Nichtlineare modellprädiktive Regelungsverfahren werden zunehmend zum performanten Betrieb nichtlinearer Mehrgrößensystemen eingesetzt. Der Grund hierfür liegt nicht zuletzt in der systematischen Berücksichtigung von (nichtlinearen) Beschränkungen. Typischerweise liegen die Abtastzeiten solcher Systeme im (Sub-)Millisekundenbereich und die Regelung muss in einem eingebetteten System mit begrenzten Ressourcen implementiert werden. Insbesondere in zeitkritischen Anwendungen mit limitierter Rechenleistung ist die echtzeitfähige Umsetzung von MPC-Algorithmen nach wie vor eine große Herausforderung.
Mit einer nichtlinearen Dynamik, Abtastzeiten im dreistelligen Mikrosekundenbereich und nichtlinearen Beschränkungen stellt die Drehmomentregelung elektrischer Drehstrommaschinen exakt solch eine Herausforderung dar. Um dieser Aufgabenstellung zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein MPC-Verfahren zur schnellen und energieeffizienten Drehmomentregelung von permanenterregten Synchronmaschinen (PMSMs) und Asynchronmaschinen (ASMs) unter Berücksichtigung der Beschränkungen in der Phasenspannung sowie im Phasen- und Zwischenkreisstrom entwickelt.
Zur Erhöhung der Energieeffizienz im Hinblick auf die Kupferverluste wird in dieser Arbeit zudem sowohl für die PMSM als auch für die ASM eine neue Sollstromvorgabe vorgestellt. Die Berechnung der Sollwerte basiert auf einem hierarchischen, statischen Optimierungsproblem und stellt sicher, dass die so berechneten Sollwerte stationär alle Beschränkungen erfüllen.
Experimentelle Ergebnisse verdeutlichen die Performance der vorgestellten Regelungen in zahlreichen Szenarien. Um die erzielten Ergebnisse besser einordnen zu können, wird bei beiden Maschinen zum Vergleich auch eine klassische feldorientierte Regelung implementiert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten ECLüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicherwie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und den simulierten Ergebnissen liefert. Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer Motorleistung von etwa 200 Watt und einem Wirkungsgrad von ca. 80% mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität von 14uF aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor eine Zwischenkreiskapazität von 204uF.
Aktualisiert: 2020-01-15
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