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Antriebstechnik VE 0: Formales/HinweiseDirk Söffker, SRS, U DuE
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Veranstaltung
Antriebstechnik
Dirk Söffker
Lehrstuhl Steuerung, Regelung und SystemdynamikFakultät für IngenieurwissenschaftenUniversität Duisburg-Essen
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Antriebstechnik VE 0: Formales/HinweiseDirk Söffker, SRS, U DuE
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Inhalt der Veranstaltung- Voraussetzungen- Inhalte- Grundaufbau der weiteren Veranstaltungen SRS (PO08 / Master)
Termin und OrtWenige Termine Termine Di, aber: 14.00 - 18.00 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 direktSprechstunden- Alle betreuenden Personen direkt ansprechen (Do 10.00 - 11.30 Uhr, Lehrstuhl SRS)- Sebastian Wirtz, M.Sc., Dipl.-Ing. Georg Hägele
Übungsaufgaben- Beispiel-/Übungsaufgaben
Prüfungschriftlich, wird bekanntgegeben
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Einbettung der Veranstaltung in die Forschungsschwerpunkte:
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
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1.1 Maschinenbauliche/mechatronische Systeme als komplexeSysteme, 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).
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
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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
Quelle: Steinhilper/Sauer
Quelle: Steinhilper/Sauer
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
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1.3 Aktoren im offenen/geschlossenen Regelkreis
Betrachtungsebenen1) 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
Quelle: Steinhilper/Sauer
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
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1.4 Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien I (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl)
1. Wirkprinzip: Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich gegenseitig ab(Coulomb).
2. Wirkprinzip: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld erfahren eine Kraft(Biot-Savard).
3. Wirkprinzip: Körper mit gleicher magnetischer Polung stoßen sich gegenseitig ab(Coulomb).
Quelle: Steinhilper/Sauer
Quelle: Irlinger
Quelle: Irlinger
Quelle: Irlinger
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Aktorisch nutzbare Wirkprinzipien II (hier: elektromechanische Aktoren, typisch, Auswahl)
4. Wirkprinzip: Asymmetrien im Kristallgitter bestimmter Kristalle führen beiAnlegen äußerer Spannungsfelder zu Verschiebungen(umkehrbar und reversibel) (Curie).
5. Wirkprinzip: Ausgewählte Legierungen (z. B. Eisen-Nickel) verspannen sich imMagnetfeld und ändern ihre Abmessungen (Joule).
6. Wirkprinzip: Körper denen sich bei Erwärmung aus (Heron).
Quelle: Steinhilper/Sauer
Quelle: Irlinger
Quelle: Irlinger
Quelle: Irlinger
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1.5 Aktorik: Zusammenhänge hinsichtlich der Integration/Einbindung
Früher: Funktionsrealisierung auf Basis von wirkmechanismen-orientierter Vorgehensweise (physik./chem./….)> Energie/Leistung wird gewandelt > Steller/Wandler> Beschreibende Größen sind Signale (> math. Funktionen)> Begriffe: Stelleinrichtung / Steller
Heute: Funktionsrealisierung auf Basis von Wirkmechanismen,deren zeitliches (dynamisches) Verhalten durchinformationstechnische (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 informationsverarbeitendeEinheiten beeinflusst.
Quelle: Steinhilper/Sauer
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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, …)
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
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Aktorik
Konventionelle elektromagnetischeAktorik
Elektro-magnete Linear-
motoren
piezo-elektrisch
magne-striktiv
thermo-mechanisch
Konventionelle fluidischeAktorik
Unkonventionelle Aktorik
Gleichstrom-Motoren
Wechsel-Strom-motoren
Fremd-erregt
Selbst-erregt
Asyn-chron-motor
Syn-chron-motor
PneumatikHydraulik
Hydro-zylinder
Hydro-motor
1.6 Aktorik: Klassifizierungsmöglichkeiten - grafisch
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Antriebstechnik VE 1: EinführungDirk Söffker, SRS, U DuE
- 9 -Modifiziert nach Irlinger (Quelle)
DV-An-bindung
Prozess/System
1.7 Aktorik: Ein-/Anbindung an/in Prozesse/Systeme/Regelkreise
Die informationstechnische Realisierung der Ansteuerung geschieht durch
- analoge Signale (z. B. 0-10 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
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
Aktorik: Übersicht
Aktorik
Konventionelle elektromagnetischeAktorik
Elektro-magnete Linear-
motoren
piezo-elektrisch
magne-striktiv
thermo-mechanisch
Konventionelle fluidischeAktorik
Unkonventionelle Aktorik
Gleichstrom-Motoren
Wechsel-Strom-motoren
Fremd-erregt
Selbst-erregt
Asyn-chron-motor
Syn-chron-motor
PneumatikHydraulik
Hydro-zylinder
Hydro-motor
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2 Konventionelle elektromagnetische Aktorik2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe
Ständer = Stator : feststehender Teil des MotorLäufer = Rotor = Anker : rotierender Teil des Motors
Kommutator : Stromwender/Umrichter (wechselt die Stromrichtung)
Abb.: Ständer-Läufer-Anordnungen (Janocha)
Grundprinzip:
Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzungelektomagnetischer Felder (Abstoßung zweier Felder)> Innenläufer-/Außenläufermotoren
- typisch: Innenläufermotor (kostengünstig, geringes Läuferträgheitsmoment, etc.)> Realisierung elektromagnetischer Felder durch
- Permanentmagnete (PM)- elektromagnetische Felder (erzeugt durch Spulen)
Quelle: Janocha
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.1 Begriffe, Definitionen, Grundsätzliches elektrischer Antriebe II
Grundprinzip:Umwandlung elektrischer in mechanische Energie durch Nutzungelektromagnetischer Felder Beispiel: Gleichstrommotor
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
Quelle: Williams
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
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 keinDrehmoment erzeugt. Der Rotor bleibt auf Grund seinerTrägheit in Bewegung.
iii) Der Strom fließt auf Grund der gedrehten Kommutierungin die andere Richtung (der Rotor ist auch gedreht). Im Rotor wird ein Drehmoment in Drehrichtung erzeugt.
Optimierung: Verteilung mehrerer Spulen am Rotorumfang, Erzeugunggleichmäßigerer Momente
Probleme:- Drehzahlabhängiges Bürstengeräusch- Verschleiß der Kohlebürsten (Schaltfunken)- Funkstörungen- Pulsierender Magnetfluss- Drehzahlbegrenzung
Quelle: Gerling
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
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
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.2 Selbstgeführte Motoren
Bei selbstgeführten Motoren wird die Spannung des generierten Feldes durchdie Läuferstellung selbständig (d.h. durch die Läuferstellung) erzeugt.
Verschiedene Bauformen:
Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator(GM mit Nebenschluss)
Gleichstrommotor mit elektro-nischem Kommutator(GM mit Nebenschluss)
Kommutator-Reihenschluss-Motor (Universalmotor (Allstrommotor))
(ortsfestes StatorMF (PM),geschaltetes LäuferMF (EM))
(wird zeitweilig auch alsfremderregte GM bezeichnet,weil die Statorwicklung als PM das Feld einprägt)
(bürstenloser GM; EC-Motor (electronically commutated)(schaltbares StatorMF (EM),drehendes LäuferMF (PM))
Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator
(ortsfestes StatorMF (EM))Erregerwicklung ist mit Läuferwicklung in Reihe geschaltet > Betrieb mit Gleichstrom / Wechselstrom)
Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper Quelle: Steinhilper
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.2 Selbstgeführte Motoren
Verschiedene Bauformen:
Vorteile permanenterregte GM:- geringere Stromaufnahme, höherer Wirkungsgrad (Wicklung fehlt)- keine Kurzschlüsse o.ä. wegen der wegfallenden Wicklung
Vorteile elektrisch erregte GM:- höhere Leistungsdichte
Vorteile GM:- Lineare Drehmoment-/Strom Charakteristik, gutes Regelverhalten, gute Gleichlaufrobustheit
Nachteile GM:- Dynamik und Anlaufmoment begrenzt (mechanischem Komm.), ungünstiger Wärmehaushalt
Gleichstrommotormit mechanischemKommutator
Gleichstrommotor mitelektronischemKommutator(bürstenloser GM)
Kommutator-Reihenschluss-Motor (Universalmotor)
Regelung über Vorwiderstand des Läuferstromes (> Verlustleistung)
Regelung über Leistungshalbleiter winkelabhängig (Hallsensoren)
Regelung über Phasen-anschnittsteuerung
Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten)
Drehmoment proportional zum Strom (steifes Verhalten)
Hohes Anzugmoment
4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich 4-Quadratenbetrieb möglich
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3. Grundgleichungen GM
Elektrisches Ersatzschaltbild:
Grundgleichungen:
Quelle: Gerling
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss I
Elektrisches Ersatzschaltbild:
Grundgleichungen:
Resultierende Kennlinie:
Quelle: Gerling
Quelle: Gerling
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss II
Quelle: Gerling
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluss IIIBremsen von GM mit Nebenschlussi) Generatorische Nutzbremsung
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
ii) Widerstandsbremsen, Kurzschlussbremsen
iii) Gegenstrombremsen
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluß IVRegelung / Drehzahlsteuerung:i) Vergrößerung
Vorwiderstand im Ankerkreis
ii) Verringerungder Erregung
Quelle: Gerling
Quelle: Gerling
Resultierende Drehmoment-Drehzahlcharakteristik:
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AntriebstechnikVE2-1: Elektromagnetische Aktorik; Dirk Söffker, SRS, U DuE
2.3 Grundgleichungen und Kennlinien von GM2.3.2 Selbstgeführte GM mit Nebenschluß VRegelung / Drehzahlsteuerung:
iii) Verringerung der Klemmenspannung
Resultierende Drehmoment-Drehzahlcharakteristik:
Quelle: Gerling