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--- professoren_webseiten:rebholz:maschinen [2020/01/28 06:33] – [Aufgabe 4: Regelung auf konstante Drehzahl] hrebholz
+++ professoren_webseiten:rebholz:maschinen [2024/07/18 19:56] (aktuell) – [Abschluss] hrebholz
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-===== Übungsaufgaben zur Vorlesung Elektrische Antriebe =====
+===== Übungsaufgabe zur Vorlesung Elektrische Antriebe =====
 ==== Vorwort / Randbedingungen ====
 Die Übungsaufgabe ist eine Ergänzung zu unseren Laborübungen und betrachtet simulativ das Verhalten einer permanenterregten Gleichstrommaschine. Ihre Aufgabe besteht darin die Simulationen durchzuführen und in Form eines Laborberichts in Moodle bis zum Semesterende abzugeben. Ggf. besprechen wir einzelne Abschnitte zusammen in der Vorlesung. Falls Sie nicht weiterkommen sprechen Sie mich bitte während der Vorlesung an. \\
-Der Laborbericht kann als Bildergeschichte in Power-Point verfasst sein. Achten Sie aber darauf alle Grafiken zu erklären und vor allem die Ergebnisse zu interpretieren. Eine Abgabe reiner Bilder ohne Erklärung gilt als nicht bestanden. Weiterhin wir als Abgabeformat nur pdf akzeptier.
+Der Laborbericht kann als Bildergeschichte in Power-Point verfasst sein. Achten Sie aber darauf alle Grafiken zu erklären und vor allem die Ergebnisse zu interpretieren. Eine Abgabe reiner Bilder ohne Erklärung gilt als nicht bestanden. Weiterhin wir als Abgabeformat nur pdf akzeptiert.
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 Ich bin mir sicher, Sie konnten die vorangegangenen Fragen problemlos aus eigener Erfahrung heraus beantworten. Als Ingenieure versuchen wir natürlich die Beobachtungen mathematisch zu beschreiben um so das Verhalten für viele weitere Belastungsfälle vorherzusagen. \\
 Bei der Auslegung eines elektrischen Antriebsstrangs spielt die Drehzahl- Drehmomentkennlinie n(M) eine entscheidende Rolle. Oder in Worte: Welche Drehzahl wird sich aufgrund des zu erbringenden Moments der Arbeitsmaschine einstellen. Die Kennlinie stellt also unsere Vorhersage über das Verhalten der Maschine bei äußerer Belastung dar -> genau das, was wir vorhaben ...\\
-Bei ungeregelten Maschinen, und davon gehen wir erstmal aus, stellt sich die resultierende Drehzahl als Gleichgewicht zwischen der äußeren Last und dem von der Maschine erzeugten Drehmoment ein.
+Bei ungeregelten Maschinen, und davon gehen wir erstmals aus, stellt sich die resultierende Drehzahl als Gleichgewicht zwischen der äußeren Last und dem von der Maschine erzeugten Drehmoment ein.
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 ==== Aufgabe 3: Hochlaufzeit ====
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 {{ :professoren_webseiten:rebholz:hochlaufzeit.jpg?direct&200 |}}
-Bei konstantem äußeren und erzeugten Moment vereinfachte sich die Gleichung entsprechend und das Integral entfällt.
+Meist lässt sich das Integral nicht geschlossen lösen. Am Einfachsten ist es daher die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Mittelpunktsregel|Mittelpunktsregel]] zur Integration heranzuziehen.
+Die Integration erfolgt dann in mehreren Teilabschnitten. In unserem Beispiel ist eine Stützstelle ausreichend, da das Motormoment linear mit der Drehzahl abnimmt. Bestimmen Sie daher zuerst das mittlere Beschleunigungsmoment über den gesamten Hochlauf womit das Integral entfallen kann.
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 Simulieren sie die Hochlaufzeit Ihrer Arbeitsmaschine unter Bemessungsbedingungen (U = U<sub>n</sub>, M = M<sub>n</sub>, ...). Stellen Sie der Simulation das Berechnungsergebnis gegenüber.
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-==== Aufgabe 4: Regelung auf konstante Drehzahl====
+==== Aufgabe 3: Regelung auf konstante Drehzahl====
 Bisher haben wir die elektrische Antriebsmaschine mit Hilfe der Versorgungsspannung und der äußeren Belastung beeinflusst, bzw. die Drehzahl geändert. Allerdings sehr passiv, im Sinne einer klassischen Steuerung. Die Königsdisziplin besteht natürlich darin die Versorgungsspannung so zu manipulieren, dass einer der beschreibenden
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 Viele Maschinen sind heute mit einer elektronischen Regeleinheit ausgestattet, allerdings natürlich bei weitem nicht alle. Ursächlich dafür sind wie so oft die Produktkosten. Nichts ist umsonst, schon gar keine Leistungselektronik. Daher macht es durchaus für viele Anwendungen Sinn die natürliche Kennlinie im Zusammenspiel mit der Anforderung der Last zu verwenden. Wer braucht schon geregelte Fensterheber oder eine Rasenmäher mit fester Drehzahl?\\
-Die letzte Teilaufgabe besteht darin für Ihren Motor eine Drehzahlregelung aufzubauen. Das Ziel ist es nicht die optimalen Regelparameter zu finden. Vermeiden Sie all zu aggressive Regler und beachten Sie die Grenzbetriebspunkte. Alternativ dazu können Sie in Simulink auf das Tool "Automated Tunig" zurückgreifen. Verifizieren Sie die Regelung indem Sie den Motor mit periodischen Lastsprüngen oder Soll- (Drehzahlsprünge) beaufschlagen. Stellen Sie die Soll- und Istgrößen grafisch gegenüber und machen Sie kenntlich ab wann der Regler in Begrenzung kommt.
+Die letzte Teilaufgabe besteht darin für Ihren Motor eine Drehzahlregelung aufzubauen. Das Ziel ist es nicht die optimalen Regelparameter zu finden. Sie können entweder einen bereitgestellten PID-Reglerbaustein aus der Matlab-Bibliothek verwenden oder mit Hilfe des Videos ihren eigenen Regler aufbauen. Der Matlab-Baustein erlaubt es mit dem Tool "Automated Tunig" automatisch ideale Regelparameter zu ermitteln (hierzu muss allerdings die Toolbox "Simulink Control Design" installiert sein). Dazu linearisiert Matlab für Sie die Übertragungsstrecke und berechnet die Parameter für die gewünschte Sprungantwort. Das eigene Modell erlaubt hingegen einen besseren Einblick in die Funktion des Regleraufbaus. \\
+{{youtube>w-DbQMyC1Ds?medium}}
+Verifizieren Sie die Regelung indem Sie den Motor mit periodischen Lastsprüngen oder Soll- (Drehzahlsprünge) beaufschlagen. Stellen Sie die Soll- und Istgrößen grafisch gegenüber und machen Sie kenntlich ab wann der Regler in Begrenzung kommt.
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-**Aufgabe 4a)**
+**Aufgabe 3a)**
-  * Entwerfen Sie eine Drehzahlregelung und verifizieren/dokumentieren Sie deren Funktion. Treffen Sie geeignete Vorkehrungen, dass die Betriebsgrenzen des Motors nicht verlassen werden. Testen Sie gezielt das Anfahren der Betriebsgrenzen und machen Sie jeweils kenntlich welcher Parameter die limitierende Größe ist.
+  * Entwerfen Sie eine Drehzahlregelung und verifizieren/dokumentieren Sie deren Funktion. Treffen Sie geeignete Vorkehrungen, dass die Betriebsgrenzen des Motors nicht verlassen werden. Testen Sie gezielt das Anfahren der Betriebsgrenzen und machen Sie jeweils kenntlich welcher Parameter die limitierende Größe ist. Geben Sie dem Regler die Bemessungsdrehzahl als Sollvorgabe und ermitteln Sie erneut die Drehzahl- Drehmomentenkennlinie ihres Motors zusammen mit der Regelung.
-  * Was müssen Sie tun damit auch der Motorstrom begrenzt werden kann? Finden Sie hierzu eine Lösung.
+  * In vielen Fällen ist es auch notwendig den Motorstrom zu begrenzen. Dazu werden kaskadierte Regler verwendet. Skizzieren Sie eine kaskadierte Regelung (Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung) und überlegen Sie sich wie die n(M) Kennlinie verläuft in Abhängigkeit der Solldrehzahl und des maximalen Stromwertes.
 </WRAP>
-Tipp: Zum testen der Strombegrenzung kann der Motor über ein sehr hohes Massenträgheitsmoment "festgebremst" werden.
+Nachfolgende Videos zeigen eine Anwendung der **Stromregelung**
+{{youtube>APJodDr05Ew?medium}}
+\\
+und der **Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung** mit einer kurzen Zusammenfassung der betrachteten Regelmöglichkeiten unserer Gleichstrommaschine.
+{{youtube>FfNwM9oD9QY?medium}}
+\\
+----
 ==== Abschluss ====
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   - Was Ihnen sonst so einfällt zum Versuch ....
-Zur ersten Übungsaufgabe soll es zukünftig auch einen praktischen Versuchsaufbau geben an dem Sie Ihre aufgebaute Regelung im realen Aufbau testen können. Dazu gibt es eine Reihe an Projekt- und Abschlussarbeiten. Falls Sie Interesse haben melden Sie sich bitte bei mir.
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- --- //[[hrebholz@htwg-konstanz.de|Heinz Rebholz]] 2020/01/03 21:07//
+ --- //[[hrebholz@htwg-konstanz.de|Heinz Rebholz]]