Untersuchung möglicher Regelungsstrategien von Mehrmotorenantrieben im Bereich mechanischer Stillstand

Abstract

Die Realität ist eine sehr komplexe Welt und deren Komplexität überträgt bzw. zeigt sich ebenso auch in der mathematischen Beschreibung deren. Die Aufgabe der Modellbildung ist es, einen Kompromiss aus dieser Komplexität und der notwendigen Eigenschaften zu finden. Daraus wird dann in einer bestimmten Form diese Realität in mathematischen Ausdrücken approximiert. Damit ist klar, dass dies niemals die echte Welt beschreibt, jedoch hinsichtlich Analyse und Experimente es besser möglich ist, die inneren Zusammenhänge der Realität besser zu verstehen. Mit der Modellbildung wird in dieser Arbeit eingeleitet, wobei die notwendigen Eigenschaften der Asynchronmaschine modelliert werden. Darunter zählen unter anderem die symmetrische Annahme des räumlichen Aufbaus der Maschine als auch des speisenden Dreiphasensystems und die Berücksichtigung der Stromwärmeverluste. Anschließend widmet sich die Arbeit der Simulation der regelungstechnischen Eingriffsmöglichkeiten in ein in der Bahntechnik durchaus eingesetztes Konstrukt, dem Gruppenantrieb. Darunter versteht man ein System bestehend aus einem Umrichter, der zwei parallel geschaltene Asynchronmaschinen speist. Es wird hinsichtlich einer Optimierung bzw. Ausgleichung der Lebensdauer der Maschinen hingearbeitet wobei gleichzeitig die gewünschten Anforderungen nicht zu kurz kommen dürfen. Diese sind die Einhaltung der geforderten Drehmomente. Durch den Betrieb eines solchen Gruppenantriebes kann es beispielsweise durch äußere Einflüsse zu Asymmetrien zwischen den Maschinen kommen, welche minimiert werden sollten. Durch eine Zahnriemenkopplung beider Rotorwellen wird in der Arbeit diese Asymmetrie erzwungen. Im weiteren Verlauf wird sich zeigen, dass eine Optimierung durch gezielte Auswahl an Regelungsverfahren möglich ist. Dabei werden abweichend von dem jetzigen Stand der Technik, der in der Praxis angewendet wird, verschiedenst mögliche Ansätze erörtert und angewandt werden. Diese liefern im Allgemeinen auch die besseren Ergebnisse, welche durch die Vermessung des Systems bestätigt werden. Die gesamte mathematische Beschreibung wird in einem Kalkül durchgeführt werden, dass sich über die Jahre hinweg als sehr sinnvoll erwiesen hat. Ebenso wurden auch Überlegungen angestellt, ob auch simplere Regelungsmöglichkeiten zielführende Resultate liefern können. Zu erwähnen sei hier an der Stelle noch, dass es nicht nur Vorteile gibt und damit werden auch im Weiteren immer die Nachteile aufgezeigt werden, um objektiv den Sachverhalt darzulegen. Nichtsdestotrotz kann die Verbesserung durch einen erweiterten Aufwand erreicht werden, in dem die verallgemeinerte summenfeldorientierte Regelung angewendet wird. Diese jedoch vergrößert insgesamt den Zeit- und den Implementierungsaspekt zusätzlich, da jede mögliche Parameterbelegung bei unterschiedlichen Situationen auch unterschiedliche Ergebnisse liefert und diese im Vorhinein einer genauen Betrachtung unterzogen werden müssen, bevor die optimalste ermittelt werden kann. Weiters kann ein funktionstüchtiges Arbeiten ohne mechanischen Sensor an der Rotorwelle ebenso gewährleistet werden, sofern das sensorlos ermittelte Signal dem eines mit einem Sensor erhaltenen gleichkommt.

Describing the complex world in mathematical expressions is the task of modelling. It also makes a compromise between these complex connections and the necessary properties because with this compromise one can describe the world in a mathematical model. Therefore, these terms will not describe the real world. After doing this it will be better to understand the behaviour of system itself because of an analysis and the experimental work on the model. This masterthesis starts with the modelling of the system where the necessary properties of the asynchronous machine are modelled and how to get there. These include, among other things, the symmetrical assumption of the spatial structure of the machine as well as the feeding three-phase system and the consideration of the current heat losses. After that this masterthesis focuses on the simulation of control-technical intervention options in a railway technology quite often used construct which is modelled, the group drive. This is a system consisting of an inverter that feeds two asynchronous machines connected in parallel. It will be worked towards an optimization and equalization of the service life of the machines while at the same time the desired requirements must not be neglected. These are compliance the required torque. Due to the operation of such a group drive asymmetries between the machines can occur, for example, due to external influences, which should be minimised. Through a toothed belt coupling of both rotor shafts this asymmetry is enforced in this masterthesis. Further will be shown that such compensation through targeted selection of control procedures is possible. Deviating from the current status of the technology that is used in practice, a wide variety of possible approaches are discussed and applied. These generally also deliver the better results, which are confirmed by the measurement of the system. The entire mathematical description is carried out in a calculus, which has proven to be very useful over the years. Considerations were also made as to whether simpler control options could also deliver effective results. It should also be mentioned at this point that there are not only advantages and the case of the disadvantages are always shown in the following in order to objectively assess the facts to explain. Nevertheless, the improvement can be achieved through an extended effort, in which the generalised sum field-oriented control is applied. This, however, increases the overall time and implementation aspects, since every possible parameter assignment in different situations also delivers different results and these must be subjected to close examination in advance before the most optimal one can be determined. Furthermore, functional working without a mechanical sensor on the rotor shaft can also be guaranteed if the signal determined without a sensor is the same as that obtained with a sensor.