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Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ „Die elektrische Maschine als Aktor“ Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel ([email protected]) Technische Universität München Arcisstraße 21 80333 München Struktur einer Antriebsregelung Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ „Die elektrische Maschine als Aktor“ elektrische (Synchron-)Maschine Krafterzeugung durch elektrische Energie Die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie … oder umgekehrt … … richtet sich nach den Maxwell‘schen Gleichungen 1. Durchflutungsgesetz (Ampère‘s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell) 2. Induktionsgesetz (Faraday‘s Gesetz) 3. Gesetz von Gauss … die Lorentz-Kraft (Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen) 4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder (es gibt keine magnetischen Monopole – nur geschlossene magnetische Feldlinien) die Lorentz-Kraft physikalische Grundlage Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt die Lorentz-Kraft physikalische Grundlage Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!? If B B … die Argumente, die diesen Wechsel bei Industrieantrieben forcierten (Bürstenverschleiß, Wärmeentwicklung im Rotor, …), sind in Kfz-Anwendungen von untergeordneter Bedeutung Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich Synchronous Motor with Surface Mount Permanent Magnets … in Kfz-Anwendungen werden „bürstenlose“ Antriebe nur dann eingesetzt wenn der Kunde bereit ist, für die technischen Vorteile zu bezahlen (Baugröße, Gewicht…) Synchron-Servomotor mit Selten-Erd-Magneten Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine … man muss sich natürlich fragen : hat meine Anwendung wirklich Vorteile durch den Feldschwächbereich ? oder bin ich die Charakteristik wegen des Schaltgetriebes einfach nur gewöhnt ? Grunddrehzahlbereich Feldschwächbereich Auslegungskriterien für elektrische Motoren • Drehmoment – – – • Dauermoment, Stillstandmoment Überlastverhalten (bei Servoantrieben liegt das Verhältnis Dauer-Drehmoment zu Maximal-Drehmoment zwischen 1:3 und 1:6) das Maximal-Drehmoment bestimmt die Baugröße !!! Drehzahl – – – Stellbereich (Maximal-Drehzahl) Rundlaufeigenschaften bei kleinen Drehzahlen Leistungssteigerung über Drehzahlerhöhung möglich (ohne Vergrößerung des Motors !) Baugrößen-/Gewichtsreduktion durch Einengung von Toleranzen • Netz- bzw. Versorgungsspannung – • Antriebsmotor – – – • Toleranz in der Regel 10 % „Gewinn“ im Nennstrom Drehmoment muss in jedem Fall (auch bei Minimalspannung) bereitgestellt werden … der auszulegende Nennstrom ist entsprechend höher (Energieerhaltungssatz) … der Motor muss größer (und schwerer !) ausgelegt werden Einengung der Spannungstoleranz durch geregelte Leistungselektronik – – – Drehmoment kann problemlos (bei definierter Versorgungsspannung) bereitgestellt werden … der auszulegende Nennstrom hat ebenfalls eingeengte Toleranz (Energieerhaltungssatz) … der Motor muss nicht größer (und schwerer !) ausgelegt werden Synchronmaschinen mit Permanentmagneterregung Feldschwächung … wegen des großen Luftspalts ist der zur Feldschwächung notwendige d-Strom allerdings viel größer (!) als der Strom, der für elektrische Erregung notwendig wäre … wenn jemand im Feldschwächbereich unerwartet den d-Strom abschaltet (z. B. Not-Aus oder Defekt) entsteht an den Motorklemmen eine Spannung, die wesentlich größer ist als die Nennspannung Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt Synchronmaschinen mit Permanentmagneterregung Beispiel eines Motors Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt Comparison : Outer Rotor – Inner Rotor airgap diameter smaller diameter rotor electrical excitation stator permanent magnet excitation winding source: VENSYS Energiesysteme Integration in die Anwendung (Lüfter, Pumpen) erhebliche Reduktion von Volumen und Masse möglich Zahnspulenwicklung bei einer Außenläufer-Synchronmaschine … hier können die gleichen Fertigungseinrichtungen wie bei der Herstellung von Gleichstrom-Ankern verwendet werden !!! sehr interessant für BOSCH Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ „Die elektrische Maschine als Aktor“ elektrische (Asynchron-)Maschine Gleichstrom- und Drehstrommaschinen EC Motor/BLDC Motor Synchronmaschine Gleichstrommaschine Asynchron-maschine Elektrisches Ersatzschaltbild Asynchronmaschine Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN 978-3-642-02989-9 Stromortskurve der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN 978-3-642-02989-9 Stromortskurve der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN 978-3-642-02989-9 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Quelle : D. Schröder -Elektrische Antriebe - Grundlagen 4.Auflage, ISBN 978-3-642-02989-9 Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit konstanter Frequenz Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit unterschiedlichen, aber konstanten Frequenzen und unterschiedlichen Spannungen (U/f = konstant) Drehmoment-/Drehgeschwindigkeitscharaktersitik der Asynchronmaschine beim Betrieb mit unterschiedlichen, aber konstanten Frequenzen und konstanter Spannung (Feldschwächbereich) Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren bürstenbehaftete Motoren Unipolarmotoren Gleichstrommotoren Feldwicklung (Reihen-) Hauptschluss Motoren mit mechanischer Kraftübertragung bürstenlose Motoren Drehfeldmotoren asynchron synchron piezoelektrische Motoren Wanderwellenmotoren Ultraschallmotoren Feldmagnete Nebenschluss Doppelschluss Käfigläufer feldorientiert Schleifringläufer mit Feldwicklung Permanentmagnet SynchronReluktanz frequenzgesteuert Reluktanz Geschaltete Reluktanz trapezförmige sinusförmige EMK EMK „vergrabene Magnete“ Transversalfluss Oberflächenmagnete Schrittmotoren Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen DC ASM - einfach zu regeln - Innenbelüftung einfach zu realisieren - hohe Schutzart geringer Raumbedarf Wartungsfreiheit niedriges Eigenträgheitsmoment - hohes StillstandsDrehmoment - hohe Dynamik - Verlustleistung im Stator - - niedrige Schutzart - mechanischer Verschleiß (Bürsten, Kollektor) - Strombegrenzung - Stillstand (Kollektor-Lamellen) - hohe Drehzahl (Kommutierung) - max. Klemmenspannung von 200 V (Trafo notwendig) - Verlustleistung im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohe Kosten - eingeschränkter Drehzahlbereich - eingeschränkte Überlastbarkeit (Entmagnetisierungsgefahr) - OberschwingungsVerluste vorwiegend im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohes Trägheitsmoment - Feldstrom erforderlich (Verluste, Bauvolumen, größerer Umrichter) - komplexe Regelung - parameterabhängige Regelung Vorteile Nachteile SM hohe Schutzart Wartungsfreiheit hohe Überlastbarkeit niedrige Kosten hohes StillstandsDrehmoment - großer Drehzahlstellbereich historische Entwicklung bei industriellen Antrieben wer das Ergebnis voraussah und diesen Weg wählte, war pleite, bevor es soweit kam künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben ??? bis 2000 seit 2000 ab 20xx ? Ausführungsformen Zylinderläufer das ist „normal“ … wegen des Kommutators wäre diese Ausführung als Gleichstrommaschine nicht einfach zu realisieren Scheibenläufer Glockenläufer Ausführungsformen Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ „Die elektrische Maschine als Aktor“ Getriebe Mechanische Kopplung Zahnstange Getriebe Spindel Zahnriemen Kette Auslegung von Getrieben Wechselwirkung mit Motorgröße Abtrieb : 100 Nm bei 100 min-1 bei Auslegung als Direktantrieb (ohne Getriebe) bestimmt das Drehmoment die Baugröße des Motors mit Getriebe (ü = 10 : 1) wird ein Motor mit folgenden Daten benötigt: 10 Nm bei 1000 min-1 die Baugröße des Motors ist damit deutlich kleiner die Kombination Motor + Getriebe kann daher kleiner bzw. leichter sein als ein getriebeloser Direktantrieb Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“ „Die elektrische Maschine als Aktor“ Zusammenwirken der Komponenten Struktur einer Antriebsregelung Drehzahlregelung Lageregelung n* s* s Drehmoment-/Strom Regelung M 3~ i* - - i n Kommutierungssignale Tacho Lagegeber Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine Arbeitspunkt Lastkennlinie Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb Pel > 0 Pmech> 0 Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine … Veränderungen der Speisespannung verschieben die Kennlinie Arbeitspunkt Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb Pel > 0 Pmech> 0 Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 Betriebskennlinie Gleichstrommaschinedie Betriebsbereichsgrenzen Drehmoment sind willkürliche Definitionen … die Maschine selbst reagiert nur nach den Maxwell-Gleichungen die Vorzeichenumkehr bei Drehzahl, Drehmoment und Strom haben in der el. Maschine keine besondere Bedeutung Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb Pel > 0 Pmech> 0 Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 Drehmoment Betriebskennlinie Gleichstrommaschine … es kann allerdings sein, dass externe Einrichtungen (z. B.Stromrichter) mit der Stromumkehr Probleme haben Drehzahl Gegenstrom-Bremsbetrieb Pel > 0 Pmech> 0 Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 Betriebskennlinie Drehfeldmaschine mit Drehzahlregelung eine elektrische Maschine mit Umrichterspeisung und Drehzahlregelung weist nach außen immer die Kennlinie einer Synchronmaschine auf … egal um welche Art von elektrischer Maschine es sich handelt Drehmoment Betriebskennlinie Synchronmaschine … Veränderungen der Speisespannung verschieben die Kennlinie … aber nur vertikal … Veränderungen der Speisefrequenz verschieben die Kennlinie horizontal … das ist genau das, was die Drehzahlregelung bei Änderungen des Drehzahlsollwerts bewirkt Lastkennlinie Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 Arbeitspunkt Drehzahl Drehmoment Betriebskennlinie Synchronmaschine auch hier sind die Betriebsbereichsgrenzen willkürliche Definitionen … der Übergang von Motor- zu Generatoretrieb oder umgekehrt erfolgt quasi „automatisch“ Motorbetrieb Pel > 0 Pmech< 0 Generatorbetrieb Pel < 0 Pmech> 0 … sobald der Arbeitspunkt vom ersten Quadranten in den vierten Quadranten wechselt (oder umgekehrt) Drehzahl Drehmoment-/Drehzahl-Charakteristik von umrichtergespeisten Synchronmaschinen Grenzkennlinie durch maximalen Speisestrom Grenzkennlinie durch maximale Speisespannung Kennlinie der drehzahlgeregelten Synchronmaschine thermische Grenzkennlinien … leider wird in den meisten Datenblättern nur der 1. Quadrant dargestellt Quelle : SIEMENS
