Abspeicherung:_katnr-gegenstand.doc
Halbgesteuerte Thyristorbrücke: Schaltplan, Wirkungsweise, Anwendung
Eine halbgesteuerte Thyristorbrücke ist ein „gesteuerter Gleichrichter“: die Höhe(Mittelwert) der erzeugten Gleichspannung kann eingestellt werden. Dies ist z.B. zur Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren (über die Ankerspannung) nötig. Mit schaltbaren „Ventilen“ (Thyristoren) wird der Laststom so gesteuert, daß er nur während bestimmter Zeitabschnitte einer Netzperiode fließen kann Þ der Mittelwert der Lastspannung wird ohne wesentliche Verluste reduziert.
Schaltung:
Die Spannung für den Steuerteil wird mittels eines Transformators reduziert.
Dadurch ergibt sich auch eine Potentialtrennung. Anschließend wird diese Spannung gleichgerichtet (A) und mit Hilfe eines Widerstandes und einer Zenerdiode zu einer Trapezspannung reduziert (B), d.h. zu einer gepulsten Gleichspannung mit periodischen Nullwerten. Diese dienen als Synchronisationspunkte gegenüber dem Leistungsteil. Diese Spannung wird über einen einstellbaren Widerstand einem Kondensator zugeführt der entsprechend dem RxC mehr oder weniger schnell aufgeladen wird.
Erreicht die Ladespannung des Kondensators die Schwellspannung des Doppelbasis-transistors, so wird dieser am Ausgang leitend und bildet einen Zündimpuls. Der Kondensator entlädt sich sehr rasch. Die Spannung nimmt dabei sehr rasch ab und der Doppelbasistransitor sperrt ab (Impulsbreite).
Bei kleinem Zündwinkel werden während einer Sinus-Halbwelle mehrere Impulse erzeugt. Der erste Impuls zündet den Thyristor, die anderen bleiben wirkungslos.
Aufgrund der Trapezspannung läßt sich der Zündwinkel nur zwischen etwa 15° und 150° einstellen.
Der Thyristor werden zyklisch gezündet, da der Zündungsimpuls beiden Thyristoren gleichzeitig zugeführt wird, ergibt sich durch die Polung der Thyrsitoren (einer gesperrt, einer im Durchlaß), welcher schaltet (leitend ist). Durch den Phasenanschnitt der Spannung ergibt sich ein nichtsinusförmiger Strom im Netz.
Dies bedeuted entsprechend der Fourier-Analyse eine Belastung des Netzes mit Oberwellen.
Weiters tritt trotz Gleichrichter auch ein Blindstrom auf sofern die Last am Gleichrichter induktive Anteile hat z.B. Motor
Anwendung der Thyristorbrücke:
als Stellglied bei geregelten Antrieben (GSM = Gleichstrommotor), z.
B.: Bahn, Werkzeugmaschinen, Walzwerke, Roboter, ... immer dann wenn Motor mit veränderlicher Drehzahl verwendet wird.
Drehstromantrieb am Beispiel eines Drehstromasynchronmotors: Aufbau, Wirkungsweise, Betriebsverhalten, Anwendung
Übersicht
Motor
Kollektormotor
(konst.
Magnetfeld, Stromwender)
Drehfeldmotor
(veränderliches, drehendes Magnetfeld)
Drehstrom-synchronmotor
Drehstrom-asynchronmotor
Schleifringläufer
Kurzschlußläufer
DAMK
Stator
Aufbau:
Der Stator besteht aus einem Gehäuse in dem sich ein genutetes Blechpaket befindet.
In den Nuten befinden sich 3, 6, 9, 12, ... Wicklungen. Wicklung 120°, 60°, 40°, 30° versetzt.
Diese sind in D oder U (Stern) geschalten.
Wirkungsweise:
Magnetisches Drehfeld
Wird an den 3, 6, ... Wicklungen entsprechend ein 3-Phasen-Wechselstrom angelegt, so erzeugt der sinusförmige Strom (Spannung) pro Wicklung ein sinusförmiges Magnetfeld pro Polschuh.
Die Summe der 3, 6, .
.. sinusförmigen räumlich versetzten, und damit auch zeitlich versetzten Magnetfelder ist ein drehendes Magnetfeld konstanten Betrages und Winkelgeschwindigkeit Þ Umkehrung = Generator
Synchrone Drehzahl:
3 Wicklungen @ 1 Polpaar
Hat der Wechselstrom 1 Periode durchlaufen, so entspricht das bei 3 Wicklungen 1 Umdrehung.
Für n in gilt:
Für 2 Polpaare entspricht 1 Periode einer halben Umdrehung
allgemein gilt:
p...
Polpaarzahl
d.h. bei 50 Hz Netzfrequenz lassen sich folgende Drehzahlen bilden:
- 3000 min-1
- 1500 min-1
- 1000 min-1
- ....
Da die Drehzahl von der Frequenz abhängt nennt man sie auch synchrone Drehzahl (mit dem Netz verbunden).
Soll die Drehrichtung des Feldes geändert werden, so müssen 2 Leiter vertauscht werden.
Rotor
Aufbau:
Welle mit genutetem Blechpaket in dem sich entweder
eine einseitig offene Drehstromwicklung befindet, die über 3 Schleifringe nach außen geführt wird, und über 3 Widerstände zum Zweck der Stromreduzierung beim Anlauf kurzgeschlossen wird.
(= Schleifringläufer)
oder gegossene Alu-Stäbe in den Nuten deren Enden jeweils durch einen Kurzschlußring zusammengeschalten sind.
(= Kurzschlußläufer)
Wirkungsweise:
Im stillstehenden Läufer wird aufgrund des magnetischen Drehfeldes eine Spannung induziert, daher fließt in der kurzgeschlossenen Wicklung ein hoher Strom. Ein stromdurchflossener Leiter wird im Magnetfeld abgelenkt, wodurch der Rotor hochläuft.
Gleichzeitig nimmt dabei die induzierte Spannung ab.
Würde der Rotor genauso rasch sich drehen wie das Statormagnetfeld, so wäre die induzierte Spannung 0 folglich auch der Strom und das Moment Þ daher Asynchronmotor. Der bei Nennlast auftretende Schlupf beträgt etwa 3 - 8% der Drehfelddrehzahl.
Schlupf s:
Wegen dem hohen Anlaufstrom werden Motoren über 3 kW mit UD Schaltung angefahren. Leider sinkt dabei auch das Anlaufmoment auf 1/3. d.
h. Motor kann nicht mit voller Last hochgefahren werden, da dann ein zu geringes Moment zur Beschleunigung da ist.
Die durchschnittliche Lebensdauer des DMK beträgt etwa 20 Jahre, da praktisch kein mechanischer Verschleiß (außer den Lager!) vorliegt.
Anwendung
Überall dort wo ein robuster Motor für nur 1 (höchstens 3) Drehzahlen gebraucht wird.
z.B.
: WZM (Werkzeugmaschinen)
Förderanlagen
Aufzüge, Rolltreppen, Pumpen, Lüfter und in zunehmenden Maße bei der Bahn
Drehzahländerung
Soll die Drehzahl veränderbar sein, so stehen 2 Möglichkeiten zur Verfügung.
1. Änderung der Polpaaranzahl, Polpaarumschaltung = Dahlander
2. Änderung der Frequenz Þ statische Frequenzumformer.
Statischer Frequenzumformer zur Steuerung der Drehzahl von Drehstrommotoren: Schaltplan, Wirkungsweise, Anwendung
Prinzip:
Aus dem 3-Phasen-Wechselstrom wird mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke Gleichstrom erzeugt und dieser dann mit Hilfe eines Wechselrichters in 3-Phasen-Wechselstrom variabler Frequenz und Spannung umgewandelt.
U~prop.
f
fNetz
gleichgerichtet
UR
f~0
f(n)
entspricht
Wie aus der Formel ersichtlich, ist bei niedriger Frequenz (Anlauf) der induktive Widerstand xL = 2pfL sehr gering und damit der Strom relativ groß. Daraus folgt, daß die Spannung bei niedriger Frequenz abgesenkt werden muß. Bei Nenndrehzahl entsprechend Nennspannung ist die Grenze erreicht, d.h. eine weitere Spannungsanhebung nicht mehr möglich, wohl aber die Frequenz und damit die Drehzahl.
f<fNetz
f>fNetz
f=50Hz.
.. übliche Motorkennlinie
Durch die Absenkung der Frequenz kann der Motor praktisch mit Kippmoment hochfahren. Damit ist auch ein Hochfahren mit voller Belastung möglich.
Geht die Frequenz über die Netzfrequenz, so steigt zwar die Drehzahl, gleichzeitig sinkt aber das Moment, da der Strom aufgrund des induktiven Widerstandes absinkt. Mit einem FU steigen die Verluste des Motors um ca.
5%. Weiters hat der Umformer Verluste von 2-3%.
Soll der Motor sehr oft reserviert werden, bzw. Mit reduzierter Drehzahl laufen, so ist eine zusätzliche Fremdbelüftung nötig.
FU mit Impulsbreitensteuerung und Transistorwechselrichter
+
-U/2
U/2
I
j
I
-U/2
U/2
Freilauf- Diode
-
WR
GR
Sicherungen
DAMK
Wirkungsweise:
Die gleichgerichtete Spannung wird über einen Kondensator geglättet. Die gleichgereichtete Spannung wird einem Wechselrichter zugeführt, bei dem jeweils ein Transistorpaar für eine Phase derart ein/ausgeschaltet wird (Impulsbreite), das als Spannungsmittelwert zwischen 2 Impulsen über 1 Periode annährend ein sinusförmiger Stromverlauf entsteht.
Vor allem bei niedriger Drehzahl ist dies notwendig damit der Motor rundläuft, bei höherer Drehzahl reicht das Schwungmoment aus, bei einmaligem ein/ausschaltendes Transistorpaares einen sinusförmigen Strom zu erhalten. Nach dem Ausschalten würde der Strom unterbrochen werden, und damit eine hohe Spannung erzeugt werden, die die Transistoren zerstört. Die Freilaufdioden ermöglichen eine Aufrechterhaltung des Stroms. Für die 3 Phasen wird weiters eine zyklische Schaltung von einem Transistorpaar auf das nächste benötigt.
Beim Bremsen wird ein Lastwiderstand mit Hilfe eines Transistors ein und ausschalten, und damit mech. Energie in elektrische und weiter in Wärme umgesetzt.
Die Spannung des Motors muß dabei etwas höher sein als jene vom Netz. Dies wird durch jeweiliges Ausschalten U=L erreicht. Die Freilaufdioden dienen auch hier als Stromrückführung.
Anwendung des FU:
Synchronmotor bei CNC-Roboter.
Asynchronmotorbahn und -pumpen
Logiksteuerung am Beispiel eines Handlingsystems (Laufkatze): Erkläre den Logikplan bzw. einzelne Elemente
Aufgabenstellung
Start links oben.
Senken, warten, heben, Rechts- Linkslauf 2er Motoren. In Abhängigkeit von den Zeitelementen soll berührungslos ein einmaliger Zyklus geschalten werden. Weiters Automatikbetrieb sowie Einzelbetrieb.
Dokumentation
Links-Oben (Start): Wenn Automatikbetrieb oder Einzelbetrieb, links und oben dann senken
Links-Unten: Senken rücksetzen, wenn unten und links dann Zeit t1 und dann heben
Oben-Links: Wenn oben, Speicher gesetzt (ob Laufkatze unten war) und links dann Laufkatze nach rechts, Speicher setzen (ob Laufkatze rechts war), heben rücksetzen, Speicher rücksetzen (ob Laufkatze unten war)
Oben-Rechts: Rechts rücksetzen, Wenn rechts, oben und Speicher gesetzt (ob Laufkatze rechts war) dann senken
Unten-Rechts: senken rücksetzen, wenn unten und rechts dann Zeit t2 und dann heben
Oben-Rechts: heben rücksetzen, wenn oben, rechts und Speicher gesetzt (ob Laufkatze unten war) dann Laufkatze nach links, Speicher rücksetzen (ob Laufkatze rechts war), Speicher rücksetzen (ob Laufkatze unten war)
Speicherprogrammierbare Steuerungen: Hardwarekonfiguration, Programmierbeispiel mittels Anweisungsliste
Arten der Steuerungen
Man kann Steuerungen nach der Art der Programmverwirklichung einteilen. Man unterscheidet dabei verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) und speicherprogrammierte Steuerungen (SPS).
Bei verbindungsprogrammierten Steuerungen bestimmen die Leitungsverbindungen, zB: die Verdrahtung, Schütze, .
..., den Programmablauf. Da die Änderungen der Eingangsvariablen im gleichen Augenblick auf den Ausgang übertragen werden, spricht man hierbei auch von einer parallelen Signalverarbeitung.
Speicherprogrammierte Steuerungen enthalten einen elektronischen Programmspeicher, der frei programmiert werden kann.
Bei programmierten Steuerungen ergibt sich ein serieller Ablauf, d.h. die Steuerbefehle werden nacheinander abgearbeitet. Die Reaktionszeit einer SPS ist im allgemeinen größer als die einer VPS, doch eine SPS ist wesentlich leichter austauschbar bzw. änderbar. Bei anderen Aufgabenstellungen muß nur das Programm und nicht die Hardware verändert werden.
Funktionseinheiten einer SPS
Steuerleitungen, Datenleitungen, Adreßleitungen (Bus)
A1.1
E1.1
Buskopplung
für serielle Daten-übertragung
V.24
V.24
V.24
A1.
16
E1.16
Programmier-gerät
Relais 24 V,
Schütze 120 V,
Magnetventil,
LED,
Schrittmotoren
Tasten, Schalter,
Sensoren, ...
mit 24 V
Speicherprogrammierte Steuerungen sind ähnlich aufgebaut wie elektronische Datenverarbeitungsanlagen. Sie enthalten die Funktionseinheiten Eingabeeinheit, Steuerwerk, Merker, Programmspeicher, Zeitgeber und Ausgabeeinheit.
Das Steuerwerk ist ein üblicher Mikroprozessor.
Wenn die Ein- und Ausgabesignale keine binären Signale sind so müssen die Ein- und Ausgabewerte durch einen ADC/DAC (Analog Digital Converter/Digital Analog Converter) in binäre Signale umgewandelt werden.
Das Steuerwerk hat die Aufgabe, Binärsignale entsprechend den Regeln der Schaltalgebra zu verarbeiten. Es übernimmt eine Steuerungsanweisung nach der andern aus dem Programmspeicher, entschlüsselt diese und führt sie aus.
Eine Steueranweisung enthält einen Operationsteil und einen Operandenteil.
· Operationsteil:
gibt an, welcher Operation durchgeführt werden soll (z.
B.: UND)
· Operandenteil:
enthält die Adresse, mit der die Operation durchgeführt werden sollen
Da sich jederzeit die Eingangsignale ändern können, muß die Abfrage der Eingangssignale und somit der Programmdurchlauf in ständigem Zyklus wiederholt werden. Daraus folgt, daß die letzte Anweisung im Programm immer eine Sprunganweisung an den Programmanfang sein muß.
Die Reaktionszeit einer speicherprogrammierten Steuerung ist im längsten Fall der der Programmzykluszeit. Diese ist abhängig von der Programmlänge, beträgt aber nur wenige Millisekunden (zur Steuerung von Maschinen und Anlagen ist dies aber ausreichend schnell).
Programmierung
Ein Steuerungsprogramm besteht aus einer Folge von Anweisungen.
Diese Anweisungen erzeugt man mit Hilfe der Programmiersprachen AWL (Anweisungsliste), KOP (Kontaktplan) und FUP (Funktionsplan). Diese Sprachen sind nach DIN genormt.
Wichtige Operationen (mit deren Operanden)
Operation
Operand
Erklärung
U
UND - Verknüpfung
O
ODER - Verknüpfung
UN
UND NICHT- Verknüpfung
ON
ODER NICHT- Verknüpfung
U(
...
)
UND - Verknüpfung mit Klammerausdrücken
=
A xx
M xx
T xx
Zuweisung (A.
.. Ausgang, M... Merker, T.
.. Timer)
S
A xx
M xx
Setze
R
A xx
M xx
Rücksetze
PE
Programmende
Beispiel: Stern/Dreieck - Anlauf für DAMK
Kontaktplan:
L1
Zuordnung:
F1 Motorschutz = E1
S1 AUS = E2
S2 EIN = E3
K1 Motor einschalten = A1
K2 Stern = A2
K3 Dreieck = A3
T1 Timer = T1
F1
S1
K1
S2
K1
K3
T1
T1
K2
K2
K3
K3
T1
K1
K2
N
AWL:
Erklärung
U
E1
U
E2
U(
U
E3
O
A1
)
=
M1
Setze Hilfspeicher 1
U
M1
=
A1
U
M1
U
A1
=
M2
Setze Hilfsspeicher 2
U
M2
U
A2
=
T1 100
Setze Timer (bevor man ihn anspricht!)
(Fortsetzung)
U
M2
UN
T1
UN
A3
=
A2
U
M2
U(
U
T1
O
A3
)
UN
A2
=
A3
PE
unbedingt: Sprung zum Programmanfang
Sensoren: binäre als Grenzschalter, Wegmeßsysteme, analoge Sensoren für Kraft, Temperatur, etc.; physikalische Grundlagen, Wirkungsweise, ADC
Zum Steuern, Regeln, Überwachen uns Sichern von Maschinen und Anlagen verwendet man Sensoren, die Signale vom Zustand des Fertigungsvorgangs oder der Maschine erfassen. Man unterscheidet entsprechend der Art der Sensorsignale: analoge, binäre und digitale Sensoren.
Binäre Sensoren
Binäre Sensoren sind Sensoren mit binärem Ausgangssignal, z.
B. einem Schaltsignal EIN/AUS, einer Spannung 0V/10V, einem Strom 0mA/20mA. Aufgebaut sind binäre Sensoren als mechanische Schalter oder als analoge Sensoren mit einem elktronischen Schwellwertschalter (Trigger). Erreicht das zu erfassende Signal die Einschaltschwelle, dann wird eingeschaltet.
Bei Signalrückgang wird bei Unterschreiten der Ausschaltschwelle ausgeschaltet. Die Signaldifferenz zwischen Eischaltschwelle und Ausschaltschwelle heißt Schaltdifferenz.
Alle binäre Sensoren haben eine Schaltdifferenz.
Grenztaster als taktile Sensoren
Taktile Sensoren nehmen Signale durch Berühren auf. Man verwendet z.B. Grenztaster mit Federstab, um Gegenstände zu ertasten. Der Federstab ist in einem Kugelgelenk gelagert und betätigt bei Auslenkung einen Schaltkontakt.
Taktile Sensoren verwendet man bei Transportbändern zur Stückguterkennung, bei Robotern als Tastsensoren für die Werkstückerkennung oder bei Autowaschanlagen zur Fahrzeugerfassung.
Wegmeßsysteme
Digitale Sensoren sind Sensoren zum zahlenmäßigen Erfassen von Meßgrößen, z.B. von Wegstrecken, von Zeitspannen oder von Energien. Häufig werden aber auch analoge Sensorsignale digitalisiert, mit Hilfe von Rechnern aufbereitet und zu speziellen Anwendungen eingesetzt, z.B.
Bildsensoren, mit denen man Werkstoffoberflächen automatisch beurteilen kann.
Inkrementale Weggeber
Inkrementale Weggeber sind Strichmaßstäbe. Das Abtasten der Striche erfolgt berührungslos durch Licht oder magnetisch.
Beim Durchlichtverfahren verwendet man einen Strichmaßstab aus Glas mit lichtdurchlässigen Strichen und lichtdurchlässigen Lücken von z.B. 4mm Breite.
(siehe Skizze). Die Abtast-einrichtung besteht aus einer starken Licht-quelle, einer Abtastplatte und einer elektronischen Aus-wertschaltung. Die Ab-tastplatte ist wie der Maß-stab mit lichtdurchlässigen Strichen und lichtdurch-lässigen Lücken versehen.
Stehen sich die Maßstablücken und die Lücken der Abtastplatte gegenüber, kann Licht von der Lichtquelle zu den lichtempfindlichen Fotodioden gelangen und elektronisch ausgewertet werden. Ist der Maßstab gegen die Abtastplatte um eine Strichbreite versetzt, gelangt kaum Licht zu den Fotodioden. Verschiebt man den Glasmaßstab gegenüber der Abtastplatte, dann wechselt die Lichtstärke des durchgelassenen Lichtes periodisch mit dem Strichabstand.
Um die Bewegungsrichtung des Maßstabs erkennen zu können, wird die Abtastplatte zweigeteilt.
Analoge Sensoren
Mit analogen Sensoren werden mechanische Größen, z.B. Weglängen, oder elektrische Größen, z.B. Leistungen, in elektrische Spannungssignale oder Stromsignale umgewandelt.
Temperatursensoren
Thermoelemente
Thermoelemente wandeln Wärmeenergie in elektrische Spannungen um. Sie bestehen aus zwei Drähten unterschiedlicher Metalle, z.B. Eisen und Konstantan. Die Drähte sind an einem Ende miteinander verlötet (siehe Skizze). Besteht zwischen dieser Verbindungsstelle und den freien Drahtenden ein Temperaturgefälle, dann stellt man an den freien Drahtenden eine elektrische Spannung, die sogenannte Thermospannung, fest.
Die Thermospannungen sind aus einer Tabelle zu entnehmen.
Da die Thermospannung sehr klein ist, wird die Temperatur über elektronische Meßwertverstärker erfaßt.
Thermoelemente verwendet man zur genauen Temperaturmessung in Reaktoren der chemischen Industrie und in der Gießereitechnik an Druckgießmaschinen. Zur Messung von Oberflächentemeraturen erfaßt man mit Thermoelementen die Wäremstrahlung heißer Oberflächen, z.B. flüssiger und glühender Metalle, von Gläsern und keramischen Werkstoffen.
Kraftsensoren mit DMS
Zur Ermittlung von Dehnungen an Bauteilen und Bauwerken verwendet man Dehnungs-meßstreifen (DMS) und Reckdrähte. Das Meßprinzip besteht darin, daß sich der Widerstand eines Drahtes mit zunehmender Drahtlänge und abnehmendem Querschnitt erhöht. Wird ein Draht gedehnt, wird er länger, sein Querschnitt kleiner und damit sein elektrischer Widerstand größer. Die bezogene Widerstandsänderung DR/R ist proportional zur bezogenen Längenänderung (Dehnung) Dl/l.
Über die Dehnung bzw. Stauchung eines Dehnkörpers werden mit Kraftmeßdosen Kräfte gemessen.
Der Nennbereich solcher Kraftmeßdosen liegt zwischen wenigen Newton und mehreren Meganewton.
Eingesetzt werden solche Kraftmeßdosen zur Messung von Kräften an Pressen oder als Wägezellen, bei großen Behältern, wo sie in die Behälterstützen eingebaut werden.
Physikalische Grundlagen
Ein Sensor formt eine physikalsiche Größe in ein elktrisches Meßsignal um. Aktive Sensoren erzeugen das Meßsignal selbst, z.B. ein Thermoelement eine meßbare Spannung.
Passive Sensoren benötigen Hilfsenergie.
Sensoren werden immer mehr mit Übertragungsgliedern und Mikroprozessoren direkt zusammengebaut, da diese Baugruppen als integrierte Schaltkreise sehr wenig Platz benötigen. Man spricht dann von intelligenten Sensoren (engl.: smart sensors). Derartige Sensoren können die Meßgrößen umformen, Berechnungen durchführen, Entscheidungen fällen, Steuersignale abgeben und auch eine Schnittstelle für einen zentralen Prozeß-rechner enthalten.
ADC
Beim Messen elektrischer Größen, z.
B. der Stromstärke, oder nichtelektrischer Größen, z.B. der Temperatur, erhält man den Meßwert oft in analoger Form. Zur Übertragung, Speicherung oer Verarbeitung der Meßdaten sind diese Meßwerte aber häufig in digitaler Form erwünscht. Hierfür werden Analog-Digital-Umsetzer gebraucht.
Kompensationsverfahren
Der Komperator (Operationsverstärker) vergleicht die Meßspannung Ux mit der Kompensationsspannung des DAC. Je nachdem ob die Spannungsdifferenz positiv oder negativ ist, wird die Steuerlogik des Zählers in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung geschalten und gleichzeitig werden Zählimpulse vom Impulsgenerator durchgelassen (konstante Taktfrequenz). Der Zähler zählt solange bis die dazugehörige Ausgangsspannung des DAC gleich der Meßspannung Ux ist. Der Wert des Zählers wird dann zur Anzeige gebracht bzw. zur Weiterverarbeitung freigegeben.
Struktur eines Regelkreises anhand eines Beispiels:grundsätzliche Begriffe, Wirkungsweise
grundsätzliche Begriffe
Definition von Regeln
Beim Regeln wird eine physikalische Größe (zB: Temperatur, Drehzahl) auf einen gewünschten Wert gebracht und entgegen allen Störeinflüssen konstant gehalten.
Die zu regelnde Größe (Regelgröße @ Istwert) "X" wird ständig mit einem vorgegebenen Wert (Führungsgröße @ Sollwert) W verglichen wird. Die Regelabweichung (Differenz W-X) dient zur Ansteuerung der Stellgröße "Y", die ein Angleichen an den gewünschten Wert durchführt, entgegen allen Störgrößen Z.
Unterschied zw. Steuern und Regeln
Beim Steuern wird Stellgröße “Y“ einmal eingestellt und es erfolgt keine Rückkoppelung (d.h. offener Steuerkreis).
Beim Regeln wird die Regelgröße “X“ ständig erfaßt (Rückkoppelung) und die Stellgröße “Y“ entsprechend verändert (geschlossener Regelkreis).
Allgemeines Blockschaltbild
Elemente des Reglers
Elemente der Regelstrecke
Vereinfachtes Blockschaltbild für weitere Betrachtungen:
(ohne Störgröße X ist eine Regelung unnötig)
Regeleinrichtungen
Meßeinrichtung:
Erfaßt die Regelgröße und wandelt diese in eine für den Vergleicher brauchbare Form um z.B.: Temperatur in elektrische Spannung
Programm- bzw. Festwertgeber:
Die Führungsgröße wird entweder von Hand oder automatisch in geeigneter Form vorgegeben. z.
B.: Spannung an einem Potentiometer, binäre Codierung
Vergleicher:
Bildet die Differenz von Führungs- und Regelgröße z.B.: Spannungsdifferenz ...
Subtrahieren mit Operationsverstärker
Regler:
Verstärkt die Regelabweichung und gibt zusätzlich eine zeitabhängige Funktion (es dauert einige Zeit, bis die Maßnahme wirkt) ein.
Verstärker, Übertrager:
In den seltensten Fällen reicht die Regelabweichung aus, um das Stellglied zu steuern. Der Übertrager bzw. Verstärker wandelt die Signale des Reglers in eine geeignete Form um z.B.: Phasenanschnitt bei einer Thyristorbrücke, Anschnittswinkel entspricht Spannungsmittelwert, damit lassen sich verschiedene Drehzahlen eines Motors einstellen.
Stelleinrichtung:
Beeinflußt Energie bzw. Masse z.B.: Ventil, Thyristor, usw.
Regelstrecke:
Wenn keine Störgrößenänderung auftritt, so gibt es zwischen der Stellgröße und der Regelgröße einen eindeutigen zeitabhängigen Zusammenhang (Ausnahme: proportionale Regelstrecke).
(Regelstrecken: proportionale Stecke, PT1-Stecke, PT2-Stecke, PTn-Strecke, Strecke ohne Ausgleich)
Arten der Regelung:
Unstetige Regelung:
Die Regelgröße schwankt ständig um einen Sollwert, d.
h.: zwischen einem oberen und unteren Grenzwert, z.B.: 2-Punkt Temperaturregelung: Raumthermostat - Bimetall. Das Stellglied schaltet binär, die Erfassung kann aber stetig erfolgen.
Stetige Regelung:
Die Regelgröße kann jeden beliebigen Wert innerhalb des Stellbereichs einnehmen
Arten der Führungsgrößeneingabe
· Festwertregelung
Die Führungsgröße wird dabei nur gelegentlich verstellt (z.
B.: Raumtemperatur).
· Folgeregelung
Die Führungsgröße wird laufend verstellt, wobei die Regelgröße möglichst schnell der Führungsgröße angepaßt werden soll (z.B.: Plandrehen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit).
· Programmregelung
Die Änderung der Führungsgröße folgt schrittweise nach einem Programm, in Abhängigkeit der Zeit, Prozeß, usw.
Beispiel: Dampfüberhitzer für Wärmekraftwerk
Der überhitzte Dampf soll in seiner Temperatur konstant gehalten werden. Mit einer kleinen Wassermenge (hohe spezifische Wärme) läßt sich die Temperatur wirksam beeinflussen. Das Ventil wird mit Hilfe eines Servomotors verstellt. Die Stellgröße ist die Stellhöhe des Ventils bzw. die Durchflußmenge. Auftretende Störungen werden durch die Regelung ausgeglichen.
Regelungstechnisch ergibt sich auch eine Störung, wenn sich die Belastung ändert.
Soll - Ist - Werte sind physikalisch gleiche Größen: zum Beispiel „Spannung“ oder „Binäre Codierung“.
Anwendungsgebiet der Regelungstechnik:
- Verfahrenstechnik (z.B.: Regelung der Temperatur)
- Antriebstechnik (z.B.
: Regelung der Drehzahl)
- zur Regelung elektrischer Größen (z.B.: Regelung des Stroms, Spannung)
- zur Kursregelung von Schiffen, Raketen
- ...
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