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antriebstechnik 3/2017

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Mehrmotorenantriebssysteme – intelligente Betriebsstrategie 01 Schematische Darstellung der Struktur einer intelligenten Betriebsstrategie für Mehrmotorenantriebssysteme Mehrmotorenantriebssysteme stellen einen möglichen Lösungsansatz dar, um dem marktseitig steigenden Bedarf an kundenindividuellen Antriebssystemen Rechnung zu tragen und gleichzeitig die interne Variantenvielfalt eines Antriebstechnikherstellers gering zu halten. Gegenüber konventionellen Einzelmotorantriebssystemen besitzt diese Antriebssystemklasse erweiterte Freiheitsgrade, welche während des Betriebs berücksichtigt werden müssen. Daher sind Betriebsstrategien erforderlich, die eine gewinnbringende Nutzung der Freiheitsgrade und einen hohen Anwenderkomfort ermöglichen. Mehrmotorenantriebssysteme (MMDS) unterscheiden sich von konventionellen Einzelmotorantriebssystemen (SMDS) durch die gleichzeitige Verwendung von zwei oder mehr Motoren, die gemeinsam einen Arbeitsprozess antreiben (Bild 01). Diese Struktur führt zu Betriebseigenschaften und Betriebsfreiheitsgraden, welche bei SMDS nicht in Erscheinung treten und für deren gezielte Nutzung neuartige Betriebsstrategien erforderlich sind. Der vorliegende Beitrag stellt eine mögliche Variante einer solchen Betriebsstrategie für MMDS vor. Ihr Ziel ist die gleichzeitige Maximierung der Antriebssystemenergieeffizienz und des Anwenderkomforts. Ein hoher Anwenderkomfort ist dabei nach Beitrag 1 dieser Artikelreihe durch eine hohe Autonomie der Freiheitsgradkoordination gekennzeichnet, sodass der Anwender selbst kaum oder gar kein Vorwissen über den Arbeitsprozess für den optimalen Betrieb des Antriebssystems benötigt. Im Folgenden werden die bereits in Beitrag 1 eingeführten Freiheitsgrade der Drehmomentverteilung und der elektrischen Rekonfigurierbarkeit eines MMDS allgemein motiviert und detailliert erläutert. Der zweite Abschnitt stellt darauf aufbauend die Struktur einer Betriebsstrategie vor. Anschließend wird diese durch die Integration eines neuronalen Netzes zu einer intelligenten Betriebsstrategie erweitert. Im dritten Abschnitt des Beitrags werden die theoretischen Ergebnisse experimentell nachgewiesen. Hierzu werden der aus Beitrag 2 bekannte Prüfstand und der bereits in Beitrag 1 vorgestellte Kautschukmischprozess verwendet. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf die weiteren Forschungstätigkeiten zu MMDS. Annahmen und Randbedingungen Uwe Brückner, M.Sc. und Malte Strop, M.Sc. sind Wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) der Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer ist Inhaber des Lehrstuhls für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) der Universität Paderborn Für die im weiteren Verlauf vorgestellten Berechnungen und Überlegungen gelten die folgenden Annahmen und Randbedingungen: n Für das MMDS werden ausschließlich Asynchronmaschinen (ASM) verwendet. Diese sind über ein Sammelgetriebe mit konstanter Übersetzung miteinander verkoppelt (siehe Beitrag 1). n Die mechanische Verbindung zwischen den Motoren kann als 74 antriebstechnik 3/2017

MEHRMOTORANTRIEBSSYSTEME 02 Zusammenhang zwischen zeitlich veränderlichem Motorarbeitspunkt und resultierendem Wirkungsgradverlauf des Antriebssystems bei einem leistungsvariablen Arbeitsprozess (links: Kennlinie des Motorwirkungsgrads bei konstanter Drehzahl; rechts: Wirkungsgradverlauf des Antriebssystems) steif idealisiert werden; das Drehmomentübertragungsverhalten zwischen den Motoren kann als reines Proportionalverhalten angesehen werden (siehe Beitrag 1). n Für die beschreibenden Gleichungen der ASM gelten die in [Sch07] angegebenen Randbedingungen. Besonders hervorzuheben sind die temperaturunabhängigen Induktivitäten und Widerstände sowie die Vernachlässigung der Eisen-, Reibungs- und Lüfterverluste (klein gegenüber den Kupferverlusten). n Die ASM werden im eingeschalteten Zustand als vollständig aufmagnetisiert betrachtet; eine Teilmagnetisierung ist ausgeschlossen. n Es wird ausschließlich der motorische Betrieb der ASM innerhalb ihres Nennarbeitsbereichs betrachtet. n Zur Definition der Betriebsstrategie wird nur das Betriebsverhalten der Motoren berücksichtigt. Das Betriebsverhalten des Getriebes und der Frequenzumrichter bleibt vorerst unberücksichtigt. Betriebsfreiheitsgrad der Drehmomentverteilung Wird ein Arbeitsprozess durch ein konventionelles SMDS angetrieben, so legen die Prozessanforderungen durch eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kombination den Motorarbeitspunkt eindeutig fest. Der sich daraufhin einstellende Wirkungsgrad des Antriebssystems ist durch das Wirkungsgradkennfeld des Motors vorgegeben. Handelt es sich bei dem Arbeitsprozess um einen leistungsvariablen Arbeitsprozess, so können über die Prozessdauer sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment variieren. Folglich wandert der Motorarbeitspunkt entsprechend der aufeinander folgenden Drehmoment-Drehzahl-Kombinationen mit der Zeit auf dem Wirkungsgradkennfeld umher. Es resultiert ein zeitlich veränderlicher Antriebssystemwirkungsgrad (Bild 02). Die resultierende Antriebssystemenergieeffizienz ergibt sich für einen spezifischen Arbeitsprozess als Quotient der abgegebenen und der aufgenommenen Energie. Die abgegebene Energie ist durch den Arbeitsprozess festgelegt und unveränderlich. Die zur Berechnung der Effizienz erforderlichen Energien können durch Integration der jeweiligen Leistung ermittelt werden: (3) Die Gleichungen (1) bis (3) zeigen, dass die maximal realisierbare Energieeffizienz durch das Betriebsverhalten des Motors eindeutig festgelegt ist und ausschließlich während der Konzeptionsphase des Antriebssystems durch die Auswahl des zu verwendenden Motors beeinflusst werden kann. Wird für denselben Arbeitsprozess anstelle des SMDS ein MMDS verwendet, so ergibt sich eine andere Situation. Während die abgegebene Energie identisch bleibt – diese entspricht gerade der Prozessenergie – ergibt sich die aufgenommene Energie des Antriebssystems aus der Addition der Energien der einzelnen Motoren. Für ein MMDS mit n Motoren wird Gleichung (3) dementsprechend zu: In der Regel wird die Winkelgeschwindigkeit ω die Regelgröße des Arbeitsprozesses sein. Das Prozessdrehmoment stellt sich dann entsprechend der Prozesscharakteristik ein. Aufgrund des konstanten Übersetzungsverhältnisses zwischen den Motoren des MMDS ist somit die Motorwinkelgeschwindigkeit ω Motor,i eindeutig definiert. Das Ausgangsdrehmoment des Antriebssystems ergibt sich jedoch aus der Addition der Motordrehmomente T Motor,i , woraus für ein erforderliches Abtriebsdrehmoment T ab (t) ein unterbestimmtes Gleichungssystem resultiert: Es existiert folglich ein Kontinuum von Motordrehmomenten für einen spezifischen Arbeitspunkt des Arbeitsprozesses. Diese Eigenschaft eines MMDS stellt einen von SMDS unbekannten Freiheitsgrad dar, welcher in Beitrag 1 dieser Reihe als Freiheitsgrad der Drehmomentverteilung eingeführt wurde. Da jeder Motor des MMDS das in Bild 02 auf der linken Seite schematisch dargestellte Betriebsverhalten besitzt, folgt aus den Gleichungen (1), (2), (4) und (5), dass durch eine Verschiebung der Motordrehmomente bei gleichbleibendem Abtriebsdrehmoment des Antriebssystems die Energieeffizienz aktiv beeinflusst werden kann. Daher stellt sich die Frage, wie das erforderliche Abtriebsdrehmoment auf die einzelnen Motoren zu verteilen ist, wenn eine maximale Energieeffizienz erzielt werden soll. Diese Fragestellung kann mit Hilfe einer mathematischen Optimierung beantwortet werden, deren Ziel es ist, die Energieeffizienz des gesamten Antriebssystems für beliebige Arbeitsprozesse zu optimieren. Es wird der Ansatz verfolgt, für jeden Arbeitspunkt des antriebstechnik 3/2017 75

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