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Energieeffizienter Betrieb von Asynchron-Hauptspindelantrieben in Werkzeugmaschinen

ISBN: 978-3-86359-178-6

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Kurzübersicht

In der vorliegenden Arbeit werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Hauptspindelantrieben mit Asynchronmotor entwickelt und prototypisch umgesetzt. Diese Veränderungen fokussieren den Einsatz regelungstechnischer Erweiterungen zur Minimierung der elektrischen Verlustleistung des Antriebssystems sowie der erforderlichen Kühlsysteme. Zusätzliche Systeme zur automatisierten Inbetriebnahme entlasten den Maschinenanwender und erleichtern die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maschinen mit ähnlicher Antriebstopologie.

Energieeffizienter Betrieb von Asynchron-Hauptspindelantrieben in Werkzeugmaschinen

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Details

In der vorliegenden Arbeit werden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Hauptspindelantrieben mit Asynchronmotor entwickelt und prototypisch umgesetzt. Diese Veränderungen fokussieren den Einsatz regelungstechnischer Erweiterungen zur Minimierung der elektrischen Verlustleistung des Antriebssystems sowie der erforderlichen Kühlsysteme. Ein Großteil der Erweiterungen kann daher auf Basis von Softwareerweiterungen innerhalb der Architektur konventioneller NC-Steuerungen realisiert werden.

Da sich Energieeffizienz nicht allein durch einen reduzierten Energieumsatz abbilden lässt, sondern gleichzeitig auch eine konstante Produktivität und Fertigungsqualität erfordert, integriert das vorgeschlagene System insbesondere Maßnahmen zur Kompensation negativer Rückwirkungen auf den Fertigungsprozess. Zusätzliche Systeme zur automatisierten Inbetriebnahme entlasten den Maschinenanwender und erleichtern die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maschinen mit ähnlicher Antriebstopologie.

Basis der Optimierungsmaßnahmen bildet eine erweiterte Modellierung des Antriebssystems zur sensorlosen Ermittlung der Leistungsaufnahme im Normalbetrieb. Unter Berücksichtigung der prozessseitigen Randbedingungen – hier sind hochdynamische Drehmomentanforderungen sowie das erforderlichen Beschleunigungsvermögen zu nennen – wird zunächst ein System zur lastabhängigen Feldstromabsenkung entworfen. Gegenüber konventionellen Lösungen wird dabei die modellierte Leistung berücksichtigt und ein für das Gesamtsystem verlustminimaler Feldstrom sowie zusätzlich die optimale Umrichterschaltfrequenz abgeleitet. Eine im Vergleich zum konventionellen Betrieb identische Leistungsfähigkeit erreicht der Antrieb durch die Integration einer messdatenbasierten Vorsteuerung.

Diese Erweiterungen ermöglichen eine Reduktion der Verlustleistung sowie der bedingten Wärmeströme in den Spindelantrieb und erfordern daher Maßnahmen zur Vermeidung resultierender Temperaturschwankungen und thermoelastischer Verformungen. Die notwendige Temperaturstabilisierung wird in der vorliegenden Arbeit durch ein erweitertes Kühlsystem mit modellbasierter Temperaturregelung realisiert.

Zur Verifikation des Ansatzes werden alle Teilsysteme an einem Antriebsprüfstand mit offener Steuerungsstruktur und erweiterten Messmöglichkeiten implementiert. Die auf dieser Basis durchgeführten Prüfstandsversuche dokumentieren eine deutliche Steigerung des Antriebswirkungsgrad im Teillastbetrieb sowie die Leistungsfähigkeit von Temperaturregelung und thermischer Modellierung.

Zusatzinformation

Autor Heyers, Christian
ISBN/Artikelnr. 978-3-86359-178-6
Gewicht 0.300 kg
Erscheinungsdatum 03.02.2014
Lieferzeit 3-4 Tage
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