Hubkolbenverdichter

Untersuchung der Kinematik des Kurbeltriebs: Kolbenweg, -geschwindigkeit und -beschleunigung in Abhängigkeit des Kurbelwinkels. Interaktive Herleitung der Wegfunktion s(φ) am beweglichen Modell; alle Parameter entsprechen dem realen Laborprüfstand (GUNT ET-513).

Analyse des Arbeitsspiels eines einstufigen Hubkolbenverdichters im p-V-Diagramm: Verdichten, Ausstoßen, Rückexpansion und Ansaugen. Ein polytropes Zyklusmodell wird mit realen Indikatormessungen des Prüfstands verglichen und die Verdichtungsarbeit bestimmt.

Gleichstrom-Netzwerkanalyse an einer real verbauten Prüfstandskomponente: Der piezoresistive Kulite-Drucksensor, der die Zylinderdruck-Rohdaten fürs Indikatordiagramm liefert, ist im Kern eine Wheatstone-Vollbrücke aus vier Dehnwiderständen — ein reines Gleichstrom-Widerstandsnetz. An ihm werden Spannungsteiler und Brückenabgleich, Kirchhoffs Maschenregel, die Verstimmung durch Druck (ΔR/R → U_out) und die belastete Brücke als Zweipol behandelt. Der Laststrom wird Schritt für Schritt über die Zweipoltheorie (Thévenin/Norton) und den Stromteiler bestimmt; Reihen-/Parallel-Reduktion, Maschenstrom- und Knotenspannungsverfahren konvergieren auf dasselbe Ergebnis, und die Leistungsanpassung schließt den Bogen zurück zur Messkette des Prüfstands.

RLC-Schwingkreise am realen Antrieb: Die Statorwicklung des Prüfstandsmotors ist eine Induktivität mit ihrem Kupfer-Wicklungswiderstand; zusammen mit einem Kompensationskondensator an den Motorklemmen bildet sie einen Schwingkreis, den der Frequenzumrichter speist. Aus den Differentialen der Bauteilgesetze (Kondensator i = C·du/dt, Spule u = L·di/dt) folgen freie Schwingung und Eigenfrequenz, die gedämpfte Schwingung mit ihrer Differentialgleichung (Schwing-, Grenz- und Kriechfall) und die Resonanz mit Güte und Bandbreite. In jedem Schritt bleibt der Bezug zum Antrieb sichtbar — bis hin zur Kompensations-Resonanz, die den Motor gefährden kann. Induktivität, Kapazität, Widerstand und Erregerfrequenz sind frei einstellbar; ein animiertes Energie-Pendel und ein Oszilloskop machen das Verhalten sichtbar.

Analyse des real verbauten Verdichterantriebs (Drehstrom-Asynchronmotor Siemens SIMOTICS am Frequenzumrichter): Drehfeld und Synchrondrehzahl, Schlupf, Drehmoment-Kennlinie nach Kloss und Arbeitspunkt mit der Lastkennlinie des Verdichters. Frequenz, Polzahl, Kippmoment, Kippschlupf und Gegendruck sind frei einstellbar; die Datenblattwerte des Prüfstands-Motors lassen sich per Knopfdruck laden.

Druckregelung am Hubkolbenverdichter: Aus dem Frequenzumrichter-Antrieb und dem Druckluftbehälter entsteht eine Strecke aus zwei PT1-Verzögerungsgliedern. Das Modul führt über Laplace-Transformation und Rücktransformation zur geschlossenen PID-Regelung; ein interaktiver Regler zeigt Führungs- und Störverhalten.

Numerische Bestimmung des Geschwindigkeitsmaximums des Kolbens mit Differenzenquotient und Bisektionsverfahren. Beide Verfahren werden in Python direkt im Browser implementiert; die berechneten Ergebnisse werden unmittelbar im v(φ)-Diagramm des Kurbeltriebs dargestellt.