Aufrufe
vor 2 Wochen

O+P Fluidtechnik 9/2017

O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE FORSCHUNG UND

ANTRIEBE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED Dabei sind ρ Luft , p Luft , R Luft und T Luft die Dichte, der Druck, die spezifische Gaskonstante und die Temperatur der zugeführten Luft. Die Geometrie der Zylinderkammern wird mit dem Kolben- bzw. Stangendurchmesser D Kolben und D Stange sowie der Hublänge x Hub beschrieben. Mit der Dichte ρ 0 bei Normbedingungen lässt sich nach Gl. 1-2 das zugeführte Normvolumen bestimmen. V 0 m zu 0 ( Gl.1 2) = − ρ 1-3 1-4 1.4 Elektrische Leistung in W Messsystem für elektromechanische Antriebe Leistungsbedarf bei unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Leistungsbedarf bei unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten 20 ν = 0,2 m s 40 60 Zeit in s 80 ν = 0,4 m s 100 Von maßgeblicher Relevanz ist es hierbei, dass alle Berechnungen auf den gleichen Normzustand bezogen werden. Im Folgenden wird der technische Normzustand nach DIN 1945 1 verwendet (trockene Luft, T 0 =293,15 K, p 0 =1 bar, ρ 0 =1,204 kg/m 3 ) [DIN80]. Weiterhin ist eine Abschätzung der zugeführten Exergie ΔE zu möglich. Diese erfolgt nach Gl. 1-3 mit der zuvor ermittelten Luftmasse m zu sowie den bekannten Bedingungen in der Luftzufuhr (p Luft , T Luft und der spezifischen Wärmekapazität c p,Luft ) und der Umgebung (p U , T U ). ( ) ( ) cpLuft , ⋅( TLuft −TU) ∆ Ezu = mzu ⋅⎡ hLuft hU TU sLuft s ⎤ ⎣ − − ⋅ − U ⎦ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ = mzu ⋅⎢ ⎛ ⎛TLuft ⎞ ⎛ pLuft ⎞⎞⎥ ⎢−TU ⋅ cp, Luft ⋅ln −RLuft ⋅ ln ⎜ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎥ TU p ⎟ ⎢⎣ ⎝ ⎝ ⎠ ⎝ U ⎠⎠⎥⎦ ( Gl.1− 3) Sind die Zustandsgrößen in der Versorgung sowie der Umgebung und die geometrischen Bedingungen bekannt, ist eine vorherige Abschätzung des Luft- und Exergiebedarfs in sehr guter Übereinstimmung mit den zuvor vorgestellten Messergebnissen möglich. 1.1.2 ELEKTROMECHANISCHE ANTRIEBE Analog zur Erfassung der von den pneumatischen Antrieben benötigten Exergie wurde ein Prüfsystem zur Erfassung der zugeführten elektrischen Energie zum Betrieb elektromechanischer Linearantriebe aufgebaut. Die mit den elektromechanischen Antrieben untersuchten Hublängen entsprechen denen der pneumatischen Antriebe. Bild 1-3 zeigt eine schematische Darstellung des eingesetzten Versuchsaufbaus. Zur Erfüllung der Verfahraufgabe werden zwei elektromechanische Zylinder mit Kugelgewindetrieben verwendet. Die Ansteuerung erfolgt über eine herstellerseitig bereitgestellte Steuerung. Erfasst wird die der Versorgungseinheit zugeführte elektrische Energie, die zur Erfüllung der gestellten Verfahraufgabe benötigt wurde. Weiterhin wurden die Position des Zylinders sowie die lastseitig wirkende Kraft auf den Zylinder gemessen. Die von der Versorgungseinheit aufgenommene elektrische Energie zur Erfüllung einer gestellten Verfahraufgabe kann als reine Exergie betrachtet werden, da sie prinzipiell in jede andere Energieform gewandelt werden kann. Der zugeführte Exergiestrom el (t) kann mit Hilfe von Gl. 1-4 aus den Verläufen der Spannung U(t) und der Stromstärke I(t) mit dem Wirkfaktor cos ϕ rechnerisch ermittelt werden. el () = () = () ⋅ () ⋅ ( Gl.1− 4) Ė t P t U t I t cosϕ el Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass sich die zugeführte Exergie in drei dominante Teilexergien aufteilen lässt. Nach der Leistungs- und Reglerfreigabe erfolgt bereits eine Leistungsaufnahme des Systems, die die Grundexergieaufnahme E B bestimmt. Während der Verfahrbewegung kommt eine durch die Verfahrbewegung verursachte Bewegungsexergie E M hinzu. In den Endlagen wird die zum Lasthalten notwendige Exergie E R aufgenommen. Die einzelnen Teilexergien können dann nach Gl. 1-5 zur insgesamt notwendigen Exergie E E aufsummiert werden. E B M R ( Gl.1 5) E = E + E + E − 44 O+P Fluidtechnik 9/2017

ANTRIEBE Mit erfolgter Leistungs- und Reglerfreigabe beginnt die Aufnahme der Grundexergie durch das Antriebssystem. Die Grundexergie ist somit als Sockelwert zu verstehen, der während des gesamten Betriebs des Antriebssystems nicht unterschritten werden kann. Sie kann nach Gl. 1-6 aus der Grundleistung P B und der Gesamtdauer der Verfahraufgabe, die sich aus der Summe aus der Bewegungsdauer t M und der Haltedauer t R zusammensetzt, berechnet werden. E = P ⋅ t t ( + ) ( Gl.1−6) B B M R Die Bewegungsexergie E M kann nach Gl. 1-7 aus der durchschnittlichen Leistungsaufnahme P M während der Bewegung und deren Dauer t M berechnet werden. EM PM tM ( Gl.1 7) = ⋅ − Die Bewegungsleistung setzt sich aus der Leistungsaufnahme des Antriebssystems während einer Beschleunigung oder Verzögerung P a und der Leistungsaufnahme bei konstanter Verfahrgeschwindigkeit P v zusammen. Wird eine identische Leistungsaufnahme P a sowie ein identischer Zeitbedarf t a für Beschleunigung und Verzögerung vorausgesetzt ergibt sich Gl. 1-8 zur rechnerischen Bestimmung der Bewegungsleistung. Die Leistung P M ist weiterhin von der Masse der zu verfahrenden Last und der Kinematik des Systems bestimmt. t t PM a,v,m Pa a,m Pv v,m 2 ⋅ t + t 2 ⋅ t + t a v ( ) = 2 ⋅ ( ) ⋅ + ( ) ⋅ ( Gl.1− 8) ( ) ( ) a v a v Bild 1-4 zeigt den dominanten Einfluss unterschiedlicher Verfahrgeschwindigkeiten auf den Leistungsbedarf elektromechanischer Linearantriebe. Mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit steigt der Leistungsbedarf deutlich an, auf der anderen Seite verkürzt sich die Verfahrdauer und somit die Dauer der Bestromung des Antriebs, wodurch die Gesamtbewegungsleistung reduziert werden kann. Die Halteexergie E R ist das Produkt aus der benötigten elektrischen Leistung P R (m) zum Halten einer Last und der Haltedauer t R (siehe Gl. 1-9). Bei den durchgeführten Untersuchungen konnte für vertikale Anwendungen ein signifikanter Einfluss der Halteexergie auf die Gesamtexergie dokumentiert werden. ( ) = ( ) ⋅ ( Gl.1−9) E m P m t R R R Aufbauend auf den vorgestellten Überlegungen lässt sich durch Einsetzen von Gl. 1-6 bis Gl. 1-9 in Gl. 1-5 ein einfacher formaler Zusammenhang zur abschätzenden Berechnung des Gesamtexergiebedarfs für die untersuchten elektromechanischen Linearantriebe herleiten (vgl. Gl. 1-10). () = ⋅ ( + ) + ⋅ + ⋅ ( Gl.1−10) E t P t t P t P t E B M R M M R R Die erläuterte Einteilung des Gesamtexergiebedarfs kann in Näherung für alle gängigen elektromechanischen Linearantriebe angenommen werden. Für die Berechnung der Teilexergien müssen die benötigten Daten der Grund-, Bewegungs- und Halteleistung separat für jede Kombination aus Linearantrieb, Motor, Controller, Versorgungseinheit und Peripherie (Führungssystem etc.) messtechnisch erfasst werden. 1-5 1.5 Vergleich des Exergiebedarfs pneumatischer und elektromechanischer Linearantriebe für exemplarische Lastfälle mit vertikalem Hub Vergleich des Exergiebedarfs pneumatischer und elektromechanischer Linearantriebe für exemplarische Lastfälle mit vertikalem Hub Pneumatische Antriebe Elektromechanische Antriebe Exergiebedarf pro Doppelhub in J 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 D = 50 400 D = 32 200 0 5 10 15 20 25 30 0 Last in kg 800 mm, 10 s 800 mm, 2 s 800 mm, 0 s 200 mm, 10 s 200 mm, 2 s 200 mm, 02 800 mm, 2 s, berechnet Exergiebedarf pro Doppelhub in J Einfluss der Haltezeit Einfluss der Haltezeit 5 10 15 20 25 30 Last in kg 800 mm, 10 s 800 mm, 2 s 800 mm, 0 s 200 mm, 10 s 200 mm, 2 s 200 mm, 02 800 mm, 2 s, berechnet O+P Fluidtechnik 9/2017 45

© 2016 by Vereinigte Fachverlage GmbH. Alle Rechte vorbehalten.