Optimierte Projektierung und Betrieb elektrischer Antriebssysteme für Positioniervorgänge unter Berücksichtigung der Energieeffizienz

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Frederic Blank

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Elektrische Antriebssysteme in der Industrie sind für einen erheblichen Anteil des gesamten Stromverbrauchs verantwortlich. Durch den Einsatz effizienter Motoren und Frequenzumrichter können bei Antrieben für überwiegend stationäre Betriebspunkte große Energiemengen eingespart werden. Im Gegensatz dazu gibt es für Servoantriebssysteme bisher keine adäquate Methode zur objektiven Effizienzbewertung. Mithilfe von Wirkungsgraden lässt sich die Effizienz des Gesamtsystems nicht bewerten. In dieser Arbeit wird eine neue Bewertungsgröße für die Energieeffizienz von Servoantriebssystemen eingeführt: Die elektrische Energieaufnahme pro Bewegungszyklus. Sie wird durch Simulation mit energieexakten Modellen ermittelt. Hierfür werden die Modelle der Komponenten speziell für eine exakte Nachbildung der Verluste entwickelt. Als Applikation wird ein linearer Positioniervorgang einer Nutzlast gewählt. Anhand dieser wird die Bewertungsmethode für sechs Antriebssysteme demonstriert. Die Antriebssysteme bestehen aus unterschiedlichen permanenterregten Synchronmotoren, einem Schrittmotor, einem Linearmotor und verschiedenen Linearachsen und Servoverstärkern. Es werden unterschiedliche lineare Bewegungsprofile in Bezug auf deren Effizienz miteinander verglichen. Unter Verwendung der Verlustmodelle der Antriebssysteme wird ein Optimierungsverfahren entwickelt und angewendet, welches das energieoptimale Bewegungsprofil für eine gegebene Applikation bestimmt. Abschließend wird die Bewertungsmethode für beispielhafte Applikationen angewendet. Bei horizontalen und vertikalen Positioniervorgängen mit unterschiedlichen Nutzlasten, Bewegungsdauern und Betriebsweisen wird deutlich, dass das energieoptimale Antriebssystem von der konkreten Applikation abhängt.