DIE VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN DURCH VERÄNDERUNG

DIE VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN DURCH VERÄNDERUNG

DES ERREGERFLUSSES

Von

P. ^MAGYAR

Leh:rstuhl für Automatisierung, Technische Universität Budapest (Eingegangen am 8. November 1974)

Vorgelegt von Prof. Dr. F. CSAKI Bezeichnungen

In diesem Beitrag werden im allgemeinen relative Größen verwendet;

die tatsächlichen Größen sind mit einem Apostroph versehen. Große Buch- staben mit großen Buchstaben im Index bedeuten Konstanten und A.rbeits- punktgrößen, kleine Buchstaben mit kleinen Buchstaben im Index bezeichnen Veränderliche und Zeitfunktionen. Formelzeichen:

D G GO($,D) JA' i^a J_AN JE' ie

JE

K($,.Q) M,m M_{L , m/}

M

_R

M

_FE

M

_pG

M

pH

M_pL

PAN

Pim P_EN P_HN PR' P RN P_WN

P

_v

die Steilheit der $(J E)-Kennlinie im A.rbeitspunkt der Großsignal-Übertragungsfaktor des Erregerkreises

der Quotient des optimalen Flusses und des Armaturenstroms _!\.rmaturenstrom

der Nennwert des Armaturenstroms Erregerstrom

optimaler Erregerstrom Korrektionsfaktor A.rmaturendrehmoment Lastmoment

Reibungsmoment

der A.rbeitspunkt des Reihenschlußmotors im Gegenstromhrems- betrieb

dgl. im generatorischen Bremsbetrieb dgl. im Antriebsbetrieb

labiler A.rbeitspunkt im Bremsbetrieb

der Nennwert des A.rmaturenkupferverlustes der Nennwert der inneren Leistung

der Nennwert des Erregungsverlustes der Nennwert des Hystereseverlustes

Reibungsverlust, der Nennwert des Reibungsverlustes der Nennwert des Wirbelstromverlustes

Gesämtverlust

164

pOv Pvs Q(ifJ,Q)

RA RE

s SVOB

T

_AN

TE T

_S

T

_sw

U'aN

xi Xil

x,.

X₀

YC(S) ({/P ifJ' w,D viI, v~V

,)

Po MAGYAR

Gesamtve:tlust des Gleichst.rommotors mit °konstanter(N enn-) Erregung

Gesamtverlust des Motors mit minimalem Verlust Gesamtverlust des Reihenschlußmotors

Hilfsfunktion

Armaturen' .... iderstand

der Widerstand des Erregerkreises

die Veränderliche der LAPLAcEschen Transformation statischer verlustoptimaler Betrieb

die Anlaufzeitkonstante des Motors die Zeitkonstante des Erregerkreises Ersatzzeitkonstante des Stromregelkreises der tatsächliche Wert von T s

der Nennwert der inneren (induzierten) Spannung Stromsoll wert

das Ausgangssignal des Drehzahlreglers Referenzsignal (vorgeschriebenes Verhalten) Regelabweichung

Winkelgeschwindigkeitssollwert

die Übertragungsfunktion des Drehzahlreglers Erregerfluß

optimaler Fluß

die Winkelgeschwindigkeit des Rotors Maschinenkonstanten

Wirkungsgrad

1. Einleitung

Durch Verändern der Klemmenspannung und des Erregerstromes VO!]

Gleichstrommotoren können optimale _~beitsweisen erreicht werden.

Bei Antrieben, die vorwiegend in nichtstationärem Betrieb arbeiten, müssen optimale Ühergangsvorgänge (optimale Fahrdiagramme) angestrebt werden. Solche Antriebe sind die Reversier-Walzantriebe [4, 7] und die von rotierenden Scheren [6]. Die dynamische Optimierung hat drei Grundaufgaben:

die Bestimmung des zum· kleinsten Verlust, zur kleinsten Ühergangszeit und zum größten Dreh,vinkel gehörenden optimalen Strom- und Drehzahlahlaufs

[1,5

J.

In Antrieben, die meistens in stationärem Betrieb arheiten, kann durch Veränderung des magnetischen Flusses ein Betriehszustand mit kleinster Yer- lustleistung erreicht werden [1, 3]. Dieser Betriehszustand ,vird im weiteren als st8tischer verlust optimaler Betrieb (SVOB) hezeichnet [8].

VERMINDERUNG DES GESAJITVERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN 165

Der SVOB ist aus zwei früheren Arbeiten [1,3] bekannt. STRÖLE [3]

berücksichtigt nur die Kupferverluste. Den optimalen Erregerstromgiht er in Abhängigkeit vom Lastmoment an. Zur Vermeidung der Lastmoment- identifikation empfiehlt er einen Extremwertregler (Suchsystem), der dur~h

Messung der aus dem Netz aufgenommenen Wirkleistung den optimalen Arbeitspunkt einstellt. Diese Lösung ist jedoch nicht befriedigend, da die aufgenommene Wirkleistung auch die abgegebene Wellenleistung enthält.

Die Laständerung stört also die Arbeit des Suchsystems.

R{cz [1] gibt neben der auch die Eisenverluste berücksichtigenden gründlicheren Behandlung auch eine kritische Analyse des SVOB. Hier ergibt sich als Optimumbedingung die Gleichheit des Armaturenwicklungsverlustes mit der Summe der flußabhängigen Verluste. Die Zusammenhänge beziehen sich auf eine als linear angenommene Magnetisierungskennlinie.

Diese Arbeit behandelt die Eigenschaften von Gleichstromantrieben, deren Fluß sich zwecks minimalen Verlustes ändert oder geändert "\·rird. Bei solchen Antrieben verursacht die Laständerung immer eine Flußänderung und deswegen ist in den meisten Fällen eine Drehzahlregelung notwendig.

Der veränderliche Fluß verursacht im Regelkreis Parameteränderungen, was eine Parameteradaption des Reglers notwendig macht [2,8]. Auch die Nicht- linearität der Magnetisierungskennlinie wird berücksichtigt.

2. Die Grundgleichungen des statischen optimalen Betriebs mit minimalem Verlust

Der auf den Nennwert der inneren Leistung bezogene Gesamtverlust des Gleichstrommotors wird in der Form

P_v = P.4N

Ji +

PEN

J! +

^PHN@2IDI

+

PWN @2D2

+

PR (1) geschrieben (Anhang, Gleichung 35). Es werden die Kupferverluste des Arma- turen- und Erregerkreises, die Hysterese- und die Wirbelstromverluste sowie der Reibungsverlust berücksichtigt.

Der A.rmaturenstrom "\ .. ird aus dem Armaturendrehmoment und dem Fluß bestimmt.

JA = M/@, (2)

wo NI die Summe des Lastmoments und des Reibungsmoments ist:

M=ML+MR • (3)

Mit den Gleichungen (1) und (2) kann der Gesamtverlust in Abhängigkeit von dem Moment 2\1 ausgedrückt werden:

P_v ⁼ PAN M2

+

PEN

J! +

PHN @21 D^I

+

PWN @2 D2

+

PR' (4)

@2

7

166 ^{:]>. }\JAGYAR}

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß bei einem gegebenen Moment und einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit der Gesamtverlust einen Extremwert in Abhängigkeit vom Fluß hat (Abb.l). Der zu dem optimalen (minimalen) Verlust gehörende optimale Fluß «(1)0) läßt sich aus der Gleichung:

bestimmen.

o

0.5

- = 0 8Pv (5)

8(1)

M 1,0 0,9

0.7 0.5 0,1

1,5 I}

Abb. 1. Der charakteristische Verlauf der Verluste von Nebenschlußmotoren in Abhängigkeit von dem Fluß

Bei der Berechnung werden die Armaturenrückw-irkung und die Hysterese- schleife außer acht gelassen. Die Magnetisierungskennlinie "IV-ird in der Form

(6) geschrieben, wo G der Großsignalübertragungsfaktor ist. Auch der Klein- signalübertragungsfaktor

(7) wird eingeführt (Abb. 2).

Aus Gleichung (5) ergibt sich unter Berücksichtigung von (6) und (7) der optimale Fluß:

4

(1)0 =

YMlr--PA-N-,

PENK

^{«(1),[2) (8)}

VERMINDERUNG DES GESAJITVERLUSTES VON GLEICHSTROJIMOTOREN 167 :wo d.er Korrektionsfaktor K(C/}, Q) mit der Gleichung

K(C/}, Q)

=

^_1_

+

^PHN

IQI +

^{PWN Q2}

GD P_EN P_EN (9)

gegeben ist.

Um einen yerlustoptimalen Betrieb zu erreichen, muß also der Erreger- Huß dcs Motors mit der Quadratwurzel des Rotormoments verändert werden.

o

G,D ^7,6 1/;

1,2 1,0 0.8 0,6 0,1;

0.2

Ir ^{0 0,2} 0.1; 0.6 0.8 1.0 h

Abb. 2. Die auf die relativen Werte bezogene Magnetisierungskennlinie sowie die Parameter D und G

Da sich der Fluß wegen der Induktivität des Erregerkreises im Verhältnis zu den übrigen transienten Vorgängen des Motors nur langsam verändert, kann nach dieser Methode nur ein statisches Verlustminimum (SVOB) erreicht v,erden.

Die optimale Steuerung ist nach Gleichung (8) schwer zu realisieren, da diese den unmittelbar nicht einstellbaren Fluß in Abhängigkeit von dem unmittelbar nicht meßbaren Rotormoment angibt. Nach Einsetzen der Glei-

chungen (2) und (6) bekommt man eine Gleichung mit meßbaren Größen:

(10)

Der optimale Erregerstrom kann folglich durch die Multiplikation des Armaturenstromes mit einer Arbeitspunktkonstante, die vom Fluß und von der Winkelgeschwindigkeit abhängt, gewonnen werden. Da der Fluß schließ- lich über den Erregerstrom vom Armaturenstrom abhängt, ist es notwendig, die der Gleichung (10) entsprechende Funktion I~(IA,Q) iterativ im voraus zu berechnen. Dieser Zusammenhang kann mit einer leicht realisierbaren Näherungsfunktion ermittelt werden [8].

7*

168 P. MAGYAR

Nach Umformung der Gleichung (10) ergibt sich die Gleichung des optimalen Flusses

(11)

die der entsprechenden Gleichung des Reihenschlußmotors

(12) ähnlich ist. Demnach ist der Reihenschlußmotor hinsichtlich der Verluste ein suboptimaler Motor. Diese suboptimalen Eigenschaften bleiben auch im dynamischen Zustand erhalten, weil sich der Erregerstrom gleichzeitig mit dem Armaturenstrom ändert.

3. Die Bestimmung des Verlustes in Motoren mit veränderlichem Fluß

Die Gleichung (4) kann durch Einführung der nichtlinearen Funktion mit zwei. V a.riabl~n

(13) in die Form

(14)

gebracht werden. Nach Einsetzen der Gleichungen c]) = 1, (8) so,,,ie (2) und (12) erhält man die Verluste P_V1 des ständig mit Nennfluß erregten Motors, p^o_v des SVOB-Motors und Pvs des Reihenschlußmotors:

P_V1 = 1\;[2 PAN

+

Q(I, Q) PEN PR (Q) (15) P'V=NIYPANPENK(c]),Q)[l+

~(c]),Q)

]+PR(Q) (16)

K(c]),Q)

Pvs=M[

P~v +

PENGQ(c]),Q)]+PR(Q)· (17) Um ein qualitatives Bild zu gewinnen, werden der Eisenverlust und die Nichtlinearität der Magnetisierungskennlinie vernachlässigt, damit ist

G=D=1 Q=K=l.

(18)

VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN 169

In (15, 16, 17) eingesetzt, erhält man für die elektrischen Verluste in den drei Varianten

PV1 - PR (Q)

=

M2 PAN

+

PEN

PCY -

PR ^{(Q) =} 2M

V

PAN

+

_PEN

PVS - PR ^(Q)

=

M(PAN

+

_PEN).

(19) (20) (21) Diese Gleichungen sind in Abb. 3 dargestellt, die zeigt, daß eine Energie- einsparung bzw. eine Verbesserung des Wirkungsgrades hauptsächlich im Leerlauf zu verzeichnen sind.

PHN=PWN=O G=D=l Q=const.

PEN

1P;;

PAN

VPiN

PI'I- PR(Q) PVS-PR(Qj P~ -PR(Qj

N

Abb. 3 Die elektrischen Verluste des mit dem Nennfluß und mit dem optimalen Fluß erregten idealen Motors sowie des idealen Reihenschlußmotors in Abhängigkeit vom Rotormoment

Wird in die Gleichung (14) der Wert des optimalen Flusses (11) einge- setzt, erhält man für das Verhältnis der flußab hängigen Verluste zu dem Armaturenverlust Q(C/J, Q)jK(C/J, Q). In Abhängigkeit vom magnetischen Arbeitspunkt ist Q(C/J,Q)/K(C/J,Q)

<

1[8]. Bei linear angenommener Magneti- sierungskennlinie ist Q(C/J, Q)jK(C/J, Q) = 1. Unter dieser Bedingung sind die Ergebnisse in [1] gegeben.

4. Beispiel

Als Beispiel werden der Verlust und der Wirkungsgrad eines Neben- schlußmotors Typ 4ETZ 115/7 (Nenndaten: Leistung 2,8 kW, Drehzahl 960/min, Spannung 220 V, Strom 12,7 A) bestimmt. Um einen Vergleich mit dem Reihenschlußmotorantrieb aufstellen zu können, wird ein fiktiver Reihen-

1:70 P.MA.GYA.R

schlußmotor .. angenommen, dessen Verluste gleich denen. des untersuchten Nehenschlußmotors sind [8].

Die tatsächlichen Werte der Nennverluste sind

PAN

^{161,3 W}

PEN

^79,2W

P fiN

^24,OW

PWN

^65,5W

PkN

^135,OW

und auf

PaN

= 2632,7 W hezogen erhält man für die relativen Werte

PAN P_EN

P

_HN

P

_WN

PRN

6,12 . 10-² 3,01 . 10-² 0,91 . 10-² 2,48 . 10-² 5,13 . 10-²

(22)

(23)

(24) DeI Reibungsverlust wurde als der Winkelgesch'windigkeit proportional an- genommen (PR(Q) = PRNQ).

Ahb. 4 zeigt den optimalen Fluß, herechnet nach Gleichung (11). Auch die Magnetisierungskennlinie wurde (gestrichelt) eingezeichnet, die den sub- optimalen Charakter des Reihenschlußmotors deutlich demonstriert.

In Ahh. 5 ist der optimale Erregerstrom nach Gleichung (10) wieder- gegehen. Die gestrichelte Gerade zeigt das Ergebnis bei Vernachlässigung des Eisenverlustes unter der Voraussetzung der linearen Magnetisierungskennlinie

;m. Die Kurvenschar I'j,(IA,Q) kann mit der Funktion

(25)

gut angenähert werden [8].

Der Gesamtverlust des Motors in den oben angeführten drei Varianten ist in Ahh. 6 dargestellt. Auch hier ist der suhoptimale Charakter des Reihen- schlußmotors zu erkennen. Weiterhin zeigt diese Abbildung, daß die Ein- sparung von Verlnstenergie durch Gleichstrommotoren mit veränderlichem Fluß hauptsächlich in Arheitspunkten mit kleiner Last und großer Winkel- geschwindigkeit zu erreichen ist.

Die Wirkungsgradkurven sind in Ahb. 7 dargestellt.

VERMINDERUNG DES GESA}fTVERLUSTES VON GLEICHSTRO,UJIOTOREN 171

'jO 1,0 rp (jA)

0,9 I

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

! I

0,2

, I i i

0,1 ^{, I}

I I

0/1 0,5 0,6

Abb. 4. Der optimale Fluß und der Fluß des Reihenschlußmotors in Abhängigkeit vom Arma- turenstrom

O,gr---~---~

0,8r---~---~~

0,6

0, 1 0,2 0,3 0,1t 0,5 0,6 0,7 0,8 O,g 1,0 1,1 JA Abb. 5. Die Diagramme It = f(I A. Q) des optimalen Erregerstromes

172 P. MAGYAR

0,20 , - - - , - - - , P_v - -PV1

.•••••••. Pvs ---P~

0.15 1----+--~_;L__1

o

0.1 0.2 0,3 a~ 0,5 0.50.70.80,9 1 M

Abb. 6. Die Arbeitspunktverluste des mit dem Nennfluß und mit dem optimalem Fluß er·

regten sowie des ReihenschJußmotors in Abhängigkeit vom Rotormoment

5. Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren mit veränderlichem Fluß

In den vorigen Ausführungen wurde gezeigt, daß sich der Erregerfluß von verlustoptimalen oder suboptimalen Gleichstrommotoren mit der Bela- stung zusammen verändert. Daher ist es in den meisten AnwendungsHillen notwendig, den Schuntcharakter des Antriebs durch Drehzahlregelung auf- rechtzuerhalten.

Das Blockschaltbild des drehzahlgeregelten Antriebs mit einem verlust- optimal gesteuerten Nebenschlußmotor ist in Abb. 8 dargestellt. Der Motor ist mit einer unterlagerten Stromregelung versehen. Der Regelkreis enthält zwei statische Nichtllnearitäten, die Funktion 1~ = f(1 A,{J), errechnet nach Gleichung (10), und die Magnetisierungskennlinie.

Das Rotormoment entsteht durch Multiplikation von i_a mit rp, darum kann der Kreisverstärkungsfaktor als dem Augenblickwert des Flusses pro- portional angesehen werden.

Die Veränderung des Kreisverstärkungsfaktors kann durch Dividieren mit dem Fluß kompensiert werden, was der dem Drehzahlregelkreis über- geordneten adaptiven Steuerung entspricht [2, 8].

Das Blockschaltbild des Reihenschlußmotorantriebs unterscheidet sich nur im Aufbau des Erregerkreises vom obigen.

VERMINDERUNG DES GESAMT VERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN 173

rz7.0

r--·--.---.---.----n

O,8l--~-___==__~~~-~-::-:::-~·~···~··:··:::::···~···

0,25

--~=7

...• ReihenschlußmofOr

0.2 - - - SVOB

o

02 04 0,6 0,8

Abb. 7. Die Wirkungsgraddiagramme des mit dem Nennfluß und mit dem optimalen Fluß erregten Motors sowie des Reihenschlußmotors

Abb. 8. Das Blockschaltbild des Nehenschlußmotorantriehs in statischem verlustoptimalem Betrieh

Das Drehmoment des Reihenschlußmotors wirkt in der Grundschaltung nur in einer Richtung, da der Erregerstrom seine Polarität zusammen mit dem Armaturenstrom ändert. Diese Erscheinung kann durch Gleichrichten des Erregerstroms beseitigt werden [8]. Diese Schaltungs anordnung ist auch ohne

174 P. ·MAGYAR

unterlagerte Stromregelung vorteilhaft. D~e labile . generatorische Brems- eigenschaft des Reihenschlußmotor~ bleibt z~var erhalten, jedo~h gelangt der Motor über den labilen Arbeitspurikt lVlpL ;nicht in :den Arbeitspunkt M_pE (Gegenstrom-Br~ms:beirieh), sondern in den Arbeitspunkt lVl

pH

(Antreiben) (Abb. 9). Die Verluste des Gleichrichters vermindern zwar den Wirkungsgrad, aber - da sie außerhalh des, Motors entstehen - nicht die BeLastbarkeit des Antriebs.

Der Gleichrichter im Erreger~eis ,vird im Blockschaltbild als Absolut- wertbildner bezeIchnet. Wird die Verzögerungs,\.,irkung der Wirbelstromkreise vernachlässigt, entsteht das Flußsignal am Ausgang der der Magnetisierungs- kennlinie entsprechenden Nichtlinearität (Abb. 10).

Q =const.

@

®

Abb. 9. Der Reihenschlußmotor mit gleichgerichtetem Erregerstrom als suboptimaler Gleich- strommotor (a). Die Arbeitspunkte eines Reihenschlußmotors im Bremsbetrieb ohne Strom- regelung mit gleichgerichtetem Erregerstrom ( - - ) und beim Bremsen mit einer in umgekehr-

ter Polarität eingeschalteten Erregerspule ( - - ) (b)

Xw w

Abb. 10. Blockschaltbild des Reihenschlußmotors mit Gleichrichter im Erregerkreis, mit Drehzahlregelung und unterlagerter Stromregelung

VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VOI .... GLEICHSTROMMOTOREN 175

Der Kteisverstärkungsfaktordes Regelkreises ist auch hier dem Fluß proportional, darum ist es auch hier notwendig, die oben erwähnte adaptive Steuerung anzuwenden. Für die Einführung des Flußsignals in den Regelkreis gibt es zwei mögliche Stellen. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß es z'weckmäßlger ist, die Division nach und nicht vor dem Drehzahlregler durch- zuführen [2,8]. In diesem Fall kann der Motor mit den Differentialgleichungen

(1 ⁺

^Ts

:t ¹

^{ia(t) = Xi(t)}

m(t) = ia(t) cp(t) Xi(t) = Xil(t)!CP(t)

(26) (27) (28) beschrieben werden. Mit den Gleichungen (6) und (7) ergibt sich aus Glei- chung (27):

1 1 dm

ia D{ia) G(ia) dt ⁽²⁹⁾

Durch Einsetzen der Gleichungen (28) und (29) erhält man aus Gleichung (26) (30) Die Strecke zwischen den Signalen xil uud m kann also durch ein Verzögerungs- glied erster Ordnung mit yeränderlicher Zeitkonstante ersetzt werden. Damit die Regeleigenschaften unverändert bleiben, muß also der Regelskreis mit einer 'weiteren adaptiyen Steuerung yersehen werden, die den entsprechenden Parameter des Reglers bei Veränderung des Armaturenstroms gemäß der nichtlinearen Funktion

T

_sw (31)

einstellt. Hier ist T sw die tatsächliche Ersatzzeitkonstante des Stromregel- kreises. Bei dem in Abschnitt 4 behandelten lVIotor yerändert sich T ^SI\' in dem Bereich

0,5 T_s

<

^Tsw' 0,74T_s (32)

bei einer Stromänderung von

° ^<

^ia

^<

1. Wird dies berücksichtigt, verbes- sern sich die dynamischen Eigenschaften des Reihenschlußmotorantriebs.

Um den Aufwand für die Regelung zu verringern und ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen, wird die letztere adaptive Steuerung nicht eingebaut. In einem sol- chen Fall ergeben sich bessere Eigenschaften, wenn bei der Reglereinstellung die kleinere Zeitkonstante (0,5 Ts ) berücksichtigt wird.

176 P. MAGYAR

Ahh. 11 zeigt die Ühergangsfunktionen einer solchen Antriehsregelung hei einem Sollwertsprung (Simulationsergehnisse). Als Drehzahlregler wurde ein PD-Regler henutzt. Die Division mit dem Flußsignal ist vor (stetig aus- gezogene Kurve) hzw. nach dein Regler (gestrichelte und punktierte Kurve) durchgeführt worden. Die Zeitkonstante "\\-Ill'de dementsprechend als T s hzw.

0,5 T s mit konstanten Werten angenommen. In allen drei Varianten wurde der Stromrichter des Stromregelkreises mit einem Totzeitglied mit der Tot- zeit 3,33 ms angenähert.

0,7 w

0,6

0,5 0,1, 0,3 0,2 0,1 0 - 0,1 - 0,2 - 0,3

h ^{I I}

^{I i I I I I}

^I

^{I I I}

r

^\ Stelle der RegIereinsteIlung

\ I

Nodifikation bei Berücksichtigung

11 1 j von Tsw

I ¹¹

---

^{x" Ts} 1

I \ I

----

xi] Ts

... xi1 Ts/2 I

I I

I

I L-J

^{I I}

^{I I}

; ... I

I ^I

., I

/1

^{I ! I I}

r-''h,

^{I ~ i 1}

^{I I}

I

'T" ·f .. ·· .. ·; .. ·'tJ

I

I

J.

I : I I

^I

I

}

^I

I

I

I

^~

I

I 1 2 3 5

I I 1, 1 I I

i i

"t _I

I ^{I ,}

I

^I

\J/ ^{I I}

Abb. 11. Auswirkungen von RegIereinsteIlungen des PD-Drehzahlreglers auf die Übergangs.

vorgänge des Reihenschlußmotorantriebs (Simulationsergebnisse)

Dic hier dargestellten Ergehnisse heweisen die Richtigkeit de;r ohigen Annahmen üher den Aufbau und die Einstellung des Regelkreises.

Die in Abb. 11 gezeigten großen Überschwingungen treten bei Arma- turenstrombegrenzung natürlich nicht auf, aber sie sind für die d'ynamischen Eigenschaften des Reihenschlußmotorantriebs bei kleinen Veränderungen char akteristisch.

Wird die Belastung verändert, folgt die Winkelgesch"\\-indigkeit dem der Regeleinstellung entsprechenden Referenzsignal x_m (Abb. 12). In der Abbildung sind die Winkelgeschwindigkeits-, Strom- und Flußsignale des Reihenschlußmotorantriebs und der verschiedenen Nebenschlußmotorantriebe in SVOB, bei Belastung mit der Nennlast dargestellt. In den Nebenschluß- motorantrieben wurde eine untere Flußbegrenzung fjJ MIN

=

0,3 angewendet.

VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VON GLEICHSTROMMOTOREN 177

tf

1,6 1,4 1,2 1,0 0.8

0,6 0,1;

0,2 ia

~-i1 n

J/

"

, I

,

I I I

~"";'

.. //.

14

r ...

'.

_...

... .1

T-- -

I ^I I ^{-- -I"}

~r::"·"·i·"·"··I"···" I •. .;;.:..:.p-' ^a

.~r··T·"··r····T···l=~tj>

~

^{• !}

L

... - -_ ^{! - - -}Reihenschlußmatar

• i

I ... i

i ---SVOB Tt:= 80rns

~ I

. , . . . ! ···SVOB T[= 0

I - - p = 1

I i 0 - - - Xm

I

I ^I

i i

I

I ^{I I I I i}

I ^!

w ^0,5

o G\

^{20 40}

_I

^{60 I} _I ^{80 I 11;0} _I ^{[msJ t}

1 1

\1 _I

^I

9 I

" ^{I I I I}

0.4

'\;

~-J

^I

^I

^{i I I I}

8 ,···_~····

.. r··· ^{1 -}

I . _ _

0.4 w

Abb. 12. Vergleich der Belastungsvorgänge der untersuchten geregelten Antriebe (M_L = 1)

In diesem transienten Vorgang hat der Nebenschlußmotor mit der Erregungs- zeitkonstante von 80 ms den größten Verlust. Die Verluste des idealen SVOB- Motors (mit TE ⁼ 0) und des Reihenschlußmotors sind kleiner als der Verlust des Nebenschlußmotors mit Nenuerregung.[8].

Die angeführten statischen und dynamischen Eigenschaften wurden mit Hilfe eines auf dem Digitalrechner simulierten Modells bestimmt.

Anhang. Der Gesamtverlust des Gleichstrommotors mit bezogenen Größen Der Verlust Pj; des Gleichstrommotors in einem Arbeitspunkt kann unter Vernachlässigung des Bürstenverlustes mit der Gleichung

P ' -V - 1'2 R' A lA ..L l E E 1'2 R'

+

^(j' H ^ffi'2 'P

1°1

,~~

+

^(j' w ' P ' : ' ' : , ^{ffi'2 n'2 ..L P'} R

ausgedrückt werden.

(33)

Fi8 P. ·MAGYAR

Die Größen ·werden auf den Nennstrom I~N' den Nennerregerstrom I~N' den Nenn,fluß @~, : die Nen:Ö:winkelgesch·windigkeit

Q'rv

und die innere Nennleistung

(34) bezogen. Dabei ist UBN der Nennwert der induzierten Spannung.

Damit kann Gleichung (1) in der Form

(35) geschrieben werden, wo PAN' P EN' P HN und PWN die relativen Nennwerte der Armaturen-, Erregungs-, Hysterese- und Wirbelstromverluste sind.

PAN

= 11

RA ₍₃₆₎

P BN

PEN

=

^{I~RE (37)}

P

EJN

PHN⁼

GH@&Qiv

(38) P'aN

PWN

= Gw@&Q&

(39) P'BN

Zusammenfassung

Im Beitrag werden die Grundgleichungen des statischen verlustoptimalen Betriebs von Gleichstrommotoren mit veränderlichem Fluß abgeleitet. Es wird eine Realisierung des optimalen Betriebs gezeigt, wo der Optimalwert des Erregerstroms aus leicht meßbaren Si- gnalen (Armaturenstrom und Rotordrehzahl) mit Hilfe einer vorausberechneten nichtlinearen Funktion bestimmt werden kann. Zur Berechnung sind nur die Nennwerte der elektrischen Verlustkomponenten erforderlich.

Es wird die adaptive Steuerung von Gleichstrommotorantrieben mit veränderlichem Fluß behandelt. Im Falle von Reihenschlußmotorantrieben wurde der tatsächliche Wert der Ersatzzeitkonstante des Stromregelkreises bestimmt.

Nach den durchgeführten Untersuchungen ist die Flußveränderung gegenüber der Nennerregung hinsichtlich des Energieverlusts nur dann vorteilhafter, wenn das Fahrdiagramm des Antriebs viele Leerlaufzustände und wenig Arbeitspunktveränderungen enthält.

Literatur

1. RACZ, 1.: Elektrische Antriebe. Tankönyvkiad6, Budapest, 1967.*

2. STRÖLE, D.: Typische Adaptivsteuerungen bei geregelten elektrischen Antrieben. R~ge­

lungstechnik 15 (1967) 3. 106-111.

3. STRÖLE, D.: Adaptivsysteme for elektrischea Antriebstechnik. ETZ-A 88(1967) 7. 182- 185.

VERMINDERUNG DES GESAMTVERLUSTES VON GLEICH-STROMMOTOREN 179

4. LUDWIG, G.: Untersuchungen verschiedener Drehzahlführungen von Gleichstrom-Um- kehrwalzmotoren bei einer speziellen Steuerung des magnetischen Flusses. Disser- tation, Berlin, 1969.

5. CSAKI, F.: Modern control theory. Nonlinear and adaptive systems. Akademiai Kiad6, Budapest, 1971.

6. BENDER, K.-PAl'<"DIT, ~I.-WEBER, W.: Verlustoptimale Regelung von rotierenden Scheren. Regelungstechnik und Prozeß-Datenverarbeitung 18 (1970) 12. 540-545 und 19 (1971) 1. 8-14.

7. KRÜGER, B.: Optimales WeIzen auf' Umkehr-Walzstraße unter dem Einfluß betriebs- bedingter Parameter. Dissertation, Berlin, 1970.

8. MAGYAR, P.: Einige Fragen der adaptiven Steuerung von elektrischen A.ntrieben. Disser- tation, Budapest, 1974. *

Peter MAGYAR, H-1521 Budapest

,. in ungarischer Sprache.