Antriebssysteme Kapitel 1

Änderung der Drehzahl oder des Drehzahl-Drehmomenten-Verlaufes zwischen Antriebs- und Arbeitsmaschine 

AustauschundZwischenspeicherungvonchemischerundelektrischerEnergie

bei der Umwandlung in mechanische Energie beim Hybridantrieb 

• derMechanik

• derElektrik

• derSensorik

• der Aktorik

• derInformationsverarbeitung 

Durch Antriebsmaschine wird die zur Erfüllung der Gesamtfunktion erforderliche Antriebsenergie bereitgestellt

Typische Antriebsmaschinen:

•  Elektrische Maschinen (mit den Baugruppen elektrisches Netz, Stromrichter oder Frequenzumrichter und rotierende elektrische Maschine)

•  Verbrennungsmotoren

•  Strömungsmaschinen (Turbinen) 

•  Dient zur Übertragung der Antriebsenergie von der Antriebsmaschine zur Arbeitsmaschine

•  Zusätzlich kann geeignete Anpassung erfolgen

•  Wichtigste Zwischenschaltungen:

  Wellen
  Getriebe, Wandler
  Schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen, Bremsen 

Arbeitsmaschine, wandelt die über Antriebsstrang zugeführte und angepasste Energie in die erforderliche Ausgangsenergie des Arbeitsprozesses bzw. der Arbeitsfunktion um

30.10.2014

Vorlesung Antriebssysteme - Kapitel 1 - Zusammenwirken von Antriebs- und Arbeitsmaschine 30

Große Vielfalt möglicher Arbeitsmaschinen: Land-, See- und Luftfahrzeuge
Strömungsmaschinen (Verdichter)
Kranhubwerke

Werkzeugmaschinen sowie verfahrenstechnische Maschinen Klassifizierung von Arbeitsmaschinen kann nach ihren antriebstechnischen Merkmalen wie Kennlinie, Kennfeld oder Arbeitsspiel erfolgen 

Steuerungs- und Regelungseinrichtung – bedarfsgerechte Anpassung des Leistungsflusses

Schnittstelle zwischen
leistungsführenden elektrischen und mechanischen System und
Informationsverarbeitung in der Steuerung und Regelung

Einsatz von Sensoren und Aktoren

•  Sensoren: Erfassung beliebiger Betriebsgrößen als Ist-Werte, Übermittlung an Informationsverarbeitung, Vergleich mit vorgegebenen Soll-Wert

•  Abhängig von erforderlichen Steuerungs- und Regelungsstrategie werden Aktoren mit Stellgrößen angesteuert, um Leistungsfluss des mechanisch- elektrischen Systems bedarfsgerecht anzupassen 

•  Sensoren: Erfassung beliebiger Betriebsgrößen als Ist-Werte, Übermittlung an Informationsverarbeitung, Vergleich mit vorgegebenen Soll-Wert

•  Abhängig von erforderlichen Steuerungs- und Regelungsstrategie werden Aktoren mit Stellgrößen angesteuert, um Leistungsfluss des mechanisch- elektrischen Systems bedarfsgerecht anzupassen 

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Vorteil der elektrische Maschine: Bereitstellung eines Antriebsmoments über gesamten Drehzahlbereich, jedoch einstellbare Leistungsabgabe abhängig von Bauart und der Größe „Drehzahl- und Drehmomentgrenzen“

Dagegen können Verbrennungsmotor im Stillstand kein Drehmoment zur Verfügung stellen, sinnvoller Betrieb erst oberhalb der Leerlaufdrehzahl möglich, zur Überbrückung Anfahrkupplung erforderlich (Drehzahlwandler) 

• Mechanische Antriebslösungen vor allem im Leistungsbereich von einigen Megawatt kostengünstiger

• Hohes Gewicht drehmomentstarker Antriebe und Elektronik

• Verschleißan Leistungselektronik aufgrundb egrenzter Anzahl von

  Schaltvorgängen 

M.M=M.ML-M.MR

M.MR: Motor-Reibungsmoment

M.ML: Luftspaltmoment

M.W=M.AW+M.AR

M.AW:Widerstandmoment

M.AR:Reibungsmoment 

M.M=M.MR+M.W*

M.W*=M.W*(1/i.ges)

• Zusätzlich sind Reibmomente aus den Übertragungsbaugruppen, z.B. dem Getriebe, ebenfalls bei Widerstandsmomenten zu berücksichtigen

• ImdynamischenFall,z.B.Beschleunigungs-undVerzögerungsvorgängen, sind Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente, abhängig von den Massenträgheitsmomenten zu berücksichtigen 

•  Lastmomente oder Widerstandsmomente, die nach Einschalten des Antriebes

  sich zeitlich nicht verändern

•  KannfüreinzigenBetriebspunktmitkonstanterDrehzahlgeltenoderauchbei Antrieben eintreten, die bei konstantem Lastmoment variable Drehzahlen aufweisen

•  Beschleunigungs-undVerzögerungsvorgängebleibenunberücksichtigt

•  TypischerVerläufefürArbeitsmaschinenmitreinerReib-oderHubarbeit

  (Kranhubwerke) 

• Periodisch wiederkehrende Belastungsverläufe

•  EinordnungzwischenvölligunveränderlichenstationärenVerläufenundzeitlich beliebig veränderlichen Lastverläufen von Arbeitsmaschinen

•  WiederholungscharakterbringtgewisseStationarität

•  AntriebsleistungsberechnungmithilfeMittelwertbildungleichtmöglich 

•   Instationäre Anteile mit nicht periodischem Charakter überwiegen

•  Sämtliche Beschleunigungs-und Verzögerungsvorgänge einbezogen.

•  Überlagerte, veränderlichen Anteile stammen aus Arbeitsprozess und aus Drehzahländerungen

•  Erfordert Fahrdiagramm (Förderanlagen, Bahnantriebe)

•  Erfordert Fertigungsprogramm bei Werkzeugmaschinen, Walzprogramm bei

  Umformmaschinen

•  Bei Antrieben mit betrieblich rasch veränderlicher Drehzahl oder Drehrichtungsumkehr sind aus Drehzahldiagrammen erforderliche Zusatzmomente
  zu ermitteln 

...

...

Auftrag von Drehmoment über Drehzahl 

Auftrag von Drehmoment über Drehzahl 

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• Keinerlei Drehzahlnachgiebigkeit bei zunehmender Last.

• Elektrische Maschinen besitzen diese Charakteristik grundsätzlich nicht, jedoch lässt sich über Regelantriebe bei Gleichstrom- und Drehfeldmaschinen dieses Verhalten erreichen.

• Ein verbreitetes Beispiel ist die stromrichtergespeiste fremd erregte Gleichstrommaschine, die eine Lasteinflusskompensation besitzt. 

• Gekennzeichnet durch Nachgiebigkeit der Drehzahl mit anwachsendem Motormoment

• Geringe Nachgiebigkeit – „harte“ Kennlinie

• Größere Drehzahlnachgiebigkeit – „weiche“ Kennlinie.

• Stabiler Arbeitsbereich wird durch das Kippmoment MKipp begrenzt.

• Weiterhin ist noch die Kennlinie für die fremd erregte Gleichstrommaschine (oder Gleichstromnebenschlussmaschine) eingezeichnet – genauso „harte“ Kennlinie wie die Asynchronmaschine mit ihrem lastbedingten Schlupf.

• Ebenfalls dargestellt ist noch die „weiche“ Kennlinie der Gleichstromreihenschlussmaschine. 

• Ähnelt zunächst dem Konstant-Moment- Verhalten, da sich die Synchronmaschine bis zu einem Maximalwert drehzahlstarr verhält.

• Allerdings arbeitet sie dabei nicht drehwinkelgenau, sondern verändert ihren Polradwinkel.

• Grenze des stabilen Betriebsbereiches ist ebenfalls durch das Kippmoment der Synchronmaschine begrenzt. 

....

...

• Kennlinien von Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine schneiden sich in einem Arbeitspunkt 

• Momentengleichgewicht aus Drehmoment MM der Antriebsmaschine und dem Widerstandmoment MW der Arbeitsmaschine

  M.M -M.W =0 

Drehzahl

...

mit der Winkelgeschwindigkeit ω (Drehzahländerung bei Antrieben)

• mit dem Trägheitsmomentes J(veränderliche Haspelmasse bei Wickel-bzw. Haspelantrieben oder Strömungsmaschinen mit variablem Füllungsgrad) 

Bewegungsdiagramme

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