Antriebssysteme Kapitel 1
Vorlesung von Professor Schlecht
Vorlesung von Professor Schlecht
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Cartes-fiches
Methoden der Energieumformung
ChemischeEnergieinmechanischeEnergiebeiVerbrennungsmotoren
ElektrischeEnergieinmechanischeEnergiebeielektrischeMaschinen
Methode der Energieanpassung und Übertragung
Änderung der Drehzahl oder des Drehzahl-Drehmomenten-Verlaufes zwischen Antriebs- und Arbeitsmaschine
Methode der Energiespeicherung
AustauschundZwischenspeicherungvonchemischerundelektrischerEnergie
bei der Umwandlung in mechanische Energie beim Hybridantrieb
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Leistungsfähige Antriebe im Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau setzen sich zusammen aus Elementen:
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derMechanik
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derElektrik
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derSensorik
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der Aktorik
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derInformationsverarbeitung
Beschreibung Antriebs- oder Kraftmaschine
Durch Antriebsmaschine wird die zur Erfüllung der Gesamtfunktion erforderliche Antriebsenergie bereitgestellt
Typische Antriebsmaschinen:
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Elektrische Maschinen (mit den Baugruppen elektrisches Netz, Stromrichter oder Frequenzumrichter und rotierende elektrische Maschine)
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Verbrennungsmotoren
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Strömungsmaschinen (Turbinen)
Beschreibung Antriebsstrang, häufig auch als Zwischenschaltung bezeichnet
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Dient zur Übertragung der Antriebsenergie von der Antriebsmaschine zur Arbeitsmaschine
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Zusätzlich kann geeignete Anpassung erfolgen
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Wichtigste Zwischenschaltungen:
Wellen
Getriebe, Wandler
Schaltbare und nicht schaltbare Kupplungen, Bremsen
Beschreibung und Funktionsweise Arbeitsmaschinen
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
Beschreibung udn Funtionsweise Steuerungs- und Regelungseinrichtung
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
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Sensoren: Erfassung beliebiger Betriebsgrößen als Ist-Werte, Übermittlung an Informationsverarbeitung, Vergleich mit vorgegebenen Soll-Wert
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Abhängig von erforderlichen Steuerungs- und Regelungsstrategie werden Aktoren mit Stellgrößen angesteuert, um Leistungsfluss des mechanisch- elektrischen Systems bedarfsgerecht anzupassen
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Sensoren: Erfassung beliebiger Betriebsgrößen als Ist-Werte, Übermittlung an Informationsverarbeitung, Vergleich mit vorgegebenen Soll-Wert
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Abhängig von erforderlichen Steuerungs- und Regelungsstrategie werden Aktoren mit Stellgrößen angesteuert, um Leistungsfluss des mechanisch- elektrischen Systems bedarfsgerecht anzupassen
Anforderungen für den Antriebsstrang aus der eingesetzten Antriebsmaschine
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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)
Nachteile der Leistungselektronik:
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Mechanische Antriebslösungen vor allem im Leistungsbereich von einigen Megawatt kostengünstiger
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Hohes Gewicht drehmomentstarker Antriebe und Elektronik
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Verschleißan Leistungselektronik aufgrundb egrenzter Anzahl von
Schaltvorgängen
Berechnung Wellenmoment des Motors M.M
M.M=M.ML-M.MR
M.MR: Motor-Reibungsmoment
M.ML: Luftspaltmoment
Berechnung Gesamtwiderstandsmoment (Lastmoment)
M.W=M.AW+M.AR
M.AW:Widerstandmoment
M.AR:Reibungsmoment
Momentenbilanz für stationären Betriebsfall des Antriebs
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
Betrachtung des zeitlichen Verlaufes des Lastmomentes
• StationäreAnteileohnezeitlicheÄnderung
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Lastmomente oder Widerstandsmomente, die nach Einschalten des Antriebes
sich zeitlich nicht verändern
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KannfüreinzigenBetriebspunktmitkonstanterDrehzahlgeltenoderauchbei Antrieben eintreten, die bei konstantem Lastmoment variable Drehzahlen aufweisen
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Beschleunigungs-undVerzögerungsvorgängebleibenunberücksichtigt
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TypischerVerläufefürArbeitsmaschinenmitreinerReib-oderHubarbeit
(Kranhubwerke)
Betrachtung des zeitlichen Verlaufes des Lastmomentes
• PeriodischstationäreAnteile,zyklischwiederkehrend
Betrachtung des zeitlichen Verlaufes des Lastmomentes
• Zeitlich veränderliche Anteile ohne regelmäßigen Zyklus
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Instationäre Anteile mit nicht periodischem Charakter überwiegen
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Sämtliche Beschleunigungs-und Verzögerungsvorgänge einbezogen.
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Überlagerte, veränderlichen Anteile stammen aus Arbeitsprozess und aus Drehzahländerungen
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Erfordert Fahrdiagramm (Förderanlagen, Bahnantriebe)
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Erfordert Fertigungsprogramm bei Werkzeugmaschinen, Walzprogramm bei
Umformmaschinen
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Bei Antrieben mit betrieblich rasch veränderlicher Drehzahl oder Drehrichtungsumkehr sind aus Drehzahldiagrammen erforderliche Zusatzmomente
zu ermitteln
Konstant-Moment-Verhalten für elektrische Maschinen
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Keinerlei Drehzahlnachgiebigkeit bei zunehmender Last.
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Elektrische Maschinen besitzen diese Charakteristik grundsätzlich nicht, jedoch lässt sich über Regelantriebe bei Gleichstrom- und Drehfeldmaschinen dieses Verhalten erreichen.
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Ein verbreitetes Beispiel ist die stromrichtergespeiste fremd erregte Gleichstrommaschine, die eine Lasteinflusskompensation besitzt.
Stationäre Kennlinien von Antriebs- und Arbeitsmaschinen
Asynchrones Verhalten
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Gekennzeichnet durch Nachgiebigkeit der Drehzahl mit anwachsendem Motormoment
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Geringe Nachgiebigkeit – „harte“ Kennlinie
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Größere Drehzahlnachgiebigkeit – „weiche“ Kennlinie.
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Stabiler Arbeitsbereich wird durch das Kippmoment MKipp begrenzt.
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Weiterhin ist noch die Kennlinie für die fremd erregte Gleichstrommaschine (oder Gleichstromnebenschlussmaschine) eingezeichnet – genauso „harte“ Kennlinie wie die Asynchronmaschine mit ihrem lastbedingten Schlupf.
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Ebenfalls dargestellt ist noch die „weiche“ Kennlinie der Gleichstromreihenschlussmaschine.
Stationäre Kennlinien von Antriebs- und Arbeitsmaschinen
Synchrones Verhalten
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Ähnelt zunächst dem Konstant-Moment- Verhalten, da sich die Synchronmaschine bis zu einem Maximalwert drehzahlstarr verhält.
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Allerdings arbeitet sie dabei nicht drehwinkelgenau, sondern verändert ihren Polradwinkel.
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Grenze des stabilen Betriebsbereiches ist ebenfalls durch das Kippmoment der Synchronmaschine begrenzt.
Definition Arbeitspunkt
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Kennlinien von Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine schneiden sich in einem Arbeitspunkt
Definition Stationärer Betriebsfall
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Momentengleichgewicht aus Drehmoment MM der Antriebsmaschine und dem Widerstandmoment MW der Arbeitsmaschine
M.M -M.W =0
Wovon ist ein Kennlinie des Antriebs abhängig?
Drehzahl
Womit ermittelt man die resultierenden Momente aus Bewegungsänderungen
Bewegungsdiagramme