Elektrische Antriebe — Regelung von Antriebssystemen

Frontmatter

1. Regelungstechnische Grundbegriffe und Grundregeln

Zusammenfassung

Bei technischen — aber auch anderen — Systemen besteht häufig die Aufgabe, bestimmte Größen auf einen gewünschten Wert zu bringen und dort zu halten. Diese Größen bezeichnet man als Ausgangsgrößen x des Systems. Damit aber die Ausgangsgrößen auf den gewünschten Wert gebracht und dort gehalten werden können, müssen die geeigneten Eingangsgrößen u der Strecke bekannt und zugänglich sein.

Dierk Schröder

2. Stabilisierung und Optimierung von Regelkreisen

Zusammenfassung

Im vorigen Kapitel wurden grundlegende Begriffe der linearen Regelungstechnik wie Übertragungsfunktionen, Signalflußpläne, statisches und dynamisches Verhalten, Übergangsfunktionen sowie Steuerung und Regelung erläutert. In diesem Kapitel werden nun die Bedingungen, die die Stabilität eines linearen Regelkreises und sein optimales Verhalten sicherstellen, dargestellt.

Dierk Schröder

3. Standard-Optimierungsverfahren

Zusammenfassung

Bei der Betrachtung von linearen Regelkreisen wurde bisher schwerpunktmäßig die Stabilität behandelt. Im allgemeinen reicht dieses Kriterium allein jedoch nicht aus, um ein zufriedenstellendes Verhalten der Regelung sicherzustellen. Vielmehr werden auch an das stationäre wie an das dynamische Verhalten des Regelkreises unterschiedlichste Anforderungen gestellt, wie

• stationäre Genauigkeit (Istwert erreicht Sollwert genau),
• Führungsverhalten (dynamische Genauigkeit der Regelung) oder
• Störverhalten (Auswirkung von Störgrößen).

Dierk Schröder

4. Verallgemeinerte Optimierungsverfahren

Zusammenfassung

Die bisher vorgestellten Optimierungsverfahren des Betrags- und des Symmetrischen Optimums berücksichtigen speziell die Belange der Antriebstechnik, denn das Betragsoptimum ist für Strom- und Drehmomentregelkreise und das Symmetrische Optimum für Drehzahlregelkreise geeignet. Beide Verfahren erlauben in der Originalform nur die Behandlung von Strecken mit reellen Polen bis maximal 3. Ordnung. Strecken höherer Ordnung müssen vereinfacht werden (z.B. durch Zusammenfassung kleiner Zeitkonstanten) oder können gar nicht behandelt werden (wie schwingungsfähige Strecken).

Dierk Schröder

5. Regelkreisstrukturen

Zusammenfassung

In vielen Fällen können die Forderungen wie Anregelzeit oder Überschwingweite sowie die Führungs- und die Stör-Ausregelzeitfläche nicht durch die Optimierung des Reglers allein erfüllt werden. Um dies dennoch zu erreichen, kommen erweiterte Regelkreisstrukturen zum Einsatz, die in diesem Kapitel näher beschrieben werden. Im einzelnen sind dies

• allgemein vermaschte Regelkreise,
• Kaskadenregelungen,
• Conditional Feedback,
• Zustandsregelungen.

Ein weiterer Grund für den Aufbau von erweiterten Regelkreisen ergibt sich aus der Möglichkeit, das Störungsverhalten und die Inbetriebnahme von Regelkreisen unter bestimmten Voraussetzungen durch Aufbau dezentraler Reglerstrukturen, wie der Kaskadenregelung, erheblich zu verbessern.

Dierk Schröder

6. Abtastsysteme

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Grundlagen abgetasteter Systeme dargestellt, um auch Regelkreise mit digitaler Signalverarbeitung und Abtastung der analogen Signale behandeln zu können. Da für dieses Gebiet eine umfangreiche Literatur vorliegt, sollen sich die folgenden Ausführungen auf das notwendigste beschränken.

Dierk Schröder

7. Regelung der Gleichstrommaschine

Zusammenfassung

In diesem Kapitel soll die praktische Anwendung der bisher vorgestellten Optimierungsverfahren (BO, SO, DO) auf Ankerstrom-, Erregerstrom- und Drehzahlregelkreis der Gleichstrommaschine behandelt werden. Alle Betrachtungen beziehen sich dabei auf die heute vorwiegend zum Einsatz kommenden Nebenschlußmotoren mit Fremderregung. Analog zu den Ausführungen im Buch „Elektrische Antriebe — Grundlagen“ [35, 36], wird für das mathematische Modell ein ideales Maschinenverhalten angenommen, d.h. Einflüsse wie Sättigungen u.a. sollen vernachlässigt werden.

Dierk Schröder

8. Fehlereinflüsse und Genauigkeit bei geregelten Systemen

Zusammenfassung

Die Genauigkeit einer Regelung ist unter anderem durch äußere Einwirkungen von Störgrößen z, ungenauer Kenntnis der Struktur oder der Parameter der Strecke oder durch Fehler in den Sensoren bzw. in der Signalverarbeitung begrenzt. Im Unterschied zur Steuerung können jedoch durch die Regelung einige dieser Einflüsse ausgeregelt werden. Einflüsse, die im allgemeinen zu bleibenden, nicht ausregelbaren Abweichungen führen, werden in erster Linie über die Sensoren und die Signalverarbeitung verursacht.

Dierk Schröder

9. Netzgeführte Stromrichter

Zusammenfassung

Um in einem Regelkreis optimales Verhalten zu erzielen, muß der Regler in Struktur und Parameter bestmöglich an die Strecke angepaßt werden. Dazu muß jedoch ein Modell der Strecke vorliegen, welches das Übertragungsverhalten der einzelnen Streckenglieder vorzugsweise als analytischen Zusammenhang beschreibt. Für einen Reglerentwurf wird also die Kenntnis der statischen und dynamischen Eigenschaften der im Regelkreis verwendeten Komponenten benötigt. Aus regelungstechnischer Sicht stellen Stromrichterstellglieder aufgrund ihres Verhaltens nichtlineare Systemkomponenten dar, die jedoch in nahezu jedem antriebstechnischen System zur Anwendung kommen In diesem Kapitel sollen daher Möglichkeiten einer geeigneten regelungstechnischen Beschreibung für Stromrichterstellglieder untersucht werden. Grundlage sind dabei die in [229] entwickelten Ansätze.

Dierk Schröder

10. Untersuchung von Regelkreisen mit Stromrichtern mit der Abtasttheorie

Zusammenfassung

Im Rahmen der in Kap. 9 vorgenommenen Untersuchungen wurde bei Betrieb des Stromregelkreises mit löckendem Strom eine erhebliche Verschlechterung der Dynamik festgestellt. In diesem Kapitel soll daher das Verhalten von Steuersatz und Stromrichter (siehe Abb. 9.1) in diesem Betriebsbereich untersucht und Gegenmaßnahmen erarbeitet werden.

Dierk Schröder

11. Beschreibungsfunktion des Stromrichters mit natürlicher Kommutierung

Zusammenfassung

Zu Beginn von Kap. 9 war hervorgehoben worden, daß es sich bei Stromrichterstellgliedern um nichtlineare Komponenten handelt, welche den Entwurf von Stromreglern bei Antrieben erschweren. Um dennoch eine Modellierung und damit eine Berücksichtigung beim Reglerentwurf zu ermöglichen, wurde in Kap. 9 das Großsignalverhalten von Stromrichterstellgliedern mit Hilfe einer Laufzeitnäherung nachgebildet.

Dierk Schröder

12. Vergleich verschiedener Approximationen für netzgeführte Stromrichter

Zusammenfassung

In Kap. 9.3 wurde eine Approximation des dynamischen Verhaltens von Stromrichterstellgliedern für das Großsignalverhalten mit Hilfe einer Laufzeitnäherung entwickelt. Kapitel 10 behandelte die Untersuchung des Kleinsignalverhaltens von Stromrichterstellgliedern mit der Abtasttheorie, und im vorangegangenen Kapitel 11 wurde schließlich die Beschreibungsfunktion von Stromrichterstellgliedern entwickelt und die Einsatzmöglichkeiten sowie die Grenzen des Verfahrens diskutiert.

Dierk Schröder

13. Asynchronmaschine

Zusammenfassung

Die Asynchronmaschine ist aufgrund ihres robusten Aufbaus eine wichtige Alternative zur Gleichstrommaschine in elektrischen Antriebssystemen geworden. Die Fortschritte in der Leistungselektronik durch abschaltbare Leistungshalbleiter und in der signalverarbeitenden Elektronik durch digitale Signalprozessoren ermöglichen heute den Einsatz von in Moment und Drehzahl exakt regelbarer Asynchronmotoren. Der stetig wachsenden Bedeutung dieses Maschinentyps in modernen Antrieben wurde bereits in „Elektrische Antriebe — Grundlagen“ [35, 36] durch die ausführliche Herleitung der Signalflußpläne und die Betrachtung des stationären Verhaltens der Maschine Rechnung getragen. Um dem Leser den Einstieg in die verschiedenen Regelungsverfahren zu erleichtern, werden die wesentlichen Ergebnisse zu Beginn kurz wiederholt.

Dierk Schröder

14. Regelung von Drehfeldmaschinen ohne Drehzahlsensor

Zusammenfassung

In den bisherigen Kapiteln wird beispielsweise bei der Regelung von Drehfeldmaschinen mittels Entkopplung oder der feldorientierten Regelung ein Drehzahlsensor bei der Asynchronmaschine oder ein Lagegeber bei der Synchronmaschine vorausgesetzt. Es besteht nun der Wunsch, diese Sensoren zu vermeiden und vorzugsweise nur die leicht zugänglichen Signale wie Statorstrom und Statorspannung zu verwenden. Diese Signale werden u.a. auch zur Stromeinprägung benötigt und sind somit bereits vorhanden. Damit entfällt die Montage und Verkabelung des Drehzahl- oder Lagesensors, es verringert sich somit die Zahl der Komponenten, es erhöht sich damit die Zuverlässigkeit, und es verringern sich die Kosten.

Dierk Schröder

15. Stromregelverfahren für Drehfeldmaschinen

Zusammenfassung

Sowohl in Kap. 13 mit der Regelung der Asynchronmaschine, als auch in Kap. 16 mit der Regelung der Synchronmaschine und ihrer Varianten werden mehrfach in den Signalflußplänen Umrichter mit unterlagerter Statorstromregelung vorausgesetzt. Im Falle von I—Umrichtern geschieht dies unmittelbar durch Regelung des Zwischenkreisstroms (Amplitude) und Vorgabe eines entsprechenden Pulsmusters (Amplitude und Phasenlage) beim Wechselrichter. Im Falle von U—Umrichtern ist zusätzlich ein geeignetes Stromregelverfahren notwendig, welches das Pulsmuster im Wechselrichter und damit die erforderliche Statorspannung in Amplitude und Phasenlage festlegt. In der Literatur findet sich eine Vielzahl von Verfahren, aus denen in den folgenden Abschnitten eine Auswahl vorgestellt wird.

Dierk Schröder

16. Synchronmaschine

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die bereits aus dem Buch „Elektrische Antriebe — Grundlagen“ [35, 36] bekannten Gleichungen sowie Signalflußpläne der verschiedenen Ausführungsformen der Synchronmaschinen kurz dargestellt. Um den Einstieg auch in diesem Buch zu ermöglichen, sei u.a. auf Kap. 13.1.1 (Drehfeldmaschine allgemein) und auf Kap. 13.1.2 (Raumzeigerdarstellung) hingewiesen, die wesentliche Grundlagen für das Verständnis enthalten.

Dierk Schröder

17. Geschaltete Reluktanzmaschine

Zusammenfassung

Die Reluktanzmaschine ist eine sehr einfach aufgebaute elektrische Maschine, denn es werden nur Stator Wicklungen und die zugehörigen leistungselektronischen Schalter benötigt. Eine grundlegende Einführung in den Aufbau, die prinzipielle Funktion der „geschalteten Reluktanzmaschine“ (SRM, Switched Reluctance Machine), sowie deren Steuerung bzw. Regelung findet sich in den Veröffentlichungen von Lawrenson [615] und viele mehr im Buch von Miller [621] sowie in [36]. Die Ausführungen in diesem Kapitel konzentrieren sich auf die geschaltete Reluktanzmaschine. Die Betrachtung der mit einem Drehfeld betriebenen Reluktanzmaschine erfolgt in Kap. 16.1.

Dierk Schröder

18. Drehzahlregelung bei elastischer Verbindung zur Arbeitsmaschine

Zusammenfassung

Bei der Optimierung der Drehzahlregelung (siehe z.B. Kap. 7.1.2) wurde bisher immer nur die elektrische Maschine allein betrachtet. In der Praxis sind auch die Einflüsse einer elastischen Kopplung zwischen Antriebs— und Arbeitsmaschine von Interesse, die in diesem Kapitel diskutiert werden. Die Antriebsmaschine wird durch das Trägheitsmoment Θ _A approximiert, technologische Fragestellungen sind nicht berücksichtigt (hierzu Kap. 21). Sollte eine ideale starre Verbindung vorliegen, so kann das Massenträgheitsmoment Θ _A (Arbeitsmaschine) zum Massenträgheitsmoment Θ _M der Antriebsmaschine (Motor) hinzugerechnet werden. In diesem Fall ist die Optimierung mit der Summe der Massenträgheitsmomente Θ _M + Θ _A durchzuführen, und die Drehzahlen von Antriebs- und Arbeitsmaschine sind identisch. Bei realen Verbindungen zwischen Antriebsmaschine und Prozeß sind allerdings die elastischen Eigenschaften der Welle und die Nichtlinearitäten wie Lose und Reibung zu berücksichtigen. Ein mechanisches Ersatzmodell für diesen Fall zeigt Abb. 18.1.

Dierk Schröder

19. Schwingungsdämpfung

Zusammenfassung

In Kap. 18 wurde die Drehzahlregelung eines Zweimassensystems diskutiert. Es stellte sich heraus, daß eine Regelung der Arbeitsmaschinendrehzahl mit der Kaskadenregelung nur dann möglich ist, wenn die Torsionseigenfrequenz des mechanischen Systemanteils weit oberhalb der Durchtrittsfrequenz ω _d des Stromregelkreises ist, d.h. wenn das Zweimassensystem relativ starr ist. Aufgrund dieser Schwierigkeit wurde die Kaskadenregelung der Antriebsmaschinendrehzahl behandelt. Diese Art der Regelung erscheint wesentlich unkritischer; allerdings stellte sich bei den Untersuchungen mittels Simulation heraus, daß die Arbeitsmaschinendrehzahl gegenüber der Antriebsmaschinendrehzahl schwingt, d.h. diese Regelung sichert zwar die Stabilität des Systems, ist aber letztendlich nur dann brauchbar, wenn die Torsionseigenfrequenz nicht angeregt wird.

Dierk Schröder

20. Objektorientierte Modellierung von Antriebssystemen

Zusammenfassung

In den vorherigen Kapiteln dieses Buches wurden Antriebssysteme, ihre Komponenten sowie deren regelungstechnische Modellbildung und anschließende Behandlung dargestellt. Wesentlich bei diesem Vorgehen war, ein für die vorgesehene Aufgabenstellung geeignetes Modell der betreffenden Komponente zu erarbeiten und eventuell durch angepaßte Annahmen oder Voraussetzungen Vereinfachungen zu erreichen. Ein typisches Beispiel war die Asynchronmaschine, bei der durch Annahme der Flußorientierung und die Wahl der Eingangsgrößen eine wesentliche Vereinfachung erreicht wurde, so daß die lineare Regelungstheorie angewandt werden konnte.

M. Otter

21. Regelung kontinuierlicher Fertigungsanlagen

Zusammenfassung

In Produktionsanlagen mit kontinuierlicher Fertigung werden Stoffbahnen verschiedener Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Textilien oder Papier erzeugt und in unterschiedlichen Sektionen bearbeitet. Der Aufgabe entsprechend durchlaufen die Stoffbahnen dabei verschiedene Bearbeitungsschritte mit elastischen oder plastischen Verformungen, Beschichtungen oder speziellen Behandlungen. Am Ende der Bearbeitung werden die Stoffbahnen meist in Wickeln gespeichert.

W. Wolfermann

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