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Ganzheitliche Modellbildung, Regelungssynthese und Auslegungssystematik für örtlich konzentrierte Mehrmotorenantriebssysteme - Fortsetzungsantrag

Fachliche Zuordnung Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2017 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389029890
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Elektrische Antriebe sind wesentliche Komponenten moderner Industrietechnik. Aufgrund ihrer Kostenvorteile und Robustheit werden häufig Asynchronmotoren (ASM) eingesetzt. In manchen Anwendungen – beispielsweise bei stark variierenden Lastanforderungen – ist der Einsatz von Mehrmotoren-Antriebssystemen (MMDS) zielführender als Einzelmotor-Antriebssysteme (SMDS): Hierdurch sind im Teillastbetrieb höhere Wirkungsgrade erreichbar und es kann auch eine Redundanz realisiert werden. Zusätzlich lässt sich durch Verwendung standardisierter Umrichter bzw. Motoren die Komplexität verringern und die Verfügbarkeit erhöhen. In dem Projekt wurden gemeinsam von den Fachgebieten Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) und Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) der Universität Paderborn sowohl elektrotechnische als auch maschinenbauliche Aspekte von MMDS genauer untersucht. Da das MMDS häufig drehzahlgeregelt betrieben wird, ist für die einzelnen enthaltenen SMDS eine präzise Drehmomentsteuerung erforderlich, um eine gute Regelgüte und hohe Effizienz im gesamten Betriebsbereich zu erreichen. Aus elektrotechnischer Sicht wurde hierzu ein datenbasiertes Motormodell, welches zahlreiche nichtlineare elektrische und thermische Effekte berücksichtigt, identifiziert. Mit diesem Motormodell werden alle nicht messbaren Zustände im Online-Betrieb präzise geschätzt, insbesondere der magnetische Fluss im ASM, und dadurch eine hochgenaue Drehmomentsteuerung ermöglicht. Des Weiteren wurden die daraus ebenfalls resultierenden Verluste des ASM genutzt, um eine effizienzoptimale Betriebsstrategie des SMDS bzw. des gesamten MMDS abzuleiten. Diese Betriebsstrategie wurde als modellprädiktiver Ansatz erarbeitet, mit dem einerseits eine hohe Drehmomentdynamik und anderseits stationär ein effizienzoptimaler Betrieb resultiert. Das Motormodell benötigt unter anderem die Phasenspannungen des ASM als Eingangsgrößen, die mit Hilfe eines Greybox-Umrichtermodells geschätzt werden. Dieses erarbeitete Greybox-Umrichtermodell bildet das nichtlineare Schaltverhalten präzise ab und wurde ebenfalls basierend auf Prüfstandsmessdaten identifiziert. Aus mechanischer Sicht war insbesondere das Auftreten von Drehmomentschwingungen in einem MMDS vor Projektbeginn eine Herausforderung. Mit einer Online-Schätzung dieser Schwingungen und einem der aktiven Geräuschunterdrückung angelehnten Verfahren konnten diese effektiv kompensiert werden. Die untersuchten Konzepte wurden an einem SMDS- bzw. MMDS-Prüfstand durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen validiert. Mithilfe der experimentellen Validierungen konnte die Erreichung der wesentlichen Projektziele empirisch nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden umfangreiche Messdaten des elektrischen Antriebs veröffentlicht, mit denen zukünftig Forschende eigene datenbasierte Methoden erarbeiten bzw. validieren können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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