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FH Formelsammlung 15 Mechatronik.pdf - TechBoard

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Inhaltsverzeichnis<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

1 Grundlagen ........................................................................................................ 3<br />

1.1 magnetische Flussverkettung .......................................................................................................... 3<br />

1.2 Umrechnungen ................................................................................................................................ 3<br />

1.2.1 Drehzahl und Kreisfrequenz ............................................................................................... 3<br />

1.2.2 Maschinenkonstante ........................................................................................................... 4<br />

2 Gleichstrommaschine ...................................................................................... 5<br />

2.1 Maschinenkenngrössen .................................................................................................................. 5<br />

2.2 Funktionsweise ............................................................................................................................... 5<br />

2.3 Erregungsarten ............................................................................................................................... 6<br />

2.4 Kennlinien ....................................................................................................................................... 7<br />

2.4.1 Nebenschlusserregung und Fremderregung sowie Permanenterregung ........................... 7<br />

2.4.2 Reihenschlusserregung ...................................................................................................... 8<br />

2.5 Berechnung ..................................................................................................................................... 9<br />

2.5.1 Kreisbewegung ................................................................................................................... 9<br />

2.5.2 vereinfachte Modelle, H. Rohrer ....................................................................................... 10<br />

2.5.2.1 Fremderregung oder Permanenterregung ................................................................... 10<br />

2.5.2.2 Reihenschlusserregung ............................................................................................... 14<br />

2.5.3 detailliertes Modell für Fremderregung oder Permanenterregung, A. Vezzini .................. 16<br />

2.5.3.1 Ankerkreis .................................................................................................................... 16<br />

2.5.3.2 Feldkreis ...................................................................................................................... 17<br />

2.5.4 vereinfachtes Modell für Fremderregung oder Permanenterregung, N. Mohan ................ 18<br />

2.5.4.1 Ersatzschaltung, Modellierung ..................................................................................... 18<br />

2.5.4.2 Kennlinie ...................................................................................................................... 19<br />

2.5.4.3 Beschleunigung ........................................................................................................... 21<br />

2.5.4.4 Bremsung .................................................................................................................... 23<br />

2.5.4.5 Energiebetrachtung...................................................................................................... 25<br />

3 Stellglieder für Gleichstrommaschinen ........................................................ 27<br />

3.1 Buck Converter, Step Down Converter, Abwärtsregler, Abwärtswandler, Tiefsetzsteller .............. 27<br />

3.2 Boost Converter, Step Up Converter, Aufwärtsregler, Aufwärtswandler, Hochsetzsteller ............. 30<br />

3.3 Effektivwert eines Dreiecksignals .................................................................................................. 33<br />

3.4 Halbbrücke .................................................................................................................................... 33<br />

3.4.1 Spannungen und Ströme .................................................................................................. 33<br />

3.4.2 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM, 0 v<br />

ˆ<br />

tri<br />

Vtri<br />

.......................................... 34<br />

3.4.3 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM, Vˆ ˆ<br />

tri<br />

vtri Vtri<br />

.................................... 35<br />

3.5 Vollbrücke ..................................................................................................................................... 36<br />

3.5.1 Spannungen ..................................................................................................................... 36<br />

3.5.2 Ströme .............................................................................................................................. 37<br />

3.5.3 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM ................................................................. 38<br />

3.5.4 Ansteuerung einer Gleichstrommaschine ......................................................................... 40<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 1


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Stichwortverzeichnis<br />

Bezeichnungen bei A. Vezzini ......................... 4<br />

Bezeichnungen bei H. Rohrer ......................... 4<br />

Bezeichnungen bei J. Götte ............................ 4<br />

Bezeichnungen bei N. Mohan ......................... 4<br />

Drehmomentkonstante .................................... 4<br />

Drehzahl .......................................................... 3<br />

Flussverkettung ........................................... 3, 4<br />

Geometriekonstante ........................................ 4<br />

Gleichstrommaschine ...................................... 5<br />

A. Vezzini ................................................... 16<br />

Ankerkreis .................................................. 16<br />

Anschluss von Arbeitsmaschinen .............. 13<br />

Arbeitsmaschinen ...................................... 13<br />

Belastung von Arbeitsmaschinen ............... 13<br />

Beschleunigung ......................................... 21<br />

Bremsung .................................................. 23<br />

detailliertes Modell ..................................... 16<br />

Doppelschlusserregung ............................... 6<br />

Energiebetrachtung.................................... 25<br />

Erregungsarten ............................................ 6<br />

Feldkreis .................................................... 17<br />

Fremderregung ....................... 6, 7, 10, 16, 18<br />

Funktionsweise ............................................ 5<br />

Generator ................................................... 10<br />

H. Rohrer ................................................... 10<br />

Kennlinie ................................................ 7, 19<br />

Kreisbewegung ............................................ 9<br />

Leerlauf ................................................ 10, 14<br />

Mohan ........................................................ 18<br />

Motor .......................................................... 10<br />

N. Mohan ................................................... 18<br />

Nebenschlusserregung ............................ 6, 7<br />

Permanenterregung ................ 6, 7, 10, 16, 18<br />

Reihenschlusserregung ..................... 6, 8, 14<br />

Richtungsänderung .................................... 23<br />

Richtungsumkehr ....................................... 23<br />

Rohrer ........................................................ 10<br />

Stillstand .............................................. 10, 14<br />

Verbunderregung ......................................... 6<br />

vereinfachtes Modell ............................. 10, 18<br />

Vezzini ........................................................16<br />

Kreisfrequenz ...................................................3<br />

magnetische Flussverkettung ....................... 3, 4<br />

Maschinenkenngrössen ...................................5<br />

Maschinenkonstante ........................................4<br />

n 3<br />

n rpm ...................................................................3<br />

rpm ...................................................................3<br />

Spannungskonstante ........................................4<br />

Stellglieder .....................................................27<br />

Abwärtsregler ..............................................27<br />

Abwärtswandler ..........................................27<br />

Ansteuerung einer Gleichstrommaschine ...40<br />

Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation ..... 34,<br />

35, 38<br />

Aufwärtsregler .............................................30<br />

Aufwärtswandler .........................................30<br />

Boost Converter ..........................................30<br />

Buck Converter ...........................................27<br />

Dreiecksignal ..............................................33<br />

Effektivwert .................................................33<br />

Gleichstrommaschine .................................40<br />

Halbbrücke..................................................33<br />

Hochsetzsteller ...........................................30<br />

Mittelwert ....................................................33<br />

Pulsweitenmodulation ..................... 34, 35, 38<br />

PWM ............................................... 34, 35, 38<br />

Spannungen bei der Halbbrücke ................33<br />

Spannungen bei der Vollbrücke ..................36<br />

Step Down Converter .................................27<br />

Step Up Converter ......................................30<br />

Ströme bei der Halbbrücke .........................33<br />

Ströme bei der Vollbrücke ..........................37<br />

Tiefsetzsteller ..............................................27<br />

Vollbrücke ...................................................36<br />

Welligkeit ....................................................33<br />

Winkelgeschwindigkeit .....................................3<br />

ω 3<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 2


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

1 Grundlagen<br />

1.1 magnetische Flussverkettung<br />

: magnetische Flussverkettung Wb<br />

N : Windungszahl<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

N <br />

1.2 Umrechnungen<br />

1.2.1 Drehzahl und Kreisfrequenz<br />

n,<br />

<br />

n : Drehzahl (verwendet bei Berechnungen) s -1<br />

n<br />

rpm<br />

: Drehzahl (verwendet im Datenblatt) min -1<br />

: Winkelgeschwindigkeit, Kreisfrequenz (verwendet bei Berechnungen) rad s -1<br />

Drehzahl<br />

n rpm<br />

min 1<br />

n <br />

60 s 2<br />

rad<br />

n<br />

rpm<br />

s 30<br />

s<br />

n60 <br />

min rad min<br />

Winkelgeschwindigkeit,<br />

Kreisfrequenz<br />

nrpm<br />

rad min<br />

2<br />

n rad <br />

30 s<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 3


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

1.2.2 Maschinenkonstante<br />

Maschinenkonstante, Geometriekonstante,<br />

c<br />

m<br />

:<br />

verwendet bei Berechnungen mit Winkelgeschwindigkeit ω<br />

rad -1<br />

Maschinenkonstante, Geometriekonstante,<br />

c<br />

u<br />

:<br />

verwendet bei Berechnungen mit Drehzahl n<br />

: magnetischer Fluss Wb = V s<br />

a,<br />

<br />

f magnetische Flussverkettung<br />

N m A -1 = V s oder<br />

N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

k , k Drehmomentkonstante<br />

m<br />

T<br />

k , k Spannungskonstante<br />

g<br />

z :<br />

p :<br />

i :<br />

E<br />

Anzahl der Ankerleiter<br />

Polpaarzahl<br />

Anzahl paralleler Ankerzweigpaare<br />

N m A -1 = V s oder<br />

N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

N m A -1 = V s oder<br />

N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

Hinweis<br />

Berechnung<br />

Bei Berechnungen mit der Winkelgeschwindigkeit ω werden die Maschinenkonstante,<br />

Geometriekonstante c m mit der Einheit rad -1 sowie die Grössen Ψ a , Ψ f , k m , k T , k g und k E mit den<br />

Einheiten N m A -1 rad -1 = V s rad -1 verwendet.<br />

Bei Berechnungen mit der Drehzahl n werden die Maschinenkonstante, Geometriekonstante c m mit<br />

der Einheit 1 sowie die Grössen Ψ a , Ψ f , k m , k T , k g und k E mit den Einheiten N m A -1 = V s verwendet.<br />

c<br />

m<br />

z<br />

p<br />

2 i<br />

c<br />

u<br />

z<br />

p<br />

<br />

i<br />

Umrechnung<br />

c<br />

u<br />

2<br />

c<br />

verwendet bei H. Rohrer<br />

m<br />

andere<br />

Bezeichnungen<br />

c <br />

a<br />

u<br />

c 2<br />

a<br />

m<br />

k k c <br />

m g u<br />

k k c 2<br />

m g m<br />

k k c <br />

T E u<br />

k k c 2<br />

T E m<br />

verwendet bei A. Vezzini<br />

verwendet bei J. Götte<br />

verwendet bei N. Mohan<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 4


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2 Gleichstrommaschine<br />

2.1 Maschinenkenngrössen<br />

Name Formelzeichen Einheit<br />

Maschinenkonstante,<br />

c<br />

Geometriekonstante<br />

m<br />

rad<br />

Maschinenkonstante,<br />

c<br />

Geometriekonstante<br />

u<br />

magnetische Flussverkettung , N m A -1 = V s<br />

Drehmomentkonstante ,<br />

Spannungskonstante ,<br />

m<br />

a<br />

T<br />

f<br />

k k N m A -1 = V s<br />

k k N m A -1 = V s<br />

Ankerwiderstand Rm , RA,<br />

R<br />

a<br />

Ω<br />

Ankerinduktivität Lm , LA,<br />

L<br />

a<br />

H<br />

Ankerträgheitsmoment Jem, Jm, J<br />

A, Tem , Tm , T<br />

A<br />

: kg m -2<br />

induzierte Spannung,<br />

Quellenspannung,<br />

innere Spannung<br />

2.2 Funktionsweise<br />

g<br />

E<br />

UI , ui , Uq, uq, Ea , ea<br />

, e V<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 5


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.3 Erregungsarten<br />

Reihenschlusserregung (Reihenspeisung der Wicklungen)<br />

Schaltung Kennlinie Eigenschaften<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

hohes Anlaufmoment<br />

Drehzahl lastabhängig<br />

Drehzahlsteuerung durch Spannungsänderung<br />

oder Feldstromänderung<br />

nicht leerlauffest<br />

Nebenschlusserregung (Parallelspeisung der Wicklungen)<br />

Schaltung Kennlinie Eigenschaften<br />

<br />

<br />

geringfügige Drehzahländerung bei Laständerung<br />

Drehzahlsteuerung durch Spannungsänderung<br />

oder Feldstromänderung<br />

Doppelschlusserregung, Reihen- und Nebenschlusserregung, Verbunderregung<br />

Schaltung Kennlinie Eigenschaften<br />

<br />

je nach Compoundierung vorwiegend Reihenschlussoder<br />

Nebenschlussverhalten<br />

Fremderregung oder Permanenterregung (unabhängige Speisung der Wicklungen)<br />

Schaltung Kennlinie Eigenschaften<br />

geringfügige Drehzahländerung bei Laständerung<br />

Drehzahlsteuerung durch Spannungsänderung<br />

oder Feldstromänderung<br />

getrennte Änderung der Spannung von Ankerwicklung<br />

und Feldwicklung<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 6


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.4 Kennlinien<br />

2.4.1 Nebenschlusserregung und Fremderregung sowie Permanenterregung<br />

M<br />

i<br />

: inneres Drehmoment N m<br />

M : Nenndrehmoment im Stillstand N m<br />

St,<br />

N<br />

Drehmoment<br />

n : Drehzahl der Welle s -1 Drehzahl<br />

n : Nennleerlaufdrehzahl der Welle s -1<br />

0,N<br />

R<br />

V<br />

: Reihenvorwiderstand Ω<br />

U : Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

veränderliche Grössen<br />

Kennlinie<br />

Reihenvorwiderstand<br />

Ankerspannung,<br />

Klemmenspannung<br />

magnetischer Fluss<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 7


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.4.2 Reihenschlusserregung<br />

M<br />

i<br />

: inneres Drehmoment N m<br />

M : Nenndrehmoment in Stillstand N m<br />

St,<br />

N<br />

Drehmoment<br />

n : Drehzahl der Welle s -1 Drehzahl<br />

n : Bezugsdrehzahl der Welle s -1<br />

BN ,<br />

R<br />

V<br />

: Reihenvorwiderstand Ω<br />

U : Klemmenspannung V<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

veränderliche Grössen<br />

Kennlinie<br />

Reihenvorwiderstand<br />

Klemmenspannung<br />

magnetischer Fluss<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 8


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Aufbau<br />

2.5 Berechnung<br />

2.5.1 Kreisbewegung<br />

Blockschaltbild<br />

T<br />

em<br />

<br />

+<br />

<br />

T<br />

res 1<br />

res<br />

<br />

J<br />

<br />

, t<br />

, t<br />

0<br />

: Winkelbeschleunigung rad s -2<br />

: Winkelgeschwindigkeit rad s -1<br />

: Anfangswinkelgeschwindigkeit rad s -1<br />

, t<br />

: Winkel, Position rad<br />

gesamter Aufbau<br />

0<br />

: Startwinkel, Startposition rad<br />

T<br />

res<br />

: resultierendes Drehmoment N m<br />

J , J : resultierendes Trägheitsmoment kg m -2<br />

res<br />

eq<br />

E<br />

Rot<br />

: Rotationsenergie J<br />

T : Drehmoment N m<br />

em<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

em<br />

P : Rotationsleistung W<br />

em<br />

T : Drehmoment N m<br />

L<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

L<br />

T<br />

L<br />

P<br />

L<br />

: Rotationsleistung W<br />

t : Zeit s<br />

x : Integrationsvariable s<br />

Motor<br />

Last<br />

Andere<br />

Zusammenhänge<br />

Ein grosses resultierendes Drehmoment T res führt zu grossen Winkelbeschleunigungen α.<br />

Ein grosses resultierendes Trägheitsmoment J res führt zu kleinen Winkelbeschleunigungen α.<br />

Ein positives resultierendes Drehmoment T res führt zur Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit ω.<br />

Ein negatives resultierendes Drehmoment T res führt zur Absenkung der Winkelgeschwindigkeit ω.<br />

d T T T<br />

<br />

dt J J J<br />

em L res<br />

em L res<br />

Winkelbeschleunigung<br />

Winkelgeschwindigkeit<br />

Winkel, Position<br />

Leistung<br />

t 0 <br />

x dx<br />

<br />

t 0 <br />

x dx<br />

em<br />

<br />

P T <br />

em<br />

t<br />

t<br />

0<br />

0<br />

P T <br />

L<br />

L<br />

Rotationsenergie<br />

1<br />

2<br />

ERot<br />

Jres<br />

<br />

2<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 9


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.2 vereinfachte Modelle, H. Rohrer<br />

2.5.2.1 Fremderregung oder Permanenterregung<br />

2.5.2.1.1 Betrieb als Motor und Generator<br />

prinzipieller Aufbau<br />

Schaltbild<br />

U<br />

A<br />

: Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

U , U : induzierte Spannung, Quellenspannung, innere Spannung V<br />

I<br />

q<br />

U<br />

B<br />

: Bürstenspannung V<br />

U , U : Erregerspannung V<br />

A<br />

E<br />

F<br />

I : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

I : Ankerstrom, Klemmenstrom in Stillstand A<br />

A,<br />

St<br />

I , I : Erregerstrom A<br />

E<br />

i<br />

F<br />

M : inneres Drehmoment N m<br />

M : inneres Drehmoment im Stillstand N m<br />

i,<br />

St<br />

M<br />

R<br />

: Reibungsdrehmoment, Bremsdrehmoment N m<br />

M : zur Verfügung stehendes Drehmoment N m<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Drehmoment<br />

n<br />

0<br />

: Drehzahl der Welle im Leerlauf (kein Lastdrehmoment) s -1<br />

Drehzahl<br />

n : Drehzahl der Welle s -1<br />

n : Drehzahländerung der Welle bei Belastung s -1<br />

innere Leistung,<br />

P<br />

i<br />

: Rotationsleistung der Welle,<br />

W<br />

elektrische Leistung der Welle<br />

Leistungen<br />

P : Eingangsleistung W<br />

in<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

A<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

: Wirkungsgrad<br />

c<br />

u<br />

:<br />

Maschinenkonstante<br />

Andere<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 10


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Eigenschaften<br />

variabel<br />

c<br />

u<br />

variabel<br />

const.<br />

c const.<br />

u<br />

Fremderregung<br />

Permanenterregung<br />

Klemmenspannung<br />

U U R I 2 U<br />

als Motor betrieben<br />

A I A A B<br />

U U R I 2 U<br />

als Generator betrieben<br />

A I A A B<br />

induzierte Spannung<br />

Drehmoment<br />

U c n<br />

I<br />

u<br />

cu<br />

Mi<br />

I<br />

2<br />

A<br />

M M M<br />

i<br />

R<br />

Drehzahl,<br />

Betrieb als Motor<br />

U<br />

A<br />

RA I<br />

A<br />

U<br />

B<br />

n <br />

c c c <br />

2<br />

<br />

c<br />

2<br />

u u u<br />

U<br />

A<br />

2 RA 2U<br />

B<br />

n Mi<br />

<br />

c <br />

c <br />

u<br />

u<br />

u<br />

U 2<br />

R 2U<br />

n M <br />

A A B<br />

0<br />

<br />

2 R<br />

cu<br />

c<br />

c<br />

u<br />

<br />

u<br />

<br />

UA<br />

2UB<br />

1<br />

n0<br />

U A<br />

2U<br />

c c c <br />

u u u<br />

B<br />

<br />

M 0<br />

M<br />

i<br />

M<br />

R<br />

M 0 M 0<br />

M 0<br />

i<br />

R<br />

n<br />

2<br />

RA<br />

c<br />

2<br />

u<br />

M<br />

i<br />

Drehzahl, Betrieb<br />

als Generator<br />

U<br />

A<br />

RA I<br />

A<br />

U<br />

B<br />

n <br />

c c c <br />

2<br />

<br />

c<br />

2<br />

u u u<br />

U<br />

A<br />

2 RA 2U<br />

B<br />

n Mi<br />

<br />

c <br />

c <br />

u<br />

u<br />

u<br />

U 2<br />

R 2U<br />

n M <br />

A A B<br />

0<br />

<br />

2 R<br />

cu<br />

c<br />

c<br />

u<br />

<br />

u<br />

<br />

UA<br />

2UB<br />

1<br />

n0<br />

U A<br />

2U<br />

c c c <br />

u u u<br />

B<br />

<br />

M 0<br />

M<br />

i<br />

M<br />

R<br />

M 0 M 0<br />

M 0<br />

i<br />

R<br />

n<br />

2<br />

RA<br />

c<br />

2<br />

u<br />

M<br />

i<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 11


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Leistungen<br />

P M <br />

n U I<br />

i i I A<br />

P U I U I U I R I U I<br />

2<br />

in A A E E I A A A E E<br />

Wirkungsgrad<br />

Leerlauf,<br />

Betrieb als Motor<br />

Stillstand,<br />

Betrieb als Motor<br />

Pi<br />

<br />

P<br />

in<br />

U U 2U c n 2 U I 0 M 0<br />

A I B u B<br />

M 0<br />

I 0 M 0<br />

i<br />

U R I 2 U<br />

U 0<br />

M<br />

A A A B<br />

i,<br />

St<br />

c U 2U<br />

<br />

2<br />

R<br />

u A B<br />

A<br />

A<br />

A<br />

I<br />

U 0<br />

I<br />

R<br />

R<br />

I<br />

A,<br />

St<br />

UA<br />

2UB<br />

UI<br />

0<br />

R<br />

A<br />

Mi<br />

I<br />

A<br />

n<br />

1<br />

M I n<br />

i, St A, St<br />

0<br />

Leerlauf, Betrieb<br />

als Generator<br />

U U 2U c n 2 U I 0 M 0<br />

A I B u B<br />

M 0<br />

I 0 M 0<br />

i<br />

A<br />

A<br />

R<br />

R<br />

Stillstand, Betrieb<br />

als Generator<br />

U<br />

M<br />

I<br />

A<br />

i,<br />

St<br />

A,<br />

St<br />

0<br />

0<br />

0<br />

U<br />

I<br />

0 I 0<br />

A<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 12


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.2.1.2 Anschluss von Arbeitsmaschinen<br />

lineare Abhängigkeit von der Drehzahl quadratische Abhängigkeit von der Drehzahl<br />

Kennlinien<br />

Hubantriebe<br />

Gebläse, Lüfter, Pumpen und Mühlen<br />

<br />

<br />

nMotor<br />

M<br />

i<br />

U<br />

A<br />

:<br />

Drehzahl-Drehmoment Kennlinie des<br />

Ankerspannung, Klemmenspannung<br />

s -1 V<br />

U<br />

B<br />

: Bürstenspannung V<br />

M<br />

i<br />

: inneres Drehmoment N m Motor<br />

n : Drehzahl der Welle s -1<br />

R<br />

A<br />

: Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

c :<br />

Maschinenkonstante<br />

u<br />

nLastQ<br />

M i : Kennlinie der Last, Arbeitsmaschine, s -1 Last, quadratisch<br />

k<br />

Q<br />

: Steigung der Kennlinie der Last, Arbeitsmaschine N m s -2<br />

<br />

<br />

nLastL<br />

M<br />

i<br />

: Kennlinie der Last, Arbeitsmaschine, s -1 Last, Linear<br />

k : Steigung der Kennlinie der Last, Arbeitsmaschine N m s -1<br />

L<br />

M : Drehzahl im Arbeitspunkt N m<br />

res<br />

res<br />

n : Drehzahl im Arbeitspunkt s -1<br />

Arbeitspunkt<br />

Motor<br />

Last, quadratisch<br />

U<br />

A<br />

2<br />

RA 2U<br />

B<br />

nMotor Mi Mi<br />

<br />

c <br />

c <br />

n<br />

LastQ<br />

u<br />

i<br />

M<br />

<br />

i<br />

M<br />

k<br />

Q<br />

c<br />

2<br />

u<br />

u<br />

k<br />

Q<br />

M<br />

<br />

n<br />

i<br />

2<br />

LastQ<br />

Last, linear<br />

n<br />

LastL<br />

i<br />

M<br />

<br />

i<br />

M<br />

k<br />

L<br />

k<br />

L<br />

M<br />

<br />

n<br />

i<br />

LastL<br />

Arbeitspunkt<br />

<br />

n n M n M<br />

res Motor res LastQ res<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 13


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.2.2 Reihenschlusserregung<br />

U : Klemmenspannung V<br />

U , U : induzierte Spannung, Quellenspannung, innere Spannung V<br />

I<br />

q<br />

U<br />

B<br />

: Bürstenspannung V<br />

M : inneres Drehmoment N m<br />

i<br />

M<br />

R<br />

: Reibungsdrehmoment, Bremsdrehmoment N m<br />

M : zur Verfügung stehendes Drehmoment N m<br />

Spannungen<br />

Drehmoment<br />

n : Drehzahl der Welle s -1 Drehzahl<br />

n : Drehzahl der Welle im Leerlauf (kein Lastdrehmoment) s -1<br />

0<br />

innere Leistung,<br />

P<br />

i<br />

: Rotationsleistung der Welle,<br />

W<br />

elektrische Leistung der Welle<br />

P<br />

in<br />

: Eingangsleistung W<br />

I : Klemmenstrom A<br />

R : Widerstand der Anker- und Erregerwicklung Ω<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

: Wirkungsgrad<br />

c<br />

u<br />

: Maschinenkonstante<br />

c : Maschinenkonstante für Reihenschlusserregung V s A -1<br />

R<br />

Leistungen<br />

Andere<br />

Maschinenkonstanten<br />

Eigenschaften<br />

Klemmenspannung<br />

induzierte Spannung<br />

magnetischer Fluss<br />

Drehmoment<br />

variabel<br />

U U R I 2<br />

U<br />

I<br />

I<br />

U c n<br />

c<br />

c<br />

u<br />

R<br />

<br />

u<br />

I<br />

cu<br />

cR<br />

M i<br />

I I<br />

2<br />

2<br />

<br />

B<br />

2<br />

M M M<br />

i<br />

R<br />

Drehzahl<br />

n <br />

U<br />

R<br />

<br />

c<br />

2<br />

cR<br />

Mi<br />

R<br />

n<br />

0<br />

<br />

U<br />

R<br />

<br />

c<br />

2<br />

cR<br />

MR<br />

R<br />

M 0<br />

M<br />

i<br />

M<br />

R<br />

n lim n <br />

0<br />

M i 0<br />

M 0 M 0<br />

M 0<br />

i<br />

R<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 14


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Leistungen<br />

P M <br />

n U I<br />

i i I<br />

P U I U I R<br />

I<br />

in<br />

I<br />

2<br />

Wirkungsgrad<br />

Leerlauf,<br />

Betrieb als Motor<br />

Stillstand,<br />

Betrieb als Motor<br />

Pi<br />

<br />

P<br />

in<br />

U UI 2UB cu n 2 UB<br />

I 0 M R<br />

0<br />

Mi<br />

0<br />

I 0 M R<br />

0<br />

U R I 2 UB<br />

U 0<br />

M<br />

M<br />

i<br />

i<br />

c U 2<br />

U<br />

<br />

2<br />

R<br />

u A B<br />

cR U A<br />

2U<br />

B <br />

<br />

2<br />

R <br />

2<br />

I<br />

U 0<br />

I<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc <strong>15</strong>


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.3 detailliertes Modell für Fremderregung oder Permanenterregung, A.<br />

Vezzini<br />

2.5.3.1 Ankerkreis<br />

ua<br />

t : Klemmenspannung V<br />

ui<br />

t : induzierte Spannung, Quellenspannung, innere Spannung V<br />

ub<br />

t : Bürstenspannung V<br />

ia<br />

t : Ankerstrom A<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

L : Ankerinduktivität, Induktivität der Ankerwicklung H<br />

a<br />

t<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

Mi<br />

t : inneres Drehmoment N m<br />

<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s-1<br />

m<br />

innere Leistung,<br />

Rotationsleistung der Welle,<br />

W<br />

elektrische Leistung der Welle<br />

p t : Eingangsleistung W<br />

pi<br />

t :<br />

in <br />

c : Maschinenkonstante rad -1<br />

m<br />

Klemmenspannung<br />

induzierte Spannung<br />

inneres Drehmoment<br />

Leistungen<br />

ua t ui t R d<br />

a<br />

ia t La ia t uB<br />

t<br />

dt<br />

2<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

u t c t t<br />

i m m<br />

<br />

<br />

M t c i t t<br />

i m a<br />

<br />

<br />

p t t M t u t i t<br />

i m i i a<br />

2<br />

<br />

p t u t i t u t i t R i t<br />

in a a i a a a<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 16


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.3.2 Feldkreis<br />

ue<br />

t : Erregerspannung V<br />

ie<br />

t : Erregerstrom A<br />

pe<br />

t : Erregerleistung W<br />

t<br />

: magnetische Flussverkettung Wb<br />

t<br />

: magnetischer Fluss Wb<br />

R<br />

e<br />

: Erregerwiderstand, Widerstand der Erregerwicklung Ω<br />

L : Erregerinduktivität, Induktivität der Erregerwicklung H<br />

e<br />

N :<br />

e<br />

Windungszahl der Erregerwicklung<br />

Erregerspannung<br />

Flussverkettung<br />

Erregerleistung<br />

d<br />

d<br />

ue t Re ie t Ne t Re ie t Le ie<br />

t<br />

dt<br />

dt<br />

<br />

t N t L i t<br />

linearisierte Erregungskennlinie<br />

e e e<br />

2<br />

<br />

p t u t i t R i t<br />

e e e e e<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 17


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Aufbau<br />

2.5.4 vereinfachtes Modell für Fremderregung oder Permanenterregung, N.<br />

Mohan<br />

2.5.4.1 Ersatzschaltung, Modellierung<br />

Wicklungen<br />

Motor und Last<br />

elektrisches<br />

Ersatzschaltbild<br />

T<br />

em<br />

: inneres Drehmoment N m<br />

v : Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

a<br />

e : induzierte Spannung, Quellenspannung, innere Spannung V<br />

a<br />

a<br />

i : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

L : Ankerinduktivität, Induktivität der Ankerwicklung H<br />

a<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

T<br />

m<br />

k : Drehmomentkonstante N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

k : Spannungskonstante N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

E<br />

Tem kT ia<br />

ea kE m<br />

k<br />

T<br />

k<br />

E<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 18


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.4.2 Kennlinie<br />

grosse Klemmenspannung<br />

kleine Klemmenspannung<br />

T<br />

em<br />

: inneres Drehmoment N m<br />

T : Nenndrehmoment N m<br />

n<br />

V : Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

a<br />

E : induzierte Spannung, Quellenspannung, innere Spannung V<br />

a<br />

a<br />

I : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

<br />

m<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

Winkelgeschwindigkeit der Welle im Leerlauf,<br />

<br />

0<br />

:<br />

(Lastdrehmoment: T em = 0)<br />

rad s -1<br />

Winkelgeschwindigkeit der Welle bei Nennbelastung,<br />

<br />

n<br />

:<br />

(Lastdrehmoment: T em = T n )<br />

rad s -1<br />

Winkelgeschwindigkeitsänderung der Welle bei Belastung,<br />

m<br />

:<br />

(Lastdrehmoment: T em = beliebig)<br />

rad s -1<br />

k : Drehmomentkonstante N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

T<br />

k : Spannungskonstante N m A -1 rad -1 = V s rad -1<br />

E<br />

Zusammenhänge<br />

beliebige Belastung<br />

Ein grosser Ankerstrom I a führt zu einem grossen Drehmoment T em .<br />

Eine grosse Klemmenspannung V a führt zu einer grossen Winkelgeschwindigkeit ω m .<br />

I<br />

a<br />

T<br />

<br />

k<br />

em<br />

T<br />

Ea kE m<br />

V k <br />

R I<br />

Bürstenspannung vernachlässigt<br />

a E m a a<br />

Tem<br />

Va<br />

Ra<br />

<br />

Ea Va Ra Ia kT<br />

Va Ra<br />

m<br />

T<br />

k k k k k k<br />

<br />

m<br />

E E E E E T<br />

0<br />

m<br />

R R R<br />

<br />

T T T<br />

a a a<br />

m em 2 em 2 em<br />

kE kT kE kT<br />

em<br />

Bürstenspannung vernachlässigt<br />

Bürstenspannung vernachlässigt<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 19


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Leerlauf<br />

Nennbelastung<br />

E<br />

V<br />

a a<br />

0<br />

k<br />

I<br />

E<br />

k<br />

0 a<br />

<br />

E<br />

V<br />

R<br />

a a<br />

n<br />

Tn<br />

kE kE kT<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 20


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.4.3 Beschleunigung<br />

Ankerstrom<br />

Winkelgeschwindigkeit der Welle<br />

induzierte Spannung<br />

Ankerspannung<br />

T<br />

res<br />

: resultierendes Drehmoment N m<br />

J , J : resultierendes Trägheitsmoment kg m -2<br />

res<br />

m<br />

t <br />

eq<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s-1<br />

<br />

m0<br />

: Anfangswinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

: Endwinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

m1<br />

t<br />

1<br />

: benötigte Zeit zum Beschleunigen von ω m0 auf ω m1 s<br />

t : Zeit s<br />

T : Drehmoment N m<br />

em<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

em<br />

a <br />

ea<br />

t :<br />

a <br />

v t : Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

induzierte Spannung, Quellenspannung,<br />

innere Spannung<br />

i t : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

I<br />

a,max<br />

: maximaler Ankerstrom, Klemmenstrom, positiv A<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

k<br />

T<br />

:<br />

k<br />

E<br />

:<br />

Drehmomentkonstante<br />

Spannungskonstante<br />

V<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

T<br />

L<br />

: Drehmoment N m<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

L<br />

gesamter Aufbau<br />

Motor<br />

Last<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 21


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

resultierende<br />

Grössen<br />

T<br />

res<br />

T T k I T für 0 t t<br />

<br />

TL<br />

für t t1<br />

em L T a,max L<br />

1<br />

Jres Jem JL<br />

zeitabhängige<br />

Grössen<br />

i<br />

a<br />

t<br />

T T T<br />

I für 0 t t<br />

<br />

<br />

Tem<br />

TL<br />

für t t1<br />

kT<br />

kT<br />

em res L<br />

a,max 1<br />

kT<br />

kT<br />

<br />

m<br />

t<br />

<br />

T<br />

<br />

t für 0 t t<br />

<br />

<br />

m<br />

1<br />

für t t1<br />

a E m<br />

res<br />

0 1<br />

Jres<br />

<br />

e t k t<br />

<br />

<br />

v t e t R i t k t R i t<br />

a a a a E m a a<br />

Beschleunigungszeit<br />

J<br />

t1 m1 m0<br />

<br />

T<br />

res<br />

res<br />

J<br />

res<br />

t1 m<br />

1 m m0<br />

Tres<br />

0 0 0<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 22


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.4.4 Bremsung<br />

Ankerstrom<br />

Winkelgeschwindigkeit der Welle<br />

induzierte Spannung<br />

Ankerspannung<br />

T<br />

res<br />

: resultierendes Drehmoment N m<br />

J , J : resultierendes Trägheitsmoment kg m -2<br />

res<br />

m<br />

t <br />

eq<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s-1<br />

<br />

m0<br />

: Anfangswinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

: Endwinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

m1<br />

t<br />

1<br />

: benötigte Zeit zum Bremsen von ω m0 auf ω m1 s<br />

t : Zeit s<br />

T : Drehmoment N m<br />

em<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

em<br />

a <br />

ea<br />

t :<br />

a <br />

v t : Ankerspannung, Klemmenspannung V<br />

induzierte Spannung, Quellenspannung,<br />

innere Spannung<br />

i t : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

I<br />

a,max<br />

: maximaler Ankerstrom, Klemmenstrom, negativ A<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

k<br />

T<br />

:<br />

k<br />

E<br />

:<br />

Drehmomentkonstante<br />

Spannungskonstante<br />

V<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

T<br />

L<br />

: Drehmoment N m<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

L<br />

gesamter Aufbau<br />

Motor<br />

Last<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 23


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

resultierende<br />

Grössen<br />

T<br />

res<br />

T T k I T für 0 t t<br />

<br />

TL<br />

für t t1<br />

em L T a,max L<br />

1<br />

Jres Jem JL<br />

zeitabhängige<br />

Grössen<br />

i<br />

a<br />

t<br />

T T T<br />

I für 0 t t<br />

<br />

<br />

Tem<br />

TL<br />

für t t1<br />

kT<br />

kT<br />

em res L<br />

a,max 1<br />

kT<br />

kT<br />

<br />

m<br />

t<br />

<br />

T<br />

<br />

t für 0 t t<br />

<br />

<br />

m<br />

1<br />

für t t1<br />

a E m<br />

res<br />

0 1<br />

Jres<br />

<br />

e t k t<br />

<br />

<br />

v t e t R i t k t R i t<br />

a a a a E m a a<br />

Bremszeit<br />

J<br />

t1 m1 m0<br />

<br />

T<br />

res<br />

res<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 24


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

2.5.4.5 Energiebetrachtung<br />

zurückgewonnene Energie beim Bremsen<br />

aufgewendete Energie beim Beschleunigen<br />

J<br />

Energiedifferenz nach<br />

Winkelgeschwindigkeitsänderung<br />

J<br />

E : verbrauchte Energie durch Ankerwiderstand J<br />

E tot<br />

:<br />

E Rot<br />

:<br />

el<br />

T : resultierendes Drehmoment N m<br />

res<br />

J , J : resultierendes Trägheitsmoment kg m -2<br />

res<br />

eq<br />

<br />

m0<br />

: Anfangswinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

<br />

m1<br />

: Endwinkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

t : Dauer des Brems- oder Beschleunigungsvorgangs s<br />

T : Drehmoment N m<br />

em<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

em<br />

I : Ankerstrom, Klemmenstrom A<br />

a<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

k<br />

T<br />

:<br />

Drehmomentkonstante<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

T<br />

L<br />

: Drehmoment N m<br />

J : Trägheitsmoment kg m -2<br />

L<br />

Energien<br />

gesamter Aufbau<br />

Motor<br />

Last<br />

allgemein<br />

Tem kT Ia<br />

Jres Jem JL<br />

J<br />

t<br />

m1 m0<br />

<br />

T<br />

res<br />

res<br />

E R I t<br />

2<br />

el a a<br />

1<br />

E J <br />

2<br />

2 2<br />

Rot res m1 m0<br />

<br />

Bremsen<br />

Tres Tem TL<br />

T 0<br />

em<br />

Etot Erot Eel<br />

0<br />

E Rot<br />

Beschleunigen<br />

Tres Tem TL<br />

T 0<br />

em<br />

Etot Erot Eel<br />

0<br />

E Rot<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 25


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

► Beispiel<br />

beim Bremsen<br />

Eine Gleichstrommaschine mit dem Ankerwiderstand R a = 0.35 Ω, dem Trägheitsmoment J em = 0.02 kg<br />

m 2 und der Drehmomentkonstante k T = 0.5 N m A -1 wird von der Anfangswinkelgeschwindigkeit ω m0 =<br />

<strong>15</strong>7.08 rad s -1 auf die Endwinkelgeschwindigkeit ω m1 = 78.54 rad s -1 bei einem Ankerstrom von I a = -10 A<br />

gebremst. Die Last besitzt dabei ein Trägheitsmoment von J L = 0.04 kg m 2 und ein Lastdrehmoment T L =<br />

2 N m.<br />

Wie gross die zurückgewonnene Energie?<br />

Resultierende Grössen:<br />

J J J 0.02 kg m 0.04 kg m 0.06 kg m<br />

res em L<br />

res em L T a L<br />

2 2 2<br />

T T T k I T<br />

<br />

<br />

-1<br />

0.5 N m A 10 A 2 N m 3 N m<br />

Dauer des Bremsvorganges:<br />

2<br />

Jres<br />

1 1<br />

0.06 kg m<br />

t<br />

m1 m0 78.54 rad s <strong>15</strong>7.08 rad s 1.571 s<br />

T<br />

3 N m<br />

res<br />

Zurückgewonnene Energie aus der Rotationsbewegung:<br />

1 2 2 1 2 1 1<br />

1 0 0.06 kg m 78.54 rad s<br />

<strong>15</strong>7.08 rad s<br />

<br />

ERot Jres m m<br />

555 J<br />

2 2<br />

Verbrauchte Energie durch Ankerwiderstand:<br />

2<br />

el a a<br />

2<br />

E R I t<br />

0.35 10 A 1.571 s 55 J<br />

Zurückgewonnene Energie:<br />

E E E 555 J 55 J 500 J<br />

tot rot el<br />

<br />

► Beispiel<br />

beim Beschleunigen<br />

Eine Gleichstrommaschine mit dem Ankerwiderstand R a = 0.35 Ω, dem Trägheitsmoment J em = 0.02 kg<br />

m 2 und der Drehmomentkonstante k T = 0.5 N m A -1 wird von der Anfangswinkelgeschwindigkeit ω m0 =<br />

78.54 rad s -1 auf die Endwinkelgeschwindigkeit ω m1 = <strong>15</strong>7.08 rad s -1 bei einem Ankerstrom von I a = 10 A<br />

beschleunigt. Die Last besitzt dabei ein Trägheitsmoment von J L = 0.04 kg m 2 und ein Lastdrehmoment<br />

T L = 2 N m.<br />

Wie gross die aufzuwendende Energie?<br />

Resultierende Grössen:<br />

J J J 0.02 kg m 0.04 kg m 0.06 kg m<br />

res em L<br />

res em L T a L<br />

2 2 2<br />

T T T k I T<br />

<br />

-1<br />

0.5 N m A 10 A 2 N m 3 N m<br />

Dauer des Beschleunigungsvorgangs:<br />

2<br />

Jres<br />

1 1<br />

0.06 kg m<br />

t<br />

m1 m0 <strong>15</strong>7.08 rad s 78.54 rad s 1.571 s<br />

T<br />

3 N m<br />

res<br />

Aufgewendete Energie für die Rotationsbewegung:<br />

1 2 2 1 2 1 1<br />

1 0 0.06 kg m <strong>15</strong>7.08 rad s<br />

78.54 rad s<br />

<br />

ERot Jres m m<br />

555 J<br />

2 2<br />

Verbrauchte Energie durch Ankerwiderstand:<br />

2<br />

el a a<br />

2<br />

E R I t<br />

0.35 10 A 1.571 s 55 J<br />

Aufgewendete Energie:<br />

E E E 555 J 55 J 610 J<br />

tot rot el<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 26


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3 Stellglieder für Gleichstrommaschinen<br />

3.1 Buck Converter, Step Down Converter, Abwärtsregler, Abwärtswandler,<br />

Tiefsetzsteller<br />

Schaltung<br />

Signalverläufe<br />

Ansteuerung<br />

Steuersignal q = 1 Steuersignal q = 0<br />

diskontinuierlicher<br />

Betrieb, DCM<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 27


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

V<br />

in<br />

: Eingangsspannung V<br />

V : mittlere Ausgangsspannung V<br />

o<br />

V : mittlere Diodenspannung V<br />

A<br />

I : mittlerer Eingangsstrom A<br />

in<br />

I : kritischer mittlerer Eingangsstrom A<br />

in,<br />

crit<br />

I : mittlerer Ausgangstrom A<br />

o<br />

I : kritischer mittlerer Ausgangsstrom A<br />

o,<br />

crit<br />

I : mittlerer Spulenstrom A<br />

L<br />

I : kritischer mittlerer Spulenstrom A<br />

L,<br />

crit<br />

iL<br />

t : Spulenstrom A<br />

i t : Welligkeit des Spulenstroms A<br />

L,<br />

ripple<br />

i L<br />

: maximale Welligkeit des Spulenstroms A<br />

C<br />

<br />

i t : Kondensatorstrom A<br />

P<br />

in<br />

: mittlere Eingangsleistung W<br />

P : mittlere Ausgangsleistung W<br />

o<br />

P : kritische mittlere Ausgangsleistung W<br />

o,<br />

crit<br />

L : Induktivität H<br />

L<br />

crit<br />

: kritische Induktivität H<br />

R . Lastwiderstand Ω<br />

R<br />

crit<br />

: kritischer Lastwiderstand Ω<br />

D : Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

q : Steuersignal<br />

T<br />

s<br />

: Periodendauer s<br />

f<br />

s<br />

: Schaltfrequenz Hz<br />

t : Zeit s<br />

diskontinuierlicher Betrieb,<br />

DCM :<br />

i L (t) wird zu bestimmten Zeitpunkten negativ<br />

kontinuierlicher Betrieb,<br />

CCM :<br />

i L (t) zu allen Zeitpunkten positiv<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Leistungen<br />

Bauelemente<br />

Ansteuerung<br />

Andere<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Vo VA D Vin<br />

Vo Vin<br />

<br />

L L L,<br />

ripple<br />

<br />

i t I i t<br />

C<br />

<br />

L,<br />

ripple<br />

<br />

i t i t<br />

1 1<br />

i L Vin Vo D Ts Vo 1<br />

D<br />

Ts<br />

L<br />

L<br />

<br />

I<br />

V<br />

R<br />

o<br />

L<br />

I <br />

o<br />

Fläche A<br />

Po<br />

V<br />

o<br />

Fläche B<br />

Iin D IL D<br />

Io<br />

Leistungen<br />

P V I<br />

in in in<br />

P V I<br />

P<br />

o o o<br />

in<br />

P<br />

o<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 28


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

kritischer Fall<br />

Spulenstrom<br />

Betriebsarten<br />

i<br />

V<br />

I I D D<br />

L in<br />

L, crit o, crit<br />

1<br />

2 2L<br />

fs<br />

V V<br />

P D D<br />

in o<br />

o, crit<br />

1<br />

2L<br />

fs<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

V<br />

I D D<br />

in 2<br />

in, crit<br />

1<br />

2L<br />

fs<br />

Vin<br />

Vo<br />

Lcrit<br />

D 1<br />

D<br />

2P<br />

f<br />

o<br />

s<br />

<br />

<br />

<br />

R<br />

crit<br />

2L<br />

f<br />

<br />

1<br />

D<br />

<br />

s<br />

<br />

DCM kritischer Fall CCM<br />

IL IL, crit<br />

Iin Iin,<br />

crit<br />

IL IL, crit<br />

Iin Iin,<br />

crit<br />

I I ,<br />

I I<br />

,<br />

I<br />

L L crit in in crit<br />

o<br />

Io,<br />

crit<br />

Io<br />

Io,<br />

crit<br />

Io<br />

Io,<br />

crit<br />

o<br />

Po , crit<br />

Po<br />

Po , crit<br />

Po<br />

Po , crit<br />

L Lcrit<br />

L<br />

Lcrit<br />

R Rcrit<br />

R<br />

Rcrit<br />

P<br />

L L crit<br />

R R crit<br />

► Beispiel<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 29


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.2 Boost Converter, Step Up Converter, Aufwärtsregler, Aufwärtswandler,<br />

Hochsetzsteller<br />

Schaltung<br />

Signalverläufe<br />

Ansteuerung<br />

Steuersignal q = 1 Steuersignal q = 0<br />

diskontinuierlicher<br />

Betrieb DCM<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 30


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

V<br />

in<br />

: Eingangsspannung V<br />

V : mittlere Ausgangsspannung V<br />

o<br />

V : mittlere Schalterspannung V<br />

A<br />

I : mittlerer Eingangsstrom A<br />

in<br />

I : kritischer mittlerer Eingangsstrom A<br />

in,<br />

crit<br />

I : mittlerer Ausgangstrom A<br />

o<br />

I : kritischer mittlerer Ausgangsstrom A<br />

o,<br />

crit<br />

I : mittlerer Spulenstrom A<br />

L<br />

I : kritischer mittlerer Spulenstrom A<br />

L,<br />

crit<br />

iL<br />

t : Spulenstrom A<br />

i t : Welligkeit des Spulenstroms A<br />

L,<br />

ripple<br />

i L<br />

: maximale Welligkeit des Spulenstroms A<br />

C<br />

<br />

i t : Kondensatorstrom A<br />

I : mittlerer Diodenstrom A<br />

diode<br />

diode <br />

i t : Diodenstrom A<br />

diode,<br />

ripple<br />

<br />

i t : Welligkeit des Diodenstroms A<br />

P<br />

in<br />

: mittlere Eingangsleistung W<br />

P : mittlere Ausgangsleistung W<br />

o<br />

P : kritische mittlere Ausgangsleistung W<br />

o,<br />

crit<br />

L : Induktivität H<br />

L<br />

crit<br />

: kritische Induktivität H<br />

R . Lastwiderstand Ω<br />

R<br />

crit<br />

: kritischer Lastwiderstand Ω<br />

D :<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

q :<br />

Steuersignal<br />

T<br />

s<br />

: Periodendauer s<br />

f<br />

s<br />

: Schaltfrequenz Hz<br />

t : Zeit s<br />

diskontinuierlicher Betrieb,<br />

DCM :<br />

i L (t) wird zu bestimmten Zeitpunkten negativ<br />

kontinuierlicher Betrieb,<br />

CCM :<br />

i L (t) zu allen Zeitpunkten positiv<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Leistungen<br />

Bauelemente<br />

Ansteuerung<br />

Andere<br />

Spannungen<br />

V<br />

V<br />

o<br />

in<br />

1<br />

V V<br />

1 D<br />

o in<br />

Ströme<br />

<br />

L L L,<br />

ripple<br />

<br />

i t I i t<br />

<br />

i t i t i t I i t I<br />

C diode,<br />

ripple diode diode diode o<br />

1 1<br />

i V D T V V 1<br />

D<br />

T<br />

L<br />

L<br />

<br />

I<br />

L in s o in s<br />

V<br />

R<br />

o<br />

<br />

o<br />

Po<br />

V<br />

o<br />

Fläche A Fläche B<br />

Vo Io 1 Vo<br />

I L<br />

I in<br />

Io<br />

V 1D 1D R<br />

in<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 31


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Leistungen<br />

P V I<br />

in in in<br />

P V I<br />

P<br />

o o o<br />

in<br />

P<br />

o<br />

kritischer Fall<br />

Spulenstrom<br />

Betriebsarten<br />

iL<br />

Vin<br />

IL, crit<br />

Iin,<br />

crit<br />

D<br />

2 2L<br />

f<br />

s<br />

V<br />

V<br />

I D D D<br />

2<br />

in<br />

in<br />

o, crit<br />

1<br />

2Vo L fs 2 L fs<br />

<br />

P<br />

o,<br />

crit<br />

2<br />

Vin<br />

<br />

2L<br />

f<br />

s<br />

D<br />

L<br />

crit<br />

2<br />

Vin<br />

<br />

2P<br />

f<br />

o<br />

s<br />

D<br />

R<br />

crit<br />

2L<br />

fs<br />

<br />

D<br />

1D 2<br />

DCM kritischer Fall CCM<br />

I I I I I I ,<br />

I I<br />

,<br />

I I ,<br />

I I<br />

,<br />

I<br />

L L, crit in in,<br />

crit L L crit in in crit L L crit in in crit<br />

o<br />

Io,<br />

crit<br />

Io<br />

Io,<br />

crit<br />

Io<br />

Io,<br />

crit<br />

o<br />

Po , crit<br />

Po<br />

Po , crit<br />

Po<br />

Po , crit<br />

L Lcrit<br />

L<br />

Lcrit<br />

R Rcrit<br />

R<br />

Rcrit<br />

P<br />

L L crit<br />

R R crit<br />

► Beispiel<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 32


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.3 Effektivwert eines Dreiecksignals<br />

I<br />

rms<br />

: Effektivwert A<br />

I : Mittelwert A<br />

I : Welligkeit A<br />

1<br />

Irms<br />

I I<br />

12<br />

2 2<br />

3.4 Halbbrücke<br />

3.4.1 Spannungen und Ströme<br />

v<br />

aN<br />

: mittlere Ausgangsspannung V<br />

V : Speisespannung V<br />

d<br />

i : mittlerer Eingangsstrom A<br />

da<br />

i : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

a<br />

d :<br />

a<br />

q<br />

a<br />

:<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

Steuersignal des Schalters,<br />

bei q a = 1: Schalter verbunden zu V d ,<br />

bei q a = 0: Schalter verbunden zu N<br />

Ausgangsspannung<br />

Eingangsstrom<br />

vaN da Vd<br />

ida da ia<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 33


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.4.2 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM, v<br />

Vˆ<br />

Aufbau<br />

Signalverläufe<br />

0<br />

tri tri<br />

d<br />

a<br />

:<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

Steuersignal des Schalters,<br />

q<br />

a<br />

: bei q a = 1: Schalter verbunden zu V d ,<br />

bei q a = 0: Schalter verbunden zu N<br />

v : Steuerspannung V<br />

cntrl , a<br />

v<br />

tri<br />

: Dreiecksignal V<br />

V<br />

ˆtri<br />

: Amplitude des Dreiecksignals V<br />

v<br />

aN<br />

: mittlere Ausgangsspannung V<br />

V : Speisespannung der Halbbrücke V<br />

d<br />

T : Periodendauer s<br />

s<br />

f<br />

s<br />

: Schaltfrequenz Hz<br />

N : Bezugspunkt, Masse<br />

Ansteuerung<br />

Spannungen<br />

Andere<br />

Tastgrad<br />

Steuerspannung<br />

mittlere<br />

Ausgangsspannung<br />

d<br />

v<br />

aN<br />

a<br />

0d 1<br />

V<br />

a<br />

<br />

d<br />

v d Vˆ<br />

cntrl , a a tri<br />

V<br />

v d V v<br />

aN A d cntrl , a<br />

Vˆd<br />

tri<br />

Steuersignal<br />

q<br />

a<br />

1 wenn<br />

<br />

0 wenn<br />

v<br />

v<br />

cntrl , a<br />

cntrl , a<br />

v<br />

v<br />

tri<br />

tri<br />

Periodendauer<br />

T<br />

s<br />

<br />

1<br />

f<br />

s<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 34


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.4.3 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM, Vˆ v Vˆ<br />

Aufbau<br />

Signalverläufe<br />

tri tri tri<br />

d<br />

A<br />

:<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

Steuersignal des Schalters,<br />

q<br />

A<br />

: bei q A = 1: Schalter verbunden zu V d ,<br />

bei q A = 0: Schalter verbunden zu N<br />

v : Steuerspannung V<br />

cA ,<br />

v<br />

tri<br />

: Dreiecksignal V<br />

V<br />

ˆtri<br />

: Amplitude des Dreiecksignals V<br />

v<br />

AN<br />

: mittlere Ausgangsspannung V<br />

V : Speisespannung der Halbbrücke V<br />

d<br />

k : Spannungsverstärkung der Halbbrücke<br />

pole<br />

T<br />

s<br />

: Periodendauer s<br />

f<br />

s<br />

: Schaltfrequenz Hz<br />

N : Bezugspunkt, Masse<br />

Ansteuerung<br />

Steuerspannungen<br />

Spannungen<br />

Andere<br />

Tastgrad<br />

Steuerspannung<br />

mittlere<br />

Ausgangsspannung<br />

d<br />

1 1<br />

v<br />

cA ,<br />

A<br />

0d 1<br />

2 2 Vˆ<br />

A<br />

<br />

tri<br />

<br />

v 2 d 1<br />

Vˆ<br />

c,<br />

A A tri<br />

<br />

V<br />

v d V 0.5V 0.5 v ˆ<br />

d<br />

AN A d d c,<br />

A<br />

V<br />

DC Anteil<br />

tri<br />

k pole<br />

Spannungsverstärkung<br />

k<br />

pole<br />

V<br />

0.5<br />

V ˆd<br />

tri<br />

Steuersignal<br />

q<br />

A<br />

1 wenn<br />

<br />

0 wenn<br />

v<br />

v<br />

c,<br />

A<br />

c,<br />

A<br />

v<br />

v<br />

tri<br />

tri<br />

Periodendauer<br />

T<br />

s<br />

<br />

1<br />

f<br />

s<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 35


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.5 Vollbrücke<br />

3.5.1 Spannungen<br />

v<br />

o<br />

: mittlere Ausgangsspannung V<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke a zu N V<br />

aN<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke b zu N V<br />

bN<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke a zu n V<br />

an<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke b zu n V<br />

bn<br />

v : mittlerer Spannungsoffset V<br />

com<br />

V<br />

d<br />

: Speisespannung der Vollbrücke V<br />

N : Bezugspunkt, Masse<br />

n : virtueller Bezugspunkt<br />

Spannungen<br />

Bezugspunkte<br />

allgemein<br />

vo vaN vbN<br />

Vd<br />

vcom<br />

<br />

2<br />

bezogen zu n<br />

vo<br />

van<br />

<br />

2<br />

vo<br />

vbn<br />

<br />

2<br />

bezogen zu N<br />

Vd<br />

vo<br />

vaN<br />

<br />

2 2<br />

Vd<br />

vo<br />

vbN<br />

<br />

2 2<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 36


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.5.2 Ströme<br />

i<br />

d<br />

: mittlerer Eingangsstrom A<br />

<br />

i , i t : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

o<br />

o<br />

i<br />

da<br />

: mittlerer Eingangsstrom A<br />

<br />

i , i t : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

a<br />

a<br />

d<br />

a<br />

: Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

i : mittlerer Eingangsstrom A<br />

db<br />

<br />

i , i t : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

b<br />

b<br />

Vollbrücke<br />

Halbbrücke a<br />

Halbbrücke b<br />

d<br />

b<br />

: Tastgrad, duty cycle, duty factor<br />

t : Zeit s Andere<br />

Halbbrücken<br />

Vollbrücke<br />

Ausgangsstrom<br />

i d i<br />

da a a<br />

i d i<br />

db b b<br />

id ida idb da ia db ib<br />

<br />

i t i t i t<br />

a b o<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 37


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

3.5.3 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation, PWM<br />

Aufbau<br />

Signalverläufe<br />

v<br />

cntrl , a<br />

: Steuerspannung für die Halbbrücke a V<br />

v<br />

cntrl , b<br />

: Steuerspannung für die Halbbrücke b V<br />

v , v : Steuerspannung V<br />

cntrl<br />

c,<br />

A<br />

v<br />

tri<br />

: Dreiecksignal V<br />

V<br />

ˆtri<br />

: Amplitude des Dreiecksignals V<br />

v<br />

o<br />

: mittlere Ausgangsspannung V<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke a V<br />

aN<br />

v : mittlere Ausgangsspannung der Halbbrücke b V<br />

bN<br />

V : Speisespannung der Vollbrücke V<br />

d<br />

k : Spannungsverstärkung der Vollbrücke<br />

pwm<br />

i<br />

d<br />

: mittlerer Eingangsstrom A<br />

i : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

o<br />

d :<br />

a<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor der Halbbrücke a<br />

d<br />

b<br />

: Tastgrad, duty cycle, duty factor der Halbbrücke b<br />

d : Tastgrad der Vollbrücke<br />

T : Periodendauer s<br />

s<br />

f<br />

s<br />

: Schaltfrequenz Hz<br />

N : Bezugspunkt, Masse<br />

Steuerspannungen<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Tastgrade<br />

Andere<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 38


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Steuerspannungen<br />

v<br />

cntrl , a<br />

Vˆ<br />

Vˆ<br />

v<br />

<br />

2 2 V<br />

tri tri o<br />

d<br />

v<br />

cntrl , b<br />

Vˆ<br />

Vˆ<br />

v<br />

<br />

2 2 V<br />

v Vˆ<br />

v<br />

<br />

2 2 V<br />

cntrl tri o<br />

tri tri o<br />

d<br />

d<br />

v<br />

V<br />

o<br />

d<br />

v<br />

<br />

Vˆ<br />

cntrl<br />

tri<br />

Tastgrade<br />

d<br />

a<br />

vaN 1 1 vo 1 1 vcntrl<br />

0d 1<br />

V 2 2 V 2 2 Vˆ<br />

a<br />

<br />

d d tri<br />

d<br />

d<br />

d<br />

b<br />

a<br />

a<br />

vbN 1 1 vo 1 1 vcntrl<br />

0d 1<br />

V 2 2 V 2 2 Vˆ<br />

b<br />

<br />

d<br />

b<br />

d d tri<br />

1<br />

vo<br />

v<br />

db<br />

<br />

V Vˆ<br />

d d d<br />

a<br />

b<br />

d<br />

cntrl<br />

tri<br />

Spannungen<br />

1 1 v<br />

vaN da Vd Vd<br />

<br />

<br />

2 2 Vˆ<br />

<br />

cntrl<br />

tri<br />

<br />

<br />

<br />

1 1 v<br />

vbN db Vd Vd<br />

<br />

<br />

2 2 Vˆ<br />

<br />

<br />

v d d V<br />

<br />

o a b d<br />

Vd<br />

v v v v<br />

Vˆ<br />

o aN bN cntrl<br />

tri<br />

k pwm<br />

cntrl<br />

tri<br />

<br />

<br />

<br />

k<br />

pwm<br />

V<br />

<br />

V<br />

ˆd<br />

tri<br />

Ströme<br />

<br />

<br />

i d d i<br />

d a b o<br />

i<br />

d<br />

vo<br />

vcntrl<br />

i<br />

V<br />

Vˆ<br />

<br />

d<br />

tri<br />

o<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 39


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Aufbau<br />

3.5.4 Ansteuerung einer Gleichstrommaschine<br />

Überlagerung<br />

V<br />

d<br />

: Speisespannung der Vollbrücke V<br />

v : Ausgangsspannung V<br />

o<br />

v : mittlere Ausgangsspannung V<br />

o<br />

v : Welligkeit der Ausgangsspannung V<br />

o,<br />

ripple<br />

i<br />

d<br />

: mittlerer Eingangsstrom A<br />

i : Ausgangsstrom A<br />

o<br />

i : mittlerer Ausgangsstrom A<br />

o<br />

i : Effektivwert des Ausgangsstroms A<br />

o,<br />

RMS<br />

i : Welligkeit des Ausgangsstroms A<br />

o,<br />

ripple<br />

: maximale Welligkeit des Ausgangsstroms A<br />

I<br />

p p<br />

P<br />

d<br />

: mittlere Eingangsleistung W<br />

P : mittlere Ausgangsleistung W<br />

o<br />

d :<br />

a<br />

Tastgrad, duty cycle, duty factor der Halbbrücke A<br />

d<br />

b<br />

: Tastgrad, duty cycle, duty factor der Halbbrücke B<br />

d : Tastgrad der Vollbrücke<br />

induzierte Spannung, Quellenspannung,<br />

e<br />

a<br />

:<br />

innere Spannung<br />

V<br />

R : Ankerwiderstand, Widerstand der Ankerwicklung Ω<br />

a<br />

L : Ankerinduktivität, Induktivität der Ankerwicklung H<br />

a<br />

: Winkelgeschwindigkeit der Welle rad s -1<br />

m<br />

k<br />

T<br />

:<br />

k<br />

E<br />

:<br />

Drehmomentkonstante<br />

Spannungskonstante<br />

T<br />

s<br />

: Periodendauer s<br />

f : Schaltfrequenz Hz<br />

s<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

N m A -1 rad -1<br />

= V s rad -1<br />

Spannungen<br />

Ströme<br />

Leistungen<br />

Tastgrade<br />

Motor<br />

Andere<br />

Tastgrade<br />

d d d<br />

a<br />

b<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 40


<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> - <strong>Mechatronik</strong> Editiert: 21.02.2011<br />

Ausgangsspannung<br />

v v v<br />

o o o,<br />

ripple<br />

v v v V v<br />

o,<br />

ripple o o d o<br />

v e R i<br />

o a a o<br />

v k <br />

R i<br />

o E m a o<br />

d<br />

vo,<br />

ripple<br />

La io La<br />

<br />

dt<br />

<br />

d<br />

a<br />

I<br />

d<br />

p<br />

p<br />

b<br />

<br />

Ts<br />

<br />

2<br />

Ausgangsstrom<br />

i i i<br />

o o o,<br />

ripple<br />

T<br />

io<br />

<br />

k<br />

em<br />

T<br />

1<br />

Ts<br />

I v d d <br />

2<br />

p<br />

p o,<br />

ripple a b<br />

La<br />

Leistungen<br />

P V i<br />

d d d<br />

P v i<br />

P<br />

o o o<br />

d<br />

P<br />

o<br />

1<br />

P R i R <br />

i i<br />

12<br />

2 2 2<br />

o a o, RMS a o o,<br />

ripple<br />

<br />

<br />

<br />

► Beispiel<br />

<strong>FH</strong> <strong>Formelsammlung</strong> <strong>15</strong> <strong>Mechatronik</strong>.doc 41

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