Hier bekommt das Steigband 4.3 sein Stellglied. Nimm dir das Kennblatt des Motors aus Teil 2 und dein Lastdatenblatt aus Teil 1 dazu.
Schritt 2 von 5. Du lernst den Umrichter als Stellglied kennen, rechnest Drehzahl, Schlupf und Frequenz und stellst die Parameterliste auf.
Danach: Lernangebot 7 · Der Regelkreis am Band
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Der Umrichter stellt die Frequenz ein, nicht die Drehzahl. Wie schnell der Motor wirklich läuft, entscheidet am Ende die Last.
Am Ende hast du: Parameterliste Steigband 4.3 und Wirkungsplan der Drehzahlsteuerung
Größen in Steuerkette und Regelkreis
Karte „Größen im Regelkreis“: Die ausführliche Fassung mit Wirkungsplan steht im Wissensspeicher, Lektion „Wissensspeicher und Expertenrunde“ unter „Bevor du loslegst“. Die Leiste hier ist derselbe Inhalt in kurz, mit denselben Zeichen und denselben Farben in allen Bildern dieses Teils, und sie stellt Steuerkette und Regelkreis nebeneinander.
In diesem Lernangebot wird gesteuert, noch nicht geregelt. Es gilt die Spalte „In der Steuerkette“: w ist die Eingangsgröße, x die Ausgangsgröße, die Strecke heißt Steuerstrecke. Regelgröße und Regelstrecke gibt es hier noch nicht.
| Zeichen | Im Regelkreis | In der Steuerkette | Am Steigband 4.3 | In diesem Lernangebot |
|---|---|---|---|---|
| w | Führungsgröße | Eingangsgröße (Führungsgröße) | Solldrehzahl des Motors in 1/min, von der Anlagensteuerung -K1 an den Umrichter -T1 | Aufgabe 6.5, 6.8 als Eingangsgröße |
| x | Regelgröße | Ausgangsgröße | Drehzahl der Motorwelle in 1/min; die Bandgeschwindigkeit v folgt daraus über Getriebe und Trommel | Aufgabe 6.2, 6.3, 6.8 als Ausgangsgröße |
| r | Rückführgröße | gibt es nicht | Signal des Drehgebers -B3, das x abbildet | kommt erst in Lernangebot 7 |
| e | Regeldifferenz, e = w − r | gibt es nicht | was der Regler ausgleichen soll | kommt erst in Lernangebot 7 |
| yR | Reglerausgangsgröße | gibt es nicht | Stellsignal vom Drehzahlregler an den Leistungsteil des Umrichters -T1 | kommt erst in Lernangebot 7 |
| y | Stellgröße | Stellgröße | Frequenz und Spannung am Motor, Ausgang des Umrichters -T1 | Aufgabe 6.1, 6.4, 6.5, 6.8 |
| z | Störgröße | Störgröße | Kofferlast, Steigung, Reibung | Aufgabe 6.3, 6.8 |
Die Glieder der Steuerkette: Steuereinrichtung = gibt die Eingangsgröße als Befehl oder Sollwert weiter · Stellglied = greift mit y in die Steuerstrecke ein · Steuerstrecke = der Teil der Anlage, aus dem die Ausgangsgröße x kommt und auf den z wirkt. Der Wirkungsablauf ist offen, nichts läuft zurück.
Die Glieder im Regelkreis: Regelstrecke = der Teil der Anlage, in dem die Regelgröße x entsteht und auf den z wirkt · Messglied = erfasst x und liefert r · Regeleinrichtung = bildet e und daraus yR · Stellglied = greift mit y in die Regelstrecke ein. Der Wirkungsablauf ist geschlossen. Welches Bauteil am Band welches Glied ist, findest du in Aufgabe 7.2 heraus.
Bisher lief der Antrieb von Band 4.3 fest mit 50 Hz: eine Drehzahl, ein Tempo. Künftig sitzt ein Frequenzumrichter zwischen Netz und Motor. Er macht aus dem starren Netz eine Spannung, deren Frequenz und Höhe sich einstellen lassen. Damit wird die Bandgeschwindigkeit einstellbar. In diesem Lernangebot bleibt es beim Einstellen: Der Umrichter bekommt einen Sollwert und gibt eine Frequenz aus, ohne nachzumessen, was am Band ankommt. Das ist eine Steuerung. Ob sie am Steigband reicht, entscheidest du in Lernangebot 7.
Alle Aufgaben beziehen sich auf die gegebenen Werte weiter unten. Wo du einen Wert einträgst, schreibst du die Einheit und die Quelle dazu.
Erst du, dann die anderen
Die Gepäcklogistik will wissen, ob Band 4.3 in der Spitzenstunde auch 1,6 m/s schafft. Welche Frequenz stellst du dafür am Umrichter ein? Den Wert gibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Vom Band zum Motor rechnen. Aus Bandgeschwindigkeit und Trommeldurchmesser die Trommeldrehzahl, mit der Übersetzung die Motordrehzahl, daraus die Frequenz. Du verstehst jeden Schritt und kannst ihn prüfen, brauchst aber alle Daten des Antriebs und musst entscheiden, wie du den Schlupf berücksichtigst.
- Vom bekannten Betriebspunkt hochrechnen. Bei 50 Hz fährt das Band mit 1,4 m/s, also geht es im selben Verhältnis weiter. Schnell und ohne Getriebedaten, setzt aber voraus, dass die Geschwindigkeit genau im Verhältnis der Frequenz wächst. Das stimmt nur ungefähr.
- Am Band ausprobieren und messen. Frequenz schrittweise erhöhen, mit Lichtschranke oder Handdrehzahlmesser nachmessen, bis 1,6 m/s erreicht sind. Das Ergebnis ist echt, gilt aber nur für die Last, die gerade auf dem Band liegt, und braucht eine Sperrzeit der Anlage.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Motor, Umrichter und Vorgaben für Steigband 4.3 · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Motor, Umrichter und Vorgaben für Steigband 4.3
- Motor -M1, Datenblatt
- 1,1 kW · 4-polig · 230/400 V, am 400-V-Netz in Stern · 2,42 A · cos φ 0,78 · IE3 84,1 % · 1.440 1/min bei 50 Hz · S1 · IP55 · IC411 (Eigenlüfter auf der Welle)
- Bemessungsmoment (Ergebnis aus Teil 2)
- MN = 7,30 Nm
- Umrichter -T1
- für 1,1 kW · Eingang dreiphasig 400 V 50 Hz · Ausgang dreiphasig, Frequenz einstellbar, Spannung höchstens 400 V · ein Eingang für ein Messsignal (zum Beispiel einen Drehgeber) frei
- Netz
- TN-S 400/230 V 50 Hz aus der Unterverteilung UV-K4
- Übertragung
- Getriebe i = 10,8 (Ergebnis aus Teil 1) mit Wirkungsgrad 0,9 · Antriebstrommel Durchmesser 200 mm
- Steigband 4.3
- Förderlänge 14 m · Steigung 10° · Auslegung 1,4 m/s bei 50 Hz · Wannenteilung 2,4 m
- Last (Ergebnisse aus Teil 1, Lastdatenblatt)
- voll belegt: Zugkraft 537,9 N, Motormoment 5,53 Nm, Masse der Belegung 246 kg · leer, nur Wannen: Zugkraft 118,1 N, Masse 54 kg
- Schlupfmodell
- Im Arbeitsbereich zwischen Leerlauf und Bemessungslast wächst die Schlupfdrehzahl proportional zum Lastmoment.
- Anfrage der Gepäcklogistik
- Prüfen, ob Band 4.3 in der Spitzenstunde mit 1,6 m/s fahren kann.
- Vorgabe der Gepäcklogistik
- Beschleunigen und Verzögern mit höchstens 0,5 m/s², damit die Koffer in den Wannen nicht rutschen.
So stehen die Werte im Datenblatt, im Lastdatenblatt und in der Anfrage der Gepäcklogistik. Alle Werte sind für den Unterricht konstruiert.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Parameterliste Steigband 4.3 und Wirkungsplan der Drehzahlsteuerung
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- der herstellerneutralen Parameterliste des Umrichters: Motordaten vom Leistungsschild, Minimal- und Maximalfrequenz, Hochlauf- und Rücklaufzeit, U/f-Kennlinie, Schlupfausgleich
- der Frequenz für 1,6 m/s mit Rechenweg und der Prüfung, ob das Moment reicht
- dem Blockschaltbild des Umrichters als Grundlage für die Parameter
- dem Wirkungsplan der Drehzahlsteuerung als Steuerkette mit Eingangsgröße, Stellgröße, Ausgangsgröße und Störgröße
Zur Dokumentation
Jeder Parameter mit Wert, Einheit, Quelle (Leistungsschild, Datenblatt, Rechnung oder Vorgabe der Gepäcklogistik) und einem Satz Begründung. Die Parameter stehen mit ihrem Namen da, nicht mit der Nummer eines bestimmten Herstellers, damit die Liste an jedem Umrichter eingegeben werden kann. Gespeichert wird sie am Werkstattrechner aus Lernfeld 4.
Zusammen mit dem Wirkungsplan aus Lernangebot 7 ist das euer Regelkonzept. Abgenommen wird es im Kreuzreview durch ein anderes Team, danach von der Projektleitung abgezeichnet (Meilenstein M3).
Aufgabe 6.1
Erschließe den Aufbau des Umrichters am Blockschaltbild:
- Benenne die drei Blöcke.
- Beschreibe, was jeder Block mit der Energie macht.
- Skizziere die Spannung an jeder der drei Schnittstellen.
- Berechne die Spannung im Zwischenkreis bei 400 V Netzspannung.
- Erkläre, wie der Wechselrichter mit Pulsweitenmodulation eine Spannung erzeugt, deren Frequenz und Höhe sich einstellen lassen.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Frequenzumrichter · Zwischenkreis · Brückenschaltung · Pulsweitenmodulation
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 6.2
Bestimme die Drehzahl des Drehfelds im Motor von Band 4.3:
- Entnimm dem Datenblatt die Polzahl.
- Bestimme die Polpaarzahl.
- Berechne die Synchrondrehzahl bei 50 Hz.
- Berechne die Synchrondrehzahl bei 25 Hz und bei 60 Hz.
- Erkläre, weshalb der Läufer die Synchrondrehzahl im Betrieb nie ganz erreicht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Synchrondrehzahl · Polpaarzahl · Drehfeld · Asynchronmotor
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 6.3
Bestimme den Schlupf des Motors von Band 4.3:
- Berechne die Schlupfdrehzahl bei Bemessungslast.
- Berechne den Bemessungsschlupf in Prozent.
- Berechne mit dem Schlupfmodell die Drehzahl bei halbem Bemessungsmoment.
- Beschreibe, was mit der Drehzahl geschieht, wenn mehr Koffer auf dem Band liegen.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Schlupf · Asynchronmotor, Drehzahl · Drehmomentkennlinie
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 6.4
Zeichne und deute die U/f-Kennlinie für den Motor von Band 4.3:
- Bestimme den Eckpunkt der Kennlinie aus den Bemessungswerten des Motors.
- Berechne das Verhältnis von Spannung zu Frequenz.
- Zeichne die Kennlinie von 0 Hz bis 70 Hz in das Diagramm.
- Berechne die Spannung bei 25 Hz.
- Erkläre, weshalb der Umrichter die Spannung mit der Frequenz absenkt.
- Beschreibe, was oberhalb von 50 Hz mit der Spannung und mit dem Moment geschieht, das der Motor abgeben kann.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: U/f-Kennlinie · Frequenzumrichter · Feldschwächbereich · Spannungsanhebung
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 6.5
Prüfe die Anfrage der Gepäcklogistik nach 1,6 m/s:
- Berechne die Drehzahl der Antriebstrommel bei 1,6 m/s.
- Berechne die Motordrehzahl.
- Berechne die Frequenz, die du am Umrichter einstellst.
- Prüfe, ob der Motor bei dieser Frequenz das Moment der vollen Belegung noch aufbringt.
- Berechne, wie viele Wannen je Stunde das Band dann fördern kann.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Umfangsgeschwindigkeit · Übersetzung · Synchrondrehzahl · Feldschwächbereich
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 6.6
Lege Hochlauf- und Rücklaufzeit für Band 4.3 fest:
- Berechne die kürzeste Hochlaufzeit von 0 Hz auf 50 Hz, bei der die Vorgabe der Gepäcklogistik eingehalten ist.
- Wähle eine Hochlaufzeit und eine Rücklaufzeit.
- Berechne die Kraft, die nötig ist, um die volle Belegung mit 0,5 m/s² zu verzögern.
- Vergleiche sie mit der Zugkraft, die das voll belegte Band bei gleichmäßiger Fahrt braucht.
- Begründe, ob der Umrichter von Band 4.3 beim Anhalten einen Bremswiderstand braucht.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Hochlaufzeit · Beschleunigung · Bremswiderstand · Generatorbetrieb
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
Aufgabe 6.7
Stelle die Parameterliste für den Umrichter von Band 4.3 auf:
- Übertrage die Motordaten vom Leistungsschild.
- Lege Minimal- und Maximalfrequenz fest.
- Trage Hochlauf- und Rücklaufzeit ein.
- Wähle die Art der U/f-Kennlinie.
- Lege fest, wie der Schlupfausgleich für die erste Messfahrt eingestellt ist.
- Begründe jeden Wert in einem Satz.
| Parameter | Wert | Einheit | Quelle | Begründung |
|---|---|---|---|---|
| Bemessungsleistung | ||||
| Bemessungsspannung und Schaltung | ||||
| Bemessungsstrom | ||||
| Bemessungsfrequenz | ||||
| Bemessungsdrehzahl | ||||
| Leistungsfaktor | ||||
| Minimalfrequenz | ||||
| Maximalfrequenz | ||||
| Hochlaufzeit (0 Hz auf 50 Hz) | ||||
| Rücklaufzeit (50 Hz auf 0 Hz) | ||||
| Art der U/f-Kennlinie | ||||
| Spannungsanhebung bei kleiner Frequenz | ||||
| Schlupfausgleich | ||||
| Motorschutz, Einstellstrom |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Frequenzumrichter, Parametrierung · Leistungsschild · Motorschutz
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Aufgabe 6.8
Stelle die Drehzahlsteuerung von Band 4.3 als Steuerkette dar:
- Übernimm deinen Wirkungsplan als Steuerkette aus Teil 1, Aufgabe 1.7.
- Benenne Steuereinrichtung, Stellglied und Steuerstrecke mit ihren Bauteilen und Kennzeichen.
- Beschrifte Eingangsgröße, Stellgröße, Ausgangsgröße und Störgröße mit Zeichen und Einheit.
- Ordne jeden Parameter deiner Liste aus Aufgabe 6.7 dem Block zu, in dem er wirkt.
- Begründe, weshalb eine Änderung der Störgröße die Ausgangsgröße verändert, ohne dass der Umrichter davon erfährt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Steuerkette · Wirkungsplan · Steuerstrecke · Störgröße
Mit Lernpartner Diese Aufgabe bearbeitest du mit deinem Lernpartner. Vergleicht am Ende eure Ergebnisse.
Die Lage ändert sich
Die Gepäcklogistik will Band 4.3 nachts, wenn kaum Gepäck kommt, mit 0,8 m/s fahren, um Energie zu sparen.
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, welche Werte deiner Parameterliste sich ändern.
- Beurteile, ob der Motor mit seinem Eigenlüfter bei dieser Drehzahl ausreichend gekühlt bleibt.
- Entscheide, welche Rückfrage du dazu an wen stellst.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.