AWZM.113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
GleichstrommotorGleichstrommotor
AWZM.213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2-0095 - 3
Ankerwicklung
Anker
Stator
Feldwicklung
KollektorKommutator
H
φ
N
S
Prinzipielle Funktion eines Gleichstrommotors
AWZM.313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 - 0072 - 0
Prinzipieller Aufbau und Schaltbild der fremderregten Gleichstrommaschine
Φf fw iΦ ∼
I sin( )u w tΦ ω ω= −
H
IC sin( )u w tΦ ω ω= −
ICu
Kommutator
fw
w
AWZM.413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
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
AWZM.513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
1 Ständer2 Hauptpole3 Wendepole4 Polschuhe5 Kompensationswicklung6 Erregerwicklung7 Läufer8 Hauptfluss
Gleichstrommotor I
AWZM.613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Wendepole: Sind Hilfspole, die dafür sorgen, dass bei der Kommutierung keine zu hohen Induktionsspannungen auftreten, welche zu einem Funkenschlag bzw. dem sogenannten Bürsten-feuer führen (Parallelgeschaltete Keramikkondensatoren reduzieren Hoch-
frequenzstörungen).
Bürstenverschiebung: Stellt eine absichtliche geringe Ver-drehung der Bürsten auf dem Kommutator dar. Dies reduziert ebenfalls das „Bürstenfeuer“.
Gleichstrommotor II
AWZM.713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
A A M A
p wM i C i
aφ φ
π= −
A I A A AP u i M ω= = I A M A Au i C iφ ω⇒ =
I M Au C φω⇒ = EC iφφ =
Motorgleichung Erregergleichung
Gleichungen der Gleichstrommaschine
: Trägheitsmoment
: Zahler der Polpaare
: Zahl der Ankerzweige
: Windungzahl der Ankerwicklung
J
p
a
w
====
AWZM.813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
u tA( )
u tE( )
u tI( )
i tA( )
i tE( )
J, ( ) tω
φ
RA
RE
LA
LE
Anker
Last
Feld-erregung
M
Ersatzschaltbild des fremderregten Gleichstrommotors
I M Au C φω=
EC iφφ =
A M AM C iφ=
AWZM.913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AA A A A M A
d(1)
d
iu i R L C
tφ ω= + +
EE E E E
d(2)
d
iu i R L
t= +
A M A (4)M C iφ=
AA L
d(5)
dJ M M
t
ω = −
Elektromechanischer Teil
Bewegungsgleichung
E (3)C iφφ =
Mechatronische Gleichungen der Gleichstrommaschine
AWZM.1013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
[sec] 1
0,1
0,01
0,001
0,0001
Drehzahl = 2850/minn
Normale Maschinen
Scheibenläufer
τM
τM
τel
τel
P [kW]
Zeitkonstanten von Gleichstromnebenschlussmotoren
Ael
A
L
Rτ =
( )A
M 2
M E
J R
C C iφ
τ =
AWZM.1113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Hochlauf im Leerlauf (ML = 0)
AA
d,
dJ M
t
ω = A M AA
A
u Ci
R
φω−= ( )2A M A AM
A A
d
d
C uJ C
t R R
ω φ ωφ⇒ = −
A M AA
M A A
d
d
C uJ
C t R R
ω φ ωφ
⇒ + =( )2
MA M AA
A A
d
d
C C u
t J R J R
φω φω⇒ + =
( )MA A
A M 2M M
( ) 1 ,t
u J Rt e
C C
τω τφ φ
− ⇒ = − =
Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors I
AWZM.1213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
0 c
d ( )( )
d
x ta x t y
t+ = c
0( ) ( )y
s X s a X ss
⇒ + =
( ) c0( )
yX s s a
s⇒ + =
( )c
0
1( )
yX s
s s a⇒ =
+
( )( )
( )
( )
2M
0 A M
M A
c A A AM2 2
0 MM M
A
( ) 1 1 1 ,C t
ta t J R
C uy J R u J R
x t e e ea CC C
J R
φτ
φ
τφφ φ
− −−
= − = − = − =
1 ata e−− ( )a
s s a+
( )c 0
0 0
( )a
y aX s
s s a⇒ =
+
( )2
M0
A
Ca
J R
φ=
M Ac
A
C uy
J R
φ=
Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors II
AWZM.1313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
tτ
u / RA A
iA
ML
tτ
ω uC Φ
A
M
AA
A
tui e
Rτ
−=A
AM
1tu
eC
τωφ
− = −
( )A
M 2
M
J R
Cτ τ
φ≡ =
Hochlauf des Gleichstromnebenschlussmotors III
AWZM.1413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
( )A A
A M A 2
M
R Mu C
Cφ ω
φ⇒ = +(2) und (3) in (1)
( )A A A
A 2M M
u R M
C Cω
φ φ⇒ = −
AA
M
Mi
C φ=
Momenten-sensor
Gleichstromnebenschlussmotors
I M Au C φω= Geschwindig-keitssensor
y m x c= +
Geraden-gleichung
AWZM.1513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
( )A A A
A 2M M
u R M
C Cω
φ φ= −
AWZM.1613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.1713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
T tq T
uD
MSteuerung FD
LRT
+
-
Drehzahlvariation durch Pulsbreitenmodulation
AWZM.1813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
M
LA
LE
RA
RE
uIuA
iA AC iφφ =
AA
M
Mi
C φ=
AA
M
Mi
C φ⇒ =
( )A A
AM MA M
1
C C
u R
C CM Cφ φ
ωφ
⇒ = −
Gleichstrommotor im Reihenschlussbetrieb
Bei EntlastungZerstörungsgefahr Aω → ∞
StationärerGrenzfall
AWZM.1913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinie des Gleichstromreihenschlussmotors
MAMN
iA ,ωA
Bei Entlastung Zerstörungsgefahr!
weiche Kennlinie
M
LA
LE
RA
RE
uIuA
iA
AWZM.2013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2A AJ d b∼
dA
bA
AWZM.2113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.2213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
DrehstrommotorenDrehstrommotoren
AWZM.2313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Drei harmonische Strangspannungen und Ströme I
Drei gleichartige Wicklungsstränge sind um 120° versetzt.
Drei Erregerströme bzw. –spannungen sind ebenfalls um 120° zueinander phasenver-schoben.
AWZM.2413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
( ) ( )( )120 120 120v
1
2j t j t jB e e eω ω− ° − − ° °= +B
( )u
1
2j t j tB e eω ω−= +B
( ) ( )( )240 240 240w
1
2j t j t jB e e eω ω− ° − − ° °= +B
u v w= + +B B B B 240 4801 0j je e° °∧ + + =3
2j tB e ω⇒ =B
Dies entspricht einem kreisförmigen Drehfeld der magnetischen Flussdichte.
Drei harmonische Strangspannungen und Ströme II
BU1
V1W1
W2V2
U2
x
jy
AWZM.2513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
BU1
V1W1
W2V2
U2
Hartmagnetischer Rotor dreht sich synchron mit dem Drehfeld(Synchronmaschinen).
Weichmagnetischer Rotor dreht sich synchron mit dem Drehfeld (Reluktanz
Synchronmaschinen).
Spulensystem mit reduzierter Dreh-frequenz 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
AWZM.2613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Spulensystem im Drehfeld
Liegt eine Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Rotor vor, so existiert eine Flussänderung in der Spule. Die Induktions-spannung bewirkt einen Kreis-strom und dessen magnetisches Feld erzeugt ein Drehmoment an dem Spulensystem. Infolge-dessen folgt der Rotor dem rotierenden Feld des Stators (Lenzsche Regel).
d dtφ
B = B e j tω
i
φ
H
HDreh-achse
Spule
AWZM.2713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kurzschlussläufer der Asynchronmaschine
Wikipedia
AWZM.2813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Drehfeld des Drehstrommotors
Wikipedia
Zur Verstärkung der Magnetfelder und Momente werden Ständer und Läufer aus genuteten ferromagnetischen ge-schichteten Blechen hergestellt. Die Schichtung reduziert Wirbelströme und damit Wirbelstromverluste im Eisen.
AWZM.2913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Feldbilder des Drehstrommotors
Leerlauf Stillstand
AWZM.3013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Wikipedia
Drehstrommotor
AWZM.3113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.3213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
1
2
i1
i2
Φ12
Φ1
Φ2
u tI1= -d dψ /1
u tI2 = -d dψ /2
u tI21= -d dψ /21
u tI12= -d dψ /12
Φ21
Streufluss
Wickelsinn(rechtswendig)
H2
H1
R1 R’σ 2
R’ s /s2 = (1 - )
jXσ 1
jXh
jX’σ 2
uh
i2i1
u1
ih
Streufluss
Rotor
Stator
Drehstrommotor und Transformator
Symmetrie in den 3 Phasen
AWZM.3313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Symmetrie in den 3 Phasen
AWZM.3413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
( )( )
2s
2 2ss
1
1
x uM m p
L x
σωσ
−=
+
( )( )
s 2s2
s
1
1
L xM m p i
L x
σ−=
+
Drehmoments
0 0np
ωΩ≡ =
0r
s 0
n ns
n
ωω
−= =
Drehstrommotor unter Last I
Leerlaufdrehzahl
Schlupf
R1 R’σ 2
R’ s /s2 = (1 - )
jXσ 1
jXh
jX’σ 2
uh
i2i1
u1
ih
AWZM.3513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
ks s
1
2M m p
L
σσ ω
−=
rk
s r
Rs
Lω σ=
2h
s r
1L
L Lσ = −
r r
r
Lx
R
ω=
k
k
k
2 MM
ss
s s
=+
Kippmoment
Kippschlupf
Streuung
Rotorhilfswert
Klosssche Momentenformel
Drehstrommotor unter Last II
AWZM.3613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
3000 U/min sind 314 rad/s Drehzahlrad/sn = Ω
eine 2-polige Maschine hat die Polpaarzahl 1Polpaarzahl-p
üblicherweise 3 (für Drehstrom)Anzahl Phasen-m
Lr = Lσr + LhRotorinduktivitätHLr
beeinflusst das Kippmoment und den Anlaufstrom RotorstreuinduktivitätHL σr
bei Industriemotoren schlupfabhängigRotorwiderstandΩRr
im Stillstand ist ωr = ωs im Leerlauf ωr = 0Rotordrehfrequenzrad/sωr
RotorstromAir
bei Kurzschlussankermotoren ist ur = 0RotorspannungVur
gemeinsame Induktivität von Stator und RotorHauptinduktivitätHLh
Ls = L σs + LhStatorinduktivitätHLs
beeinflusst das Kippmoment und den AnlaufstromStatorstreuinduktivitätHL σs
bei großen Motoren zu vernachlässigenStatorwiderstandΩRs
üblicherweise 50 Hz, in Amerika 60 HzStatorfrequenzHzf
ω = 2 π f (bei 50 Hz = 314 rad/s)Statordrehfrequenzrad/sωs
Strangstrom (Sternschaltung)StatorstromAis
Strangspannung (Phase -Null)StatorspannungVus
BemerkungenBezeichnungEinheitSymbol
Variablen des Drehstrommotormodells
AWZM.3713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 - 0069 - 0
I n( )M n( )
Drehzahl n
Schlupf s
Last
Läuf
erst
rom
D
rehm
omen
t I M
Mkipp
MN
MAn
IAn
IN
nKipp nN ns
skipp sN 01
0
M MI I
An N
an N
< 5 <
n s n = (1- ) s
s =n n
ns
s
-
Kennlinien eines Asynchronmotors I
BetriebszustandM(n) = ML(n)
AWZM.3813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.3913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors II
Andresen
AWZM.4013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors III
Andresen
AWZM.4113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors (Strangspannungsvariation)
Andresen
AWZM.4213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors (Rotorwiderstandsvariation)
Andresen
AWZM.4313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors I (Frequenzvariation)
Andresen
AWZM.4413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors II (Frequenzvariation)
Andresen
AWZM.4513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Kennlinien eines Asynchronmotors (Streuungsvariation)
Andresen
AWZM.4613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Wirkungsgrad des Asynchronmotors
Andresen
AWZM.4713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
heuteheute230V230Vundund390V390V
WerteWertesindsindEffektivEffektiv--wertewerte
2 - 0070 - 0
Stern-Dreieckschaltung beim DS-Asynchronmotor
AWZM.4813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Aufbau eines permanent erregten DrehstromAufbau eines permanent erregten Drehstrom--Servomotors (Synchronmotor)Servomotors (Synchronmotor)
HANSER
Rotorwelle
ElektrischerAnschluss
Motorgeber
Haltebremse(optional)
Stator mitWicklung
Rotor mit Perma-nentmagneten
AWZM.4913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.5013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
ScheibenmotorenScheibenmotoren
AWZM.5113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Scheibe ausIsoliermaterial
Permanentmagnet
Spezial-Kohlebürsten
aufgeklebteLeiterbahnen
NSH
Prinzip eines Scheibenläufers
AWZM.5213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.5313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
LinearmotorLinearmotor
AWZM.5413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 -2990 - 2
Linearantrieb als abgewickelter Drehstrommotor
TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL
N S
N S
doppelte Polteilung Primärteil
Sekundärteil
Drehfeld
Luftspalt Wanderfeld
Nuten mit WicklungStator
Stator
Polrad
Stator im Drehfeld
abgewickelter Stator
Stator,integriert im
LinearantriebMM 44/2002 P. F. Brosch
AWZM.5513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 - 2879 - 0
Konstruktionsprinzip eines Linearmotors, T PolteilungP
TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL
PrimärteilmitStänderwicklung
Sekundärteil
magnetischerRückschluß
TPTP TP
V
AWZM.5613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 -2991 - 2
Linearmotor, bestehend aus Primärteil mit Wicklung und Sekundärteil
TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL
PrimärteilKabelschlepp
SpielfreiesFührungssystem
LinearesWegmesssystem
Sekundärteil
MM 44/2002 P. F. Brosch
AWZM.5713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.5813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
SchrittmotorenSchrittmotoren
AWZM.5913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.6013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Wikipedia
Rotor
Stromquelle
+
-
S
N
S1
S2
S3
S4
Permanentmagnetischer Schrittmotor
Was ist hier falsch?
AWZM.6113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Bauarten von elektrischen Schrittmotoren
Hybrid-Motor
Permanentmagnet-Motor
Reluktanz-Motor
AWZM.6213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
6
2 3
Impulsfolgen
Drehrichtung
Impulse
t
t
1 2 3
(t)
Rummich
123456
AnsteuergerätLogikteilLeistungsteilSchrittmotorLastNetzteil
4
Schrittmotorantrieb
AWZM.6313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.6413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.6513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.6613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.6713.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Rummich
Elektromagnet 1 Elektromagnet 2 Strang 1 Strang 2
N S
LäuferI1 I
2
1 2 3 4
Ständer τΝ
Elektromagnetischer Linearschrittantrieb
AWZM.6813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Schritt........................
..Selbsthaltemoment
Anlaufbereich...........
Beschleunigungs-bereich
....
Leerlauf.....................
Anlaufgrenzfr............(Start-Stop-Frequenz)
Anlaufgrenzmoment
Haltemoment.............
Schrittwinkel.............Schrittfrequenz.........
Drehzahl....................
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.
Umdrehung pro Minute, berechnet aus Schrittfrequenz Schrittwinkel 60
3600
Das max. Drehmoment, mit dem man einen Motor statisch belasten kann, ohne ihn um einen Schrittwinkel zu verdrehen.
nicht erregten
Das max. Drehmoment, mit dem man einen Motor statisch belasten kann, ohne ihn um einen Schrittwinkel zu verdrehen.
erregten
Das höchste Lastmoment, bei dem der Motor mit einer starr angekuppelten Schwung-masse bei einer bestimmten Steuerfrequenz ohne Schrittfehler anlaufen kann.
Betriebsbereich, in welchem der Motor bei einer bestimmten starr angekuppelten Zusatzschwungmasse anlaufen und anhalten kann.
ohne Schrittfehler
Betriebsbereich, in welchem der Motor bei einer bestimmten starr angekuppelten Zusatzschwungmasse ohne Schrittfehler in einer Drehrichtung arbeiten jedoch
anlaufen und anhalten kann. nicht
ohne Schrittfehler
Die Betriebsart, bei der der Motor weder durch von außen angreifende Drehmomente noch durch angekuppelte Zusatzschwungmasse belastet wird.
Größte Steuerfrequenz, bei welcher der Motor mit einer bestimmten Last, bestehend aus Reibmoment und Beschleunigungsmoment für starr angekuppelte Schwung-massen, ohne Schrittfehler anlaufen kann.
Begriffserläuterungen für Schrittmotore
Rall
AWZM.6913.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
ServoantriebeServoantriebe
AWZM.7013.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
PritschowSpindeldrehzahlnsp [1/min]200050000 20000 10000 5000
Grenzvorschubpro Zahn
KonventionelleZerspanung
Zur
Zer
span
ung
notw
endi
ge
Vor
schu
bkra
ft F
f
konventionellerVorschubantrieb
Direktantrieb
Vorschub pro Zahn
100
200
500
1000
2000
5000
10000
0,02 0,12 0,22
0,1 0,25 0,4fz [mm] (konv.)
fz [mm] (HSC)
HSC
Vergleich von Vorschubantrieben
AWZM.7113.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
2 - 2598 - 1
Elektromechanischer Vorschubantrieb
Mechanische Übertragungselemente
Getriebe
direktes Meßsystem
Sollwert-generierung
Interpolator
drehzahlgesteuerter
Motor
Feininter-polationVorsteuerungÜberwachung
-Lage-Drehzahl-regler bzw.Zustandsregler
-Kompensationen-Feldorientierung
digitaleRegeleinrichtung
MotorströmeMotorlage bzw.Motordrehzahl
Pritschow
Schlitten
Spindel
AWZM.7213.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Interpolatordigitale
Regeleinrichtung
digitaleSchnittstelle
direktesMeßsystem
Schlitten
Linearmotor
-Lage- Drehzahl-regler
-Zustandsregler
-Feldorientierung
9 - 2599 - 8
Elektromechanischer Lineardirektantrieb
Pritschow
AWZM.7313.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
+ Die Bauraumoptimierung mittels mechanischer Untersetzung schnelldrehender Servomotoren,
+ eine mechanische Untersetzung reduziert die Rückwirkungen der Last auf das Antriebssystem,
+ die Hauptwärmequelle, der Antriebsmotor, kann meist außerhalb der Maschinenstruktur angebracht werden,
+ große Variantenvielfalt zu günstigen Kosten.
Vorteile- Elastizität des Antriebsstrangs, weshalb sich systembedingt eine Begrenzung der Regelbandbreite auf ca. 1...6 m/mm * min (20...100 1/s) ergibt,
- nichtlineares Übertragungsverhalten wegen der Umkehrspanne, dem Spindelsteigungs- fehler und ähnlichem,
- begrenzte Lebensdauer aufgrund von mechanischem Verschleiß,
- begrenzte Spindeldrehzahl zwingt für hohe Verfahrgeschwindigkeiten zu hohen Spindel- steigungen (stärkere Lastrückwirkung, reduzierte Laststeifigkeit)
- Erwärmung der Spindel wegen des begrenzten Spindelwirkungsgrads.
kv<
Nachteile
Vor- und Nachteile elektromechanischer Antriebe
Rall
AWZM.7413.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Vorteile
+ sehr hohe Regelbandbreite,
+ 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.
Nachteile
- meist großer Bauraum und hohes Eigengewicht, bezogen auf spezifische Kräfte/Momente,
- 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
AWZM.7513.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
AWZM.7613.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
Vorteile- sehr hohe Regeldynamik
- große Positioniergenauigkeit bei hohen Bahngeschwindigkeiten
- hohe Verfahrensgeschwindigkeit
- hohe Beschleunigungen bei nicht zu hohen Lasten
Nachteile
- erheblicher Kühlleistungsbedarf
- großes Bauvolumen bezogen auf den Arbeitsraum
- hohe Kosten
Daten
VorschubkraftVorschubgeschwindigkeitVorschubbeschleunigung absolute PositioniergenauigkeitWiederholgenauigkeit
30 bis 4000 N<0,1 bis 5 m/sbis etwa 30 bis 50 m/s+/- 0,5 bis 50 m+/- 0,01 bis 5 m
2
((
Servo-Direkt-Antriebe
Rall
AWZM.7713.12.2008
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UmrichterUmrichter
AWZM.7813.12.2008
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AnforderungenFühren der Regelgröße entsprechend demjeweiligen technologischen Antriebsproblem,
Ausgleich von Störeinflüssen,
Begrenzung von Regelgrößen
Entkoppelung von Fluß und Drehmoment;
Eigenschaften
großer Drehzahlstellbereich von 1 : 1000, wobebei konstanter Leistung ein Bereich von 1 : 4abgedeckt werden kann,
gute Rundlaufeigenschaften auch bei niedrigenDrehzahlen,
rückspeisefähiger Netzstromspeicher,
Motorüberwachung
Verbesserung der Drehzahlsteifigkeit durchDrehzahlregelung
Anforderungen und Eigenschaften von Umrichtern für WZM-Hauptantriebe
Rall
AWZM.7913.12.2008
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AWZM.8013.12.2008
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I
U
UBR
IR UH
IG3>I I IG2 G1 G0 > > = 0IH
Thyristor-Symbol, -Ersatzschalbild und -Kennlinie
AWZM.8113.12.2008
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Kennlinienfeld
Funktionsbereiche der Thyristorkennlinie
AWZM.8213.12.2008
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S
D
G
pMOS CMOS
Bipolare Transistoren
Feldeffekt-Transistoren
Schaltsymbole Transistoren
PNPNPN
AWZM.8313.12.2008
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Transistorkennlinie
OhmscheArbeitsgerade
AWZM.8413.12.2008
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Transistor als Schalter
ue
uB
Ohmscher Widerstand
Kapazität
Induktivität Elko
AWZM.8513.12.2008
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SOT-23TO-252TO-3TO-5
TO-18TO-220TO-126TO-92
Gehäuseformen
Elko
AWZM.8613.12.2008
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AWZM.8713.12.2008
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RegelkonzepteRegelkonzepte
AWZM.8813.12.2008
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AWZM.8913.12.2008
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Schaltelemente TransistorFeldeffekttransistorThyristor
Dynamisches Verhalten kreisstromfreikreisstrombehaftet
Zahl der Quadranten 1 bis 4
Verwendung der WärmeenergieBremsenergie Netzeinspeisung
Unterscheidungsmerkmale von Antriebsreglern
Rall
AWZM.9013.12.2008
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D. Naunin
Lage-soll
StromDrehzahl
Lage-Regler
Strom-
Reglerdigital analog
DA Antrieb
Lagegeber
Tacho-generator
Lage
A L
T
Lage-Drehzahl-Strom-Regler
Lage-soll Strom
digital
Antrieb geberLage-
Lage / Drehzahl
N E
U
Regelungskonzepte für Servomotorenantriebe
AWZM.9113.12.2008
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(
mittlere Ausgangsspannungu
Zeit in t
Gleichrichterschaltung mit gesteuerten Stromrichtern
Rall
AWZM.9213.12.2008
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Blockschaltbild eines AC-Hauptantriebes
Indramat
M3~
Versorgung Hauptantrieb
Hauptspindelmotor 2 AD
Versorgungsmodul KDV Hauptantriebsmodul KDA
2x analog oder 16 Bit paralleloder RS 232 C
16 Bit paralleloder RS 232 C
Binärcodiert
Digitale Eingänge
Digitale Ausgänge an
al o
g
Leistungssteuerung
Mikrocomputer: Parametrisierung, Regelung, Überwachung, DiagnoseA
nla u
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Pos
ition
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VersorgungSignalverarbei-tung
VersorgungLeistungsteilEinspeisung
Einspeisung
Pos
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tu.
Rot
or-
posi
tion
Programmiermodul
LeistungsteilSpindel-positions-erfassung
AWZM.9313.12.2008
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Siemens
++- -
StromII
An-steuerung
I
Zuordner
Drehzahl-Istwert
Strom-Istwert
Drehzahl-Regler
Strom-Regler
Pulsbreiten-Modulation
Leistungs-Stellglied Drehstrom
Synchronm.Tacho-
Generator
SyM TG
Wechsel-richter
3~
Rotatorlage-Geber
I = “Kommutator” (zus. m. RLG)II = phasenrichtige Gleichrichtung des Strom-IstwertesIII = phasenrichtige Aufbereitung des Drehzahl-Istwertes
Drehstrom-Vorschub-Antrieb Blockschaltbild
AWZM.9413.12.2008
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DSMTBedienrechner
L1L2L3
300 V / 100 A / 15 kHz
Int.Gen
I/0
RAM4K
3xA/D-C
2xD/A-C
Übersichtsbild der Mikrorechnerregelung eines Drehstromservomotors
Rall
AWZM.9513.12.2008
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Stator-Achse
Rotor-Achse
i mR( )ti s
( )t i sq
i sd
i s
( )t
i mR( )t
Ständerstrom
Magnetisierungsstrom
Drehwinkel des Läufers
ω1
ω
ε
δ
ε
ξ ρ
Rall
Feldkoordinaten der Drehstrommaschine
AWZM.9613.12.2008
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AWZM.9713.12.2008
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AWZM.9813.12.2008
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack