Elektrotechnisches Institut Elektrische Antriebe und Grundlagen der Elektroenergietechnik Prof. Dr. P. Büchner
Betriebsverhalten elektrischer Aktuatoren Typische stationäre N-M-Kennlinien von Antriebsmotoren: Generatorbetrieb Rechtslauf
Motorbetrieb Rechtslauf
N
1
−Mk
1
Synchronverhalten N = ND (- Mk < MM < + Mk) Mk: Kippmoment ND: Drehfelddrehzahl
2
Nebenschlussverhalten N = N0 – k2 ⋅ M (-Mmax < MM < +Mmax) Mmax: Maximalmoment N0: Leerlaufdrehzahl
3
Reihenschlussverhalten N≈ k 4 / (- Mmax < MM < +Mmax)
4
Regelverhalten N = Nsoll (- Mbeg < MM < +Mbeg) Mbeg: Begrenzungsmoment
+Mk
2
3
4 −Mbeg
+Mbeg 2
+Mmax
−Mmax Motorbetrieb Linksslauf
M
3
2 Generatorbetrieb 1
M
Linkslauf
Kennlinientypen von Antriebsmotoren Typen 1 bis 3 : natürliche Kennlinien der Motoren Typ 4: Regelverhalten (kann mit Motoren bei Drehzahlregelung unabhängig vom Typ des Motors erreicht werden. Innerhalb des Vierecks ist jeder Punkt ein möglicher Arbeitspunkt!) AKT-V3erg.doc
10/2005 Bü
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Feldschwächbereich - Grunddrehzahlbereich Elektrische Maschinen können nur bis zu einer Maximaldrehzahl Nmax bzw. einem Maximalmoment Mmax belastet werden. Mmax ist dabei nur innerhalb eines Grunddrehzahlbereiches konstant, oberhalb dieses Bereiches muss das Moment mit Pm = konst. aus thermischen Gründen reduziert werden (Feldschwächbereich) ⇒ mit wachsender Drehzahl ergibt sich eine hyperbolische Abnahme des Momentes. Zur Definition von Grunddrehzahl- und Generatorbetrieb Motorbetrieb N Feldschwächbereich N max Drehzahlbegrenzung Feldschwächbereich
N -M
Leistungsbegrenzung Drehmomentbegrenzung
N M
N 0,max
Pmax = 2π ⋅ Mmax ⋅N0
Grunddrehzahlbereich -M N
-M
Eigenkühlung, Fremdkühlung
-N -N 0,max
MN
M
M
-N
Feldschwächbereich Motorbetrieb
AKT-V3erg.doc
-N max
Maximale mech. Leistung im Grunddrehzahlbereich:
Generatorbetrieb
Maximale Leistung im Feldschwächbereich: Pfs = Pmax = 2π ⋅ Mfs ⋅Nmax, (damit wird auf die maximale Leistung auf die im Grunddrehzahlbereich begrenzt)
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Vorzeichenfestlegungen (Zählpfeile) für elektrische und mechanische Größen Tafel : Zählpfeile für den Leistungsaustausch in elektrischen Maschinen Elektrische Maschine
Betriebsweise
als Motor (Index M)
als Generator (Index G) oder Ersatz für Antriebsstrecke (Index A) Pel,G
Pel,M
Zählpfeile der elektrischen Größen
IM
IG
UM
(U und I gleiche Zählpfeilrichtung) Zählpfeile der Leistungen und der mechanischen Größen
PV,M
Pel,M
Pmech,M
(U und I entgegengesetzte Zählpfeilrichtung) Pmech,G
N MM
Pel,G
PV,G
N MG
oder bei anderer Drehrichtung:
(bei anderer Drehrichtung)
(PV,M=Verlustleistung im Motor) N MM
AKT-V3erg.doc
UG
N MG 10/2005 Bü
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Konstruktionen elektrischer Maschinen (Normalkonstruktionen) Läufer Æ
Käfigläufer
Schleifringläufer
Polrad (el. err.)
DS-ASM mit Schleifringläufer permanenterregte DS-SM als Außenpolmasch.
DS-SM mit Innenpolläufer
Polrad (perm. err.)
Kommutatorläufer
Ständer Drehstromständer
DS-ASM mit Käfigläufer permanenterr. St.
Wirbelstrombremse
DS-SM als Servomotor (auch BLDC)
DSKommutatormaschine permanenterregte GM
Vollpolständer
WS-ASM Spaltpolmotor
AKT-V3erg.doc
Schrittmotor (zps ≠zpr)
AußenpolDS-SM
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Gleichstrommotor oder WSUniversalmaschine
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Sonderkonstruktionen elektrischer Antriebsmotoren DoppelständerLinearmotor
EinständerLinearmotor
WSSpaltpolmotor (20 W)
WSSpaltpolmotor (100 W)
ScheibenläuferServomotor
Univeralmotor (stets zp =1)
Reluktanzläufer aus Käfigläufer
Reluktanzläufer mit Flusssperren
AKT-V3erg.doc
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Was sind typische Antriebsregelungen? 1. Drehzahlregelungen Ausregeln von Störgrößen bei konstanter Drehzahl: Beispiele: - Handbohrmaschine mit Drehzahlregelung (meist nur Störgrößenaufschaltung des Laststroms) - konstante Fadengeschwindigkeit in einer Textilmaschine bei variabler Netzspannung Drehzahlregelung mit Sollwertprogramm Beispiele: - Hauptantrieb einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine - Drehzahlregelung als unterlagerte Druckregelung in einem Rohrsystem Gleichlaufregelungen mit relativem Gleichlauf Beispiele: - Drehzahlregelung in einer Kontiwalzstraße (Abnahme des Querschnittes des Walzgutes bedeutet wachsende Drehzahl (technologisches Walzprofil einstellen!) - Drehzahlregelung in einer Papiermaschine (Nassgruppe mit Dehnung, Trockengruppe mit Schrumpfung) Gleichlaufregelungen mit absolutem Gleichlauf (aber zulässigem Winkelfehler) Beispiele: - Bandantriebe mit mehreren Antriebsstationen für lange Förderbänder im Tagebau
AKT-V3erg.doc
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2. Lageregelungen (mit unterlagerter Drehzahlregelung) Vorschubantriebe, Positionierantriebe Beispiele: - Maschinentische von Werkzeugmaschinen mit numerischer Steuerung - Roboterachsen - Aufzugsantriebe, Transportsysteme und Kranhubwerke - geregeltes, evtl. ruckbegrenztes Anfahren von Positionen (Vermeiden von Seilpendelungen und mechanischen Überbeanspruchungen) Gleichlaufantriebe mit Winkelgleichlauf Beispiele: - Lageregelung der Druckwerke bei Mehrfarbendruck - Registerregelung einer Druckmaschine bei Bogendruck - Stützenantriebe einer Förderbrücke Netz
Mbeg
Nbeg
P el
Führungsgrösse γSoll
Regler Lage
ΝSoll
Regler ιSoll Drehzahl
P el
Regler Strom Stromrichter (Stellglied)
Regeleinrichtung AKT-V3erg.doc
iist
MA NA
mechanisches Übertragungsglied (Getriebe, Kupplung, Schwungrad,...
Antriebsstrecke (Pumpe, Hubwerk, E-Lok,...)
M
Nist
γist
Regelstrecke 10/2005 Bü
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Natürliches Verhalten von Antriebsmotoren (Beispiel permanent erregter Gleichstrommotor) 3∼
mM (t)
ua(t)
M
n(t) mw (t)
ust(t)
h (t)
N-M-Kennlinien einer GSM mit Gleichrichter-Stellglied ust – Steuerspannung N0 – Leerlaufdrehzahl Mw - Widerstandsmoment
H0
N HEBEN
N U M = a − N0b Uab Mst
Ust2>Ust1 Ust1
Nsoll1
- Mmax
AKT-V3erg.doc
Mit N0b - Leerlaufdrehzahl bei Uab Mst - Stillstandsmoment
N01
0
M Mw1
N-M-Kennlinie
+Mmax SENKEN
Mst = k MΦM ⋅ Ist
und Ist = Uab / Ra
Ra - Ankerwiderstand 10/2005 Bü
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Natürliches Verhalten von Antriebsmotoren (Beispiel Drehstrom-Asynchronmotor) Beschreibung der linearisierten DS-ASM mit den Näherungen als „Kloss’sche Formel“ N-M-Kennlinie der DS-ASM mit Käfigläufer ND - Drehfelddrehzahl B - Bemessungspunkt A - Anlaufpunkt S - Synchronpunkt K - Kipppunkt motorisch K‘ - Kipppunkt generatorisch
N K’
0
ND S
S
Kippmoment- und Kippschlupfformeln: 2
3 ⋅ Zp
U Mk = = 2 ⋅ s 4π fs ⋅ X 'rσ 8π L 'rσ fs
Sk =
K M
1 0 3 ⋅ Zp Us
B
A
Mk
2
2
R'r X'rσ
Die N-M-Kennlinie kann für kleine Schlupfwerte durch eine Gerade angenähert werden (Nebenschlussverhalten!).
AKT-V3erg.doc
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Regelverhalten von Antriebsmotoren (Beispiel permanent erregter Gleichstrommotor)
m w (t)
3∼
u a (t)
u st(t)
M
J
Natürliche Kennlinie ergibt Drehzahlfehler ∆N in Abhängigkeit von der Größe der Belastung Dieser Fehler kann manuell oder automatisch durch einen Eingriff über ust(t) ausgeregelt werden.
N
ust - Steuerspannung als Eingang des Stellglieds
Ust2>Ust1 Ust1
Nsoll1
AKT-V3erg.doc
N01 - Leerlaufdrehzahl bei Ust1
N01
Nsoll1 -Drehzahl-Sollwert
0 - Mmax
n(t)
Beispiel: Passives Widerstandmoment (Coulombsche Reibung)
M Mw1
Mw1 - Reibungslast (Widerstandsmoment)
+Mmax
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Regelverhalten von Antriebsmotoren (Beispiel permanent erregter Gleichstrommotor) reales Verhalten
w(t)
Verhalten bei Drehzahlregelung
N01
1. Drehzahlsollwertsprung auf N01 t z(t)
Mw1 t n(t)
bleibender Fehler
N01
träger Anlauf
n(t)
3. Drehzahlsteuerung auf N01 ohne Korrektur t
4. Drehzahlregelung auf Nsoll1
kein bleibender Fehler
N01
schneller Anlauf
AKT-V3erg.doc
2. Lastsprung auf Mw1
t
Eine Regelung muss der Führungsgröße folgen und die Wirkung von Störgrößen beseitigen!
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Regelverhalten von Antriebsmotoren (Beispiel permanent erregter Gleichstrommotor) 3∼
ua(t)
mM (t)
M
n(t) mw (t)
ust(t)
h (t)
ust – N0 – N1 Mw1-
H0 Ust2 Ust1 0
N
Steuerspannung Leerlaufdrehzahl Belastungsdrehzahl mit Mw2 (Heben!) Widerstandsmoment für N = 0 (Schweben!) Mit Mw1 beladene Kiste schwebt!
N0 N1>0
Mw2 AKT-V3erg.doc
Drehzahlregelung einer GSM mit Stellglied Beispiel für eine aktive Schwerkraftwirkung (Kranhubwerk)
M
Entladen von der Kiste von Mw1 auf Mw2!
Mw1 10/2005 Bü
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Regelverhalten von Antriebsmotoren (Beispiel Regelung auf Drehzahl Null (Schweben) Verhalten bei Drehzahlsteuerung auf Drehzahl Null (Schweben!) n(t)
Drehzahlverhalten
Lageverhalten
h(t)
N1
t0 t0
t
t
Verhalten bei Drehzahlregelung auf Sollwert Drehzahl Null (Schweben!) n(t)
h(t)
N1 ∆h1
t0
t
t
t0
Verhalten bei Lageregelung auf Sollwert Höhe Null (Schweben!) N1
h(t)
n(t)
t ∆h1
t0 AKT-V3erg.doc
t t0 10/2005 Bü
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Entwicklungstendenzen von Antriebsregelungen
Bewegungssteuerung
Bewegungssteuerung
Lageregelung Drehzahlregelg.
Lageregelung
isoll
Nsoll Steuerung
a)
M 3∼
1960 - 1980 AKT-V3erg.doc
ϑist
Nist
isoll
isoll
Umrichter
ϑist
iist
IGR
b)
ϑsoll
Lageregelung Drehzahlregelg.
Drehzahlregelg.
Antrieb
iist
Steuerung Antrieb
Antrieb
Steuerung
Umrichter
Bewegungssteuerung
M 3∼
Nist
Umrichter iist
IGR
c)
1980 - 1990
M 3∼
Nist ϑist IGR
1990 - 2000 10/2005 Bü
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