Fachhochschule Stralsund Fachbereich Elektrotechnik...

Fachhochschule Stralsund University of Applied Sciences

Fachbereich Elektrotechnik & Informatik

Labor: Elektrische Antriebstechnik

Versuchsanleitung

Simplorersimulation des Versuches:

Drehzahlgeregelter Gleichstrom-Umkehrantrieb in kreisstromfreier

Gegenparallelschaltung

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Cremer

Dipl. Ing. Mathias Last

Stand, 30.05.2007

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 2

Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 3

Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 3

1 Versuchsziele........................................................................................................ 4

2 Einleitende Grundlagen ...................................................................................... 5 2.1 Aufbau und Wirkungsweise .................................................................................. 5

2.2 Optimierung des Stromregelkreises ...................................................................... 7 2.2.1 Blockschaltbild des fremderregten Gleichstrommotors ........................................ 7 2.2.2 Signalflussplan der Ankerstromreglung ................................................................ 9

2.3 Optimierung des Drehzahlregelkreises................................................................ 11

3 Komponenten in der Simulation ...................................................................... 14

4 Durchführung der Simulation.......................................................................... 18 4.1 Start der Simulation............................................................................................. 18

4.2 Ausgabe der Simulationsergebnisse .................................................................... 19

4.3 Simulation der einzelnen Versuche ..................................................................... 20 4.3.1 Bestimmung der Ankerzeitkonstanten ................................................................ 22 4.3.2 Bestimmung der Ankerzeitkonstanten bei lückendem Betrieb ........................... 23 4.3.3 Optimierung des Stromregelkreises .................................................................... 24 4.3.4 Optimierung und Analyse des Störverhaltens des Drehzahlregelkreises ............ 25 4.3.5 Sollwertglättung .................................................................................................. 29 4.3.6 Führungsverhalten mit Sollwertintegrator........................................................... 31 4.3.7 Drehzahlregelvorgang mit Strombegrenzung...................................................... 33 4.3.8 Drehzahlregelvorgang mit Anti-Windup Maßnahme.......................................... 33 4.3.9 Analyse des Reversiervorganges......................................................................... 34 4.3.10 Analyse der Stromrichterbetriebsarten beim Reversieren................................... 36

Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 37

Abbildungsverzeichnis 3

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Kreisstromfreier Vierquadrantenantrieb..................................................... 5 Abbildung 2: Ersatzschaltbild des Anker- und Erregerkreises......................................... 7 Abbildung 3: Regelungstechnisches Strukturbild der GSM............................................. 8 Abbildung 4: Signalflussplan des Stromregelkreises ....................................................... 9 Abbildung 5: Übergangsfunktion des Stromregelkreises ............................................... 10 Abbildung 6: Signalflussplan des Drehzahlregelkreises ................................................ 11 Abbildung 7: Führungsverhalten des Drehzahlregelkreises ........................................... 12 Abbildung 8: Leistungselektronischer Teil..................................................................... 14 Abbildung 9: Kaskadenregelung .................................................................................... 15 Abbildung 10: Kommandologik ..................................................................................... 16 Abbildung 11: Eingabefeld für die Simulation............................................................... 17 Abbildung 12: Registerkarte zur Einstellung der Simulationsparameter ....................... 18 Abbildung 13: Starten der Simulation ............................................................................ 19 Abbildung 14: Quick Graph Eigenschaftsfenster ........................................................... 19 Abbildung 15: Optimierungshilfe Stromregelkreis ........................................................ 25 Abbildung 16: Optimierungshilfe Drehzahlregelkreis ................................................... 29

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Maschinen- und Streckendaten...................................................................... 21 Tabelle 2: Ergebnisse der Drehzahloptimierung ............................................................ 27 Tabelle 3: Führungsverhalten empirische Reglereinstellung.......................................... 29 Tabelle 4: Verhalten des Drehzahlregelkreises bei Sollwertglättung............................. 30 Tabelle 5: Führungsverhalten mit Sollwertintegrator..................................................... 32

1 Versuchsziele 4

1 Versuchsziele

In einer Simulation mit dem Programm Simplorer, sollen der Aufbau, die Wirkungswei-se und die Inbetriebnahme eines Gleichstrom-Umkehrantriebes untersucht werden.

Die Wirkungsweise der Drehzahlregelung nach dem Stromleitprinzip soll ver-mittelt werden.

Dabei sollen in den Versuchen eine Dimensionierung und Optimierung der be-nötigten Regler vorgenommen werden.

Weiterhin werden die Betriebsarten der Stromrichter anhand eines Reversiervor-ganges untersucht.

Die Simulationen soll als Vorbereitung für den realen Laborversuch dienen.

2 Einleitende Grundlagen 5

2 Einleitende Grundlagen

Geregelte Vierquadrantenantriebe finden in Antriebssystemen mit veränderlichen Dreh-zahlen und bei geforderten Drehzahl- und Drehmomentenrichtungsumkehr Anwendung.

Grundsätzlich gibt es zwei Varianten die sich bezüglich des erforderlichen Aufwands und hinsichtlich der erreichbaren Zeiten für die Umkehr des Ankerstromes unterschei-den:

• die kreisstromfreie Schaltung des Umkehrstromrichters als elektronische Anker-kreisumschaltung mit sehr kleinen stromlosen Umschaltpausen,

• die kreisstrombehaftete Schaltung des Umkehrstromrichters mit einem kontinu-ierlichen Stromdurchgang und kürzeren Umkehrzeiten des Ankerstromes.

2.1 Aufbau und Wirkungsweise

Abbildung 1: Kreisstromfreier Vierquadrantenantrieb

In Abbildung 1 ist der Aufbau eines geregelten kreisstromfreien Vierquadranten Antrie-bes mit der Kaskadenregelung dargestellt. Die Kaskadenstruktur stellt in der Antriebs-technik ein sehr verbreitetes Verfahren dar. Anwendung findet sie oft bei der Regelung von Strecken mit mehreren dominanten Zeitkonstanten. Bei einer Kaskadenregelung wird zwischen Haupt- und Hilfsregler unterschieden. Den Hauptregler stellt der Dreh-zahlregelkreis mit der Begrenzung dar. Er kompensiert die mechanische Zeitkonstante. Die wesentlich kleinere Ankerzeitkonstante des Motors wird durch den unterlagerten Stromregelkreis (Hilfsregler) kompensiert. Man spricht bei dieser Anordnung auch vom Stromleitverfahren, da der übergeordnete Drehzahlregler an seinem Ausgang den Soll-wert für den unterlagerten Stromregler vorgibt.


Am Eingang des Drehzahlreglers wird aus dem Soll- und Istwert der Drehzahl die Re-gelabweichung gebildet. Der Ausgang des Drehzahlreglers stellt für den Stromregler den Sollwert dar. Dadurch wird immer der Stromsollwert erreicht, so dass sich entspre-chend den Belastungsverhältnissen immer der notwendige Strom einstellt, um die ge-wünschte Drehzahl zu halten.

Am Begrenzer des Drehzahlreglers werden die Stromgrenzen eingestellt. Er begrenzt den statischen Strom und hält den Strommittelwert innerhalb der vorgegebenen Strom-obergrenzen. Die Regelabweichung ergibt sich aus dem Stromsollwert und dem Strom-istwert des Motors. Der Ausgang des Stromreglers wirkt über den Steuerwinkel auf das Stellglied.

Bei der Einstellung und Optimierung der Regelkreise beginnt man mit dem unterlager-ten Stromregelkreis. Dieser geht dann nur noch als Verzögerungsglied 1. Ordnung in die Optimierung des überlagerten Drehzahlregekreises ein.

Für beide Regelkreise werden PI-Regler eingesetzt. Der P-Anteil sorgt für ein gutes dynamisches Verhalten und der I-Anteil für eine stationäre Genauigkeit, d.h. es tritt keine Regelabweichung auf. Ein PI – geregeltes System kommt erst dann zur Ruhe, wenn die Regelabweichung Null ist.

Weitere Elemente in der Abbildung 1 sind die Sperre, der Steuersatz und der Impulsum-schalter. Sie sind für die logische Abfolge bei der Steuerung der Stromrichter verant-wortlich. Die Sperre (Kommandostufe) sorgt dafür, dass bei einer Stromrichtungsum-kehr der eine Stromrichter abgeschaltet wird und der antiparallele Stromrichter nach einer Pausenzeit zugeschaltet wird. Im Steuersatz werden aus der Steuerspannung die Zündwinkel der Stromrichterventile generiert.


2.2 Optimierung des Stromregelkreises

2.2.1 Blockschaltbild des fremderregten Gleichstrommotors

Für eine regelungstechnische Beschreibung eines Gleichstrommotors müssen neben dem statischen Betrieb auch die dynamischen Vorgänge beachtet werden. Das Regel-system untergliedert sich in ein mechanisches und ein elektrisches Teilsystem. Als Ers-tes wird das elektrische Teilsystem analysiert.

Unter der Voraussetzung, dass die magnetischen Kreise nur im linearen Bereich ausge-steuert werden, kann der Ankerstromkreis durch eine Differentialgleichung (2.1) be-schrieben werden,

AA q A A A

diu u i R Ldt

= + ⋅ + ⋅ . (2.1)

Die innere Spannung qu (2.2) der Maschine ist proportional zur Erregung φ und zur

Maschinenkonstante c,

qu c φ ω= ⋅ ⋅ . (2.2)

Die Gleichstrommaschine entwickelt das innere Drehmoment nach:

Am c i φ= ⋅ ⋅ . (2.3)

Mit dem Ankerwiderstand AR und die Induktivität der Ankerwicklung AL können die

Ankergleichungen in das folgende Netzwerk überführt werden:

Abbildung 2: Ersatzschaltbild des Anker- und Erregerkreises

Zur regelungstechnischen Modellbildung wird die Quellenspannung in Gleichung qu

(2.1) subtrahiert und die Laplace- Transformation ausgeführt.

[ ]( ) ( ) ( )A q A Au p u p i p R p L− = ⋅ + ⋅ A (2.4)

Daraus ergibt sich die Übertragungsfunktion


( ) 1 1 1 1( ) ( ) 11

AA

AA q A A A

A

i p KLu p u p R p L R p TpR

= = ⋅ = ⋅− + ⋅ ++ ⋅ A⋅

, (2.5)

mit AA

A

LTR

= als Ankerzeitkonstante und 1A

A

KR

= als Ankerverstärkung.

Es zeigt sich, dass der Ankerkreis ein PT1-Verhalten hat.

Die mechanische Gleichung des Antriebs lautet

W Bdm m m Jdtω

− = = ⋅ . (2.6)

Hierbei ist J das axiale Trägheitsmoment des gesamten Antriebs und das Lastmo-

ment der Gleichstrommaschine. Die Differenz zwischen dem inneren Drehmoment

und dem Lastmoment bezeichnet man als Beschleunigungsmoment . Die Übertra-

gungsfunktion des mechanischen Teilsystems erhält man, indem die Gleichung

wm

m

Bm

(2.6) laplacetransformiert wird,

( )( ) ( )

( )( )

1

W B

p pm p m p m p p J

ω ω= =

− ⋅. (2.7)

Aus der Gleichung (2.7) wird ersichtlich, dass der mechanische Teil als ein I-Glied in das Strukturbild eingeht.

Die Gleichungen (2.1)-(2.3) und (2.6) werden häufig auch als die vier Maschinenglei-chungen bezeichnet.

Die Ankergleichungen können zusammen mit der mechanischen Gleichung durch das folgende regelungstechnische Strukturbild grafisch dargestellt werden.

Abbildung 3: Regelungstechnisches Strukturbild der GSM


2.2.2 Signalflussplan der Ankerstromreglung

Zum Aufbau der Stromreglung wird der Ankerkreis um das Stromrichterstellglied, den Stromregler und die Stromistwerterfassung ergänzt.

solli

isti−

AiStu Au 1 NiPi

Ni

pTKpT+

( )1

1A AR pT+

1i

Gi

KpT+

1SR

SR

KpT+

Abbildung 4: Signalflussplan des Stromregelkreises

Für das abtastende Stromrichterstellglied wird näherungsweise ein PT1-Glied ange-nommen. Dessen Zeitkonstante ist mit der mittleren Totzeit von festgelegt.

Zur Glättung des stark oberwelligen Stromistwertsignals ist ein Filter (PT1-Glied) in die Stromistwerterfassung integriert. Die Optimierung des Stromregelkreises erfolgt nach dem Betragsoptimum. Es wird also auf gutes Führungsverhalten optimiert.

1,7SRT = ms

Die Reglereinstellung ergibt sich aus der Kompensation der großen Ankerzeitkonstan-ten . AT

Ni AT T= (2.8)

Die Glättungszeitkonstante der Stromistwerterfassung und die Zeitkonstante des

Stromrichters werden zur Summenzeitkonstante des Stromregelkreises zusam-

mengefasst,

GiT

SRT SiT

Si SR GiT T T= + . (2.9)

Somit gilt für die Verstärkung des Stromreglers

2A

PiSi SR A i

TKT K K K

= . (2.10)

Für den offenen Stromregelkreis folgt bei festgebremster bzw. nicht erregter Maschine:

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

11 1 1

ist Ni SR iAi offen Pi

soll Ni SR A Gi

i p pT K KKG p Ki p pT pT pT pT

⎛ ⎞+= = ⋅ ⋅ ⋅⎜ ⎟ + + +⎝ ⎠

. (2.11)

Durch das Einsetzen der Reglereinstellung und schließen des Stromregelkreises entsteht


( ) ( )2 2

11 2 2i geschlossen

Si Si

G pp T p T

=+ +

. (2.12)

Durch die Rücktransformation der Gleichung (2.12) in den Zeitbereich ergibt sich die Sprungantwort,

( )( )

21 cos sin2 2

Si

tist T

soll Si Si

i t t t ei t T T

−⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − +⎢ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎥ . (2.13)

Für weitere Betrachtungen der Optimierung des Drehzahlregelkreises wird der Anker-stromregelkreis durch ein PT1- Glied angenähert(2.14),

( ) ( )( ) ( )

1 11 2

Ai geschlossen

soll i Si

i pG p

i p K p T= =

+ (2.14)

Abbildung 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ankerstroms nach einem Führungssprung. Deutlich zu sehen ist, dass der Ankerstrom mit ca. 4,3 % überschwingt und seinen stati-onären Endwert nach ca. 10 erreicht. Die Anregelzeit beträgt . Weiterhin

ist der zeitliche Verlauf des angenäherten PT1- Gliedes dargestellt. SiT 4,7At = SiT

Si

tT

ist

soll

ii

( )solli t

( ) 21 Si

tT

isti t e⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠= −

( ) 21 cos sin2 2

Si

tT

istSi Si

t ti t eT T

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

Abbildung 5: Übergangsfunktion des Stromregelkreises


2.3 Optimierung des Drehzahlregelkreises

1 NnPn

Nn

p TK

p T

+ 1 NiPi

Ni

p TK

p T

+ 1

SR

SR

K

p T+

( )1

1A AR p T+

cφ

1

p J

1

i

Gi

K

p T+

1

n

Gn

K

p T+

cφ

solln

istn−

solli

isti−

Stu Au

qu−

Ai mwm− Bm ω

Abbildung 6: Signalflussplan des Drehzahlregelkreises

In Abbildung 6 ist der Signalflussplan des Drehzahlregelkreises dargestellt. Für die fol-genden Betrachtungen wird die Rückführung der Gegenspannung vernachlässigt. qu

Daraus ergibt sich, unter Berücksichtigung des unterlagerten optimierten Stromregel-kreises und unter Beachtung der Umrechnung der Winkelgeschwindigkeit in die Dreh-zahl

( ) ( )( )

( )( )

1 1 601 2 2 1

ist Nn nn offen Pn

soll Nn i Si Gn

n p pT KG p K cn p pT K p T p J pT

φπ

+= =

+ +. (2.15)

Die kleinen Zeitkonstanten des optimierten Stromregelkreises und die Glättungs-

zeitkonstante der Drehzahlistwerterfassung werden zur Summenzeitkonstante des

Drehzahlregelkreises zusammen gefasst,

2 SiT

GnT

SnT

2Sn Si GnT T T= + . (2.16)

Des Weiteren wird die mechanische Zeitkonstante MT eingeführt,

( )2A

MJ RTcφ

= . (2.17)

Nun ergibt sich für den offenen Drehzahlregelkreis

( ) ( )( )

1 6011 2

Nn n An offen Pn

Nn i Sn M

pT K RG p KpT K pT c pTφ π+

=+

. (2.18)

Der Drehzahlregelkreis wird für gutes Störverhalten nach dem Symmetrischen Opti-mum eingestellt. Als Voraussetzung für das Symmetrische Optimum muss die mechani-sche Zeitkonstante MT sehr viel größer sein als alle anderen Zeitkonstanten.


Die Nachstellzeit des Drehzahlreglers beträgt:

4Nn SnT T= . (2.19)

Die Reglerverstärkung wird auf,

2M

PnSn Sn

TKT K

= . (2.20)

260 2 622

iM MPn

A Sn n ASn n

i

K cT TK R T K RT KK c

0φ π

φ π

= = (2.21)

eingestellt.

Durch das Einsetzen der Reglereinstellung in (2.18) und schließen des Drehzahlregel-kreises entsteht

( ) ( )2 2 3

1 41 4 8 8

Snn geschlossen

Sn Sn Sn

p TG p 3p T p T p T

+=

+ + +. (2.22)

Durch die Rücktransformation erhält man die Übertragungsfunktion des geschlossenen Drehzahlregelkreises:

( )( )

2 421 sin43

Sn Sn

t tT Tist

soll Sn

n t te en t T

− − ⎛ ⎞= − − ⎜⎜

⎝ ⎠

3⎟⎟

n

. (2.23)

In der Abbildung 7 ist der zeitliche Verlauf dargestellt. Deutlich zu erkennen ist das hohe Überschwingen von =43 %. Die Anregelzeit beträgt hΔ 3,1A St T= .

( )solln t

( )istn tist

soll

nn

Sn

tT

Abbildung 7: Führungsverhalten des Drehzahlregelkreises


Für das große Überschwingen im Drehzahlverlauf ist das D-Glied in der Übertragungs-funktion nach Gleichung (2.22) verantwortlich. Durch eine Sollwertglättung mit einem PT1-Glied wird die Überschwingweite reduziert. Die Zeitkonstante des PT1-Gliedes wird mit gewählt, 4SWG Nn SnT T T= =

1 11 1SWG

SWG Sn

G4pT p

= =+ + T

. (2.24)

Die Übertragungsfunktion für das Führungsverhalten ergibt sich nun:

( ) ( )( )

2 2 3 3

1 411 4 1 4 8 8

Snn geschlossen

Sn Sn Sn Sn

p TG p

p T p T p T p T+

=+ + + +

, (2.25)

( ) 2 2 3

11 4 8 8n geschlossen

Sn Sn Sn

G p 3p T p T p T=

+ + +. (2.26)

Die Überschwingweite beträgt 8%hΔ ≈ , die Anregelzeit verlängert sich auf . 7,5A St T= n

Das Störverhalten des Drehzahlkreises wird nicht beeinflusst, da sich die Sollwertglät-tung außerhalb des geschlossenen Regelkreises befindet.

3 Komponenten in der Simulation 14

3 Komponenten in der Simulation Im folgenden Kapitel sollen die einzelnen Komponenten auf dem Simplorer Arbeits-blatt erläutert werden. Durch einen Doppelklick auf Dateiname.SSC öffnet sich das Simplorer Schematic Programm. Es dient zu symbolorientierten Eingaben von elektri-schen Netzwerken, Signalflussgraphen und logischen Verknüpfungen. Der Versuchs-stand ist in Teilmodelle unterteilt, die einzelnen Funktionsgruppen sind farbig auf dem Arbeitsblatt hinterlegt.

Leistungsteil

In Abbildung 8 ist die Netzanbindung der zwei antiparallelen B6C-Schaltungen darge-stellt. Weiterhin zu erkennen ist die Gleichstrommaschine, die Drossel und der Shunt zur Messung des Ankerstromes.

Abbildung 8: Leistungselektronischer Teil

Kaskadenregelung

Die Kaskadenregelung (Abbildung 9) unterteilt sich in Drehzahlregler, Stromregler und dem Steuersatz zur Steuerwinkelerrechnung.

Für den Drehzahlregler wird über den Block N_SOLL der Drehzahlsollwert vorgegeben. Aus der Vorgabe der einzelnen Versuche wird der Drehzahlsollwert N_SOLL durch einen Sollwertintegrator bzw. eine Sollwertglättung realisiert, wobei dem I-Glied die Glättungszeitkonstante und dem PT1-Glied die Zeitkonstante zugewie-

sen wird. Die Drehzahlistwerterfassung erfolgt zur Glättung durch ein PT1-Glied mit der Zeitkonstante .

SIT 4SWG SnT = T

GnT


Der Ausgang des Drehzahlreglers gibt den Stromsollwert I_SOLL für den unterlagerten Stromregler vor. Er ist durch einen Begrenzer realisiert, dessen Grenzen wurden auf den in der Gleichung (3.1) vorgegebenen Standartwert eingestellt,

1,5 1,5 6,2 9,3 10Soll NI I A A A= = ⋅ = ≈ . (3.1)

Abbildung 9: Kaskadenregelung

Die Stromerfassung für den Stromregler ist analog zur Drehzahlerfassung aus einem PT1-Glied mit einer Glättungszeitkonstanten von 10GiT ms= aufgebaut. Der Strom i

(Eingangsgröße) wird durch den Shunt aus Abbildung 8 gemessen. Der Ausgang des Stromreglers ist mit dem Steuersatz verbunden. Mit Steuersatz wird der Steuerwinkel alpha ermittelt, er ermöglicht die Generierung der Zündimpulse für die Thyristoren im Zündgenerator.

Zündgenerator

Der Zündgenerator liefert die typischen Doppelimpulse für eine B6C Schaltung, die mit Hilfe von Zustandsgraphen erzeugt werden. Die Zündzeitpunkte werden kontinuierlich in Abhängigkeit des Steuerwinkels errechnet.

Kommandologik

Die Kommandologik stellt einen wichtigen Bestandteil der Betriebsführung da. Sie führt und überwacht die erforderlichen Informationen zur internen Umschaltung. Damit steuert sie die Impulse für den jeweils stromführenden Stromrichter.

Die Kommandologik muss einen störungsfreien Reversiervorgang gewährleisten. Hier-zu erfüllt sie folgende Aufgaben:

• Überwachung der Anforderung zur Stromrichtungsumkehr ( bzw.

),

0solln <

0solln >

• Überwachung des Stromnulldurchgangs zur Einhaltung der stromlosen Pause,


• Sperrung und Freigabe der Zündimpulse des Stromrichters entsprechend der Stromrichtungsanforderung.

Die Aufgabe der Kommandologik besteht darin, den Steuerwinkel α der Kaskadenrege-lung für den Zündgenerator aufzubereiten. Daraus errechnet dieser kontinuierlich Zünd-impulse, die anschließend von der Kommandologik den Thyristoren der Stromrichter zugewiesen werden.

Zündgenerator Kommandologik Stromrichter

Kaskadenregelung

Impulssperre:stromlose Pause

Zündimpulse:Z21a

.

.

Zuweisung:Z21a=Z21

Thyristor Gate SR1:Z21

.

.

Steuerwinkel:α

1α α=2 180α α°= −

Steuerwinkel für SR:

1α

2α

Thyristor Gate SR2:Z11

.

.

Abbildung 10: Kommandologik

Lückstromadaption

In dem Versuchstand findet ein verstärkungsanpassender Regler Anwendung. Durch das Umschalten der Integrationszeitkonstanten ( bzw. ) des Stromreglers erfolgt eine

Anpassung an die sich ändernde Regelstrecke, dabei wird die PI-Reglerstruktur beibe-halten. Es sind die Nachstellzeiten (nicht lückenden Betriebsfall) bzw. (lücken-

den Betriebsfall) wirksam.

1NT 2NT

1NT 2NT

Anti- Windup

Der Windup-Effekt zeigt sich bei großen Sollwertsprüngen der Drehzahl, die eingestell-ten Stromgrenzen werden erreicht, maxA Solli i= , durch ein starkes Überschwingen der

Drehzahl und durch eine lange Ausregelzeit. Um dieses unerwünschte Übergangsver-halten zu vermeiden, muss während der Begrenzungsphase, maxA Solli i= , ein Aufintegrie-

ren des Drehzahlreglers vermieden werden. In der Simulation wird das Anti-Windup durch eine dynamische Zuweisung der Integrationsgrenzen für den Drehzahlregler reali-siert.


Sollwertvorgabe/ Reglereinstellung

Hier werden die zur Simulation benötigten Sollwerte und Reglereinstellungen eingetra-gen. In Abhängigkeit von den Versuchen unterscheiden sich die Eingabefenster.

Abbildung 11: Eingabefeld für die Simulation

4 Durchführung der Simulation 18

4 Durchführung der Simulation

4.1 Start der Simulation

Zum Durchführen der Simulation müssen die Simulationsdateien auf die Festplatte ko-piert werden, da Simplorer die Auslagerungsdateien speichert.

Durch einen Doppelklick auf Dateiname.SSC öffnet sich das Simplorer Schematic Pro-gramm. Alle Simulationsparameter sind für die Versuche voreingestellt. Die Register-karte zur Einstellung der Simulationsparameter wird durch Klicken mit der rechten Maustaste auf der Arbeitsfläche geöffnet. Dort lässt sich unter anderem die Simulati-onszeit, Schrittweite usw. definieren (Abbildung 12).

Abbildung 12: Registerkarte zur Einstellung der Simulationsparameter

Die Simulation lässt sich durch Klicken auf das in Abbildung 13 gezeigte Symbol bzw. durch Drücken von F12 starten.


Abbildung 13: Starten der Simulation

4.2 Ausgabe der Simulationsergebnisse

Zur Ausgabe der Simulationsergebnisse wird das Anzeigefeld Quick Graph verwendet, welches sich auf dem Arbeitsblatt befindet. Durch Rechtsklicken auf den Quick Graph öffnet sich das Kontextmenü (Abbildung 14).

Abbildung 14: Quick Graph Eigenschaftsfenster

Durch Klicken auf den Menüpunkt Extern View öffnet sich die Simulationsausgabe in einem eigenen Fenster, dort ist ein Zoomen im Anzeigebereich möglich. Das Zoomen lässt sich durch Klicken auf Wiederherstellen rückgängig machen. Über den Unterpunkt Beste Darstellung ermittelt Simplorer automatisch die bestmögliche Skalierung für das angezeigte Fenster. Die Bezeichnung der im Ausgabefenster Quick Graph angezeigten Größen, orientiert sich an die üblichen elektrischen und mechanischen Größen und dem Bezug zum verwendeten Bauelement. Dabei gibt der erste Teil der Bezeichnung das Element auf dem Arbeitsblatt an. Die zweite Angabe bezieht sich auf die gemessene Größe mit der entsprechenden Einheit. Die Bezeichnung GSMP_1.IA [A] bedeutet z.B. Ankerstrom der Gleichstrommaschine in Ampere.


4.3 Simulation der einzelnen Versuche

Im folgenden Kapitel sollen die Versuche der geregelten Gleichstrommaschine in Simplorer simuliert werden.

Alle Versuche sind in der logischen Reihenfolge so aufbereitet, dass die Arbeitsschritte der realen Optimierung des Versuchsstandes entsprechen.

Es wurden folgende Versuche zusammengestellt.

• Bestimmung der Ankerzeitkonstanten (Ankerzeitkonstante.SSC),

• Bestimmung der Ankerkreiskonstanten im lückenden Betrieb (Ankerzeitkonstante Lückbereich.SSC)

• Optimierung des Stromregelkreises (Stromregelkreis.SSC)

• Optimierung und Analyse des Störverhaltens des Drehzahlregelkreises (Drehzahlregelkreis.SSC)

• Führungsverhalten bei Sollwertglättung (Drehzahlregelkreis mit Sollwertglättung.SSC)

• Führungsverhalten mit Sollwertintegrator (Drehzahlregelkreis mit Sollwertintegrator.SSC)

• Führungsverhalten bei Strombegrenzung (Drehzahlregelkreis mit Strombegrenzung.SSC)

• Führungsverhalten bei Strombegrenzung mit Anti-Windup-Maßnahme (Drehzahlregelkreis mit Strombegrenzung und Anti-Windup.SSC)

• Analyse der Drehrichtungsumkehr (Drehrichtungumkehr.SSC)

• Analyse der Stromrichterbetriebsarten beim Reversieren (Reversieren.SSC)


Für die nachfolgenden Betrachtungen wird von folgenden gegeben Strecken und Schal-tungsdaten ausgegangen:

Maschinendaten

Nennspannung 220NU V=

Nennstrom 6,2NI A=

Nennleistung 1NP kW=

Nenndrehzahl 12100minNn −=

Leerlaufdrehzahl 10 2300minn −=

Rotorfluss 0,87c Vsφ =

Ankerkreiswiderstand 5,4AR = Ω

Ankerkreisinduktivität 23AL mH=

Trägheitsmoment 20.007J kg= m

Schaltungsdaten

Glättungsinduktivität 200DL mH=

Streckendaten

Verstärkung der Stromistwerterfassung 11iVKA

=

mittlere Totzeit des Stromrichters 1,7SRT ms=

Glättungszeitkonstante Stromistwerterfas-sung

10GiT ms=

Verstärkung der Drehzahlerfassung 1

11000minn

VK −=

Glättungszeitkonstante der Drehzahlist-werterfassung

10GnT ms=

Stromrichterverstärkung 70SRK =

Streckenverstärkung Stromregelkreis (Lückbetrieb) lückK =0,33 A

V

Tabelle 1: Maschinen- und Streckendaten


4.3.1 Bestimmung der Ankerzeitkonstanten

In dem folgenden Versuch soll die Ankerzeitkonstante ermittelt werden. Sie ist die Grundlage um den Stromregelkreis zu optimieren.

Die Ankerzeitkonstante errechnet sich aus dem Ankerwiderstand, der Anker- und Glät-tungsinduktivität,

A DA

A

L LTR+

= .

Errechnen sie die die Ankerzeitkonstante mit den aus Tabelle 1 gegeben Werten.

AT m= s .

Dieser errechnete Wert soll in der Simulation überprüft werden. Dazu soll ein Strom-sprung von 2AI A= auf 6AI A= vorgenommen werden. Für diesen Versuch ist die

Erregung der Gleichstrommaschine abgeschaltet.

Zur Vorbereitung muss die benötigte Stromrichterausgangsspannung diu α ermittelt wer-

den. Sie ergibt sich aus dem im Ankerkreis wirksamen Widerstand, AR , und der Vorga-

be des Ankerstromes , 2AI A= .

Errechnen sie die Stromrichterausgangsspannung

1diu Vα =

Berechnen sie den benötigten Steuerwinkel 1α für den Stromrichter aus der

Steuerkennlinie mit 0 220N diU u V= = .

11

0

arccos di

di

uu

αα⎛ ⎞

= =⎜ ⎟⎝ ⎠

°

Ermitteln sie analog für den zweiten Stromsollwert, 6AI A= ,den Steuerwinkel

2α .

2diu Vα =

22

0

arccos di

di

uu

αα⎛ ⎞

= =⎜ ⎟⎝ ⎠

°

Öffnen sie die Schaltung Ankerzeitkonstante.SSC und tragen sie die Steuerwin-kel in das grün dargestellte Sollwertfenster ein (Anfangswert= 1α bzw. Schalt-

wert= 2α ). Der Index für den Steuerwinkel ° darf nicht eingetragen werden! Be-

achten sie weiterhin, dass Simplorer bei der Eingabe des Kommas einen Punkt verlangt! (Eingabe für z.B. 80,2α = ° im Reglereinstellfenster: 80.2) Sonst


kommt es zu einer Fehlermeldung. Der Schaltzeitpunkt bleibt bei t=0,3 s vorein-gestellt.

Überprüfen sie durch Starten der Simulation ob sich im Ausgabefenster die ge-wünschten Stromsollwerte einstellen. Gehen sie dazu nach Kapitel 4.2 vor. Neh-men sie gegebenenfalls eine Korrektur der Steuerwinkel vor.

Nehmen sie den Verlauf des Ankerstromes auf und bestimmen sie die Anker-zeitkonstante nach der 63 % Methode durch eine Tagente zum Schaltzeitpunkt.

AT m= s

Bewerten sie das Verhalten des Ankerstromkreises und vergleichen sie die er-mittelte mit den errechneten Ankerzeitkonstanten.

4.3.2 Bestimmung der Ankerzeitkonstanten bei lückendem Betrieb

Anhand eines Stromsollwertsprunges von 1AI A= auf 1,5AI A= soll die Ankerzeit-

konstante für lückenden Ankerstrom ermittelt werden. Dabei ist keine Glättungsdrossel in den Ankerkreis geschaltet, wodurch die Lückgrenze angehoben wird.

Die Steuerwinkel errechnen sich analog zum nichtlückenden Betriebsfall.

Errechnen sie die Stromrichterausgangsspannung mit 1AI A= und AR .

1diu Vα =

Berechnen sie den benötigten Steuerwinkel 1α für den Stromrichter aus der

Steuerkennlinie mit 0 220N diU u V= = .

11

0

arccos di

di

uu

αα⎛ ⎞

= =⎜ ⎟⎝ ⎠

°

Ermitteln sie analog für den zweiten Stromsollwert, 1,5AI A= ,den Steuerwinkel

2α .

2diu Vα =

22

0

arccos di

di

uu

αα⎛ ⎞

= =⎜ ⎟⎝ ⎠

°

Öffnen sie die Schaltung Ankerzeitkonstante Lückbereich.SSC und nehmen sie den Verlauf des Ankerstromes auf. Der Schaltzeitpunkt bleibt bei t=0,288 s vor-eingestellt. Eine Korrektur der Steuerwinkel muss nicht erfolgen.

Bewerten sie den Stromverlauf für den lückenden Ankerstrom. Welche Schluss-folgerungen können hinsichtlich der wirksamen Ankerzeitkonstanten getroffen


werden? Nach welcher Zeit stellt sich der neue Stromsollwert ein? Erläutern sie den Begriff: „mittlere Totzeit des Stromrichters“.

4.3.3 Optimierung des Stromregelkreises

Mit der Ermittlung der Ankerzeitkonstanten für den nichtlückenden Betriebsfall wurde die Grundlage für die Einstellung des Stromregelkreises gelegt. Die Optimierung des unterlagerten Stromregelkreises erfolgt nach dem Betragsoptimum. Auf Grundlage von Kapitel 2.2.2 und Tabelle 1 ergibt sich die Summenzeitkonstante für den Stromregel-kreis aus der mittleren Totzeit des Stromrichters und der Glättungszeitkonstanten

, SRT

GiT

Ermitteln sie die Ersatzzeitkonstante für den Stromregelkreis aus der mittle-

ren Totzeit des Stromrichters und der Glättungszeitkonstanten (SiT

SRT GiT Tabelle

1).

Si SR GiT T T m= + = s

s

Bestimmen sie die Nachstellzeit des Stromreglers, nutzen sie die theoretischen Grundlagen für das Betragsoptimum aus Kapitel 2.2.2.

1Ni N AT T T m= = =

Berechnen sie den Verstärkungsfaktor für den Stromregler (Tabelle 1).

2A

PiSi SR A i

TKT K K K

= =

Anhand eines Stromsollwertsprunges von 1AI A= auf den Nennstrom von 6,2NI A=

soll in der Simulation die Optimierung des Stromregelkreises überprüft werden.

Öffnen sie die Schaltung Stromregelkreis.SSC und tragen sie die Nachstellzeit ( ) und die Verstärkung (1NT PiK ) des Stromreglers in das Fenster Reglereinstel-

lung ein. Beachten sie bei der Eingabe der Nachstellzeit für ms in Simplorer ein kleines m zu verwenden. Der Index für die Zeit s darf nicht eingetragen werden! (Eingabe für z.B. im Reglereinstellfenster: 40 m) Alle anderen Pa-

rameter sind voreingestellt und müssen nicht geändert werden.

40NiT = ms

Nehmen sie die Stromübergangsfunktion auf und überprüfen sie den Stromver-lauf ob sich ein betragsoptimales Verhalten einstellt. Kontrollieren sie gegebe-nenfalls ihre Reglerparameter und starten sie die Simulation erneut. Nutzen sie dazu die Optimierungshilfe (Abbildung 15).


Abbildung 15: Optimierungshilfe Stromregelkreis

Ist der Stromregelkreis optimal eingestellt so ermitteln sie die Anregelzeit

und die Überschwingweite At

hΔ .

At m= s

%hΔ =

Nehmen sie eine Bewertung der ermittelten Werte vor und vergleichen sie diese im Hinblick auf die theoretische Reglergüte aus Kapitel 2.2.2.

4.3.4 Optimierung und Analyse des Störverhaltens des Drehzahlregelkreises

Nachdem der unterlagerte Stromregelkreis eingestellt wurde, erfolgt die Optimierung des überlagerten Drehzahlregelkreises. Die Einstellung erfolgt nach dem Symmetri-schen Optimum auf gutes Störverhalten.

Als Grundlage dafür dient Tabelle 1. Unter Einbeziehung der Summenzeitkonstante des vereinfachten Stromregelkreises und der Glättungszeitkonstante der Drehzahlist-

werterfassung errechnet sich die Nachstellzeit für den Drehzahlregler

2 SiT

GnT


Ermitteln sie unter Einbeziehung der Summenzeitkonstante des vereinfachten Stromregelkreises und der Glättungszeitkonstante der Drehzahlistwerter-

fassung die Ersatzzeitkonstante für den Drehzahlregelkreis .

2 SiT

GnT SnT

( )2Sn Si GnT T T= + = ms

s

Errechen sie nach dem Symmetrischen Optimum die Nachstellzeit des Drehzahl-reglers.

4Nn SnT T= =

Berechnen sie die mechanischen Zeitkonstante (Tabelle 1).

( )2A

MJ RT scφ

= =

Ermitteln sie die Reglerverstärkung für den Drehzahlregler unter Berücksichti-gung der Umrechnung der Winkelgeschwindigkeit in die Drehzahl, MT , und

(SnT

Tabelle 1).

2602 222

iM M MPn

ASn Sn Sn n ASn n

i

K cT T TK RT K T K RT KK c

60φ π

φ π

= = = =

1,5t s=

Nm 2,8t s=

Mit diesen Parametern wird ein Führungsgrößensprung von 500 auf zum

Zeitpunkt vorgenommen. Das Störverhalten des Drehzahlregelkreises wird mit

ein Momentensprung von 2 an der Welle des Motors zum Zeitpunkt unter-

sucht.

-11000min

Öffnen sie die Schaltung Drehzahlregelkreis.SSC und stellen sie den Stromreg-ler mit den aus dem vorherigen Versuch ermittelten Parametern ein (lassen sie diese während des Versuches unverändert).

Tragen sie anschließend die Reglerparameter und NnT PnK für den Drehzahlreg-

ler in das Eingabefeld ein. Alle anderen Parameter sind voreingestellt und müs-sen nicht geändert werden.

Nehmen sie die Drehzahlübergangsfunktion auf und überprüfen sie den Dreh-zahlverlauf ob sich ähnliches Verhalten des Symmetrischen Optimums einstellt. Kontrollieren sie gegebenenfalls ihre Reglerparameter und starten sie die Simu-lation erneut.


Ermitteln sie die Anregelzeit , die Überschwingweite At hΔ des Drehzahlver-

laufs. Zur Untersuchung des Störverhaltens messen sie den maximalen Dreh-zahleinbruch und die Ausregelzeit der Störung. Tragen sie die Kenn-

werte in die Zeile (Standard Reglereinstellung) der

nΔ Aust

Tabelle 2 ein.

Führungsverhalten Störverhalten Reglereinstel-lung [ ]%hΔ [ ]At ms 1minn −⎡ ⎤Δ ⎣ ⎦ [ ]Aust ms

Standard

korrigierte

empirische

Tabelle 2: Ergebnisse der Drehzahloptimierung

Nehmen sie eine Bewertung des Führungs- und Störverhaltes des Drehzahlre-gelkreises vor. Begründen sie warum sich mit den ermittelten Parametern nicht das typische Verhalten des Symmetrischen Optimums einstellt. Vergleichen sie die ermittelten Ergebnisse mit den theoretischen Betrachtungen aus Kapitel 2.3. Beschreiben sie den Stromverlauf und begründen sie warum dieser bei Belas-tung ansteigt.

Um das Verhalten des Drehzahlregelkreises dem Symmetrischen Optimum anzunähern, wird eine Korrektur der Reglereinstellwerte vorgenommen. Als Grundlage dafür dient die EMK- Rückführung. In Anlehnung an Abbildung 6 ergibt sich die Übertragungs-funktion des offenen Drehzahlregelkreises

( ) ( )( )

( )( )

1 601 11 2 1

1 1

Nn n An offen Pn

SnNn i Sn M

M A Sn

pT K RG p K TpT K pT c pTT pT pT

φ π

⎛ ⎞⎜ ⎟+ ⎜ ⎟=

+ ⎜ ⎟+⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

(4.1)

Die bekannte Übertragungsfunktion wird um den Klammerausdruck erweitert, schließt man den offenen Regelkreis der Gleichung (4.1), so entsteht


( )n geschlossenG p =

2

2 2 3 3 4 3

1 4 1 44

2 21 4 1 8 1 8 1 84 2

ASn Sn A

Sn

Si SR SiA A ASn Sn Sn Sn A

Sn Sn M Sn Sn M

Tp T p T TT

T T TT T Tp T p T p T p TT T T T T T

⎛ ⎞+ + +⎜ ⎟

⎝ ⎠⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + + + + + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠T

Ein Vergleich zur Standardübertragungsfunktion (2.22) zeigt, dass die Koeffizienten um Summen von Zeitkonstantenverhältnissen erweitert sind. Aus dem ersten Koeffizienten der Übertragungsfunktion,

1 4 14

ASn

Sn

TA TT

⎛ ⎞= +⎜

⎝ ⎠⎟ , (4.2)

wird ersichtlich, dass sich mit der Nachstellzeit 4Nn SnT T= nicht das gewünschte Ver-

halten des Symmetrischen Optimums einstellt. Die Nachstellzeit muss nach Gleichung (4.2) um verkleinert werden. Ebenso muss eine Korrektur der Reglerverstärkung

vorgenommen werden, sie ergibt sich aus dem Verhältnis der neuen zur alten Nachstell-zeit. Aus der oben dargestellten Gleichung

AT

(4.2) kann folgende Korrektur der Reglerein-stellungen abgeleitet werden,

4Nn Sn AT T T= − = s ,

2

28 6Nn M i

PnSn n A

T T K cKT K R 0

φ π= =

Errechnen sie die neuen Reglerparameter und überprüfen sie diese in der Simu-lation. Tragen sie die Ergebnisse in die zweite Zeile der Tabelle 2 ein (korrigier-te Reglereinstellung). Bewerten sie die Verbesserung hinsichtlich des Führungs- und Störverhaltens.

Um den Regelkreis durch eine empirische Suche der Regelereinstellparameter schneller

zu machen, , nimmt man ein größeres Überschwingen, At ↓ hΔ ↑ , in Kauf. Die Ermitt-

lung der empirischen Reglereinstellwerte erfolgt nach folgenden Erfahrungswerten,

Pn AK t↑ → ↓ ,

NnT h↓ → Δ ↑ .

Optimieren sie den Drehzahlregelkreis durch Aufnahme weiterer Sollwertsprün-ge durch ändern der Drehzahlreglerparameter bis sich das gewünschte Verhalten des Symmetrischen Optimums einstellt (Überschwingen hΔ =43 %; Anregelzeit

). Tragen sie diese in die Spalte empirische Reglereinstellung ein. 3,1At = SnT


Nutzen sie dazu die Optimierungshilfe für den Drehzahlregelkreis (Abbildung 16 und die Tabelle 3). NnT ms PnK= ; =

Abbildung 16: Optimierungshilfe Drehzahlregelkreis

NnT = NnT = NnT = Reglereinstel-lung [ ]%hΔ [ ]At ms [ ]%hΔ [ ]At ms [ ]%hΔ [ ]At ms

PnK =

PnK =

PnK =

PnK =

Tabelle 3: Führungsverhalten empirische Reglereinstellung

4.3.5 Sollwertglättung

Ziel der Sollwertglättung ist es, den D-Anteil im Zähler der Übertragungsfunktion des geschlossenen Drehzahlregelkreises zu kompensieren. Ein Überschwingen des Dreh-zahlregelkreises wird reduziert, ohne dabei das gewünschte Störverhalten zu beeinflus-sen. Zur Sollwertvorgabe wird ein PT1-Glied nach Gleichung (2.24) für den Drehzahl-regler verwendet.


Errechnen sie die Glättungszeitkonstante des PT1-Gliedes.

4SWG SnT T s= =

Ein Führungsgrößensprung von 500 auf 1000 min-1 zum Zeitpunkt zeigt den

Effekt der Sollwertglättung. Zur Untersuchung des Störverhaltens wird die Maschine zum Zeitpunkt

1,3t = s

s2,8t = mit einem Momentensprung von belastet. 2 Nm

Öffnen sie die Schaltung Drehzahlregelkreis mit Sollwertglättung.SSC und stel-len sie den Stromregler mit den optimalen Parametern ein (lassen sie diese wäh-rend des Versuches unverändert).

Tragen sie anschließend die Standard Reglerparameter aus dem vorherigen Ver-such, und NnT PnK , für den Drehzahlregler in das Eingabefeld ein.

Stellen sie die Glättungszeitkonstante, , des PT1-Gliedes auf den errechne-

ten Wert ein. Alle anderen Parameter sind voreingestellt und müssen nicht geän-dert werden.

SWGT

Nehmen sie die Drehzahlübergangsfunktion auf und überprüfen sie die Wirkung der Sollwertglättung. Ermitteln sie die Anregelzeit , die Überschwingweite

des Drehzahlverlaufs. Zur Untersuchung des Störverhaltens messen sie den

maximalen Drehzahleinbruch

At

hΔ

nΔ und die Ausregelzeit der Störung. Tragen

sie die Kennwerte in die Zeile (Standart Reglereinstellung) der Aust

Tabelle 4 ein.

Führungsverhalten Störverhalten Reglereinstel-lung [ ]%hΔ [ ]At ms 1minn −⎡ ⎤Δ ⎣ ⎦ [ ]Aust ms

Standard

korrigierte

Tabelle 4: Verhalten des Drehzahlregelkreises bei Sollwertglättung

Wiederholen sie den Versuch mit der korrigierten Reglereinstellung des Dreh-zahlreglers und tragen sie diese in die zweite Zeile der Tabelle 4 ein.

Nehmen sie eine Bewertung der Wirkung der Sollwertglättung vor. Welchen Einfluss hat sie auf die Dynamik und auf die Überschwingweite des Drehzahlre-gelkreises. Vergleichen sie die Standart und die korrigierte Reglereinstellung mit den theoretischen Betrachtungen aus Kapitel 2.3.


Weisen sie nach warum sich die Sollwertglättung nicht auf das Störverhalten auswirkt.

4.3.6 Führungsverhalten mit Sollwertintegrator

In der Ausführung des nächsten Versuchs soll das Verhalten eines Sollwertintegrators untersucht werden, mit dem Ziel das Überschwingen und den Beschleunigungsstrom noch weiter zu reduzieren. Damit der interessierte Benutzer den Effekt der integralen Sollwertvorgabe besser beurteilen kann, soll eine Untersuchung an dem bereits bekann-ten Führungsgrößensprung von 500 auf 1000 min-1 durchgeführt werden. Im Mittel-punkt der Untersuchung steht der Einfluss der Reglereinstellungen und der Integrations-zeitkonstanten des Sollwertintegrators. SIT

Öffnen sie die Schaltung Drehzahlregelkreis mit Sollwertintegrator.SSC und stellen sie den Stromregler mit den optimalen Parametern ein (lassen sie diese während des Versuches unverändert).

Tragen sie anschließend die Standard Reglerparameter, und NnT PnK , für den

Drehzahlregler in das Eingabefeld ein.

Stellen sie die Integrationszeitkonstante, 0,5SIT s= , des Integrators ein. Alle

anderen Parameter sind voreingestellt und müssen nicht geändert werden.

Nehmen sie die Drehzahlübergangsfunktion auf und überprüfen sie die Wirkung des Sollwertintegrators. Ermitteln sie die Anregelzeit , die Überschwingweite

des Drehzahlverlaufs. Tragen sie die Kennwerte in die Zeile (Standart Reg-

lereinstellung) der

At

hΔ

Tabelle 5 ein.

Nehmen sie weitere Sollwertsprünge auf und verwenden sie die in Tabelle 5 an-gegebenen Parameter und die korrigierte Reglereinstellung. Korrigieren sie

gegebenenfalls den Schaltzeitpunkt des Führungssprunges. SIT


Führungsverhalten Reglereinstellung

[ ]%hΔ [ ]At ms

0,5SIT s=

1,5SIT s=

Standard

3SIT s=

0,5SIT s=

1,5SIT s=

korrigierte

3SIT s=

Tabelle 5: Führungsverhalten mit Sollwertintegrator

Nehmen sie eine Bewertung zur Wirkung der Integrationszeitkonstanten und der Reglereinstellung des Drehzahlreglers vor. Wie wirkt sich die Integrationszeit-konstante auf die Dynamik des Drehzahlregelkreises aus?


4.3.7 Drehzahlregelvorgang mit Strombegrenzung

Im folgenden Versuch soll anhand des bekannten Führungsgrößensprunges von 500 auf 1000 min-1 der Drehzahlregelvorgang mit Strombegrenzung untersucht werden. Dazu sind die Stromsollwertgrenzen auf 3 A eingestellt.

Öffnen sie die Schaltung Drehzahlregelkreis mit Strombegrenzung.SSC und stel-len sie den Stromregler mit den optimalen Parametern ein (lassen sie diese wäh-rend des Versuches unverändert).

Tragen sie anschließend die korrigierten Reglerparameter, und NnT PnK , für den

Drehzahlregler in das Eingabefeld ein. Alle anderen Parameter sind voreinge-stellt und müssen nicht geändert werden.

Nehmen sie die Drehzahlübergangsfunktion auf. Ermitteln sie:

die Ausregelzeit , Aust m= s

die Überschwingweite %hΔ = des Drehzahlverlaufs.

Ermitteln sie den Grenzstrom AI A=

Begründen sie warum sich nicht der Grenzstrom von 3AI A= einstellt.

Beschreiben sie den Verlauf des rosa dargestellten Drehzahlreglerausgangs, nut-zen sie dazu die Begriffe der Regelabweichung, soll istn n− und der statischen

Strombegrenzung.

Wie wird dieser Effekt genannt?

4.3.8 Drehzahlregelvorgang mit Anti-Windup Maßnahme

Um die negativen Eigenschaften der Strombegrenzung zu verhindern, wird eine Anti-Windup-Maßnahme verwendet. Sie soll am bekannten Drehzahlsprung untersucht wer-den. Für die Simulation werden die Einstellungen des vorherigen Versuches beibehal-ten. Zusätzlich sind die Integrationsgrenzen des Drehzahlreglers auf I_Grenze bzw. - I_Grenze eingestellt.


Öffnen sie die Schaltung Drehzahlregelkreis mit Strombegrenzung und Anti-Windup.SSC und stellen sie den Stromregler mit den optimalen Parametern ein (lassen sie diese während des Versuches unverändert).




die Ausregelzeit , Aust m= s

und die Überschwingweite %hΔ = des Drehzahlverlaufs.

Ermitteln sie den Grenzstrom AI A= .

Beschreiben sie den Verlauf des rosa dargestellten Drehzahlreglerausgangs, nut-zen sie dazu die Begriffe der Regelabweichung, soll istn n− und der statischen

Strombegrenzung.

Wie ist die Wirksamkeit der Anti-Windup-Maßnahme zu beurteilen?

4.3.9 Analyse des Reversiervorganges

Im folgenden Versuch soll ein Reversiervorgang in Abhängigkeit der Lückstromadapti-on untersucht werden. Es wird ein Drehrichtungswechsel von 250 auf -250 min-1 zum Zeitpunkt mit den korrigierten Reglereinstellwerten vorgenommen. 1,5t = s

2N

s

Öffnen sie die Schaltung Drehrichtungumkehr.SSC und stellen sie den Strom-regler mit den optimalen Parametern ein. Achten sie zusätzlich darauf die Nach-stellzeit T einzustellen, sie entspricht der Nachstellzeit bei lückenden Strom.

PiK =

1 2N A NT T T m= = =





die Reversierzeit , Rt m= s

und die Überschwingweite %hΔ =

des Drehzahlverlaufs nach dem Reversieren.

Beschreiben sie den Reversiervorgang im Hinblick auf den Stromverlauf und die daraus resultierende hohe Überschwingweite.

Als Ursache für das hohe Überschwingen und die lange Reversierzeit ist die Fehlanpas-sung des Drehzahlregelkreises beim Durchlaufen des Lückbereiches zu benennen. Die Fehlanpassung der Nachstellzeit des Stromreglers zu einem D-Anteil im Zähler und

zu einer vergrößerten Zeitkonstante im Nenner der Standardübertragungsfunktion des Stromregelkreises.

NiT

Die Optimierung des Drehzahlregelkreises geht auf das betragsoptimierte Verhalten des geschlossenen Stromregelkreises zurück. Für den Bereich der stromlosen Pause ist die Nachstellzeit des Drehzahlreglers zu klein und folglich die Proportionalverstärkung zu groß gewählt. Aufgrund der zu geringen Dämpfung des Drehzahlregelkreises führt eine solche Fehlanpassung bei fehlender Lückstromadaption zu kräftigem Überschwingen. Um das dynamische Verhalten des Drehzahlregelkreises zu verbessern, ist die Anwen-dung einer Lückstromadaption notwendig.

Errechnen sie die Nachstellzeit des Stromreglers für den Lückbetrieb (Tabelle 1).

2Ni Si i lückT T K K m= = s (4.3)

Für einen adaptiven Stromregler besteht die Möglichkeit der Strukturumschaltung von PI- auf I-Verhalten oder die Umschaltung der Integrationszeitkonstanten unter Beibe-haltung der PI-Struktur. Letztere Option liegt vor, die Nachstellzeit muss für den

Lückbetrieb aus der Übergangsfunktion des Stromreglers umgerechnet werden, 2NT

( )2

1 PiRi lückend Pi

Ni N

KG ppT pT

= ≈ + K

s

. (4.4)

Berechnen sie unter der Vernachlässigung des Proportionalanteils die Nachstell-zeit des Stromreglers. 2NT

2N Pi NiT K T m= = (4.5)

Stellen sie den adaptiven Stromregler für den lückenden Ankerstrom auf

ein. Alle anderen einzustellenden Werte werden beibehalten. 2NT


Nehmen sie die Drehzahlübergangsfunktion erneut auf. Ermitteln sie:

die Reversierzeit , Rt m= s

und die Überschwingweite %hΔ =

des Drehzahlverlaufs nach dem Reversieren.

Beschreiben sie das dynamischen Verhalten des Drehzahlregelkreises. Welche Bedeutung hat die Lückstromadaption beim Reversieren?

4.3.10 Analyse der Stromrichterbetriebsarten beim Reversieren

Anhand des vorher ausgeführten Drehrichtungswechsels sollen die Betriebsarten der Stromrichter beim Reversieren untersucht werden. Die Sollwertvorgabe und die Regler-einstellungen des vorherigen Versuches werden beibehalten. Zusätzlich wird die Strom-richterausgangsspannung analysiert.

Öffnen sie die Schaltung Reversieren.SSC und stellen sie den Stromregler mit den optimalen Parametern ein, PiK 1N 2N,T ,T .



Nehmen sie den Reversiervorgang auf. Beschreiben sie die Betriebsarten der Stromrichter. Nutzen sie die grün dargestellte Stromrichterausgangsspannung. Verwenden sie Begriffe wie Gleichrichterbetrieb, Wechselrichterbetrieb und Zündimpulse.

Ermitteln sie die Dauer der stromlosen Pause. Welchen Sinn hat sie?

Pt m= s

Messen sie die Spannung während der stromlosen Pause.

qu V=

Errechnen sie die Induzierte Spannung des Motors während der stromlosen Pau-

se.( Drehzahl 1250ministn −≈ )

260

istq

nu c c Vs

φ ω φ π= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = (4.6)

Literaturverzeichnis 37

Literaturverzeichnis [Brosch] Peter F. Brosch: Moderne Stromrichterantriebe.

Vogel Fachbuch: Auflage 2, ISBN:3-8023-0241-9

[HerStein] Hering, Stein: Taschenbuch der Mechatronik.

Fachbuchverlag Leipzig: Auflage 1, ISBN:3-446-22881-0

[Leonh] Werner Leonhard: Regelung elektrischer Antriebe.

Springer Verlag Berlin: Auflage 2, ISBN:3-540-67179-X

[PfaMei] Gerhard Pfaff, Christof Meier: Regelung elektrischer Antriebe 2.

R.Oldenbourg Verlag München: Auflage 2, ISBN:3-486-20892-6

[Riefst] Ulrich Riefenstahl: Elektrische Antriebssysteme.

Teubner Wiesbaden: Auflage 2, ISBN:3-8351-0029-7

Fachhochschule Stralsund Fachbereich Elektrotechnik...

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