Dreipunktwechselrichter als aktive Filter bei der Speisung schnelldrehender Synchron-Hauptspindelantriebe für Werkzeugmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das grundsätzliche Ziel des Forschungsvorhabens ist die Gewinnung von Erkenntnissen zur Leistungsfähigkeit verschiedener Speisekonzepte für Hauptspindelantriebe (Motorspindeln) von Werkzeugmaschinen. Die unterschiedlichen Systeme sollen hinsichtlich des erzielbaren Oberschwingungsgehalts von Spannungen und Strömen sowie der erzielbaren Motor- bzw. Lagertemperaturen im Stator und Rotor verglichen werden. Einige der zu untersuchenden Konzepte sind bereits am Markt verfügbar (Zwei- und Dreipunkt-Wechselrichter mit Standardregelverfahren und ohne Ausgangsbeschaltung), weitere werden im Forschungsvorhaben erst entwickelt (Zweipunktwechselrichter mit digital geregeltem Ausgangsfilter, autarke, aktive Filter). Nach Projektende ist die Entwicklung des volldigitalen Regelungskonzepts für Zweipunkt-Wechselrichter mit passivem LC-Ausgangsfilter abgeschlossen. Es wurde der Einsatz eines Mehrgrößen-Zustandsreglers mit überlagertem Mehrgrößen-PI-Regler favorisiert. Das komplexe, hochgradig nichtlineare und stark verkoppelte System, bestehend aus der permanentmagneterregten Synchronmaschine mit innenliegenden Magneten und dem LC-Ausgangsfilter wird nach einem Verfahren entkoppelt und geregelt, das erstmals von Falb und Wolovich 1967 vorgestellt wurde. Die Zustandsrückführung des Proportionalreglers wird dabei so ausgelegt, dass das System entkoppelt und linearisiert wird, wobei das dynamische Verhalten des Gesamtsystems direkt über Polvorgabe im geschlossenen Regelkreis erfolgen kann. Der Feldschwächbetrieb für permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit innen liegenden Magneten erfordert eine spezielle Berücksichtigung der maximal verfügbaren Spannungen und Ströme des verwendeten Frequenzumrichters sowie des Maximalstroms des Motors. Dazu wurde eine Methode entwickelt, mit der über eine stationäre Analyse die Einhaltung aller Begrenzungen sichergestellt werden kann und der Motor gleichzeitig an seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Dieses neuartige Regelungskonzept zeigt sowohl in der Simulation als auch in der praktischen Umsetzung an einem eigens dafür entwickelten Prüfstand hervorragende Ergebnisse hinsichtlich der erzielbaren Oberschwingungsanteile in Spannungen und Strömen sowie hinsichtlich der erzielbaren Temperaturen. Im Vergleich mit einem Zweipunkt-Wechselrichter mit Standardregel ungs verfahren treten bei dem neu entwickelten Konzept in allen untersuchten Betriebspunkten (Leerlaufund unter Last bei verschiedenen Drehzahlen) 35 % bis 45 % geringere Differenztemperaturen sowohl im Stator als auch im Rotor auf. Messungen der Zwischenphasenspannungen an den Motorklemmen mit hohen Abtastraten zeigten, dass nahezu sinusförmige Spannungen erzielt werden können. Im Amplitudenspektrum dieser Spannungen treten nur noch Oberschwingungsanteile auf, die um einen Faktor von ca. 300 - entspricht einer Dämpfung von 50 Dezibel - kleiner sind als beim Einsatz des herkömmlichen Verfahrens. Die Modelibildung für das Aktivfilter wurde mit Matlab / Simulink / SimPowerSystems durchgeführt. Mehrere Simulationsläufe mit unterschiedlichen Störfrequenzen in der Speisespannung bestätigten die grundsätzliche Funktionsweise des entwickelten Regelsystems. Der passive Teil des Filters (LC-Glied) zeigt die sehr guten Dämpfungseigenschaften (40 dB/Dekade) bei Frequenzen größer der Resonanzfrequenz, die vor allem für die, durch die Umrichterspeisung (Hauptleistungstei!) verursachten hochfrequenten Oberschwingungen wichtig sind. Das Aktivteil des Filters sorgt dafür, dass Frequenzen im Bereich der Resonanzüberhöhung des passiven Filters gedämpft werden. Dies gilt sowohl für Anregungen die aus der Last (z. B. dureh Nutharmonische des Motors) als auch für Anregungen aus der Speisung durch das Hauptleistungsteil resultieren. Eine Anregung der Resonanzfrequenz wird somit vermieden und die sichere Funktionsweise bleibt gewährleistet. Problematisch bei der praktischen Umsetzung war jedoch, dass die Taktfrequenz des Leistungsteils des Aktivfilters mit 64 kHz zwar ausreichend bemessen war, jedoch die Abtastfrequenz mit max. 16 kHz nicht ausreichend war. Eine Erhöhung der Abtastfrequenz war aufgrund der Systemarchitektur des Frequenzumrichters nicht möglich. Zufriedenstellende praktische Ergebnisse bzw. Messungen liegen aus diesem Grund nicht vor. Mögliche Anwendungen der erzielten Ergebnisse liegen im Bereich der kommerziellen Umsetzung des entwickelten, neuartigen, volldigitalen Regelungskonzepts für Zweipunkt-Wechselrichter mit LC-Ausgangsfilter. Die Vorteile eines digitalen Regelsystems gegenüber dem analogen Regelsystem liegen • im Einsatz von neuartigen Regelungskonzepten, die analog nicht oder nur mit sehr großem Aufwand zu verwirkliehen sind, • in der Möglichkeit der Implementierung von Neuentwicklungen auch bei älteren Geräten durch aufspielen von Softwareupdates und • in der mit geringem Aufwand durchführbaren Regierparametrierung beim Austausch der zu regelnden elektrischen Maschinen (bei analogen Reglern erfolgt die Parametrierung z. B. zeitaufwändig über Potentiometereinstellungen bzw. über den Austausch von Regelungskomponenten) • relativ einfache Implementierung von Feldschwächalgorithmen möglich Im Projekt ist die Umsetzung des entwickelten, neuartigen, volldigitalen Regelungskonzepts für Zweipunkt-Wechselrichter mit LC-Ausgangsfilter vorgesehen. Zusammen mit einem Partner aus der Wirtschaft wird das entwickelte Regelungskonzept implementiert und ausführlichen Tests unterzogen. Im Hinblick auf ein energieoptimiertes Motorspindelsystem hat das Konzept den Vorteil, dass zum einen weniger Verlustleistung im Motor anfällt, was zu einer geringeren zu installierenden Kühlleistung führt. Zum anderen wird der Frequenzumrichter durch das eingesetzte LC-Ausgangsfilter in einem großen Drehzahlbereich von der Bereitstellung von Blindleistung entlastet. Dies führt zu geringeren Verlusten (d. h. weniger Kühlungsbedarf) im Frequenzumrichter und der Frequenzumrichter kann evtl. sogar kleiner dimensioniert werden. Da eine sehr leistungsfähige Hardware (mit hohen Takt- und Abtastfrequenzen) zur Verfügung steht ist die Umsetzung des Konzepts „autarkes Filter" angedachl. Hierbei kann aufdie theoretischen Grundlagen sowie Simulationsergebnisse aus dem vorliegenden DFG-Projekt zurückgegriffen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Estimation of the Rotor Position of Synchronous Main Spindles at Standstill. Production Engineering, Vol. XIII/1, 2006
E. Abele, N. Charrad
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Digitally Controlled Output Filters for Improvement of Temperature Behavior of Machine Tool Main Spindle Drives. Production Engineering, Vol. XIV/1, 2007
E. Abele, S. Rothenbücher, A. Schiffler
