Sensorlose Regelung der Asynchronmaschine zur aktiven Schwingungsdämpfung

Die Dissertation stellt Regelverfahren für die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer und die doppeltgespeiste Asynchronmaschine vor, die Torsionsschwingungen im Antriebsstrang über einen Eingriff am Luftspaltmoment dämpfen und ohne Sensoren für die Drehzahl, den Drehwinkel und das Drehmoment arbeiten. Alle für die Regelverfahren benötigten Zustandsgrößen der Asynchronmaschine und des mechanischen Systems werden mit Beobachtern aus den gemessenen Spannungs- und Stromkomponenten geschätzt. Die Qualität der geschätzten Zustandsgrößen wird mit Gütekriterien bewertet und kann als durchweg gut bezeichnet werden. Die Regelverfahren werden bei der praktischen Erprobung mit Gütekriterien bezüglich der stationären Genauigkeit und im dynamischen Betrieb bezüglich der Schädigung und der Dynamik untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die vorgestellten Maßnahmen zur Torsionsschwingungsdämpfung die Schädigung deutlich reduzieren. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass bei Verwendung geschätzter statt gemessener Zustandsgrößen für die Regelverfahren kaum Einbußen bezüglich der stationären Genauigkeit, der Dynamik und der Reduzierung der Schädigung entstehen. Für das Regelverfahren der doppeltgespeisten Asynchronmaschine wird simulativ nachgewiesen, dass dieses auch beim Netzspannungseinbruch stabil arbeitet

Beitrag zur statischen und transienten Stabilitätsanalyse in Verteilungsnetzen

Um der zunehmenden Bedeutung von dezentralen Erzeugungsanlagen im Elektroenergiesystem gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit das Systemverhalten der dezentralen Erzeugungsanlagen im Verteilungsnetz und deren Rückwirkungen auf die vorgelagerten Netzebenen in Systemstudien stärker in den Fokus gerückt. Ziel ist es, relevante Effekte und Zusammenhänge zu identifizieren und daraus eine notwendige Modellierungsgenauigkeit für diese Netze und deren Erzeugungsanlagen abzuleiten. Dies erfolgt für Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze getrennt und wird dem Stand der Technik auf der Höchstspannungsebene gegenübergestellt. Um eine Robustheit der Aussagen sicherzustellen, werden die Ergebnisse auf Konsistenz sowohl im Kleinsignal- als auch im Großsignalverhalten geprüft. Für eine möglichst hohe Flexibilität in der Art der Modellierung werden die unterschiedlichen Gleichungssysteme zur Systembeschreibung in MATLAB implementiert. Für die effektive und effiziente Durchführung der Analysen zur statischen und transienten Stabilität wird eine Koordinatentransformation hin zu polaren Koordinaten beschrieben und angewendet. Als Referenz zur Bewertung der vereinfachten Modellierungsansätze erfolgt eine Modellierung auf Basis des Erweiterten Knotenpunktverfahrens (EKPV). Dieses Verfahren bildet nichtsinusförmige Spannungen und Ströme inklusive Gleichanteilen in Folge von Störungen ab. Vereinfachte Modelle werden aus diesem vollständigen Modell abgeleitet und entsprechen dann denen der klassischen RMS-Berechnung. Die verschiedenen Näherungsoptionen werden in Testnetzen angewendet und ihre Eignung für Stabilitätsanalysen wird verglichen. Durch die Untersuchungen von Sensitivitäten wird eine möglichst allgemeine Gültigkeit der beobachteten Zusammenhänge sichergestellt. Die dynamische Modellierung erfolgt generisch auf Basis einer Parameterapproximation. Auf Grundlage dieses generischen Ansatzes liegt der Schwerpunkt der Betrachtung auf der Modellierung des natürlichen Verhaltens von rotierenden Maschinen. So ist es möglich, relevante Effekte ohne die Überlagerung durch aktive und in der Implementierung sehr individuelle Reglungen zu identifizieren. Im Ergebnis zeigt sich, dass die notwendige Modellierungsgenauigkeit zur Abbildung der Rückwirkungen von dezentralen Erzeugungsanlagen auf die vorgelagerte Netzebene mit sinkender Spannungsebene steigt. Klassische vereinfachte Betrachtungen auf Basis transienter Maschinenmodelle sind im Niederspannungsnetz nicht mehr aussagefähig. Auffällig ist zudem, dass – im Vergleich zur Modellierung für Untersuchungen zur transienten Stabilität – tendenziell eine höhere Modellgenauigkeit notwendig ist, um die Dämpfung der schwingungsfähigen Eigenwerte korrekt abzubilden. In der Niederspannungsebene haben die Gleichanteile im Kurzschlussstrom und der Beitrag der Netz- und Ständerinduktiviäten zu Eigenschwingungen einen signifikanten Einfluss auf das Verhalten gegenüber der vorgelagerten Netzebene und sollten geeignet berücksichtigt werden. Hintergrund für diesen Effekt sind zum einen unterschiedliche konstruktionsbedingte Eigenschaften der Maschinen, die unter anderem zu höheren Eigenfrequenzen führen, und zum anderen das steigende R/X-Verhältnis der Netzanbindung. Letzteres führt zu einer Kopplung des Wirk- und Blindleistungsverhaltens in Verteilungsnetzen und hat im Kurzschlussfall deutlich höhere Back-Swing-Effekte der Synchron- und Asynchronmaschinen zur Folge

Raupenfahrzeug-Dynamik

Bei Raupenfahrwerken wird das allgemeingültige Prinzip verfolgt, dass durch die scharnierbare Aneinanderreihung von Kettengliedern eine fahrzeugeigene Fahrstrecke entsteht. Dies erlaubt selbst schwere Geräte im unwegsamen, brüchigen Gelände mit großen Vortriebskräften zu mobilisieren. Jedoch wohnt, der Diskretisierung des Raupenbandes in Glieder endlicher Länge geschuldet, dem Fahrwerk eine hohe Fahrunruhe inne. Dadurch entstehen zeitvariante Lasten im Fahrwerk, welche die Lebensdauer der Kette, des Fahrwerkantriebs und der Tragstruktur des Fahrzeugs limitieren und somit regelmäßig kostenintensive Instandsetzungsmaßnahmen erzwingen. Diese Problemstellung aufgreifend beschäftigt sich die Arbeit mit der Analyse und Optimierung des fahrdynamischen Verhaltens von Raupenfahrzeugen. Zugleich werden Methoden vorgestellt, welche eine rechenzeiteffiziente Simulation von Raupenfahrzeugen und Antriebssystemen zulassen.:Inhaltsverzeichnis V Symbolverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 1.1 Eigenschaften und Anwendungsbereiche von Raupenfahrwerken 1 1.2 Problemstellung 2 1.3 Gesamtaufbau Bagger 293 4 1.4 Raupenfahrwerk Bagger 293 5 1.5 Raupenfahrwerk – Fahrschiff 6 1.6 Präzisierte Aufgabenstellung 7 2 Grundlagen und Stand der Technik 11 2.1 Grundlagen zur Fahrunruhe von Raupenfahrwerken 11 2.1.1 Allgemeine Einteilung der Fahrunruhe 11 2.1.2 Innere Fahrwiderstände 12 2.1.3 Äußere Fahrwiderstände 18 2.1.4 Kettenvorspannung 19 2.2 Arbeiten zur Beschreibung der Fahrunruhe von Raupenfahrwerken 20 2.3 Ganzheitliche Analyse von Raupenfahrzeugen 22 2.3.1 Ganzheitliche Systembetrachtung 22 2.3.2 Beiträge zur ganzheitlichen Raupenfahrzeuganalyse 22 3 Detaillierte Modellfindung von Raupenfahrzeugkomponenten 26 3.1 Hintergrund 26 3.2 Elektrisch-Regelungstechnisches System 27 3.2.1 Regelungsprinzip für das einzelne Fahrschiff 27 3.2.2 Regelungsprinzip für das gesamte Fahrwerk 27 3.2.3 PI-Drehzahlregelung 29 3.2.4 P-Drehzahldifferenzregelung 30 3.2.5 Lenkwinkelkorrektur 31 3.2.6 Asynchronmaschine 33 3.2.7 Feldorientierte Regelung 37 3.2.8 Frequenzumrichter 40 3.2.9 Simulation und Analyse des Einzelraupenmodells der Regelung 41 3.3 Fahrwerksmodell 43 3.3.1 Modellbildung und Topologie 43 3.3.2 Fahrsimulation ohne Schakentäler 46 3.3.3 Fahrsimulation mit Schakentälern 51 3.3.4 Fahrsimulation Hangfahrt mit Schakentälern 54 3.3.5 Fahrsimulation Kurvenfahrt mit Schakentälern 56 3.3.6 Sensitivität des Fahrverhaltens 59 3.3.7 Fazit zur Fahrdynamik eines Fahrschiffes 63 3.4 Mechanisches System – Getriebe 63 3.4.1 Modellbildung und Topologie 63 3.4.2 Simulation mit synthetischem Lastfall 67 3.5 Mechanisches System – Unterwagen und Oberbau 69 3.5.1 Modellbildung 69 3.5.2 Simulation im Frequenzbereich 71 4 Rechenzeiteffiziente Ersatzmodelle von Raupenfahrzeugkomponenten 72 4.1 Hintergrund 72 4.2 Elektrisch-Regelungstechnisches System 72 4.2.1 Methodik 72 4.2.2 Simulation und Bewertung 73 4.3 Fahrwerksmodell 74 4.3.1 Methodik 74 4.3.2 Simulation und Bewertung ohne Schakentäler 87 4.3.3 Simulation und Bewertung mit Schakentälern 90 4.4 Getriebemodell 92 4.4.1 Methodik 92 4.4.2 Simulation und Bewertung 96 4.5 Unterwagen- und Oberbaumodell 98 4.5.1 Methodik 98 4.5.2 Simulation und Bewertung 99 5 Ganzheitliche Fahrdynamik-Simulation und Messdatenabgleich 101 5.1 Modellstufen 101 5.1.1 Rheonom betriebenes Fahrschiffmodell 101 5.1.2 Ganzheitliches Fahrschiffmodell 101 5.1.3 Ganzheitliches Fahrzeugmodell 102 5.2 Simulation 103 5.2.1 Vergleich des rheonomen mit dem ganzheitlichen Fahrschiffmodell 103 5.2.2 Einfluss der Oberbauelastizität auf das Fahrverhaltens 104 5.2.3 Einfluss der Phasenlage (Parallelfahrt) 105 5.2.4 Vergleich Messung und Simulation 108 6 Ganzheitliche Optimierung am Fahrschiffmodell 115 6.1 Methodik 115 6.2 Kontinuierliche Rollbahn 115 6.2.1 Hintergrund 115 6.2.2 Erprobung am Ersatzmodell des Fahrwerkes 116 6.2.3 Erprobung am MKS-Kontaktmodell des Fahrwerkes 117 6.3 PI-Motordrehzahlregelung 118 6.3.1 Hintergrund 118 6.3.2 Erprobung am Ersatzmodell mit Schakental-Design 119 6.3.3 Erprobung am MKS-Kontanktmodell mit Schakental-Design 122 6.3.4 Erprobung am Ersatzmodell mit kontinuierlicher Rollbahn 124 6.3.5 Erprobung am MKS-Kontaktmodell mit kontinuierlicher Rollbahn 126 6.3.6 Fazit PI-Drehzahlregelung 127 6.4 PI-Zustandsregelung 127 6.4.1 Methodik 127 6.4.2 Erprobung am Ersatzmodell mit Schakental-Design 133 6.4.3 Erprobung am MKS-Kontaktmodell mit Schakental-Design 135 6.4.4 Erprobung am Ersatzmodell mit kontinuierlicher Rollbahn 135 6.4.5 Erprobung am MKS-Kontaktmodell mit kontinuierlicher Rollbahn 137 6.4.6 Fazit PI-Zustandsregelung 138 6.5 Statische und statisch-dynamische Kettenvorspannung 139 6.5.1 Hintergrund 139 6.5.2 Erprobung am Ersatzmodell 140 6.5.3 Erprobung am MKS-Kontaktmodell 142 6.5.4 Kritische Bewertung 143 7 Ganzheitliche Optimierung am Fahrzeugmodell 144 7.1 Methodik 144 7.2 Kontinuierliche Rollbahn 144 7.3 Kontinuierliche Rollbahn und statische Kettenvorspannung 145 8 Zusammenfassung und Ausblick 146 Literatur 149 Abbildungsverzeichnis 154 Tabellenverzeichnis 159 A Auswertungsgrößen 160 A.1. Amplitudensignal 160 A.2. Schwingungseffektivwert 160 A.3. Kreuzkorrelationskoeffizient 161 B Analytische Berechnung der Lasten bei Kurvenfahrt 162 C Korrelationen CB-Set 16

Reduzierung der Magnetbelastung permanentmagneterregter Synchronmaschinen im dreiphasigen Stoßkurzschluss

Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema Reduzierung der Magnetbelastung permanentmagneterregter Synchronmaschinen im dreiphasigen Stoßkurzschluss. Es wird eine neue Methode in der Theorie und durch praktische Versuche untersucht, wie bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) mit Oberflächenmagneten das magnetische Feld, das im Stoßkurzschluss die Magnete belastet, reduziert werden kann

Betrachtung der Abbildung und des Einflusses von Restsystemen bei Zweimassenschwungrad-Komponentenuntersuchungen im Kontext des IPEK-X-in-the-Loop-Ansatzes = Examination of the mapping and influence of remaining systems in dual-mass flywheel component investigations in the context of the IPEK-X-in-the-Loop-Approach

Der Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs stellt aufgrund der starken Wechselwirkungen der Teilsysteme ein komplexes Themengebiet dar. Auch erfüllen viele Teilsysteme erst im Systemverbund ihre angedachte Funktion. Damit ergibt sich für die Validierung dieser Systeme die Anforderung, gesamtsystemische Zusammenhänge dem Validierungsziel entsprechend mit zu berücksichtigen. Methodisch kann der Aufbau solcher Testkonfigurationen durch den IPEK-X-in-the-Loop-Ansatz unterstützt werden. Das zu untersuchende Teilsystem wird um die relevanten Restantriebssysteme, die Umwelt und den Fahrer entweder modellhaft oder durch reale Elemente erweitert. Dabei können die einzelnen Systemteile physisch oder virtuell in der Testkonfiguration berücksichtigt werden. Welche Restsysteme und durch welche Abbildungsvariante diese Berücksichtigung finden, muss spezifisch für das zu untersuchende System und Untersuchungsziel definiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Herausforderungen bei der Testkonfigurationserstellung für die Untersuchung von Zweimassenschwungrädern näher beleuchtet werden. Der Fokus liegt dabei auf den zu definierenden und integrierenden Restsystemen bzw. deren Modellen. Es wird eine Struktur vorgestellt, die ein zielgerichtetes Vorgehen zur Restsystemdefinition und -abbildung in der Testkonfiguration ermöglicht. Für das Untersuchungsziel der Parameterermittlung des Feder-Dämpfer-Systems des Zweimassenschwungrads werden – als Teil der Vorgehensstruktur – Einflüsse unterschiedlicher abtriebsseitiger Restsystemmodelle aufgezeigt und durch eine speziell entwickelte Messmethodik samt Prüfaufbau sowie Versuchsführung und Auswertung eine Quantifizierung der Unterschiede vorgenommen. Neben der Definition, welche Restsysteme für die Untersuchung relevant sind, muss eine geeignete Abbildungsvariante der Systeme gewählt werden. Erfolgt die modellhafte Abbildung am Prüfstand nicht physisch, sondern virtuell durch Echtzeitsimulationen, so sind mögliche Abweichungen durch die eingebrachten Schnittstellensysteme zum physischen Ideal auszuweisen. Für ein vereinfachtes Untersuchungssetup und die genannte Parameteridentifikation des Zweimassenschwungrads werden auf Basis eines virtualisierten physischen Restsystemmodells Beeinflussungen identifiziert sowie Maßnahmen zur Verminderung der gesamtsystemverändernden Einwirkungen aufgezeigt und angewendet. Die domänenverbindenden Systeme, welche eine hochdynamische Wechselwirkung zwischen physischen und virtuellen Teilsystemen des Fahrzeugantriebsstrangs ermöglichen sollen, sind nach aktuellem Stand der Forschung auf eine eindimensionale rotatorische Anregung beschränkt. Zweidimensionale Anregungen, bestehend aus einem rotatorischen und translatorischen Anteil, sind somit am Prüfstand nicht umsetzbar. Für die Variation des antriebsseitigen Restsystemmodells hin zu einem virtuellen Verbrennungsmotormodell, welches zweidimensionale Anregungen ermöglicht, wird ein solches Koppelsystem entworfen, untersucht und in beispielhaften Testkonfigurationen verwendet

Modellbildung, Simulation und aktive Schwingungsregulierung von Schwenkantrieben

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die breite Anwendung von Schwenkantrieben in vielfältigen konventionellen und neuen Technologiefeldern: In Windenergieanlagen führen Schwenkantriebe die Gondel samt Rotor der momentanen Windrichtung nach. Bei Radioteleskopen erlauben sie die hochpräzise azimutale Ausrichtung der Parabolantenne. Und im Sektor der Baumaschinen kommen sie zum Schwenken der Ausleger von Kranen und fördertechnischen Großgeräten zum Einsatz. Trotz des zunächst einfach erscheinenden Aufbaus der Schwenkantriebssysteme erweisen sich sowohl ihre mechanische Dimensionierung als auch ihre sichere Betriebsführung als herausfordernd. So belegen Messdaten und Betriebserfahrungen die Neigung der Antriebsstränge zu niederfrequenten Drehschwingungen. Außerdem treten große Spitzenlasten während der Schwenkrichtungsumkehr in den Getriebestufen auf. In diesem Forschungsbeitrag werden Methoden vorgestellt, mit denen elektromechanische Schwenkantriebssysteme modelliert, dynamisch analysiert und regelungstechnisch optimiert werden können. Dazu wird der schwingungsfähige mechanische Antriebsstrang eines Beispielschwenkwerks als detailliertes Mehrkörpersystem-Simulationsmodell abgebildet. Um auch Wechselwirkungen mit den elastischen Umgebungsstrukturen, der Antriebsregelung und den Betriebslasten zu erfassen, wird ein domänenübergreifendes Modellierungsvorgehen verfolgt. Es erfolgt eine messtechnische Validierung des mechatronischen Gesamtsystemmodells. Mit dem Vorliegen treffsicherer Systemmodelle eröffnet sich die Möglichkeit, ein modellbasiertes Mehrgrößenregelverfahren (LQG) auszulegen und simulativ zu erproben. Im Vergleich zur bisherigen proportional-integralen (PI) Antriebsregelung verspricht dies die aktive Dämpfung von Triebstrangschwingungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit. Um für beliebige elastische Antriebssysteme das Optimierungspotenzial abschätzen zu können, erfolgt ein systematischer Vergleich der beiden Regelstrategien. Anschließend wird ein praxisnahes Vorgehen zur Regelungsauslegung vorgestellt. Besonderer Fokus liegt neben der Robustheit auch auf der begrenzten Anzahl verfügbarer Sensoren bei industriellen Antrieben. Zudem wird auch das oftmals beträchtliche Getriebespiel als signifikante Nichtlinearität der Regelstrecke berücksichtigt. Um eine Reduktion der Spitzenlasten während der Drehrichtungsumkehr des Schwenkantriebes zu erreichen, wird abschließend ein Konzept zur zeit- und belastungsoptimierten Durchquerung des Getriebespiels erarbeitet. Da die konventionelle Drehzahlregelung des Schwenkantriebs hierbei nur um ein Zusatzmodul erweitert wird, bietet sich das Vorgehen insbesondere zur Ertüchtigung bestehender Antriebe an.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und AusblickThe present work is motivated by the wide application of slewing drives and yaw drives in a variety of conventional and emerging fields of technology: In wind turbines, yaw drives track the nacelle and rotor according to the current wind direction. In radio telescopes, they enable high-precision azimuthal alignment of the parabolic antenna. And in the construction machinery sector, they are used to rotate the booms of cranes and bucket wheel excavators. At first glance the design of slewing drive systems seems to be simple, but their mechanical dimensioning as well as their reliable operation turn out to be challenging. Measurement data and operating experience show that the drive trains are prone to low-frequency torsional vibrations. In addition, large peak loads occur during reversals of the slewing direction. In this thesis, methods are presented for the modeling, dynamical analysis and control optimization of electromechanical slewing drive systems. Therefore, the mechanical drive train of an exemplary slewing gearbox unit is represented as a detailed multibody system simulation model. A cross-domain modeling approach is pursued in order to capture interactions with the surrounding flexible structures, the drive control and the operating loads as well. The resulting overall mechatronic system model is validated by measurement. The development of accurate system models enables a model-based multivariable control method (LQG) to be designed and tested by simulation. Compared to conventional proportional integral (PI) drive control, this promises active damping of drive train vibrations while simultaneously increasing the operating speed. To estimate the optimization potential for arbitrary elastic drive systems, a systematic comparison of both control strategies is performed. Subsequently, a practical procedure for designing the control system is presented. In addition to robustness, special focus is placed on the limited number of available sensors in industrial drives. Furthermore, the considerable gear backlash is also accounted for as a significant nonlinearity of the controlled system. To reduce peak loads during the reversal of the rotational direction, a novel approach for time- and load-optimized traversing of the gearbox backlash is developed. Since the conventional speed control algorithm is only extended by an additional module, the method is particularly suitable for retrofitting existing drives.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und Ausblic

Ein Beitrag zur Validierung von Antriebssystemen mit Bezug auf kupplungs- und motorinduzierte Schwingungen

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer neuartigen Prüfstandsumgebung zur Validierung von Antriebssystemen mit physischen Kupplungs- und Dämpfersystemen, die eine detaillierte Simulation der restlichen Antriebssystemkomponenten ermöglicht. Über eine schnelle Kommunikation und hochdynamische Prüfstandsantriebe kann der Einfluss von Kupplungs- und Dämpfersystemen auf Schwingungsphänomene im gesamten Antriebssystem realistisch abgebildet werden

Ein Beitrag zur thermischen Überwachung von Asynchronmaschinen

In dieser Arbeit wird ein Motorschutzsystem vorgestellt, das die Temperaturen in Asynchronmotoren während des Betriebes zuverlässig und sensorarm berechnet und dabei leicht auf andere Motoren übertragbar ist. Neben dem Schutz vor unzulässiger Erwärmung können die auftretenden Wicklungsverluste für eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung genauer ermittelt werden. Basis ist ein thermisches 9-Körper-Modell, das die Temperaturverläufe wesentlicher Maschinenteile abbilden kann. Der vorgeschlagene Identifikationsalgorithmus sorgt für eine hohe Übereinstimmung der Temperaturverläufe. Fehler im thermischen Modell oder der Verlustleistungsberechnung können durch die Rückführung eines einzelnen Temperatursensors und eines verbesserten Schätzers der Läuferwicklungstemperatur korrigiert werden. Das Überschreiten definierter Temperaturgrenzen kann mit der vorgeschlagenen Abschaltzeitprognose auch im Fehlerfall frühzeitig erkannt werden