA =
CM φ
u I = CM φ ω A
Geschwindigkeitssensor
Gleichstromnebenschlussmotors
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.15
uA
RA M A
ωA =
−
CM φ ( CM φ ) 2
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.16
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.17
T
R
L
+
Steuerung
-
M
FD
uD
qT
T
t
Drehzahlvariation durch Pulsbreitenmodulation
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
iA
AWZM.18
RA
φ = Cφ iA
LA
uA
uI
M
RE
LE
Bei Entlastung
Zerstörungsgefahr
MA
⇒ iA =
CM φ
⇒ ωA =
uA
Cφ CM
MA
iA =
CM φ
1
M A ( CM φ )
−
RA
Cφ CM
ωA → ∞
Stationärer
Grenzfall
Gleichstrommotor im Reihenschlussbetrieb
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.19
iA ,ωA
iA
RA
uA
LA
M
RE
uI
LE
MN MA
Bei Entlastung Zerstörungsgefahr!
weiche Kennlinie
Kennlinie des Gleichstromreihenschlussmotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.20
dA
bA
J ∼ d A2 bA
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.21
13.12.2008
Drehstrommotoren
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.22
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.23
Drei gleichartige Wicklungsstränge sind um
120° versetzt.
Drei Erregerströme bzw. –spannungen sind
ebenfalls um 120° zueinander phasenverschoben.
Drei harmonische Strangspannungen und Ströme I
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
jy
U1
V2
AWZM.24
B
(
W2
(
x
W1
)
1
Bu = B e j ω t + e− j ω t
2
1
B v = B e j (ω t −120°) + e − j (ω t −120°) e j120°
2
1
B w = B e j (ω t − 240°) + e − j (ω t − 240°) e j 240°
2
V1
)
(
)
U2
B = Bu + Bv + Bw
∧ 1+ e
j 240°
+e
j 480°
=0
⇒B=
3
B e jω t
2
Dies entspricht einem kreisförmigen Drehfeld der magnetischen
Flussdichte.
Drei harmonische Strangspannungen und Ströme II
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
U1
V2
W1
U2
AWZM.25
W2
Hartmagnetischer Rotor dreht sich
synchron mit dem Drehfeld
(Synchronmaschinen).
V1
Weichmagnetischer Rotor dreht sich
synchron mit dem Drehfeld (Reluktanz
Synchronmaschinen).
B
Spulensystem mit reduzierter Drehfrequenz weist einen Induktionsstrom
auf, dessen Magnetfeld eine Drehung
des Rotors bewirkt (Asynchronmaschinen; Mit
steigendem Drehzahlunterschied nimmt die
Flussänderungsgeschwindigkeit und damit die
Stärke des Magnetfelds und Drehmoments zu).
Rotoren im Drehfeld
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.26
B = B e j ωt
i
H
Spule
φ
Drehachse
H
Liegt eine Drehzahldifferenz
zwischen Drehfeld und Rotor vor,
so existiert eine Flussänderung dφ dt
in der Spule. Die Induktionsspannung bewirkt einen Kreisstrom und dessen magnetisches
Feld erzeugt ein Drehmoment an
dem Spulensystem. Infolgedessen folgt der Rotor dem
rotierenden Feld des Stators
(Lenzsche Regel).
Spulensystem im Drehfeld
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Wikipedia
Kurzschlussläufer der Asynchronmaschine
AWZM.27
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.28
Zur Verstärkung der Magnetfelder und
Momente werden Ständer und Läufer
aus genuteten ferromagnetischen geschichteten Blechen hergestellt. Die
Schichtung reduziert Wirbelströme und
damit Wirbelstromverluste im Eisen.
Wikipedia
Drehfeld des Drehstrommotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
Leerlauf
AWZM.29
Stillstand
Feldbilder des Drehstrommotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.30
Wikipedia
Drehstrommotor
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.31
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.32
i1
R1
R’σ 2
jXσ 1
jX’σ 2
i2
ih
Rotor
Φ21
u1
jXh
uh
R’2 = (1 - s)/s
uI2 = -dψ2 / dt
uI21= -dψ21 / dt
2
i2
H2
Φ2
Streufluss
Streufluss
1
i1
Φ1
H1
Wickelsinn
(rechtswendig)
Φ12
uI1= -dψ1 / dt
uI12= -dψ12 / dt
Stator
Symmetrie in den 3 Phasen
Drehstrommotor und Transformator
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.33
Symmetrie in den 3 Phasen
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
i1
AWZM.34
R1
R’σ 2
jXσ 1
jX’σ 2
i2
ih
u1
jXh
uh
R’2 = (1 - s)/s
Drehmoment
M =m p
M
(1 − σ ) x
(
)
2
s
u
Leerlaufdrehzahl
n0 ≡ Ω 0 =
Schlupf
s=
Ls 1 + σ 2 x 2 ωs
1 − σ ) Ls x 2
(
=m p
i
(
Ls 1 + x
2
)
s
Drehstrommotor unter Last I
ωs
p
ωr n0 − n
=
ωs
n0
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
Kippmoment
AWZM.35
1−σ
Mk = m p
2 σ Ls ωs
Rr
ωs Lr σ
Kippschlupf
sk =
Streuung
L2h
σ = 1−
Ls Lr
Rotorhilfswert
Klosssche Momentenformel
x=
ωr Lr
M=
Rr
2 Mk
s sk
+
sk s
Drehstrommotor unter Last II
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
Symbol
Einheit
AWZM.36
Bezeichnung
Bemerkungen
us
V
Statorspannung
Strangspannung (Phase -Null)
is
A
Statorstrom
Strangstrom (Sternschaltung)
ωs
rad/s
Statordrehfrequenz
ω = 2 π f (bei 50 Hz = 314 rad/s)
f
Hz
Statorfrequenz
üblicherweise 50 Hz, in Amerika 60 Hz
Rs
Ω
Statorwiderstand
bei großen Motoren zu vernachlässigen
L σs
H
Statorstreuinduktivität
beeinflusst das Kippmoment und den Anlaufstrom
Ls
H
Statorinduktivität
Ls = L σs + Lh
Lh
H
Hauptinduktivität
gemeinsame Induktivität von Stator und Rotor
ur
V
Rotorspannung
bei Kurzschlussankermotoren ist ur = 0
ir
A
Rotorstrom
ωr
rad/s
Rotordrehfrequenz
im Stillstand ist ωr = ωs im Leerlauf ωr = 0
Rr
Ω
Rotorwiderstand
bei Industriemotoren schlupfabhängig
L σr
H
Rotorstreuinduktivität
beeinflusst das Kippmoment und den Anlaufstrom
Lr
H
Rotorinduktivität
Lr = Lσr + Lh
m
-
Anzahl Phasen
üblicherweise 3 (für Drehstrom)
p
-
Polpaarzahl
eine 2-polige Maschine hat die Polpaarzahl 1
rad/s
Drehzahl
3000 U/min sind 314 rad/s
n=Ω
Variablen des Drehstrommotormodells
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.37
IAn
I (n )
M(n)
Läuferstrom I
Drehmoment M
Mkipp
Last
MN
Betriebszustand
M(n) = ML(n)
MAn
IN
0
Drehzahl n
1
Schlupf s
MAn < MN
Ian < 5 IN
nKipp
nN ns
skipp
sN 0
n = (1-s) ns
n -n
s= s
ns
2 - 0069 - 0
Kennlinien eines Asynchronmotors I
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.38
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.39
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors II
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.40
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors III
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.41
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors (Strangspannungsvariation)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.42
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors (Rotorwiderstandsvariation)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.43
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors I (Frequenzvariation)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.44
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors II (Frequenzvariation)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.45
Andresen
Kennlinien eines Asynchronmotors (Streuungsvariation)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.46
Andresen
Wirkungsgrad des Asynchronmotors
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.47
2 - 0070 - 0
heute
230V
und
390V
Werte
sind
Effektivwerte
Stern-Dreieckschaltung beim DS-Asynchronmotor
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.48
Elektrischer
Anschluss
Motorgeber
Rotorwelle
Rotor mit Permanentmagneten
Stator mit
Wicklung
Haltebremse
(optional)
HANSER
Aufbau eines permanent erregten Drehstrom-Servomotors (Synchronmotor)
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.49
13.12.2008
Scheibenmotoren
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.50
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.51
Scheibe aus
Isoliermaterial
Permanentmagnet
S
N
H
aufgeklebte
Leiterbahnen
Spezial-Kohlebürsten
Prinzip eines Scheibenläufers
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.52
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.53
Linearmotor
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.54
PROF.DR.-ING. K.RALL
TUHH
2 -2990 - 2
Nuten mit Wicklung
Stator
Stator im Drehfeld
N S
Drehfeld
Polrad
Stator
abgewickelter Stator
Stator,
integriert im
Linearantrieb
Luftspalt
Sekundärteil
N
doppelte Polteilung
Wanderfeld
S
Primärteil
MM 44/2002 P. F. Brosch
Linearantrieb als abgewickelter Drehstrommotor
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.55
PROF.DR.-ING. K.RALL
2 - 2879 - 0
TUHH
TP
TP
TP
Primärteil
mit
Ständerwicklung
Sekundärteil
magnetischer
Rückschluß
V
Konstruktionsprinzip eines Linearmotors, TP Polteilung
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.56
PROF.DR.-ING. K.RALL
2 -2991 - 2
TUHH
Kabelschlepp
Primärteil
Sekundärteil
Spielfreies
Führungssystem
Lineares
Wegmesssystem
MM 44/2002 P. F. Brosch
Linearmotor, bestehend aus Primärteil mit Wicklung und Sekundärteil
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.57
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.58
Schrittmotoren
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.59
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.60
Was ist hier falsch?
Rotor
S1
S2
S3
S4
+
-
S
N
Stromquelle
Wikipedia
Permanentmagnetischer Schrittmotor
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.61
Reluktanz-Motor
Hybrid-Motor
Permanentmagnet-Motor
Bauarten von elektrischen Schrittmotoren
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.62
Impulsfolgen
2
3
Ansteuergerät
Logikteil
Leistungsteil
Schrittmotor
Last
Netzteil
1
2
3
4
5
6
6
4
Drehrichtung
(t)
t
Impulse
1
2
3
t
Schrittmotorantrieb
Rummich
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.63
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.64
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.65
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.66
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.67
Elektromagnet 1
Strang 1
Elektromagnet 2
Strang 2
Läufer
I1
N
1
Rummich
I2
S
3
2
Ständer
4
τΝ
Elektromagnetischer Linearschrittantrieb
13.12.2008
Schritt........................
Schrittwinkel.............
Schrittfrequenz.........
Drehzahl....................
Selbsthaltemoment..
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.68
Der Vorgang, bei dem sich die Motorwelle um den Schrittwinkel dreht.
Der Nennwinkel, um den sich die Motorwelle je Steuerimpuls dreht.
Die Anzahl der Schritte, die die Motorwelle bei konstanter Steuerfrequenz in einer
Sekunde macht.
Schrittwinkel 60
Umdrehung pro Minute, berechnet aus Schrittfrequenz
3600
Das max. Drehmoment, mit dem man einen nicht erregten Motor statisch belasten
kann, ohne ihn um einen Schrittwinkel zu verdrehen.
Haltemoment.............
Das max. Drehmoment, mit dem man einen erregten Motor statisch belasten kann,
ohne ihn um einen Schrittwinkel zu verdrehen.
Anlaufbereich...........
Betriebsbereich, in welchem der Motor ohne Schrittfehler bei einer bestimmten starr
angekuppelten Zusatzschwungmasse anlaufen und anhalten kann.
Beschleunigungs-....
bereich
Betriebsbereich, in welchem der Motor bei einer bestimmten starr angekuppelten
Zusatzschwungmasse ohne Schrittfehler in einer Drehrichtung arbeiten jedoch nicht
ohne Schrittfehler anlaufen und anhalten kann.
Leerlauf.....................
Die Betriebsart, bei der der Motor weder durch von außen angreifende Drehmomente
noch durch angekuppelte Zusatzschwungmasse belastet wird.
Anlaufgrenzfr............
Größte Steuerfrequenz, bei welcher der Motor mit einer bestimmten Last, bestehend
aus Reibmoment und Beschleunigungsmoment für starr angekuppelte Schwungmassen, ohne Schrittfehler anlaufen kann.
(Start-Stop-Frequenz)
Anlaufgrenzmoment
Das höchste Lastmoment, bei dem der Motor mit einer starr angekuppelten Schwungmasse bei einer bestimmten Steuerfrequenz ohne Schrittfehler anlaufen kann.
Rall
Begriffserläuterungen für Schrittmotore
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.69
Servoantriebe
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Zur Zerspanung notwendige
Vorschubkraft Ff
13.12.2008
10000
AWZM.70
Grenzvorschub
pro Zahn
5000
Konventionelle
Zerspanung
2000
konventioneller
Vorschubantrieb
1000
Vorschub pro Zahn
500
0,1
0,25
0,4
fz [mm]
(konv.)
Direktantrieb
HSC
200
100
0,02
nsp [1/min]
0,12
0,22
fz [mm]
(HSC)
Spindeldrehzahl
50000
20000 10000 5000
2000
Vergleich von Vorschubantrieben
Pritschow
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.71
digitale
Regeleinrichtung
Interpolator
2 - 2598 - 1
Feininterpolation
Vorsteuerung
Überwachung
Sollwertgenerierung
-Lage-Drehzahlregler bzw.
Zustandsregler
-Kompensationen
-Feldorientierung
Motorströme
Motorlage bzw.
Motordrehzahl
Schlitten
direktes
Meßsystem
Spindel
Getriebe
drehzahl
gesteuerter
Motor
Pritschow
Mechanische Übertragungselemente
Elektromechanischer Vorschubantrieb
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.72
9 - 2599 - 8
digitale
Schnittstelle
Interpolator
Linearmotor
Schlitten
digitale
Regeleinrichtung
-Lage- Drehzahlregler
-Zustandsregler
-Feldorientierung
Pritschow
Elektromechanischer Lineardirektantrieb
direktes
Meßsystem
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.73
Vorteile
Nachteile
+ Die Bauraumoptimierung mittels
mechanischer Untersetzung
schnelldrehender Servomotoren,
- Elastizität des Antriebsstrangs, weshalb sich
systembedingt eine Begrenzung der
Regelbandbreite auf ca.
kv< 1...6 m/mm * min (20...100 1/s) ergibt,
+ eine mechanische Untersetzung
reduziert die Rückwirkungen der
Last auf das Antriebssystem,
- nichtlineares Übertragungsverhalten wegen
der Umkehrspanne, dem Spindelsteigungsfehler und ähnlichem,
+ die Hauptwärmequelle, der
Antriebsmotor, kann meist
außerhalb der Maschinenstruktur
angebracht werden,
- begrenzte Lebensdauer aufgrund von
mechanischem Verschleiß,
+ große Variantenvielfalt zu
günstigen Kosten.
- begrenzte Spindeldrehzahl zwingt für hohe
Verfahrgeschwindigkeiten zu hohen Spindelsteigungen (stärkere Lastrückwirkung,
reduzierte Laststeifigkeit)
- Erwärmung der Spindel wegen des
begrenzten Spindelwirkungsgrads.
Rall
Vor- und Nachteile elektromechanischer Antriebe
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.74
Vorteile
Nachteile
+ sehr hohe Regelbandbreite,
- meist großer Bauraum und hohes
Eigengewicht, bezogen auf spezifische
Kräfte/Momente,
+ sehr hohe Positionier- und
Wiederholgenauigkeit,
+ hohe Vorschubgeschwindigkeiten
(v > 100 m/min ist möglich) und
+ hohe Zuverlässigkeit, da meist
- außer bei Führungen kein mechanischer Verschleiß
auftritt.
- Motorkühlung ist im allgemeinen
notwendig,
- Empfindlichkeit gegenüber
Lastparameterschwankungen und
- das Gewicht ist bei vertikalen Achsen
auszugleichen
(wird auch bei elektromechanischen
Antrieben häufig gemacht)
Rall
Vor- und Nachteile direktangetriebener Vorschubantriebsachsen
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.75
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.76
Vorteile
- sehr hohe Regeldynamik
- große Positioniergenauigkeit bei
hohen Bahngeschwindigkeiten
- hohe Verfahrensgeschwindigkeit
Nachteile
- erheblicher Kühlleistungsbedarf
- großes Bauvolumen bezogen auf
den Arbeitsraum
- hohe Kosten
- hohe Beschleunigungen bei nicht
zu hohen Lasten
Daten
Vorschubkraft
Vorschubgeschwindigkeit
Vorschubbeschleunigung
absolute Positioniergenauigkeit
Wiederholgenauigkeit
30 bis 4000 N
<0,1 bis 5 m/s
bis etwa 30 bis 50 m/s2
+/- 0,5 bis 50 (m
+/- 0,01 bis 5 (m
Rall
Servo-Direkt-Antriebe
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.77
Umrichter
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
Anforderungen
Führen der Regelgröße entsprechend dem
jeweiligen technologischen Antriebsproblem,
Ausgleich von Störeinflüssen,
AWZM.78
Eigenschaften
großer Drehzahlstellbereich von 1 : 1000, wobe
bei konstanter Leistung ein Bereich von 1 : 4
abgedeckt werden kann,
Begrenzung von Regelgrößen
gute Rundlaufeigenschaften auch bei niedrigen
Drehzahlen,
Entkoppelung von Fluß und Drehmoment;
rückspeisefähiger Netzstromspeicher,
Motorüberwachung
Verbesserung der Drehzahlsteifigkeit durch
Drehzahlregelung
Rall
Anforderungen und Eigenschaften von Umrichtern für WZM-Hauptantriebe
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.79
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.80
I
U BR
IR
IH
IG3>IG2> IG1>IG0 = 0
UH
Thyristor-Symbol, -Ersatzschalbild und -Kennlinie
U
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.81
Kennlinienfeld
Funktionsbereiche der Thyristorkennlinie
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.82
Bipolare Transistoren
NPN
PNP
Feldeffekt-Transistoren
G
S
D
pMOS
CMOS
Schaltsymbole Transistoren
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.83
Ohmsche
Arbeitsgerade
Transistorkennlinie
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.84
Ohmscher Widerstand
uB
Kapazität
ue
Induktivität
Transistor als Schalter
Elko
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.85
TO-92
TO-126
TO-220
TO-18
TO-5
TO-3
TO-252
SOT-23
Elko
Gehäuseformen
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.86
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.87
Regelkonzepte
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.88
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.89
Schaltelemente
Transistor
Feldeffekttransistor
Thyristor
Dynamisches Verhalten
kreisstromfrei
kreisstrombehaftet
Zahl der Quadranten
1 bis 4
Verwendung der
Bremsenergie
Wärmeenergie
Netzeinspeisung
Rall
Unterscheidungsmerkmale von Antriebsreglern
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
NEU
ALT
Lage- Lagesoll
Regler
AWZM.90
Strom-
D
digital
A
Lagegeber
Antrieb
Regler
analog
Tachogenerator
Strom
Drehzahl
Lage
LageDrehzahlLageStromsoll
Regler
digital
Antrieb
Lagegeber
Strom
Lage / Drehzahl
D. Naunin
Regelungskonzepte für Servomotorenantriebe
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
u
AWZM.91
mittlere Ausgangsspannung
Zeit in t
(
Rall
Gleichrichterschaltung mit gesteuerten Stromrichtern
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.92
Versorgung
Signalverarbeitung
Drehzahlsollwert
2x analog oder
16 Bit parallel
oder RS 232 C
16 Bit parallel
oder RS 232 C
Binär
codiert
Digitale Eingänge
analog
Einspeisung
Positionssollwert
Hauptantrieb
Anlaufsperre
Versorgung
Digitale
Ausgänge
Programmiermodul
Mikrocomputer: Parametrisierung, Regelung, Überwachung, Diagnose
Leistungssteuerung
Versorgungsmodul KDV
Leistungsteil
Hauptantriebsmodul KDA
M
3~
Indramat
Hauptspindelmotor 2 AD
Blockschaltbild eines AC-Hauptantriebes
Spindelpositionserfassung
Positionsistwert
Versorgung
Leistungsteil
Drehzahlistwert u.
Rotorposition
Einspeisung
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
DrehzahlRegler
+
-
+
StromRegler
AWZM.93
PulsbreitenModulation
Strom-Istwert
Drehzahl-Istwert
LeistungsStellglied
Zuordner
Ansteuerung
I
RotatorlageGeber
Drehstrom TachoSynchronm. Generator
SyM
TG
Wechselrichter
Strom
II
3~
I = “Kommutator” (zus. m. RLG)
II = phasenrichtige Gleichrichtung des Strom-Istwertes
III = phasenrichtige Aufbereitung des Drehzahl-Istwertes
Siemens
Drehstrom-Vorschub-Antrieb Blockschaltbild
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.94
300 V / 100 A / 15 kHz
L1
L2
L3
I/0
Int.
Gen
RAM
4K
Bedienrechner
3x
A/D-C
2x
D/A-C
T
DSM
Rall
Übersichtsbild der Mikrorechnerregelung eines Drehstromservomotors
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
13.12.2008
AWZM.95
Rotor-Achse
i s (t)
i sq
δ
ξ
ε
ω1
i mR (t)
ω
i sd
ρ
Stator-Achse
i s (t)
i mR (t)
ε
Ständerstrom
Magnetisierungsstrom
Drehwinkel des Läufers
Feldkoordinaten der Drehstrommaschine
Rall
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.96
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.97
13.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.98