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Das fortwährende Streben nach Steigerung der Genauigkeit und Effizienz von industriellen Bearbeitungs- und Prüfprozessen führt bei elektrischen Antrieben zu immer höheren Forderungen an ihre dynamischen Eigenschaften. Hierbei kommt dem Stromregelkreis als dem am weitesten unterlagerten Regelkreis eines elektrischen Antriebs eine entscheidende Bedeutung zu. Mit zunehmender Dynamikerhöhung des Stromregelkreises treten jedoch aufgrund von Parameterunsicherheiten und von Messfehlem immer deutlicher Probleme der Regelkreisrobustheit und der Geräuschemission in den Vordergrund, die es oft nicht gestatten, die theoretisch erhaltenen Lösungen in vollem Umfang zu realisieren. Gegenüber der optimalen Lösung müssen dann Abstriche hinsichtlich der erreichbaren Dynamik gemacht werden. Wie diese Abstriche durch das Ausschöpfen verborgener Freiheitsgrade reduziert werden können, wird im vorliegenden Beitrag gezeigt. Als Lösungsansatz wird hierfür ein achsenunsymmetrischer Statorstromzustandsregler gewählt, der es erlaubt, in der d- und q-Achse eine unterschiedliche Dynamik einzustellen. Hierbei wird zunächst im Kapitel 2 ein kurzer Überblick über die Entwicklungsgeschichte und den Stand der Technik von pulsweitenmodulierten Stromregelverfahren für Drehstromantriebe in den zurückliegenden Jahrzehnten gegeben. Anschließend wird am Beispiel einer frequenzumrichtergespeisten Asynchronmaschine das zeitdiskrete Modell der Statorstromregelstrecke vorgestellt, das dem hier erläuterten Verfahren zugrunde liegt. Wegen des Zusammenhangs zwischen Dynamikerhöhung und Empfindlichkeitszunahme ist es naheliegend, die Dynamik des Statorstromregelkreises nur so weit zu steigern, wie es erforderlich ist. Diesbezüglich ist insbesondere zu gewährleisten, dass ein angefordertes Drehmoment möglichst schnellst eingeprägt wird. Die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses spielt hingegen eine untergeordnetere Rolle. Demzufolge sollte die drehmomentbildende Statorstrom-q-Komponente in der Praxis eine höhere Dynamik aufweisen als die flussbildende Statorstrom-d-Komponente. Um hierbei die aufwändige reelle Rechnung so weit wie möglich zu vermeiden, wird der Reglerentwurf in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wird ein schiefsymmetrisches, komplex beschreibbares Regelgesetz entworfen, das zwar zu einer möglichst einfachen Darstellbarkeit des geschlossenen Statorstromregelkreises führt, das jedoch noch nicht die endgültige Dynamik zur Folge haben muss. Insbesondere muss nach Abschluss dieses ZwischenSchritts bereits eine vollständige Entkopplung der d- und der q-Komponente des Statorstromraumzeigers vollzogen sein. Im zweiten Schritt wird dann ein weiterer Regler entworfen, der auf der Grundlage des im ersten Schritt erhaltenen entkoppelten Systems jeder Stromkomponente eine separate Dynamik zuweisen kann. Die Verkettung beider Teilregler führt schließlich zum gesuchten Statorstromregler, der zum einen relativ einfach berechenbar ist und der zum anderen alle an ihn gestellten Dynamikanforderungen erfüllt. Im vierten Kapitel wird schließlich der Entwurf des achsenunsymmetrischen Statorstromzustandsreglers skizziert und die daraus hervorgehenden Regelalgorithmen vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Zustandsreglers wird anhand von aufgenommenen Zeitverläufen eines Laborantriebs demonstriert, mit dem der Drehmomentverlauf von Verbrennungsmotoren nachgebildet wird.
Dieses Buch beschreibt die regelungstechnische Modellbildung und die darauf basierende Regelung der gebräuchlichsten, in industriellen Anwendungen eingesetzten elektrischen Maschinen. Hinsichtlich des Reglerentwurfs wird eine sehr leistungsfähige Methodik angewendet, mit der alle analysierten Beispiele einheitlich behandelt werden können. Sie basiert auf der zeitdiskreten Zustandsraumbeschreibung stromrichtergespeister elektrischer Antriebe.
Durch die leicht verständliche einführende Beschreibung der Methodik wird es auch Lesern, denen die Zustandsraummethodik nicht geläufig ist, möglich, dynamisch sehr hochwertige Regelungen zu implementieren.
Eine weitere Besonderheit ist die Einbeziehung von rückspeisefähigen Netzstromrichtern in die Betrachtungen.
Mit gleichem kommunalem Mehrzweck-Fahrzeug (Abb. 1) wurden mehrere Fahrzyklen mit konventionellem Dieselantrieb und mit parallelem diesel-elektrischem Hybridantrieb simuliert. Aus den Ergebnissen der realen Fahrzyklen mit konventionellem Dieselmotorantrieb ließen sich die Kraftstoffeinsparpotenziale mit dem Hybridmotor und den verschiedenen Maßnahmen wie Start-Stopp, Rekuperation und Boost ermitteln. Selbst bei diesem Kommunalfahrzeug lassen sich Kraftstoffeinsparungen bis über 20 % nachweisen, obwohl die Fahrzyklen für Hybridanwendungen nicht besonders attraktiv sind. Deutlich höhere Potenziale liegen beispielsweise bei Gabelstaplern und Baumaschinen vor.
Entwicklung eines Hybridantriebssystems für kommunale Spezialfahrzeuge in Off-Road-Anwendungen
(2010)
In [1] wurde bereits berichtet, dass im Labor für elektrische Antriebe und Leistungselektronik in Kooperation mit den Firmen Heinzmann GmbH & Co. KG und LADOGFahrzeugbau und Vertriebs GmbH ein Wechselrichter zur Speisung eines Synchronmotors für einen Hybridantrieb eines kommunalen Spezialfahrzeugs entwickelt wird. Während in [1] wegen der damals erst kurzen Projektlaufzeit nur die ersten Projektschritte beschrieben werden konnten, wird in diesem Beitrag der derzeit erreichte Entwicklungsstand dargestellt.
The presented paper describes a development project for a formula 1 racing team which was performed at the laboratory for electrical drives and power electronics of the University of Applied Sciences in Offenburg. The kernel of that project was the simulation of an electrical machine with means of a load inverter and a passive filter, so that inverters from contractors could be tested easily without using a real test bench. The whole electrical drive, consisting of the real electrical machine and the inverter is part of a hybrid drive for a formula 1 racing car which is allowed to be used from the racing season 2009.