Elektrische Antriebe – Regelung von Antriebssystemen

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Regelungstechnische Grundlagen

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   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 gewünschtenWert gebracht und dort gehalten werden können, müssen die geeigneten Eingangsgrößen \(u\) der Strecke bekannt und zugänglich sein.

3. Kapitel 2. Regelung der Gleichstrommaschine

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel soll die praktische Anwendung der bisher vorgestellten Regler- Entwurfsverfahren (BO, SO, DO) auf Ankerstrom-, Erregerstrom- und Drehzahlregelkreis der Gleichstrommaschine behandelt werden. Alle Betrachtungen beziehen sich dabei auf die heute vorwiegend zum Einsatz kommenden Maschinen mit Fremderregung. Analog zu den Ausführungen im Buch „Elektrische Antriebe — Grundlagen“ [Sch94; Sch00a; Sch07b; Sch09b; Sch13] wird für das mathematische Modell ein ideales Maschinenverhalten angenommen, d. h. Einflüsse wie Sättigungen u.a. sollen vernachlässigt werden.

4. Kapitel 3. Dynamische Modellbildung netzgeführter Stellglieder

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   In Kap. 2 wurde die Kaskadenregelung der Gleichstrommaschine diskutiert. Um eine möglichst gute Dynamik der Ankerstrom-Regelung zu erreichen, wurde die EMK e_A durch eine Vorsteuerung kompensiert, siehe Abb. 2.2 auf Seite 319 und Kap. 2.1.1.1 bis Kap. 2.1.1.3. Die volle Kompensation der EMK e_A wird erreicht, wenn die Übertragungsfunktion G_STR(s) des Stromrichter-Stellglieds ein Proportional-Glied ist, d. h. dass G_A(s)•G_STR(s) ≤ 1 ist.

5. Kapitel 4. Asynchronmaschine

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   Die Asynchronmaschine ist aufgrund ihres robusten Aufbaus eine wichtige Alternative zur Gleichstrommaschine in elektrischen Antriebssystemen geworden und hat diese in vielen Bereichen mittlerweile ersetzt. Die Fortschritte in der Leistungselektronik durch abschaltbare Leistungshalbleiter und in der signalverarbeitenden Elektronik durch digitale Signalprozessoren ermöglichen heute den Einsatz von in Drehmoment und Drehzahl exakt regelbarer Asynchronmotoren. Der stetig wachsenden Bedeutung dieses Maschinentyps in modernen Antrieben wurde bereits in „Elektrische Antriebe — Grundlagen“ [Sch94; Sch00a; Sch07b; Sch09b; Sch13] 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.

6. Kapitel 5. Stromregelung von Drehstrommaschinen mit pulsweitenmodulierten Stromrichtern

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   Der elektrische Strom stellt bei Drehstrommotoren eine zentrale Größe dar: Die eine Stromkomponente bestimmt das Drehmoment, die andere ist für die Flussbildung bzw. Flussschwächung verantwortlich. Während bei I-Umrichtern (stromeinprägenden Umrichtern) der gewünschte Strom dem Motor unmittelbar eingeprägt warden kann, ist bei U-Umrichtern (spannungseinprägenden Umrichtern) eine unterlagerte Stromregelung notwendig, deren Aufgabe es ist, die gewünschten Stromkomponenten entsprechend der Drehmoment- und Flussanforderung sicherzustellen. Diese Stromregelung einschließlich der damit verbundenen Pulsweitenmodulation ist Gegenstand dieses Kapitels.

7. Kapitel 6. Synchronmaschine

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel werden die bereits aus dem Buch „Elektrische Antriebe—Grundlagen“ [Sch94; Sch00a; Sch07b; Sch09b; Sch13] 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. 4.1.1 auf Seite 404 (Drehfeldmaschine allgemein) und auf Kap. 4.1.2 auf Seite 405 (Raumzeigerdarstellung) hingewiesen, die wesentliche Grundlagen für das Verständnis enthalten.

8. Kapitel 7. Drehgeberlose Regelung von Drehfeldmaschinen

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   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.

9. Kapitel 8. Geschaltete Reluktanzmaschine

   Dierk Schröder, Joachim Böcker

   Zusammenfassung

   Das Prinzip der geschalteten Reluktanzmaschine (GRM, englisch switched reluctance machine/motor, SRM) ist eines der am längsten bekannten Prinzipien zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische. Das erste Patent, bei dem das Reluktanzdrehmoment benutzt wurde, stammt aus dem Jahre 1839 [Tay40]. Erst durch die enormen Fortschritte der Halbleitertechnologie und der einhergehenden Entwicklung der Leistungs- und Mikroelektronik in den 1970er Jahren wurde das Prinzip des Reluktanzantriebes neu belebt.

10. Kapitel 9. Regelung elastischer und reibungsbehafteter Systeme

    Dierk Schröder, Joachim Böcker

    Zusammenfassung

    Bei der Optimierung der Drehzahlregelung (siehe z. B. Kap. 2.1.2 auf Seite 330) 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 Arbeitsmaschine wird durch das Trägheitsmoment \(\theta \)_A approximiert, technologische Fragestellungen sind nicht berücksichtigt (hierzu Kap. 10.1 auf Seite 1367). Sollte eine ideale starre Verbindung vorliegen, so kann das Massenträgheitsmoment \(\theta \) _A (Arbeitsmaschine) zum Massenträgheitsmoment \(\theta \) _M der Antriebsmaschine (Motor) hinzugerechnet werden.

11. 10. Ausgewählte Anwendungen

    Dierk Schröder, Joachim Böcker

    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.

12. Backmatter