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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Permanenterregte
Drehstrom-Synchronmotoren werden in vielfältigen industriellen Anlagen
und Maschinen eingesetzt um bestimmte Bewegungsabläufe von
Stellelementen zu generieren, mittels derer allgemein Arbeits-,
Transport-, Fördervorgänge und dergleichen
durchführbar
sind.
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Insbesondere
können
mit permanenterregten Drehstrom-Synchronmotoren hoch dynamische Bewegungsabläufe, wie
zum Beispiel intermittierende Bewegungen von Stellelementen generiert
werden. Derartige intermittierende Bewegungen treten beispielsweise
bei Teilapparaten, Biegeautomaten, Werkzeugmaschinen oder Pressesystemen
auf.
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Die
permanenterregten Drehstrom-Synchronmotoren können dabei generell als rotative
Antriebe mit einem Rotor und Stator ausgebildet sein. Alternativ
können
diese auch als Linearmotoren mit Primär- und Sekundärteilen
ausgebildet sein.
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Ein
wesentlicher Kostenfaktor bei derartigen Systemen ist der Strombedarf
der Drehstrom-Synchronmotoren, insbesondere die erforderlichen Spitzenströme zur Generierung
der erforderlichen maximalen Drehmomente. Je größer die erforderlichen Spitzenströme sind,
desto größer sind
die Zuleitungen für
das Antriebssystem auszulegen und desto größer sind die Leistungselemente
der Verstärker
für die
Antriebe sowie deren Kühlung
auszulegen.
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Bei
entsprechend hohen Anforderungen für die einzelnen Anwendungen
stellt die geeignete Auslegung der Antriebssysteme einen erheblichen
Kostenaufwand dar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit welchem bei möglichst geringem Kostenaufwand
vorgegebene, insbesondere dynamische Bewegungsabläufe mittels
permanenterregter Drehstrom-Synchronmotoren generiert werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur Generierung von Bewegungsabläufen von Stellelementen mittels
eines permanenterregten Drehstrom-Synchronmotors, wobei die Bewegungsabläufe derart
ausgebildet sind, dass die Zeitpunkte des maximalen Drehmoments
des Drehstrom-Synchronmotors nicht mit den Zeitpunkten der maximalen Drehzahl
des Drehstrom-Synchronmotors zusammenfallen. Zur Erzielung der maximalen
Drehzahlen in dem Drehstrom-Synchronmotor
wird eine Drehzahlüberhöhung mit
dadurch bedingter Drehmomentreduzierung durchgeführt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Betrieb des permanenterregten Drehstrom-Synchronmotors
durch Anpassung an den zeitlichen Verlauf der Bewegungsabläufe optimiert.
Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass bei den Bewegungsabläufen die
Zeitpunkte des maximalen Drehmoments und der maximalen Drehzahl
des Drehstrom-Synchronmotors nicht zusammenfallen. Ursache hierfür können interne
Reibungseffekte oder die kinematischen Verhältnisse der Bewegungen der
Stellelemente sein. Insbesondere handelt es sich bei den Bewegungsabläufen um
dynamische Prozesse wie zum Beispiel intermittierende Bewegungen.
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Bei
diesen Bewegungsabläufen
können
insbesondere Beschleunigungsprofile des Drehstrom-Synchronmotors
in Form von Sinoiden oder Polynomen vorgegeben sein. Dabei sind
die Maxima der Beschleunigungen und damit Maxima des Drehmoments
des Drehstrom-Synchronmotors zeitlich versetzt zu den maximalen
Geschwindigkeiten und damit den maximalen Drehzahlen der Drehstrom-Synchronmotoren.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
in den Bereichen maximaler Drehzahl der Drehstrom-Synchronmotoren
mit oberhalb der Nenndrehzahl liegenden überhöhten Drehzahlen betrieben. Die
dadurch bedingte Drehmomentreduzierung des Drehstrom-Synchronmotors
ist unkritisch, da in diesen Bereichen ein signifikant unterhalb
des maximalen Drehmoments liegendes Drehmoment des Drehstrom-Synchronmotors
benötigt
wird.
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Im
Vergleich zu einer Wicklungsvariante des Drehstrom-Synchronmotors,
mit welcher bei Nenndrehzahl die maximalen Drehzahlen für den Bewegungsablauf
erzielt werden, steht bei dem mit der Drehzahlüberhöhung beschriebenen Drehstrom-Synchronmotor
in den Bereichen maximaler Beschleunigungen innerhalb des Bewegungsablaufs bei
gleichem angenommenen Strom aus den Antriebsverstärkern ein
erheblich größeres Drehmoment
zur Verfügung,
welches ausreichend ist um den Drehmomentverlauf aus dem Beschleunigungsprofil zu
decken. Gegenüber
der genannten Wicklungsvariante sind somit bei dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
betriebenen Drehstrom-Synchronmotor
die Stromspitzenwerte zur Erzielung der maximal benötigten Drehmomentwerte
reduziert. Damit können
die Zuleitungen des Antriebssystems sowie die Leistungselemente
elektronischer Schaltungen, insbesondere der dem Drehstrom-Synchronmotor zugeordneten
Verstärker,
erheblich kleiner und damit kostengünstiger ausgelegt werden.
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Generell
wird durch die erfindungsgemäße Drehzahlüberhöhung des
Drehstrom-Synchronmotors eine optimale Anpassung an den jeweiligen
Bewegungsablauf derart erzielt, dass die maximale Drehzahl des Drehstrom- Synchronmotors in
den Scheitelpunkten der Geschwindigkeiten des Bewegungsablaufs zur
Verfügung
gestellt wird und das maximale Drehmoment des Drehstrom-Synchronmotors
in den Scheitelpunkten der Beschleunigungen des Bewegungsablaufs
zur Verfügung
gestellt werden. Dadurch können
die benötigten
Spitzenstromwerte für
den Drehstrom-Synchronmotor minimiert werden, wodurch eine entsprechend
kostengünstige Auslegung
des Drehstrom-Synchronmotors
realisiert werden kann.
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Zur
Durchführung
der erfindungsgemäßen Drehzahlüberhöhung des
Drehstrom-Synchronmotors kann die Form oder insbesondere die Phase
des Drehstromfeldes in geeigneter Weise geändert werden. Bei Drehstrom-Synchronmotor beträgt der Phasenwinkel
zwischen dem Drehstromfeld und dem Permanentmagnetfeld des Drehstrom-Synchronmotors
im gesamten Drehzahlbereich typisch 90°, da sich hierbei das maximale
Drehmoment des Motors einstellt. Insbesondere mittels eines Verstärkers des Drehstrom-Synchronmotors kann
diese Phasendifferenz zur Durchführung
der Drehzahlüberhöhung geändert werden.
Die Drehzahlüberhöhung erfolgt
fliegend und stufenlos, indem diese durch Änderung der Phasenverschiebung
vor Erreichen der Nenndrehzahl des Drehstrom-Synchronmotors eingeleitet
wird. Die Änderung
der Phasenverschiebung im Verstärker
erfolgt dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von Steuerbefehlen,
die an einer Steuereinheit zur Steuerung des Drehstrom-Synchronmotors
eingelesen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist generell für
permanenterregte Drehstrom-Synchronmotoren
einsetzbar, wobei diese als rotative Antriebe oder als Linearmotoren
ausgebildet und insbesondere als sogenannte Torquemotoren sein können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders für
dynamische Bewegungsabläufe wie
zum Beispiel intermittierende Bewegungen.
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Bevorzugte
Einsatzgetriebe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher Anwendungsgebiete,
bei welchen derartige dynamische Bewegungsabläufe auftreten. Beispiele hierfür sind Teilapparate, Federwindemaschinen,
Biegeautomaten, Werkzeugmaschinen und Stanz-Nippel-Maschinen. Weiterhin kann
das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhaft bei Pick- and Place-Maschinen eingesetzt werden. Hierzu
gehören
neben Leiterplattenbestückungsautomaten
auch Anlagen zum Bonden von Schaltungselementen in elektronischen
Schaltungen.
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Des
Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Steuerung von Bewegungsabläufen in Pressensystemen eingesetzt
werden. Hierzu gehören
die Steuerung von Walzenvorschüben
oder Transportbewegungen von NC-Transfersystemen.
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Schließlich können die
Stellelemente, deren Bewegungsabläufe gesteuert werden, von Taktwalzen
in Folienprägemaschinen
oder so genannten fliegenden Messern in Schneideeinrichtungen gebildet sein.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild einer Antriebseinheit mit einem permanenterregten
Drehstrom-Synchronmotor zur Generierung eines Bewegungsablaufs für ein Stellelement.
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2:
Zeitlicher Verlauf der Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position
des Drehstrom-Synchronmotors gemäß 1.
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3:
Verlauf des Drehmoments eines permanenterregten Drehstrom-Synchronmotors in
Abhängigkeit
der Drehzahl bei konstantem Strom für unterschiedliche Wicklungsversionen.
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1 zeigt
schematisch eine Antriebseinheit mit einem permanenterregten Drehstrom-Synchronmotor 1.
Im vorliegenden Fall ist der Drehstrom-Synchronmotor 1 als rotativer
Antrieb ausgebildet und umfasst einen Stator, in welchem ein Drehstromfeld generiert
wird, sowie einen Rotor mit einem ein Permanentmagnetfeld erzeugenden
Permanentmagneten. Prinzipiell kann der Drehstrom-Synchronmotor 1 auch
als Linearmotor mit einem Primär-
und Sekundärteil
ausgebildet sein.
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Mit
dem Drehstrom-Synchronmotor 1 wird ein Stellelement 2 angetrieben.
Der Begriff Stellelement 2 umfasst generell Mittel zur
Durchführung
von Arbeits-, Transport- und Förderbewegungen.
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Im
vorliegenden Fall ist das Stellelement 2 von einer Walze
oder dergleichen gebildet, mittels derer eine intermittierende Bewegung
durchgeführt wird.
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An
dem Drehstrom-Synchronmotor 1 befindet sich ein Geber 3,
der die aktuelle Position des Rotors erfasst. Die Gebersignale werden
in einem Verstärker 4 eingelesen,
mit dem der Drehstrom-Synchronmotor 1 angesteuert wird.
In dem Verstärker 4 ist
eine Stromregelung zur Regelung des Winkels und des Betrags des
Drehstroms zur Generierung des Drehstromfelds im Stator vorgesehen.
Weiterhin ist in dem Verstärker 4 eine
Kommutierungslogik in Form eines ASICs oder dergleichen integriert,
mittels derer die Phasenverschiebung des Drehstromfelds zum Permanentmagnetfeld
des Rotors vorgegeben wird.
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Der
Verstärker 4 selbst
ist an eine Steuereinheit 5 angeschlossen, die von einem
Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist. Über die Steuereinheit 5 werden
Steuerbefehle in den Verstärker 4 zur
Vorgabe des Bewegungsablaufs des Stellelements 2 eingelesen.
Im vorliegenden Fall können
als Steuerbefehle die Drehwinkel, Drehzahlen oder Drehbeschleunigungen
als Maß für das Drehmomentfeld des
Drehstrom-Synchronmotors 1 in den Verstärker 4 eingelesen
werden. In Abhängigkeit
dieser Steuerbefehle und der Gebersignale wer den in dem Verstärker 4 die
Werte der an den Drehstrom-Synchronmotor 1 auszugebenden
Ströme
berechnet.
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Für den Fall,
dass der Drehstrom-Synchronmotor 1 als Linearmotor ausgebildet
ist, können
die Steuerbefehle in Form von Positionen, Geschwindigkeiten und
Beschleunigungen als Maß für die Kraft der
Drehstrom-Synchronmotoren 1 in den Verstärker 4 eingegeben
werden.
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Zur
Generierung eines Bewegungsablaufs in Form einer intermittierenden
Bewegung des Stellelements 2 wird über die Steuereinheit 5 ein
Beschleunigungsprofil in Form von Sinoiden für den Drehstrom-Synchronmotor 1 vorgegeben.
Der zeitliche Verlauf eines derartigen Beschleunigungsprofils ist
in 2 (mit der Bezugsziffer B bezeichnete Kurve) dargestellt.
Weiterhin ist der entsprechende Verlauf der Geschwindigkeit (mit
der Bezugsziffer G bezeichnete Kurve) und der Verlauf der Position
(mit der Bezugsziffer P bezeichnete Kurve) in 2 dargestellt. Anstelle
der Vorgabe des Beschleunigungsprofils in Form einer Sinoide kann
dies auch in Form von geeigneten Polynomen erfolgen. Durch Vorgabe
derartiger Beschleunigungsprofile werden störende Oberwellen in der zu
steuernden Maschine vermieden, wodurch sich ein ruhiger Maschinenlauf
ergibt.
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Wie
aus 2 ersichtlich liegen die Extrema, das heißt die Scheitelwerte
des Beschleunigungsprofils, zeitlich versetzt zu den Extrema des
Geschwindigkeitsprofils. Dargestellt ist hierbei der Verlauf bei einer
sogenannten Bestehorn-Sinoide für
die Beschleunigung. Andere Profile ergeben etwas andere aber vergleichbare
Verhältnisse.
Beispiele hierfür sind
biharmonische Sinoide oder Polynome wie zum Beispiel P3-, P5- oder
P7 Polynome. Bei dem Maximum der Beschleunigung und damit dem maximalen Drehmomentbedarf
des Drehstrom-Synchronmotors 1 beträgt die Geschwindigkeit und
damit die Drehzahl des Antriebs nur 50 % des Maximalwerts. Umgekehrt liegt
die Beschleunigung beim Maximalwert der Geschwindigkeit deutlich
unterhalb ihres Maximalwerts.
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Erfindungsgemäß wird dieser
Umstand dadurch ausgenutzt, dass der Drehstrom-Synchronmotor 1 in
den Bereichen maximaler Geschwindigkeit, das heißt maximaler Drehzahl, mit
einer Drehzahlüberhöhung betrieben
wird, die mit einer Drehmomentreduzierung einhergeht. In den Bereichen
maximaler Beschleunigungen wird dagegen der Drehstrom-Synchronmotor 1 ohne
Drehzahlüberhöhung, vorzugsweise
bei seiner Nenndrehzahl, betrieben.
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Die
entsprechenden Einstellungen werden in Abhängigkeit der Steuerbefehle
aus der Steuereinheit 5 im Verstärker 4 vorgenommen.
Zur Durchführung
der Drehzahlüberhöhung wird
dabei die Form oder die Phase des Drehstromfelds des Drelstrom-Synchronmotors 1 in
geeigneter Weise geändert.
Im vorliegenden Fall erfolgt über
die Kommutierungslogik des Verstärkers 4 eine
geeignete Änderung
der Phase des Drehstromfelds. Vorteilhaft werden dabei die Regelparameter
des Verstärkers
den durch die Drehzahlüberhöhung geänderten
Systemparametern wie zum Beispiel der effektiven Drehmomentkonstanten
angepasst.
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Im
Normalbetrieb, insbesondere in den Bereichen der Maxima der Beschleunigen,
erfolgt die Ansteuerung des Drehstrom-Synchronmotors 1 mit dem
Verstärker 4 derart,
dass die Phasenverschiebung zwischen dem Drehstromfeld und dem Permanentmagnetfeld
90° beträgt. Zur
Durchführung
der Drehzahlüberhöhung wird
mittels des Verstärkers 4 diese
Phasenverschiebung in definierter Weise geändert.
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Die
Drehzahlüberhöhung wird
dabei fliegend und stufenlos durchgeführt. Anhand der eingelesenen
Gebersignale wird im Verstärker 4 die
aktuelle Drehzahl erfasst. Sobald sich diese der Nenndrehzahl nähert, wird
die Drehzahlüberhöhung durch Änderung
der Phasenverschiebung eingeleitet. Durch diese Änderung der Phasenverschiebung
wird die Drehzahl über
die Nenndrehzahl hinaus überhöht, wobei
diese Drehzahlerhöhung
eine Reduzierung des Drehmoments bedingt.
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Dieser
Effekt ist in 3 veranschaulicht. Das Diagamm
gemäß 3 zeigt
für verschiedene Wicklungsvarianten
des Drehstrom-Synchronmotors 1 gemäß 1 den Verlauf
des Drehmoments in Abhängigkeit
der Drehzahl bei konstantem Strom. Die mit I bezeichnete Kurve zeigt
den Drehmomentverlauf für
eine Wicklungsvariante des Drehstrom-Synchronmotors 1 mit
einer Nenndrehzahl n = 3000 U/min, wobei in diesem Fall der Drehstrom-Synchronmotor 1 ohne
Drehzahlüberhöhung betrieben wird.
Die mit II bezeichnete Kurve bezieht sich auf dieselbe Wicklungsvariante
des Drehstrom-Synchronmotors 1, jedoch mit Drehzahlüberhöhung. Die mit
III bezeichnete Kurve zeigt den Drehmomentverlauf für eine Wicklungsvariante
des Drehstrom-Synchronmotors 1 mit
einer Nenndrehzahl n = 4500 U/min.
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Wie
die mit I bezeichnete Kurve zeigt, kann der in üblicher Weise betriebene Drehstrom-Synchronmotor 1 bis
zu seiner Nenndrehzahl n = 3500 U/min betrieben werden. Für höhere Drehzahlen
fällt das
Drehmoment rasch bis auf den Wert Null ab.
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Demgegenüber kann
die auf die Nenndrehzahl n = 4500 U/min ausgelegte Variante des
Drehstrom-Synchronmotors 1 (Kurve III) für Drehzahlen genutzt
werden, die um den Faktor 1,5 höher
liegen als bei der Variante gemäß Kurve
I. Dafür
liegt bei der Variante gemäß Kurve
III das verfügbare
Drehmoment etwa um den Faktor 2/3 niedriger als bei der Variante
gemäß Kurve
I.
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Um
den Drehstrom-Synchronmotor 1 mit der der Nenndrehzahl
n = 3000 U/min entsprechenden Wicklungsversion auch für Drehzahlen
oberhalb der Nenndrehzahl nutzbar zu machen, wird dessen Drehzahl
in der bereits genannten Weise überhöht (Kurve
II). Damit ist, wie in 3 dargestellt, der Drehstrom-Synchronmotor 1 mit
der der Nenndrehzahl n = 3000 U/min (Kurve II) ebenso wie die Variante
gemäß Kurve
III für
Drehzahlen bis n = 4500 U/min nutzbar.
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Entscheidend
ist, dass der Einsatz des Drehstrom-Synchronmotors 1 mit
Drehzahlüberhöhung zur
Generierung des Bewegungsablaufs gemäß 2 erhebliche
Kostenvorteile gegenüber
den weiteren in 3 dargestellten Varianten bringt.
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Dies
wird im Folgenden anhand eines Beispiels veranschaulicht. Bei diesem
Beispiel entspricht die maximale Geschwindigkeit in 2 einer Drehzahl
des Drehstrom-Synchronmotors 1 von n = 4500 U/min. Das
maximale Drehmoment (entsprechend der maximalen Beschleunigung in 2)
beträgt
etwa 75 Nm.
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Der
Drehstrom-Synchronmotor 1 mit der Nenndrehzahl n = 3000
U/min ohne Drehzahlüberhöhung (Kurve
I in 3) ist für
diese Applikation prinzipiell nicht einsetzbar, da mit diesem keine
Drehzahlen im Bereich n = 4500 U/min erreicht werden können.
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Mit
dem Drehstrom-Synchronmotor 1 gemäß Kurve III in 3 (Nenndrehzahl
n = 4500 U/min) lässt
sich die geforderte maximale Drehzahl von 4500 U/min erzielen. Auch
das bei dieser Drehzahl vom Drehstrom-Synchronmotor 1 gelieferte
Drehmoment reicht zur Erzeugung der notwendigen Beschleunigung aus.
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Wie
aus 2 ersichtlich, tritt der maximale Drehmomentbedarf
von 75 Nm bei der Hälfte
der maximalen Drehzahl auf, also etwa bei n = 2250 Nm. Bei dieser
Drehzahl beträgt
das Drehmoment für
die Variante gemäß Kurve
III in 3 jedoch nur etwa 55 Nm. Um das erforderliche
Drehmoment zu liefern, muss daher mit erhöhten Stromspitzenwerten gearbeitet
werden. Dies führt
zu einer erheblichen Verteuerung des Drehstrom-Synchronmotors 1,
da dessen Zuleitungen und Leistungselemente im Verstärker 4 entsprechend
groß dimensioniert
werden müssen.
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Demgegenüber lasst
sich der Bewegungsablauf gemäß 2 mit
der Variante II gemäß 3 (Drehstrom-Synchronmotor 1 mit
Nenndrehzahl n = 3000 U/min und mit Drehzahlüberhöhung) erheblich kostengünstiger
realisieren. Durch die Drehzahlüberhöhung über die
Nenndrehzahl hinaus kann mit dieser Variante des Drehstrom-Synchronmotors 1 die bei
dem Bewegungsablauf gemäß 2 geforderte maximale
Drehzahl von 4500 U/min erreicht werden. Zwar ist mit der Drehzahlüberhöhung über die
Nenndrehzahl hinaus eine Reduzierung des Drehmoments verbunden,
wie aus dem Verlauf der Kurve III ersichtlich ist. Jedoch ist das
verbleibende Drehmoment noch groß genug, um die bei der maximalen Drehzahl
von 4500 U/min erforderliche Beschleunigung zu generieren.
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Bei
der Drehzahl n = 2250 U/min, bei welcher das maximale Drehmoment
von 75 nm benötigt
wird, liegt das Drehmoment des Drehstrom-Synchronmotors 1 gemäß Variante
II in 3 mit etwa 80 nm noch deutlich über dem
geforderten Wert. Dies bedeutet, dass zur Bereitstellung des maximalen
Drehmoments keine Erhöhung
des Stroms im Drehstrom-Synchronmotor 1 vorgenommen werden muss.
Aufgrund der geringeren Stromspitzenwerte ist diese Variante der
Drehstrom-Synchronmotoren 1 somit kostengünstiger
herstellbar als die Variante III in 3.
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- 1
- Drehstrom-Synchronmotor
- 2
- Stellelement
- 3
- Geber
- 4
- Verstärker
- 5
- Steuereinheit