1 Halbgesteuerte Thyristorbrücke: Schaltplan, Wirkungsweise

Grundlagen der Steuerungs- u. Regelungstechnik: Maturtafragenausarbeitung
Malinski Kamil
1 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 ⇒ der Mittelwert der Lastspannung wird ohne wesentliche
Verluste reduziert.
Schaltung:
220 V∼
Steuerteil
Leistungsteil
220 V∼
22 V∼
A
R1
D
B
R2
R3
RL
C
C
Gemeinsamer
Bezugspunkt
R4
Entladung
UA
UB
ωt
UC
ωt
UD
U
ωt
α
α
ωt
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),
1/1
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Malinski Kamil
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.
U
Trapezspannung = UB
Rklein
DoppelbasisTransitor
RC-Ladung
Rmittel
UE
Rgroß
ωt
α1
α2
α3
Erreicht die Ladespannung des Kondensators die Schwellspannung des Doppelbasistransistors, 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.
UGl.
U
INetz
ωt
ωt
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.
2/2
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Hohenegger Christian
2 Drehstromantrieb am Beispiel eines
Drehstromasynchronmotors: Aufbau, Wirkungsweise,
Betriebsverhalten, Anwendung
2.1 Übersicht
Motor
Kollektormotor
Drehfeldmotor
(konst. Magnetfeld,
Stromwender)
(veränderliches,
drehendes Magnetfeld)
Drehstromsynchronmotor
Drehstromasynchronmotor
Schleifringläufer
Kurzschlußläufer
2.2 DAMK
2.2.1 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 ∆ oder Υ (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 ⇒ Umkehrung = Generator
Synchrone Drehzahl:
3 Wicklungen ≅ 1 Polpaar
Hat der Wechselstrom 1 Periode durchlaufen, so entspricht
das bei 3 Wicklungen 1 Umdrehung.
3/3
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 1 
n
=
 sek 
Für n in
1
gilt:
min
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1 

f  Hz =

sek 
 1 
n
= 60 ⋅ f [ Hz]
 min 
Für 2 Polpaare entspricht 1 Periode einer halben Umdrehung
 1  60 ⋅ f [ Hz]
n
=
2
 min 
allgemein gilt:
 1  60 ⋅ f
⇒ n
=
p
 min 
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.
L1
L3
(L 2 )
L2
(L 3 )
2.2.2 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 ⇒ daher Asynchronmotor.
Der bei Nennlast auftretende Schlupf beträgt etwa 3 - 8% der Drehfelddrehzahl.
4/4
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Schlupf s:
s=
n SYN − n
n SYN
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s • f = 50 Hz
INENN ≈ 2 ILEER
IANLAUF ≈ 10 ILEER
MNenn ≈ 0,5 • MKipp
Wegen dem hohen Anlaufstrom werden Motoren über 3 kW mit Υ∆ 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.
2.2.3 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
2.2.4 Drehzahländerung
Soll die Drehzahl veränderbar sein, so stehen 2 Möglichkeiten zur Verfügung.
n=
60 ⋅ f
p
1. Änderung der Polpaaranzahl, Polpaarumschaltung = Dahlander
2. Änderung der Frequenz ⇒ statische Frequenzumformer.
5/5
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3 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.
WR
GR
∼
UR
U∼prop. f
gleichgerichtet
I=
UR
R 2 + ( 2πfsL) 2
⇒
entspricht I =
UR
R
f∼0
fNetz
f(n)
Wie aus der Formel ersichtlich, ist bei niedriger Frequenz (Anlauf) der induktive Widerstand
xL = 2πfL 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=50Hz... übliche Motorkennlinie
f<fNetz
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.
6/6
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kurzzeitige
Überlastung
P
120%
100%
Fremdbelüftung
n(f)
25Hz
50Hz
80Hz
FU mit Impulsbreitensteuerung und Transistorwechselrichter
+
FreilaufDiode
I=L
Sicherungen
WR
GR
DAMK
U/2
I
U/2
-U/2
-U/2
ϕ
I
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
7/7
di
dt
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Motors muß dabei etwas höher sein als jene vom Netz. Dies wird durch jeweiliges
Ausschalten U=L
di
erreicht. Die Freilaufdioden dienen auch hier als Stromrückführung.
dt
Anwendung des FU:
1. Synchronmotor bei CNC-Roboter.
2. Asynchronmotorbahn und -pumpen
8/8
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Stadlmann Alexander
4 Logiksteuerung am Beispiel eines Handlingsystems
(Laufkatze): Erkläre den Logikplan bzw. einzelne Elemente
4.1 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.
6
3
1
2
Warten T1
4
5
Warten T2
Skizze: Handlingsystem (Laufkatze)
4.2 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)
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Stadlmann Alexander
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Hohenegger Christian
5 Speicherprogrammierbare Steuerungen:
Hardwarekonfiguration, Programmierbeispiel mittels
Anweisungsliste
5.1 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.
5.2 Funktionseinheiten einer SPS
Steuerleitungen, Datenleitungen, Adreßleitungen (Bus)
A1.1
E1.1
Buskopplung
für serielle
Datenübertragung
V.24 V.24 V.24
E1.16
Tasten, Schalter,
Sensoren, ...
mit 24 V
Programmiergerät
A1.16
Relais 24 V,
Schütze 120 V,
Magnetventil,
LED,
Schrittmotoren
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.
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Hohenegger Christian
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).
5.3 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.
5.3.1 Wichtige Operationen (mit deren Operanden)
Operation
U
O
UN
ON
U(
...
)
=
S
R
PE
Operand
A xx
M xx
T xx
A xx
M xx
A xx
M xx
Erklärung
UND - Verknüpfung
ODER - Verknüpfung
UND NICHT- Verknüpfung
ODER NICHT- Verknüpfung
UND - Verknüpfung mit
Klammerausdrücken
Zuweisung (A... Ausgang, M...
Merker, T... Timer)
Setze
Rücksetze
Programmende
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Hohenegger Christian
5.3.2 Beispiel: Stern/Dreieck - Anlauf für DAMK
Kontaktplan:
L1
Zuordnung:
F1
Motorschutz
S1
AUS
S2
EIN
K1
Motor einschalten
K2
Stern
K3
Dreieck
T1
Timer
F1
S1
S2
K1
= E1
= E2
= E3
= A1
= A2
= A3
= T1
K1
T1
K3
T1
K2
K3
K1
K2
K2
T1
K3
N
AWL:
Erklärung
U
U
U(
U
O
)
=
E1
E2
E3
A1
M1
U
=
M1
A1
U
U
=
M1
A1
M2
Setze Hilfspeicher 1
=
A2
U
U(
U
O
)
UN
=
M2
PE
T1
A3
A2
A3
unbedingt: Sprung zum
Programmanfang
Setze Hilfsspeicher 2
U
U
=
M2
A2
T1 100 Setze Timer (bevor man
ihn anspricht!)
(Fortsetzung)
U
M2
UN T1
UN A3
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Stadlmann Alexander
6 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.
6.1 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.
1
Sensorsignal
0
Schaltdifferenz
Eingangsgröße
Skizze: Schaltdifferenz
6.1.1 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.
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6.2 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.
6.2.1 Inkrementale Weggeber
Inkrementale Weggeber sind Strichmaßstäbe.
berührungslos durch Licht oder magnetisch.
Beim
Durchlichtverfahren
verwendet
man
einen
Strichmaßstab aus Glas mit
lichtdurchlässigen Strichen
und
lichtdurchlässigen
Lücken von z.B. 4µm
Breite. (siehe Skizze). Die
Abtast-einrichtung besteht
aus einer starken Lichtquelle, einer Abtastplatte
und einer elektronischen
Aus-wertschaltung. Die Abtastplatte ist wie der Maßstab mit lichtdurchlässigen
Strichen und lichtdurchlässigen Lücken versehen.
Das
Abtasten
der
Striche
erfolgt
Lichtquelle
Optik
Abtastplatte
Hälfte1
Hälfte2
Fotodioden
Glasmaßstab
Skizze: Inkrementaler Wegsensor
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.
6.3 Analoge Sensoren
Mit analogen Sensoren werden mechanische Größen, z.B. Weglängen, oder elektrische
Größen, z.B. Leistungen, in elektrische Spannungssignale oder Stromsignale umgewandelt.
6.3.1 Temperatursensoren
6.3.1.1 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
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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.
Meßstelle
Ni
Uth
CrNi
Ausgleichsleitung
Skizze: Thermoelement
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.
6.3.1.2 Kraftsensoren mit DMS
F
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 ∆R/R ist proportional zur
bezogenen Längenänderung (Dehnung) ∆l/l.
DMS1
DMS2
DMS3
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.
DMS4
F
Skizze: Zug-Druck-Kraftsensor
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6.4 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 Prozeßrechner enthalten.
6.5 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.
6.5.1 Kompensationsverfahren
∞
+(-)
Impulsgenerator
Ux
DAC
Zähler
vor-rück
Anzeige
Skizze: 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.
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Hohenegger Christian
7 Struktur eines Regelkreises anhand eines
Beispiels:grundsätzliche Begriffe, Wirkungsweise
7.1 grundsätzliche Begriffe
7.1.1 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.
7.1.2 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).
7.2 Allgemeines Blockschaltbild
Störungen "Z"
Störgröße
Stellort
Energie -
Meßort
X Regelgröße
Regelstrecke
(Masse-) fluß
Regelkreis
Stellglied
Meßwerterfasser
Elemente der
Regelstrecke
Vergleicher
Elemente des
Reglers
Stellgröße Y
Verstärker
Regler
Programmgeber
oder
Festwertgeber
Führungsgeber
W Führungsgröße
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Vereinfachtes Blockschaltbild für weitere Betrachtungen:
(ohne Störgröße X ist eine Regelung unnötig)
Störgröße Z
Regelstrecke
Y
X
Regler
W
7.2.1 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.
7.2.2 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)
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Grundlagen der Steuerungs- u. Regelungstechnik: Maturtafragenausarbeitung
Hohenegger Christian
7.2.3 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
7.2.4 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.
7.2.5 Beispiel: Dampfüberhitzer für Wärmekraftwerk
Regelstrecke
Energie- (Masse-) fluß
Überhitzer
Meßwerterfasser
Dampf
"X"...ϑ
Temperatur
... Regelgröße
Rauchgas
Z...Störgröße
Regelkreis
XIST
Motor
Stellglied
Stellgröße "Y"
Verstärker
Regler
Vergleicher
XSOLL
Ventil
H2 O
Regeleinrichtung
400°
C
300°
C
500°
C
600°
C
"W"
... Führungsgröße
100°
C
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.
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Soll - Ist - Werte sind physikalisch gleiche Größen: zum Beispiel „Spannung“ oder „Binäre
Codierung“.
7.2.6 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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