Systemsimulation von effizienten Antrieben - SWISS ENGINEERING ...

Dossier_Business Software
Systemsimulation von effizienten Antrieben
Knappe Ressourcen und Umweltbelastungen zwingen zur Entwicklung umweltverträglicher und sparsamer
Techniken in allen Industriebereichen. Gleichzeitig sollen Qualitätsmerkmale wie hohe Funktions- und
Ausfallsicherheit oder schwingungs- und verschleissarmer Betrieb bei steigendem Kostendruck gesichert
werden. Mit Hilfe virtueller Prototypen lassen sich fortschrittliche Technologien ressourcen- und energieeffizient
entwickeln.
Modell eines Hybridantriebsstranges mit Fahrzyklus und Ladezustand der Batterie.
Energieeffizienz ist in der Entwicklung
und Fertigung von
Maschinen und Anlagen zu
einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor
geworden. Ein
klassisches Beispiel kommt aus
der Automobilindustrie – die
Entwicklung hybrider Antriebe.
Hier gilt es, Energie zurückzugewinnen
und die Übersetzung
variabel auf die effizientesten
Betriebspunkte der Motoren
einzustellen. Das Zusammenspiel
von Verbrennungsmotoren
und elektrischen Antrieben
muss dabei sowohl energetisch
als auch dynamisch durch
regelungs- und steuerungstechnische
Massnahmen abgestimmt
werden. Diese Aufgabe
wirft viele ingenieurtechnische
Fragen auf. Es macht Sinn,
mit einem intuitiv bedienbaren
Simulationstool verschiedene
Lösungsansätze frühzeitig
rechnerisch zu erproben. So
zeigen sich bereits im Vorfeld
der Konstruktion Machbarkeit
und Verbesserungspotenziale.
Etablierte Simulationssoftware
zur ganzheitlichen Modellierung
und Simulation von
Antrieben ist SimulationX. Der
gesamte Triebstrang kann unter
Berücksichtigung von betriebspunktabhängigen
mechanischen
Verlusten im Getriebe und elektrischen
Verlusten an den Antrieben
und ihren Wechselrichtern
einfach dargestellt und untersucht
werden. Auch Last- und
Ladeströme der Elektroantriebe
während eines Fahrzyklus
können mit Hilfe von Modellen
komfortabel berechnet werden.
So wird der Ingenieur optimal
bei der Funktionsentwicklung
und ziel führend bei konstruktiven
Entscheidungen unterstützt.
Interdisziplinäre Modellierung
Beim Entwurf moderner
Antriebssysteme müssen
komplexe Wechselwirkungen
der Teilsysteme Mechanik, Hydraulik,
Pneumatik, Elektronik,
Magnetik oder Thermik beachtet
werden. SimulationX er füllt die
Anforderungen an eine interdisziplinäre
Modellierungsumgebung,
die für die Untersuchung
von Antriebs komponenten,
Steuerungen bzw. Regelungen
bis hin zur Einbeziehung von
Prozessabläufen unabdingbar
ist. Anwender haben Zugriff
auf fertige, komponenten- und
funktions orientierte Modellbausteine
aller Antriebsarten
und können je nach ihrem
individuellen Bedarf verschiedene
Modellierungs methoden
(z.B. 1D-Feder-Masse-Systeme,
Mehrkörpersysteme, block- oder
schaltplanorientierte Modellierung)
anwenden (vgl. Handbuch
SimulationX 2012). Die
Parametrierung erfolgt flexibel
in Abhängigkeit der jeweiligen
Aufgabenstellung z.B. mit Katalogdaten,
geometrischen oder
konstruktiven Grössen, gemes­
ITI GmbH
ITI GmbH
Energieflussdiagramm in SimulationX.
senen Daten oder Kennfeldern.
Ausserdem hat der Nutzer
freie Wahl bei der Abbildung
der quasistatischen bzw. starren
oder dynamischen Antriebseigenschaften
und kann mittels
einer Vielzahl von Analysewerkzeugen
schon während der
Simulation Ergebnisse analysieren
und bewerten.
Analyse mobiler
Arbeitsmaschinen
Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen
können aus einer
Vielzahl antriebstechnischer
Systemlösungen wählen. Bei
der Auswahl zu bewerten sind
das Zusammenspiel von Motor,
verschiedener hydraulischer,
mechanischer und elektrischer
Antriebskomponenten inklusive
deren Steuerung unter Berücksichtigung
des Arbeitsprozesses.
In Zusammenarbeit mit der
ABB Automation GmbH erfolgte
die Modellierung und Simulation
eines in Tagebauen eingesetzten
Schürfkübelbaggers und
seiner Antriebe (vgl. Heuer/
Grusdat/Schramm/Schreiber
2012). Zur Steigerung der Energieeffizienz
und Minimierung
von Wartungs aufwand und
Verschleiss werden die in diesen
Baggern derzeit klassi schen
Gleichstrommotor-Generator-
Antriebssätze durch Asynchron­
28 SWISS ENGINEERING JUNI 2012

ITI GmbH
3D-Modell eines Schürfkübelbaggers
mit Reduzierung der
Antriebsschwingungen per Kompensationselement
(vgl. Heuer/
Grusdat/Schramm/Schreiber 2012).
maschinen mit rückspeisefähigen
Wechselrichtern ersetzt. Neben
energetischen Betrachtungen
standen hier insbesondere
die Schwingungs eigenschaften
der Antriebstränge im Fokus.
Besonders in den Schwenkwerkantrieben
kann es aufgrund
von Spiel in Getrieben zu
Schwingungsanregungen kommen,
welche beispielsweise
durch den am Ausleger pendelnden
Schürfkübel verursacht
werden. Das 3D-Modell des
Baggers und die Modelle von
Antriebsstrang, Motoren und
Ansteuerung ermöglichen die
realistische Abbildung dieser
Effekte. Ein Kompensationselement
für die Drehmomentsteller
wurde simulationsgestützt entwickelt,
dessen Wirksamkeit
im praktischen Einsatz nach ­
ge wiesen wurde.
Veränderlicher
Antriebsdrehzahl
Viele Verarbeitungsmaschinen
benötigen ungleichförmige periodische
Abtriebsbewegungen
bei möglichst hohen Taktzahlen.
Oft begrenzen aber Lärm, Verschleiss,
überhöhte Belastungen
oder Störungen des technologischen
Prozesses aufgrund von
Schwingungen die erreichbare
Höhe der Arbeitsgeschwindigkeiten.
Infolge der Massenkräfte,
die mit dem Quadrat
der Drehzahl zunehmen, und
der technologischen Kräfte
sind die Antriebsmomente
und die Antriebsgeschwindigkeit
periodisch veränderlich,
was zu Schwingungsanregungen
führt. Um Abtriebsbewegungen
für technologische
Forderungen mit ungleichförmig
übersetzen den Getrieben
zu erreichen, wird ein System
oft für konstante Antriebsdrehzahlen
ausgelegt. Dies ist
jedoch aus energetischer Sicht
nicht die beste Lösung (vgl.
Dresler/ Schreiber 2011). Der
Einfluss der Drehzahlschwankung
auf den Energiebedarf und
die Schwingungen des Abtriebs
wurde per Simulation analysiert
und eine Methode erarbeitet,
wie Kurvenscheiben mit HS-
Profil bei periodisch schwankenden
Antriebsdrehzahlen
auszulegen sind. Damit werden
sowohl ein energetisch günstiger
als auch schwingungsarmer
Betrieb der Maschinen möglich.
Simulation als Werkzeug
Die Energieeffizienz bestimmt
neben dem Klimawandel auch
die Wettbewerbsfähigkeit der
betreffenden Unternehmen. Ihre
Umsetzung bedarf nicht nur
neuer technischer und marktreifer
Antriebskomponenten,
sondern auch neuer Methoden,
um deren Systemwirkungen
im Zusammenspiel mit
dem Arbeitsprozess zu bewerten
und optimal abzustimmen.
Eine unbedachte und in ihren
technischen wie wirtschaftlichen
Auswirkungen nicht geprüfte
Antriebsdimensionierung kann
schwerwiegende wirtschaftliche
Folgen haben. Simulationssoftware
ist ein wichtiges, notwendiges
Werkzeug um Sparpotenziale
frühzeitig zu erkennen und die
Energieeffizienz sowie technische
Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit
von Anlagen und Maschinen
über alle Branchen hinweg
zu erhöhen.
Uwe Schreiber und
Christoph Schramm
ITI GmbH Dresden
E+S ASW
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