Mitlaufendes Simulationsmodell beobachtet realen Asynchronantrieb

Bei der Antriebsregelung und -simulation kommt es immer wieder zu Diskrepanzen zwischen Theorie und Praxis. Ein völlig neuer Modellansatz jedoch ermöglicht es nun, elektrische Maschinen...

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Bei der Antriebsregelung und -simulation kommt es immer wieder zu Diskrepanzen zwischen Theorie und Praxis. Ein völlig neuer Modellansatz jedoch ermöglicht es nun, elektrische Maschinen rechenzeiteffizient und zielgenau zu beschreiben. Einen Schwerpunkt bildet hierbei die Umsetzbarkeit des Modells in einem digitalen Signalprozessor, so dass sich der Ansatz als ,,Motorbeobachter" in eine Pulswechselrichter-Regelstruktur integrieren lässt.Die hierbei benutzte Grundidee ist frappierend einfach: Ein Simulationsmodell läuft ständig parallel zum realen, zu regelnden Asynchronmotor und bildet diesen wirklichkeitsnah ab. Nur sehr schwer oder gar nicht zu messende Zustandsgrößen werden nicht mehr von der Originalmaschine, sondern vom mitlaufenden Simulationsmodell abgenommen.Der Nutzen liegt auf der Hand: Mehr Informationen über einen Prozess bedeutet auch bessere Steuerbarkeit. Außerdem kann kostspielige oder wartungsintensive Messtechnik an einigen Stellen entfallen. Um eine solche Idee in die Praxis umsetzen zu können, bedarf es jedoch leistungsfähiger Simulationstechnik, wie zum Beispiel die Simulationssoftware Simplorer.Alle Maschinenbeobachter werden einpolig modelliertDie grundlegenden Betrachtungen bilden den Beobachter als Parallelmodell zur ,,Original"-Asynchronmaschine rotor- sowie ständerseitig dreisträngig ab. Dabei ist es gleich, ob es sich um einen Kurzschluss- oder Schleifringläufermotor handelt. Alle Maschinenbeobachter werden einpolig modelliert. Die Eingangsgrößen sind zwei gemessene Ständerströme und die Drehzahl. Die Kopplung zwischen den Ständer- und Rotorwicklungen erfolgt über den Fluss.Die Ströme der Ständerwicklung bilden drei Einzelflüsse, die gedanklich zu einem Ständerflusszeiger zusammengefasst werden können. Dieser gedachte Zeiger durchsetzt den Rotor. Die Flussänderung, die der Ständerflusszeiger im Rotor verursacht, berechnet sich unter Berücksichtigung des an der Maschine auftretenden Schlupfes. Die in den Rotorwicklungen induzierten Spannungen treiben entsprechende Rotorströme mit Schlupffrequenz. Aus diesen drei Rotorströmen berechnen sich nun die Rotor-Einzelflüsse, die zum Rotorflusszeiger zusammengefasst werden können. Der Rotorflusszeiger durchsetzt die Wicklungen des Ständers und induziert Spannungen in ihnen. Die relative Lage der beiden Flusszeiger stellt ein Maß für die Belastung der Maschine dar.Asynchronmaschine dient als ModellvorlageEhe der Motorbeobachter im ,,Ernstfall" mit einer realen elektrischen Maschine, der zugehörigen Leistungselektronik sowie der entsprechenden feldorientierten Regelung einwandfrei agieren kann, wird er innerhalb eines Simulationssystems an einem ,,konventionellen" Asynchronmaschinenmodell erprobt. Die hierbei verwendete Simulationssoftware Simplorer bietet hierfür optimale Voraussetzungen. Denn hier beschränken sich die anwendbaren Modellierungsmöglichkeiten nicht nur auf die elektrische Schaltungstechnik.Systemkomponenten verschiedener Technikfelder wie Elektronik, Mechanik oder Regelung lassen sich ohne Umweg direkt als Schaltung, Blockdiagramm oder Zustandsgraf abbilden und wie in der Realität miteinander verbinden. Wichtige Wechselwirkungen gehen also nicht verloren. Bei Systementwicklungen mit dieser Simulationssoftware kann man auf Modelle zurückgreifen, die das dynamische und stationäre Verhalten der wichtigsten elektrischen Maschinentypen modellieren. Für jeden einzelnen Maschinentyp stehen Simulationsmodelle unterschiedlicher Modellierungstiefe zur Verfügung. Ausgehend von einigen vorbereitenden Messungen zur Parameterbestimmung und entsprechenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten wurde der Modellansatz ins Simulationssystem überführt und in diesem Fall mit Hilfe der im genannten Simulationssystem zur Verfügung stehenden Zustandsgrafen modelliert. Auf diese Weise orientiert man sich von Anfang an auf den getakteten Betrieb eines µ-Controllers oder Signalprozessors.Eine Asynchronmaschine aus der Bibliothek des Simulationssystems arbeitet mit denselben Ersatzschaltbildparametern wie das für den Beobachter verwendete Flusswinkel-Modell (FWM) und eignet sich damit als Istwertlieferant. Zwei Ströme und die Drehzahl der im Hintergrund laufenden Maschine dienen dem FWM als Eingangsgrößen. Dementsprechend wirken sich Spannungs-, Frequenz- oder Laständerungen zeitgleich auf FWM und Maschine aus.Die Abarbeitung des Modells beginnt mit den drei Strängen des Ständerkreises. Mit den übernommenen Strömen werden die Spannungsabfälle im Ständer berechnet. Aus der Multiplikation von Hauptinduktivität und dem fließenden Strom berechnet sich der Fluss eines Ständerstrangs. Die drei Einzelflüsse werden zu einem Gesamtzeiger zusammengefasst, der in Richtung Rotor zeigt. Aus der Winkelgeschwindigkeit des Ständerflusszeigers und des Rotors berechnet sich der vorherrschende Schlupf. Der Ständerflusszeiger durchsetzt den Rotor mit Schlupffrequenz. Die daraus resultierende Rotorspannung wird in Abhängigkeit der Rotorlage, in allen drei Wicklungen induziert. Die Phasenlage des Rotorspannungszeigers ist immer um 90° zum Ständerflusszeiger versetzt. Im Motorbetrieb ist er nacheilend und im Generatorbetrieb voreilend.Die hieraus resultierenden Ströme haben eine Phasenlage zur Spannung, die von den Parametern des Rotorkreises und der Schlupffrequenz abhängt. Die drei Rotorströme erzeugen drei Einzelflüsse die zu einem Zeiger zusammengefasst werden. Per Addition der Rotorlage und der Lage des Rotorflusszeigers im läuferfesten Koordinatensystem (KDS) ergibt sich die Lage des Rotorflusszeigers bezogen auf das ständerfeste KDS. Der Betrag der Winkeldifferenz zwischen Ständer- und Rotorflusszeiger liegt immer zwischen 90 und 180°. Aus dem synchron umlaufenden Flusszeiger des Rotors ergibt sich eine in den Ständerwicklungen induzierte Spannung.Werden die Spannungsabfälle des Ständerkreises mit der induzierten Spannung zusammengefasst, erhält man wieder die Spannung des speisenden Netzes. Aus der vektoriellen Addition des Ständer- und Rotorflusszeigers ergibt sich der verkettete Fluss mit Betrag und Lage. Diese Reihenfolge in der Berechnung des FWM wird in jedem Takt abgearbeitet. Sowohl in der Simulation als auch bei der Implementation im digitalen Signalprozessor beträgt der Abstand zwischen zwei Rechenzyklen 100 µs. Messungen bestätigen verwendeten ModellansatzDer verwendete Modellansatz konnte durch Messungen an einer Schleifringläufermaschine überprüft werden. Um die Funktion des FWM bewerten zu können, wurde es mit dem bekannten Flussmodell (nach Quang, Hofer und Leonhard) der feldorientierten Asynchronmaschine verglichen. Ein entscheidender Unterschied liegt in den Eingangsgrößen der Modelle: Während das Flussmodell die berechneten Ströme des rotorflussfesten KDS nutzt, gewinnt das FWM seine Eingangsgrößen direkt aus der Messung der Ständerströme. Die Wirkungsweise des Flussmodells ist von einem Einschwingen des geschätzten Lagewinkels und den daraus resultierenden Stromkomponenten gekennzeichnet.Gibt der Drehzahlregler einen vergrößerten momentbildenden Strom vor, ermittelt das Flussmodell einen großen Schlupfwert. Daraus resultiert wiederum ein sinkender momentbildender Stromanteil, weil der Ständerstromzeiger einen geringeren Wert auf der imaginären Achse des rotorflussfesten KDS abbildet. Auf diese Weise schwingt sich bei jeder Sollwert- oder Laständerung das Flussmodell ein. Das FWM stellt eine präzise Nachbildung der Maschine dar, die parallel zur feldorientierten Regelung Werte liefert, ohne auf Regelparameter angewiesen zu sein. Die Lage des verketteten Flusses wird direkt aus den Messgrößen ermittelt. Es liegt in jedem Rechenzyklus der berechnete Zustand der Maschine vor. Damit ist es als autark arbeitender Motorbeobachter geeignet, der die Werte nicht mit den Modellgleichungen des Flussmodells berechnet. In einem Reversiervorgang werden beide Modelle miteinander verglichen: Die feldorientierte Regelung arbeitet mit dem Flussmodell und das FWM liefert als Motorbeobachter die Vergleichswerte. Alle simulierten Größen sind als Funktion der Zeit dargestellt. Dabei werden Lastsprünge und für den Generatorbetrieb aktive Lasten vorgegeben. Der Antrieb wechselt mehrfach zwischen Motor- und Generatorbereich. Als wichtigste Größe der feldorientierten Regelung (FOR) dient der Feldwinkel. Er gibt die Lage des verketteten Flusses und damit auch die Lage der feldbildenden Achse des rotorflussfesten KDS an.Der Ständerflusswinkel wird aus dem Ständerstromzeiger ermittelt und ist damit unbeeinflusst vom Rotorfluss. Der Feldwinkel der FOR ist das Ergebnis des Flussmodells. Der Feldwinkel des FWM ergibt sich aus der Verkettung des Ständer- und Rotorflusszeigers. Wird die Maschine konstant belastet, weichen die Werte von FWM und FOR kaum voneinander ab. Erst bei erhöhter Belastung treten Unterschiede auf, die sich mit dem Streuanteil, der im verketteten Fluss enthalten ist, erklären lassen.Kreuzen sich Ständerfluss- und Feldwinkel, vollzieht sich der Wechsel von Motor zu Generator und umgekehrt. Beim Drehzahlwechsel mit aktiver Last sind die Differenzen am größten. In Messungen sind diese Abweichungen zu bestätigen und zu untersuchen. Beide Modelle sind in der Lage, auch bei hohen dynamischen Anforderungen exakte Werte zu liefern. Das FWM bietet darüber hinaus die Möglichkeit, auch die Sättigung in die Modellgleichungen einfließen zu lassen. Es sei an dieser Stelle auf Ergebnisse in [1] verwiesen.Antriebe simulieren spart Zeit und KostenDie eingehende Untersuchung elektrischer Antriebe kommt heute nicht mehr ohne eine leistungsfähige Simulationssoftware aus. Nur so lassen sich Entwicklungszeiten und -kosten neuer Konzepte entsprechend reduzieren. Je nach Aufgabenstellung kann der Ingenieur auf unterschiedliche Modellierungsmethoden zurückgreifen [2].Um das Betriebsverhalten komplexer Antriebssysteme untersuchen zu können, ist eine Nachbildung aller Anlagenkomponenten erforderlich. Mit Hilfe geeigneter Simulationswerkzeuge kann sowohl die Simulation der elektrischen Maschine und des gesamten Antriebsstrangs als auch eine Analyse des vorgesehenen Regelungs- und Betriebsführungssystems einschließlich der leistungselektronischen Ansteuerung durchgeführt werden.Geeignete Umsetzungen regelungstheoretischer Ansätze (wie beispielsweise hier Beobachter) führen bei der späteren praktischen Realisierung zur signifikanten Verringerung des Messaufwands. Um die Eignung der gewählten Algorithmen effizient und risikolos zu überprüfen, bildet die Methode der Simulation ein wichtiges Hilfsmittel in der täglichen Praxis.Literatur[1]Rauchfuß, L.: Modellbildung an Asynchronmaschinen. Dissertation BTU Cottbus 2001.[2]Rebbereh, C., und L. Zacharias: Kopplung von FEM- und Systemsimulation zur Modellierung geregelter Antriebe. Maschinenmarkt 104 (1998) 40, S. 62ff.