Aufrufe
vor 2 Jahren

antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

Auf der Kundenseite

Auf der Kundenseite entstehen Vorteile aufgrund eines vereinfachten Ersatzteilmanagements und folglich durch eine gesteigerte Verfügbarkeit des Antriebssystems. Die Auswirkungen dieser Freiheitsgrade der Konzeptionsphase sind nur schwer allgemein zu quantifizieren und werden in der Praxis von unterschiedlichsten Faktoren abhängen. So werden beispielsweise bestehende Geschäftsbeziehungen sowie vorhandene Erfahrungen mit bestimmten Technologien einen Einfluss auf die Zusammenstellung der MMDS-Komponenten haben. Eine quantitative Aussage über die Auswirkungen auf die Kostenstruktur eines Antriebstechnikherstellers lässt sich nur anhand eines konkreten Anwendungsfalls treffen. Aus diesem Grund soll das obige Gedankenexperiment ausschließlich die Grundidee dieser Freiheitsgrade verdeutlichen. Im Folgenden wird der Fokus auf den Freiheitsgraden der Betriebsphase liegen. Während der Auslegung eines konventionellen SMDS wird durch die Berücksichtigung von Überlastfaktoren und Lastannahmen sichergestellt, dass das Antriebssystem das maximal zu erwartende Drehmoment oder die maximal zu erwartende Prozessleistung sicher generieren kann. Zusätzlich wird über Lastkollektive, thermisch-äquivalente und schädigungsäquivalente Drehmomente abgesichert, dass weder Getriebe noch Motor über ihre Grenzen hinaus belastet werden. Wird ein derartig ausgelegtes SMDS eingesetzt, so kann jeder sich während des leistungsvariablen Arbeitsprozesses einstellende Arbeitspunkt sicher realisiert werden. Wird für denselben Arbeitsprozess unter Berücksichtigung derselben Überlastfaktoren, Lastannahmen und äquivalenten Drehmomente ein MMDS ausgelegt, so ist ebenfalls sichergestellt, dass jeder Arbeitspunkt realisiert werden kann. Im Gegensatz zu einem SMDS muss in diesem Fall jedoch berücksichtigt werden, dass die Antriebsleistung des MMDS die Summe mindestens zweier Motorleistungen ist. Aufgrund dieser, aus der Struktur eines MMDS resultierenden Situation, liegt keine eindeutige Zuordnung mehr zwischen Arbeitsprozess-Arbeitspunkt und Motor-Arbeitspunkt vor (Bild 04). Der dargestellte Arbeitsprozess erfordert ein Drehmoment von 50 Nm bei einer Drehzahl von 150 l/min. Aus Sicht des gesamten MMDS entspricht dieser Arbeitspunkt dem am Getriebe abtriebsseitig auftretenden Arbeitspunkt. Durch das Getriebe wird dieser auf den antriebsseitigen Arbeitspunkt mit 5 Nm Drehmoment und einer Drehzahl von 1 500 1/min transformiert. Für ein SMDS würde dieser Arbeitspunkt dem Motorarbeitspunkt entsprechen. Das MMDS besitzt jedoch zwei Motoren, sodass keine eindeutige Zuordnung zwischen dem Arbeitspunkt und den Motorarbeitspunkten besteht. Stattdessen liegt eine Lösungsmenge von Motorarbeitspunkten vor, die alle den Arbeitsprozess sicher erfüllen, solange für das betrachtete Beispiel die Nebenbedingung erfüllt ist. Somit liegt für diese Art von Antriebssystemen ein bei SMDS unbekannter Freiheitsgrad vor, der als Drehmomentverteilung bezeichnet wird. Eine weitere Fragestellung ergibt sich, sobald für die Realisierung des aktuell vorliegenden Arbeitspunktes nicht alle MMDS- Motoren benötigt werden. Der antriebsseitige Arbeitspunkt kann sowohl durch die alleinige Verwendung von Motor 1 (T 1 = 8 Nm; Nenndrehmoment) als auch durch die alleinige Verwendung von Motor 2 (T 2 = 5 Nm; Nenndrehmoment) realisiert werden. Die kombinierte Nutzung beider Motoren ist nicht zwingend erforderlich. Soll nur ein Motor genutzt werden, so kann der jeweils nicht benötigte Motor elektrisch abgeschaltet werden. Bei Verwendung von Asynchronmaschinen sind dabei unter der elektrischen Abschaltung die vollständige Entmagnetisierung des Motors sowie gegebenenfalls die Deaktivierung des dem Motor zugeordneten Wechselrichtermoduls zu verstehen. Durch diese Maßnahme können im Motor entstehende Verluste vermieden und die Auslastung der noch aktiv am Leistungsfluss beteiligten Komponenten erhöht werden. Sobald der Leistungs- bzw. der Drehmomentbedarf des Arbeitsprozesses wieder ansteigt, kann der zuvor abgeschaltete Motor erneut zugeschaltet werden. Diese Eigenschaft eines MMDS stellt einen weiteren Freiheitsgrad dar; die sogenannte elektrische Rekonfigurierbarkeit (Bild 05). Sie erlaubt die zur Verfügung gestellte Nennleistung dem zeitlichen Verlauf der Arbeitsprozessanforderungen anzupassen. Wann immer einer der Motoren eines MMDS elektrisch temporär abgeschaltet wird, wechselt er von einem treibenden in einen getriebenen Zustand und stellt in dem Antriebssystem somit eine passive Massenträgheit dar. Diese Situation kann erwünscht sein, sofern durch das Mitschleppen der Massenträgheit prozessbedingte Drehmomentstöße in dem Antriebssystem reduziert werden können oder der Rotor des Motors als kinetischer Energiespeicher genutzt werden soll. Die Situation kann allerdings auch unerwünscht sein, da der Rotor und der gesamte mechanische Antriebsstrang von der Motorwelle bis zu der Verzahnung mit dem Getriebesammelrad weiterhin mitlaufen und somit Verluste erzeugen, jedoch nicht zum Leistungsfluss beitragen. Durch eine geeignete Getriebekonstruktion oder die Verwendung schaltbarer Maschinenelemente kann in diesem Fall eine Entkopplung des mechanischen Teils des Antriebsstrangs von den am Leistungsfluss aktiv beteiligten Komponenten des Antriebssystems realisiert werden. Diese Eigenschaft eines MMDS stellt den dritten Freiheitsgrad dar; die sogenannte mechanische Rekonfigurierbarkeit (Bild 05). Die während des Betriebs eines MMDS relevanten Freiheitsgrade n der Drehmomentverteilung n der elektrischen Rekonfigurierbarkeit und n der mechanischen Rekonfigurierbarkeit stellen eine Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten eines MMDS gegenüber einem SMDS dar. Sie ermöglichen es, das Betriebsverhalten eines MMDS gezielt einzustellen. Ziel der Forschungsaktivitäten am KAt ist es, sich hieraus ergebende Anwendungspotentiale nutzbar zu machen und Anwendungsgrenzen zu identifizieren. Obwohl MMDS seit langem bekannt sind und vielfach industriell genutzt werden, werden die beschriebenen Freiheitsgrade während des Betriebs in der Regel nicht genutzt. Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich vor allem auf die Synchronisation der Motordrehmomente oder die Gleichlaufregelung der Motoren [JBM06; Jos14; Odn15]. Es sind nur vereinzelte Ansätze bekannt, die die beschriebenen Freiheitsgrade einzeln oder in Kombination nutzen [Ber15; BTS15; TLH14]. Industrielle Anwendungen, in denen Asynchronmaschinen und eine Kombination von asymmetrischer Drehmomentverteilung, elektrischer und mechanischer Rekonfigurierbarkeit zum Einsatz kommen, sind allgemein nicht bekannt. Vorteile durch eine gezielte Nutzung der systeminhärenten Freiheitsgrade Durch eine gezielte Nutzung der inhärenten Freiheitsgrade bieten MMDS einen großen Spielraum, um das Betriebsverhalten optimal an die Anforderungen des Anwenders anzupassen. Das Optimum wird dabei durch die Einhaltung eines Optimalitätskriteriums bestimmt, dass durch den Anwender selbst definiert werden muss. Beispielsweise bieten MMDS die Möglichkeit, einzelne Antriebsstränge – von dem Einspeise-Gleichrichtermodul bis zu der Verzahnung des Getriebesammelrads – gezielt auszulasten und somit die Lebensdauer des Antriebssystems positiv zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Abbildung kalter, warmer oder heißer Redundanzen und der damit verbundenen Steigerung der Ausfallsicherheit. 86 antriebstechnik 3/2016

MEHRMOTORENANTRIEBSSYSTEME Das am häufigsten geforderte Optimalitätskriterium wird jedoch die Kombination aus hoher Energieeffizienz und geringen Lebenszykluskosten sein. Geringe Lebenszykluskosten können bereits durch die gezielte Freiheitsgradnutzung in der Konzeptionsphase begünstigt werden. Durch eine entsprechend strukturierte MMDS- Baureihe mit einem hohen Gleichteilegrad kann sichergestellt werden, dass ein Antriebssystem kundenseitig minimale Kosten im Ersatzteilmanagement bei gleichzeitig maximaler Verfügbarkeit erzielt. Darüber hinaus können durch viele Gleichteile über alle Varianten der Baureihe hinweg Arbeitsschritte in der Montage und Inbetriebnahme vereinfacht und standardisiert werden. Die gezielte Nutzung der Freiheitsgrade während des Betriebs des MMDS kann darüber hinaus zu geringen Lebenszykluskosten beitragen. Insbesondere lässt sich durch die drei Freiheitsgrade Drehmomentverteilung, elektrische und mechanische Rekonfigurierbarkeit die Energieeffizienz beeinflussen. Der Wirkungsgrad jeder Komponente eines Antriebssystems und folglich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist eine Funktion des Arbeitspunktes und der Komponentenauslastung. Den größten Einfluss auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems werden die Wirkungsgrade der Motoren haben, welche sich teilweise signifikant in Abhängigkeit der Maschinenauslastung ändern können [Fis06]. Während bei einem SMDS die Motorauslastung direkt mit dem Arbeitsprozess-Arbeitspunkt verkoppelt ist, ist dieser Zusammenhang bei einem MMDS weitestgehend aufgebrochen. Durch eine gezielte asymmetrische Verteilung des Arbeitsprozessdrehmoments auf die unterschiedlichen Motoren kann für jeden Arbeitspunkt das unter den gegebenen Randbedingungen erreichbare globale Optimum des Gesamtsystemwirkungsgrads eingestellt werden. Darüber hinaus können einzelne Motoren temporär elektrisch abgeschaltet und Antriebsstränge temporär mechanisch entkoppelt werden, sofern der leistungsvariable Arbeitsprozess dies erlaubt. Durch diese Maßnahmen lassen sich weitere Verluste vermeiden und der Gesamtsystemwirkungsgrad positiv beeinflussen. Zu prüfen ist in diesem Kontext, ob durch die modularitätsbedingte Reduktion der Motorbaugröße oder durch die modularitätsbedingte Überdimensionierung mechanischer Komponenten Effizienzeinbußen gegenüber einer speziell auf den konkreten Anwendungsfall ausgelegten Individuallösung auftreten und ob diese durch Modularitätsvorteile kompensiert oder überkompensiert werden können. Die Betrachtung zeigt, dass die Freiheitsgrade eines MMDS von der Konzeptions- bis zu der Betriebsphase genutzt werden können, um einen erweiterten Anwendernutzen zu generieren. Insbesondere während des Betriebs können die Freiheitsgrade gezielt eingesetzt werden, um ein Maximum der Energieeffizienz zu erzielen. Im Umkehrschluss zeigt sie jedoch auch, dass wenn durch eine geeignete Nutzung ein Maximum erreicht werden kann, kann durch eine falsche Nutzung oder eine Nichtberücksichtigung der Freiheitsgrade ein Minimum und somit ein un erwünschtes Betriebsverhalten erzielt werden. Mit welchen Methoden eine gezielte Nutzung der Freiheitsgrade im Betrieb realisiert und unerwünschte Betriebszustände vermieden werden können, wird in den zwei nachfolgenden Beiträgen dieser Reihe anhand einer detaillierten Betrachtung der einzelnen Freiheitsgrade erläutert. Für diesen ersten Beitrag soll die allgemeine Formulierung des Grundgedankens der Freiheitsgradnutzung ausreichen. Anforderungen an ein Mehrmotorenantriebssystem Die vorausgegangenen Überlegungen haben gezeigt, dass ein MMDS über mehr Freiheitsgrade verfügt als ein herkömmliches SMDS und dass diese gezielt genutzt werden müssen, um unerwünschte Betriebszustände zu vermeiden und einen zusätzlichen 03 Gegenüberstellung der internen und der externen Variantenvielfalt bei Verwendung eines SMDS- und eines MMDS-Konzeptes 04 Visualisierung des Freiheitsgrads der Drehmomentverteilung 05 Unterscheidung der elektrischen und der mechanischen Rekonfigurierbarkeit Anwendernutzen zu generieren. Diese Eigenschaft führt allerdings zu einer gesteigerten Komplexität des Antriebssystems, welche sowohl Auswirkungen auf die Konzeptionsphase als auch auf die Betriebsphase hat. Die Komplexität während der Konzeptionsphase ist maßgeblich dadurch bestimmt, dass auf konsistente Schnittstellen zwischen den MMDS-Komponenten geachtet und die Stufung einer Baureihe oder eines Baukastens geeignet festgelegt werden muss. Die Beherrschung dieser Komplexität ist Aufgabe des Antriebstechnikherstellers. Die Lösung der Aufgabe ist abhängig von dem Marktumfeld, den Zielkunden und -märkten, bestehenden Geschäftsbeziehungen und bereits erlangten Erfahrungen mit bestimmten Technologien. Ein allgemeingültiger Lösungsweg, der für alle Antriebstechnikhersteller anwendbar ist lässt sich daher nur sehr schwer und auf abstrakte Weise formulieren. Die folgenden Betrachtungen beschränken sich daher auf die Betriebsphase eines MMDS. Die Komplexität während der Betriebsphase resultiert aus den unterschiedlichen Möglichkeiten, die verfügbaren Freiheitsgrade miteinander zu kombinieren. Kombinationen, die zu unerwünschten Betriebszuständen führen, sind dabei zu vermeiden. Diese Aufgabe muss von dem Antriebstechnikhersteller und dem Kunden gemein- antriebstechnik 3/2016 87

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe