Energy optimal acceleration drive and downsizing-loops
Final Report Abstract
In der bisherigen Projektarbeit wurden Möglichkeiten für die energieoptimale Steuerung elektrischer Stellantriebe untersucht. Schwerpunkt bilden dabei die energieoptimale Bewegungssteuerung und die optimale Steuerung des Maschinenflusses, jeweils mit dem Ziel einer Minimierung der Stromwärme des Stellmotors. Dieser Ansatz wurde jetzt erweitert um die gesamten Antriebsverluste bei der Optimierung berücksichtigen zu können. Es zeigt sich dabei, dass die optimale Bewegungstrajektorie nicht mehr unbedingt auf der Geradenform der energieoptimalen Beschleunigungstrajektorie liegen muss. Bei Berücksichtigung der Umrichterverluste ergibt sich eine nichtlineare Form mit größerer Maximalbeschleunigung, aber dafür reduzierter Maximalgeschwindigkeit. Bei hochdynamischen Beschleunigungsvorgängen mit ohnehin großen Drehzahlen tritt dieser Effekt bereits bei alleiniger Berücksichtigung von Eisen- und Reibungsverlusten des Stellmotors auf. Der prinzipielle Effekt einer größeren Maximalbeschleunigung zugunsten einer verringerten Maximalgeschwindigkeit ist für alle Maschinentypen gültig. Die so optimierte Beschleunigungstrajektorie weist gegenüber der energieoptimalen Trajektorie ein weiteres Energiesparpotential von zusätzlichen ca. 20 % auf. Allerdings muss für die größere Maximalbeschleunigung auch ein größerer Maximalstrom in Kauf genommen werden, der sich fallweise in erhöhten Anschaffungskosten für einen entsprechend stromtragfähigen Umrichter niederschlägt. Unter dem Einfluss einer Begrenzung für den Maximalruck näheren sich die Optimierungsergebnisse wieder an die Geradenform der energieoptimalen Trajektorie an. Der Energiespareffekt fällt entsprechend geringer aus. Bei der Optimierung des Rotorflusses zeigt sich, dass es bei Berücksichtigung weiterer Antriebsverluste sinnvoll sein kann, den Rotorfluss bereits abzusenken, auch wenn dem Stellmotor noch mindestens Bemessungsmoment abgefordert wird. Der damit erzielbare Energiespareffekt hängt stark von den Randbedingungen der Stellaufgabe ab und wird in der Regel größer, je länger der Motor zusammenhängend bei geringer Beschleunigung betrieben wird (maximale Drehzahl). Durch den Einfluss der Rotorzeitkonstante insbesondere bei Asynchronmaschinen ist eine Online-Nachführung des Flusses aber in der Regel nicht möglich. Die Optimierung muss vorab unter Kenntnis des gesamten Lastprofils erfolgen. Ein Downsizing des Antriebsmotors ist vor allem für reine Beschleunigungsvorgänge mit geringem Lastträgheitsmoment interessant. Durch optimierte Bewegungsverläufe kann hier besonders das effektiv geforderte Drehmoment reduziert werden, sodass innerhalb der groben Staffelung der Bemessungsmomente der Motorenhersteller bereits ein kleinerer Motor gewählt werden kann. Steigt das Lastträgheitsmoment und kommt zusätzlich noch ein externes Lastmoment dazu, dann ist Downsizing nur noch bedingt möglich. Mit den erstellten Algorithmen steht nun ein effektives Werkzeug zur Verfügung, um verschiedene Antriebskonfigurationen mit verschiedenen Antriebsmotortypen (Asynchronmotor, PM-Synchronmotor und Synchronreluktanzmotor) hinsichtlich der gewählten Stellaufgabe energetisch zu optimieren. Es können unterschiedliche Varianten durchgerechnet und miteinander verglichen werden. Es zeigte sich zudem, dass die Berücksichtigung der gesamten Antriebsverluste bei der Optimierung unabdingbar ist, da damit deutlich andere, aber stets bessere Ergebnisse erzielt werden können. Potentiale und Grenzen der Optimierung wurden aufgezeigt.
Publications
- Design Rules for Energy Efficient Servo Drives and Mechanical Systems on the Example of Cross Cutting Machines, European Power Electronics and Applications - EPE, Geneva, Switzerland, 2015
C. Evers, J. Schützhold, K. Benath, R. Blümel, V. Müller, W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7311773) - Projektierungsregeln für energieeffiziente Servoantriebssysteme am Beispiel einer Quersiegeleinheit von Verpackungsmaschinen, VDI/VDE-Tagung Antriebssysteme 2015 Elektrik, Mechanik Fluidtechnik in der Anwendung, VDI- Berichte 2268, Aachen, Deutschland, pp. 157 - 168, 2015
C. Evers, J. Schützhold, K. Benath, R. Blümel, V. Müller, W. Hofmann
