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antriebstechnik 3/2017

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Parameter Motor

Parameter Motor (Hersteller Siemens) Bezeichnung Einheit 1PH8101 (0) 1PH8103 (1) 1PH8103 (2) 1PH8105 (3) Leistung P kW 3,7 5,5 5,5 7,0 Nenndrehzahl n nenn 1/min 1 500 1 500 1 500 1 500 Nenndrehmoment T nenn Nm 24 35 35 45 Statorwiderstand R 1 Ω 0,576 0,683 0,685 0,411 Rotorwiderstand R 2 Ω 0,408 0,495 0,489 0,312 Hauptinduktivität M H 64,32e -3 85,66e -3 85,34e -3 55,99e -3 Rotorinduktivität L 2 H 68,54e -3 90,70e -3 90,61e -3 59,49e -3 Strangzahl m / 3 3 3 3 Polpaarzahl z p / 2 2 2 2 Magnetisierungsstrom A eff 6,3 6,5 6,5 9,85 Tabelle 1: Konfiguration des MMDS-Prüfstands: Motorparameter Schaltzustand Motor (Hersteller Siemens) 1PH8101 1PH8103 1PH8103 1PH8105 T max [Nm] 1 1 0 0 0 24 2 0 1 0 0 35 3 1 1 0 0 59 4 0 0 1 0 35 5 1 0 1 0 59 6 0 1 1 0 70 7 1 1 1 0 94 8 0 0 0 1 45 9 1 0 0 1 69 10 0 1 0 1 80 11 1 1 0 1 104 12 0 0 1 1 80 13 1 0 1 1 104 14 0 1 1 1 115 15 1 1 1 1 139 2 0 2 1 2 2 2 3 Stellenwert Tabelle 2: Schaltzustände und zugehörige Maximaldrehmomente des Prüfstand-MMDS 05 Struktur des neuronalen Netzes zur Prädiktion des Drehmomentbedarfs eines Kautschukinnenmischers gesamten Antriebssystemnenndrehmoments abgerufen wird. Bild 03 zeigt exemplarisch den Drehmoment- und Drehzahlverlauf eines Kautschukmischprozesses. Die rot markierten Bereiche stellen Situationen dar, in denen das erforderliche Abtriebsdrehmoment unterhalb von 40 % des maximalen Prozessdrehmoments liegt. Auch wenn in derartigen Situationen eine optimale Drehmomentverteilung bekannt ist, so führt der geringe Drehmomentbedarf dazu, dass alle oder zumindest einige der Motoren des MMDS mit einem niedrigen Wirkungsgrad betrieben werden (Bild 02 links). Aus energetischer Sicht kann es daher sinnvoll sein, einzelne Motoren des MMDS temporär elektrisch abzuschalten und die Auslastung der aktiv verbleibenden Motoren zu steigern. Dieser Betriebsfreiheitsgrad wird als elektrische Rekonfigurierbarkeit bezeichnet und erlaubt es, das zur Verfügung gestellte Maximaldrehmoment des MMDS an den Prozessbedarf anzupassen (siehe Beitrag 1). Grundsätzlich kann jeder Motor des Antriebssystems zwei Betriebszustände annehmen. Entweder ist er aktiv (eingeschaltet) oder inaktiv (abgeschaltet). Der inaktive Zustand einer ASM ist dabei durch die vollständige Entmagnetisierung und – sofern möglich – durch die zusätzliche Abschaltung des zugehörigen Wechselrichters gekennzeichnet. Für ein MMDS mit n Motoren ergeben sich folglich 2 n prinzipiell zulässige Schaltzustände. Der Trivialzustand des Systems – alle Motoren sind inaktiv – ist für den Betrieb jedoch irrelevant, sodass innerhalb einer Betriebsstrategie 2 n –1 Schaltzustände zu berücksichtigen sind. Um die Eigenschaften dieses Freiheitsgrades detailliert zu erläutern, wird im Folgenden das aus Beitrag 2 bekannte Antriebssystem des MMDS-Prüfstandes betrachtet. Die verwendete Antriebssystemkonfiguration ist in Tabelle 1 angegeben. Werden die Motoren entsprechend ihrer Nenndrehmomente in aufsteigender Reihenfolge geordnet und jedem Motor eine Ordnungsnummer im Intervall von 0 bis n–1 zugewiesen, so stellen die Zustände der Motoren die Binärcodierung des MMDS-Schaltzustandes dar. Der Motorzustand aktiv erhält dabei die Wertigkeit 1; der Zustand inaktiv die Wertigkeit 0. Für das Prüfstand-MMDS mit vier Motoren ergeben sich somit 15 relevante Schaltzustände, welche über unterschiedliche Maximaldrehmomente T max verfügen (Tabelle 2). Die Kombination von vier Motoren aus drei unterschiedlichen Leistungsklassen kann elf voneinander verschiedene Maximaldrehmomente bereitstellen. Damit die maximale Energieeffizienz des Antriebssystems erzielt wird, muss bekannt sein, welcher der Schaltzustände bei einem geforderten Abtriebsdrehmoment die geringste Verlustleistung erzeugt. Liegt diese Information vor, so kann während des Betriebs der entsprechende Schaltzustand ausgewählt werden. Bild 04 zeigt im oberen Bereich die Verlustleistungen der einzelnen Schaltzustände des MMDS über dem jeweils realisierbaren 78 antriebstechnik 3/2017

MEHRMOTORANTRIEBSSYSTEME Drehmomentbereich. Die Graphen wurden mit Hilfe der Gleichung (6) und den in Tabelle 1 aufgeführten Parametern berechnet. Die Verlustleistungen sind durch Parabeln repräsentiert, die je nach Schaltzustand unterschiedliche Scheitelpunkte und Spreizungen aufweisen. Aus energetischer Sicht ist nur eine Auswahl der Schaltzustände sinnvoll zu verwenden. Für ein beliebiges MMDS können diese optimalen Schaltzustände berechnet werden, indem ausgehend von einem Drehmoment T ab = 0 Nm die Parabel geringster Verlustleistung ermittelt wird. Anschließend wird auf die Verlustparabel gewechselt, welche den ersten Schnittpunkt mit dieser aufweist. Durch sukzessives Anwenden dieses Vorgehens bis zum Erreichen der Nenndrehmomentgrenze des Antriebssystems können die energetisch optimalen Schaltzustände bestimmt werden. Für das betrachtete MMDS sind dies die hervorgehobenen Zustände 1, 2, 8, 10, 14 und 15. Die im vorliegenden Fall relevanten Schnittpunkte sind durch die gestrichelten, roten Linien gekennzeichnet. Der untere Abschnitt von Bild 04 zeigt drei Wirkungsgrade des MMDS für eine konstante Drehzahl von 1 500 1/min und unterschiedliche Betriebsmodi. In Grün ist der Wirkungsgradverlauf abgebildet, welcher sich bei Verwendung der optimalen Schaltzustandsauswahl und Nutzung der optimierten Drehmomentverteilung ergibt. Die optimalen Drehmomentverteilungen der unterschiedlichen Schaltzustände können dabei mittels des bereits aufgeführten Algorithmus OptAlg(γ,T max ) berechnet werden, indem jeder Schaltzustand als eigenständiges MMDS betrachtet wird. Die Anzahl der im MMDS verwendeten Motoren entspricht dann der Anzahl der aktiven Motoren. Der rote Verlauf im unteren Abschnitt von Bild 04 stellt den Betrieb des MMDS im Schaltzustand 15 mit optimierter Drehmomentverteilung dar. Der in Magenta eingezeichnete Verlauf repräsentiert schließlich den Betrieb des MMDS mit permanent aktivierten Motoren und sukzessiver Aufteilung des Drehmoments. Sukzessive Aufteilung bedeutet in diesem Fall, dass ein Motor erst bis zu seiner Nenndrehmomentgrenze belastet wird, bevor ein anderer Motor ein Drehmoment größer 0 Nm erzeugt. Die Aufteilung wurde hier vom Motor kleinsten Nenndrehmoments hin zum Motor mit dem höchsten Nenndrehmoment vorgenommen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass aufgrund der Vernachlässigung der Eisenverluste in Gleichung (6) die angegebenen Wirkungsgrade höhere Werte annehmen, als die Herstellerangaben für die einzelnen Motoren ausweisen. Dennoch sind drei grundsätzliche Eigenschaften ersichtlich: 1. Die Verwendung des MMDS mit permanent aktiven Motoren und sukzessiver Drehmomentverteilung zeigt den geringsten Wirkungsgrad. Er weist einen welligen Verlauf auf, welcher sich aus der sukzessiven Überlagerung der einzelnen Motorwirkungsgrade ergibt. 2. Durch die Optimierung der Drehmomentverteilung kann der Wirkungsgrad des MMDS im gesamten Nenndrehmomentbereich gesteigert werden. Der Antriebssystemwirkungsgrad ähnelt im Verlauf dem Wirkungsgrad einer einzelnen elektrischen Maschine. 3. Durch die Kombination der optimalen Schaltzustandauswahl und der Optimierung der Drehmomentverteilung innerhalb eines jeden Schaltzustandes kann eine weitere Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich erzielt werden. Aufgrund der Umschaltung zwischen unterschiedlichen Schaltzuständen – gekennzeichnet durch die gestrichelten roten Linien – weist der Verlauf eine Welligkeit auf. Durch gezieltes Ausnutzen der beiden erläuterten Freiheitsgrade lässt sich demnach der beste Wirkungsgrad des Gesamtsystems erzielen. Da es sich bei dem Optimierungsproblem (7) um ein strikt konvexes QP handelt und die Verlustleistungsverläufe aufgrund von Gleichung (6) für beliebige MMDS ein identisches Verhalten aufweisen, stellt dieser Wirkungsgrad das globale Optimum dar. Diese Erkenntnis lässt sich folglich auf MMDS im Allgemeinen übertragen. 06 Am Prüfstand-MMDS gemessene Wirkungsgrade in unterschiedlichen Betriebsmodi (vgl. Bild 04) 07 Ergebnisse der experimentellen Untersuchung der intelligenten Betriebsstrategie am Prüfstand-MMDS Die Betriebsstrategie Wann immer ein System über mehrere Freiheitsgrade verfügt, die während des Betriebs zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens genutzt werden können, ist eine Betriebsstrategie erforderlich, die die sichere und gewünschte Koordination der Freiheitsgrade übernimmt [Kno11; GS05]. Üblicherweise ist für die Freiheitsgradkoordination ein umfangreiches Wissen über die Einsatzmöglichkeiten der Freiheitsgrade, deren Auswirkungen auf das Betriebsverhalten sowie über die aktuellen und gegebenenfalls zukünftigen Betriebsbedingungen des Systems erforderlich. Kann dieses Wissen nicht automatisch generiert und verwaltet werden, so obliegt es dem Systemanwender, die Entscheidungen über die Freiheitsgradnutzung zu treffen. Vor dem Hintergrund von MMDS bedeutet dies, dass der Anwender selbst entscheiden müsste, wann welcher Schaltzustand und welche Drehmomentverteilung zu verwenden ist. Dies würde einen zusätzlichen Betriebsaufwand gegenüber konventionellen SMDS bedeuten und folglich den Anwenderkomfort des Antriebssystems herabsetzen. Es muss daher das Ziel sein, die Freiheitsgradnutzung weitgehend zu automatisieren oder sogar zu autonomisieren. Die in den vorangegangenen Abschnitten vorgestellten Ergebnisse können genutzt werden, um die Einsatzmöglichkeiten und die Auswirkungen der MMDS-Freiheitsgrade auf das Betriebsverhalten automatisiert für eine gegebene MMDS-Konfiguration abzuleiten. Alle erforderlichen Drehmomentverteilungen und die optimalen Schaltzustände stehen somit für den Betrieb des Systems ohne Mehraufwand gegenüber einem SMDS bereit. Wenn entschieden werden soll, welcher Schaltzustand eines MMDS einzustellen ist, ist allerdings Wissen über den zukünftigen antriebstechnik 3/2017 79

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