Dipl.-Ing. Henning Zoubek

Aktuelles Projekt

 

Kurzbeschreibung der Forschungsarbeit:

"Identifikation und Diagnose von schwingungsfähigen Mechaniken in sensorlos  geregelten Antriebssträngen"

 

Verfahren, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Antrieben zu erhöhen, stehen heutzutage mehr und mehr im Fokus von Industrie und Forschung. Neben der korrekten und sicheren Funktionalität des Systems bilden sie auch ein Verkaufsargument für den Hersteller, da Zeit und Kosten eingespart werden können. Die Entwicklung von Methoden zur automatisierten Inbetriebnahme von Antrieben sowie von Diagnoseverfahren, die auftretende Fehler frühzeitig erkennen, stellt damit ein wichtige Herausforderung zur Erhöhung von Sicherheit und Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen dar.

Eine Erhöhung der Zuverlässigkeit kann durch Reduktion der störanfälligen Elemente im System erreicht werden. Für die Regelung von drehzahlvariablen Antrieben ist die Information über die aktuelle Drehzahl oder Position des Rotors unerlässlich. Üblicherweise wird diese über Messsysteme, wie z.B. optische Inkrementalgeber, generiert, wobei jedoch gerade diese Messeinrichtung stark durch Schmutz und Vibrationen bis hin zum Ausfall beeinträchtigt wird. Neben dem erhöhten Verkabelungsaufwand entsteht damit ein Risiko von Störungen bis hin zum ungeplanten Stillstand der Anlage. In den letzten Jahren wurde daher in Forschung und Entwicklung eine Vielzahl an Möglichkeiten erarbeitet, wie die Drehzahlinformation des Antriebes aus anderen Größen, wie den Motorströmen und Spannungen, extrahiert werden kann. Diese Verfahren sind unter dem Begriff der "sensorlosen Regelung" zusammengefasst und finden aufgrund ihrer positiven Eigenschaften mehr und mehr Resonanz in der Industrie. Während die Genauigkeit der gewonnen Drehzahlinformation für die Regelung mittlerweile als ausreichend angesehen werden kann, ist ihre Anwendbarkeit auf weiterführende Strategien, wie automatisierte Inbetriebnahmetools und Diagnosemethoden bisher nicht untersucht. Zusätzlich ist die Verwendbarkeit der sensorlosen Regelungskonzepte für nicht-starre Mechaniken, sog. Mehrmassensystem, zurzeit noch nicht geprüft.

In elektrischen Antriebssystemen steht häufig die Aufgabe an, mit einem Elektromotor eine lastseitige Arbeitsmaschine zu betreiben. Die Übertragung des Drehmomentes vom Motorauf die Lastseite erfolgt über Wellen. Solche Verbindungen werden oftmals als starr angenommen, besitzen aber im dynamischen Fall eine elastische Eigenschaft, die das System in Torsion bringen und zu unerwünschten Schwingungen anregen kann. Die Regelung von solchen schwingungsfahigen, mechanischen Mehrmassensystemen stellt eine Herausforderung dar, da bei einer gewünschten Dynamik des Systems eine Dämpfung der Oszillationen für eine hohe Regelqualität erreicht werden muss. Für diese Fälle sind bereits Lösungen entwickelt worden, die jedoch alle eine genaue Kenntnis des mechanischen Systems und seiner Parameter voraussetzen und - mit einer Ausnahme - mindestens die Messung der Motordrehzahl benötigen. Im Rahmen der Inbetriebnahme eines Antriebes sind daher bereits Identifikationsmethoden anzuwenden, die eine genaue Bestimmung der Mechanik ermöglichen. Ein sehr genaues und zuverlässiges Verfahren stellt hier die Frequenzgangmessung des mechanischen Systems dar. Neben den gemessenen Strömen des Antriebes wird zur Bestimmung des Frequenzganges auch die Drehzahlinformation benötigt. In der Arbeit wird daher die Anwendbarkeit eines sensorlosen Regelkonzeptes für die Frequenzgangbestimmung eines solchen mechanischen Mehrmassensystems bewertet. Die Frequenzgangmessung mit gemessener Motordrehzahl hat sich des Weiteren als ein sehr probates Werkzeug zur Detektion von Wälzlagerschäden im Antriebsstrang herausgestellt. Ein Großteil der ungeplanten Anlagenausfälle ist auf eine defekte Lagerung des Antriebes zurückzuführen, so dass sich hier eine Möglichkeit ergibt, die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen. Durch Testmessungen im Betrieb der Anlage kann die Tendenz eines sich anbahnenden Kugellagerausfalls frühzeitig erkannt und vor dem ungeplanten Stillstand der Anlage eine Wartung durchgeführt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt daher darauf, die Möglichkeiten des Diagnoseverfahrens von Lagerschäden durch die Frequenzgangmessung zu validieren, wenn das System im sensorlosen Betrieb arbeitet.