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Dissertation Weber

Dr.-Ing. Jürgen Weber

"Prädiktive Direct Torque Control der Synchronmaschine" (2004)

Ziel dieser Arbeit war Untersuchung und Realisierung einer hochdynamischen Drehmomentregelung für Servoantriebe mit permanenterregten Synchronmaschinen mit konstanter Abtast- und Schaltfrequenz. Das entworfene Regelverfahren muss auch auf einem für schnelle feldorientierte Antriebsregelungen entwickelten Mikrocontrollersystem implementierbar sein. Hierfür hat sich das Verfahren der direkten Drehmomentmittelwertregelung („Direct Mean Torque Control DMTC“) als geeignet erwiesen.

Der Vorteil einer DMTC im Vergleich zu einer „Direct Torque Control DTC“ in quasianaloger Ausführung ist, dass bei Antrieben, bei denen wie im untersuchten Fall die Zeitkonstanten des Systems klein im Vergleich zur Abtastzeit sind, eine geringere Drehmomentwelligkeit bei konstanter Schaltfrequenz des Wechselrichters erzielt werden kann. Im Vergleich zur polradorientierten Regelung liefert sie außerdem einen schnelleren Aufbau des Drehmomentes. Einen Nachteil stellt der hohe Oberschwingungsgehalt der Ströme, insbesondere bei hohen Drehzahlen und bei Teillast, dar.

Charakteristisch für das entwickelte Verfahren ist, dass innerhalb eines Regelungszyklus der geeignete Schaltzustand des Wechselrichters für den nächsten Zyklus prädiktiv bestimmt wird. Im stationären Zustand pulsiert das Drehmoment bei einer DMTC innerhalb einer, sich aus dem Betriebszustand der Maschine ergebenden, Drehmomentschwankungsweite um seinen Sollwert. Hierzu wird in einem Regelungszyklus ein Schaltspiel, bestehend aus einem aktiven Spannungsraumzeiger und einem Nullraumzeiger, angelegt. Bei großen Änderungen des Drehmomentsollwertes kann über mehrere Regelungszyklen ein aktiver Spannungsraumzeiger angelegt werden, um möglichst schnell den stationären Zustand zu erreichen.

Ausgehend von den Systemgleichungen der permanenterregten Synchronmaschine und den Grundlagen der „Direct Torque Control – DTC“ wurden die für die Realisierung einer direkten Drehmomentmittelwertregelung („Direct Mean Torque Control- DMTC“) benötigten Gleichungen hergeleitet. Darüber hinaus erfolgte ein Vergleich der Abweichungen vom Sollwert des Drehmoments bei einer DTC und einer DMTC für den in dieser Arbeit verwendeten Antrieb, durch den sich die Vorteile einer DMTC bezüglich der Drehmomentwelligkeit bestätigten.

An Hand der hergeleiteten Gleichungen wird eine optimale Strategie zur optimalen Wahl des in jedem Abtastzeitpunkt aufzuschaltenden Spannungsraumzeigers entworfen. Dabei wird speziell auf die für das Großsignalverhalten und für den Betrieb an der Spannungsstellgrenze zu verwendende Strategie eingegangen.

Eine digitale Systemsimulation basierend auf dem entwickelten DMTC-Regelverfahren und mit den Daten des zu verwendenden Antriebs bestätigt die theoretischen Überlegungen. Hier zeigte sich die hervorragende Dynamik der Drehmomentregelung. So wurde z. B. im Stillstand das Nenndrehmoment des Antriebs innerhalb des ersten Regelungszyklus erreicht.

Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Prädiktion der Systemgrößen mit der in der Arbeit vorgeschlagenen Vereinfachungen sowohl bei hohen Drehzahlen als auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. im Stillstand gute Ergebnisse liefert.

Anschließend erfolgten experimentelle Untersuchungen an einer Laboranlage. Dabei wird, wie üblich in der Servoantriebstechnik, von einer geberbehafteten Regelung ausgegangen. Zur Realisierung der Regelalgorithmen wurde ein für schnelle feldorientierte Antriebsregelungen entwickeltes Mikrocontrollersystem verwendet. Hierbei konnte eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Simulationen festgestellt werden konnte. Insbesondere konnten die Aussagen über die Dynamik des Drehmomentaufbaus bestätigt werden.

Das Verfahren stellt, insbesondere dann, wenn hohe Ansprüche an die Dynamik des Drehmoments gestellt werden, eine Alternative zu den übrigen bekannten Verfahren der Regelung von Synchronmaschinen dar.