392115 Moderne Leistungselektronik und Antriebe II (V) (SoSe 2001)

Elektrische Antriebe sind leise, sauber, vielseitig und robust. Unermüdlich sorgen sie als elektromechanische Muskeln in allen Bereichen einer Industriegesellschaft für Bewegung, Dynamik und Komfort. Das Einsatzspektrum elektrischer Antriebe reicht vom Rührer, Fön und Staubsauger über Förderbänder, Fahrstühle und Elektrofahrzeuge bis hin zu Werkzeugmaschinen, Industrierobotern und vollautomatisierten Fertigungsstraßen. Einen Meilenstein in der Entwicklungsgeschichte dieses umfangreichen Fachgebiets markiert der Übergang von der analogen zur digitalen Regelung elektrischer Antriebe, Anfang der achtziger Jahre. Auslöser war die fortschreitende Automatisierung mit der Forderung nach Vernetzbarkeit der Antriebskomponenten über Feldbussysteme. Abgesehen von einfachsten Anwendungsfällen, werden heutzutage praktisch alle elektrischen Antriebe von Mikroprozessoren geführt und geregelt. Die Innovation der elektrischen Antriebstechnik liegt derzeit in der Erhöhung der Systemintelligenz durch die Implementierung unkonventioneller Regeltheorien in schnelle Mikrocontroller. Dabei geht der Trend zu modellgestützten Antriebsregelungen, bei denen teure Sensorhardware durch billige Beobachtersoftware ersetzt wird. Parallel dazu findet eine monolithische Verschmelzung der leistungselektronischen und mikroelektronischen Halbleiterelemente auf Chipebene statt, wodurch die gesamte Antriebselektronik im Klemmkasten oder Anschlussstecker der Maschine Platz findet. Diese intelligenten und kompakten Low-Cost Elektroantriebe lassen sich in allen Feldern der industriellen Prozeß- und Produktautomation, der Elektrotraktion auf
Schiene und Straße, sowie in allen Applikationen für Gewerbe und Haushalt vorteilhaft einsetzen.

Die praktische Realisierung und der optimale Einsatz moderner Antriebsregelungen gelingt allerdings nur dann, wenn fundierte Kenntnisse über die Theorien der Regelungstechnik, die Komponenten der Leistungselektronik, die Besonderheiten der Digitaltechnik und die mechanischen Gegebenheiten an der Motorwelle vorhanden sind. Auf diesen interdisziplin0ren Verknüpfungen sowie den antriebstechnischen Randbedingungen beruht diese praxisbezogene Veranstaltung. Ausgehend von den elektromechanischen Grundlagen für rotatorische und translatorische Bewegungsabläufe werden die Übertragungsfunktionen, Frequenzkennlinien und Stabilitätskriterien elektrischer Antriebe der Reihe nach hergeleitet. Für die klassische Kaskadenstruktur werden die Parameter der PI-Regler im Bodediagramm komplett konstruiert und die dynamischen Ergebnisse vorgestellt. Die analoge Realisierung der Regler mit Operationsverstärkern und die digitale Variante mit Mikroprozessoren werden aufgezeigt und einander gegenübergestellt, wobei auf das Softwaretiming und die Störsicherheit der Hardware (EMV) ausführlich eingegangen wird. Danach werden die modernen Begriffe, wie Beoachtbarkeit, Steuerbarkeit und Polvorgabe am Beispiel eines Drehzahlbeobachters demonstriert und durchgerechnet.

Mit der Theorie der Binären Beobachter wird dann gezeigt, dass auch die elektrischen Zustandsgrößen in Stromrichterantrieben mit hoher Genauigkeit geschätzt werden können. Dies führt auf das neue Gebiet der sensorlosen Elektroantriebe, bei denen Spannungen, Ströme und Drehzahlistwerte von Beobachterkaskaden online gebildet und den Reglern als Istwertersatz zugeführt werden. Die Substitution von Sensorhardware durch Beobachtersof tware bildet einen wichtigen Schwerpunkt dieser Vorlesung, da auf diesem Sektor ein riesiges Wachstumspotential der Antriebstechnik mit erheblichen Wettbewerbsvorteilen für den Anwender liegt. Die Vorgehensweise wird am Entwurf eines sensorlosen Vierquadrant-Gleichstromantriebs Schritt für Schritt erläutert und anhand von Oszillogrammen dokumentiert. Als weitere modellgestützte Regelkonzepte der modernen Antriebstechnik kommen die Raumzeigerdarstellung für Drehstromantriebe mit Feldorientierung sowie die auf Expertenwissen basierende Fuzzy-Regelung umfassend zur Sprache.

Dieser Vorlesungsstoff wird als 2-semestriges Wahlfach (Antriebsregelungen, V=2) für Studenten der Studienrichtung "Elektrische Energietechnik" der Fachhochschule Bielefeld (5. und 6. Semester) angeboten, bzw. als 1-semestriges Pflichtfach (Regelungstechnik und Leistungselektronik, Teil II, V=2, S=1, P=1) für Studenten der Studienrichtung "Regenerative Energieerzeugung" (6. Semester) sowie als Wahlmöglichkeit für das zweite Hauptfach (Moderne Leistungselektronik und Antriebstechnik, Teil II, V=2, S=1, P=1) für Studenten der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld (8. Semester). Das zugehörige Praktikum findet im Antriebslabor der FH statt. Darüber hinaus ist am Ende der Veranstaltungen eine Exkursion zu einem Betrieb der Automatisierungsbranche vorgesehen. Als Arbeitsunterlage dient das Buch "Regelung Elektrischer
Antriebe", das beim VDE-Verlag erschienen ist.

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