Hochdynamische Regelung der Rotorposition einer permanenterregten Gleichstrommaschine

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1 Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow Aufgabe 7 Hochdynamische Regelung der Rotorposition einer permanenterregten Gleichstrommaschine Teil 1: Blockschaltbild der Übertragungsstrecke Das Blockschaltbild einer permanenterregten Gleichstrommaschine für den Betrieb mit variabler, an die Welle gekoppelter Last wurde im Rahmen der Vorlesung RT II vorgestellt und ist nur der Vollständigkeit halber nochmals in Bild 1 dargestellt. Das Proportionalglied mit der Verstärkung J N J ges berücksichtigt das variable Massenträgheitsmoment des Antriebsstrangs. Dabei ist J N das Massenträgheitsmoment der Maschine (liegt der Festlegung von TaN zugrunde) und J ges das resultierende Massenträgheitsmoment des gesamten Antriebsstrangs. Bild 1 Blockschaltbild einer permanenterregten Gleichstrommaschine für den Betrieb mit variabler, an die Welle gekoppelter Last Seite 1

2 Als leistungselektronisches Stellglied soll ein Vierquadranten-Gleichstromsteller mit Gleichspannungszwischenkreis (U ZK = 540V) zum Einsatz kommen. Das Blockschaltbild dieses Stellglieds ist in Bild 2 dargestellt. Bild 2 Regelungstechnisches Blockschaltbild des als leistungselektronisches Stellglied eingesetzten Vierquadranten-Gleichstromstellers Teil 2: Unterlagertes Zweipunkt-Regelsystem für den Ankerstrom i Der Ankerstrom der Maschine kann mit verhältnismäßig geringem Aufwand statisch und dynamisch hochwertig erfasst werden. Es erscheint daher zunächst sinnvoll, in einem unterlagerten Zweipunkt-Regelsystem den Ankerstrom der Maschine zu führen. Dem überlagerten Positionsregler bleibt dann die Aufgabe, den Ankerstromsollwert für den unterlagerten Stromregelkreis zur Verfügung zu stellen. Fragen: 2.1 Erstellen Sie ein Blockschaltbild für die Rotorpositionsregelung einer permanenterregten Gleichstrommaschine mit unterlagerter Zweipunktregelung des Ankerstroms. Der überlagerte Positionsregler soll dabei als Bypass-I-Regelsystem mit Rückführung eines vollständigen, zeitlich konstant gewichteten Satzes von Zustandsgrößen ausgeführt werden. Seite 2

3 2.2 Überprüfen Sie, ob es sich bei dem unterlagerten Zweipunkt-Regelsystem um ein sogenanntes "unmittelbar einschwingendes" Regelsystem handelt. 2.3 Geben Sie die Führungsübertragungsfunktion des Positionsregelsystems unter der Voraussetzung an, dass der unterlagerte Regelkreis für den Ankerstrom als ideales Stellglied (i = i soll ) betrachtet werden kann. 2.4 Geben Sie die Störübertragungsfunktion des Positionsregelsystems bei einem von außen angreifenden Widerstandsmoment wiederum unter der Voraussetzung an, dass der unterlagerte Regelkreis für den Ankerstrom als ideales Stellglied (i = i soll ) betrachtet werden kann. Teil 3: Unterlagertes Zweipunkt-Regelsystem für die Drehbeschleunigung α der Maschine Im Vergleich zur unterlagerten Zweipunkt-Regelung des Ankerstroms der Maschine erhält man hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Antriebs weitaus günstigere Verhältnisse, wenn im unterlagerten Zweipunkt-Regelsystem die Drehbeschleunigung α der Maschine geregelt wird. Fragen: 3.1 Erstellen Sie ein Blockschaltbild für die Rotorpositionsregelung einer permanenterregten Gleichstrommaschine mit unterlagerter Zweipunktregelung der Drehbeschleunigung der Maschine. Der überlagerte Positionsregler soll gemäß Frage 2.1 ausgeführt werden. 3.2 Überprüfen Sie wieder, ob es sich bei dem unterlagerten Zweipunkt- Regelsystem um ein sogenanntes "unmittelbar einschwingendes" Regelsystem handelt. 3.3 Geben Sie die Führungsübertragungsfunktion des Positionsregelsystems unter der Voraussetzung an, dass der unterlagerte Regelkreis für die Drehbeschleunigung der Maschine als ideales Stellglied (α = α soll ) betrachtet werden kann. Seite 3

4 3.4 Geben Sie die Störübertragungsfunktion des Positionsregelsystems bei einem von außen angreifenden Widerstandsmoment wiederum unter der Voraussetzung an, dass der unterlagerte Regelkreis für die Drehbeschleunigung der Maschine als ideales Stellglied (α = α soll ) betrachtet werden kann. 3.5 Welche Vor- und Nachteile weist das Regelsystem mit unterlagerter Drehbeschleunigungsregelung gegenüber dem Regelsystem mit unterlagerter Ankerstromregelung auf? Seite 4

5 Lösungsblatt zu Frage 2.1 und 3.1 Lösungsblatt 1

6 Lösungsblatt zu den Fragen 2.3 und 2.4 Lösungsblatt zu den Fragen 3.3 und 3.4 Lösungsblatt 2