Elektrische Antriebstechnik II - Cheatsheet

Funktionsweise und Aufbau von elektrischen Motoren

Definition:

Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Bewegung, basierend auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Details:

• Stator: Stationäres Magnetfeld, erzeugt durch Permanentmagneten oder Elektromagnete.
• Rotor: Drehbarer Teil, oft mit Spulen, durch den Strom fließt.
• Kommutator und Bürsten: Wechselt Stromrichtung in Gleichstrommotoren.
• Prinzip der Lorentzkraft: \(\text{F} = \text{q}(\text{v} \times \text{B})\).
• Drehmoment: \(\tau = \text{F} \times \text{r}\).
• Typen: DC-Motoren, AC-Motoren (Synchron und Asynchron).
• Effizienz: Abhängig von Verlusten (Kupfer-, Eisenverluste).

PWM (Pulsweitenmodulation) und Umrichtertechnologie

Definition:

PWM dient zur Steuerung der Leistung elektrischer Antriebe durch Variieren der Pulsbreiten. Umrichtertechnologie wandelt elektrische Energieformen um, oft zur Steuerung von Motoren.

Details:

• PWM: Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit bestimmt Ausgangsspannung.
• Umrichter: Wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um. Dient zur Frequenzsteuerung von Motoren.
• Formel für PWM: \[ V_{avg} = V_{max} \times \frac{T_{on}}{T_{total}} \]
• Umrichter-Arten: Frequenzumrichter, Wechselrichter, Gleichrichter.
• Anwendung: Energiesparende Motorsteuerung, präzise Drehzahlregelung.

Vektorregelung und Direct Torque Control (DTC)

Definition:

Vektorregelung und Direct Torque Control (DTC) sind Techniken zur Regelung Drehmoment und Fluss in elektrischen Antrieben.

Details:

• Vektorregelung: Steuerung von Amplitude und Phase der Ströme
• DTC: Direkte Regelung von Drehmoment und Magnetfluss ohne Koordinatentransformationen
• Mathematisches Modell der Maschine erforderlich
• Vektorregelung: Regelkreise für Drehmoment und Fluss getrennt
• DTC: Lookup-Table zur Auswahl der optimalen Schaltzustände
• Grundgleichungen:
• \[ v_d = R_s i_d + L_s \frac{d i_d}{dt} - \omega L_s i_q \]
• \[ T_e = \frac{3}{2} p \left( \Psi_r i_q \right) \]

Einführung in das Regelungssystem

Definition:

Einführung in das Regelungssystem umfasst die Grundlagen und Funktionsweise von Regelkreisen in elektrischen Antrieben.

Details:

• Regelkreis: Überwachung und Anpassung von Systemzuständen.
• Komponenten: Regler, Stellglied, Prozess, Messeinheit.
• Mathematische Modellierung: Verwendung von Übertragungsfunktionen und Zustandsraummodellen.
• Wichtige Begriffe: Rückkopplung, Sollwert, Istwert, Störgröße.
• Stabilität: Kriterien zur Bewertung der Stabilität von Regelkreisen - Routh-Hurwitz-Kriterium, Nyquist-Kriterium.
• Klassische Regelung: P-, PI-, und PID-Regler.
• Moderne Regelung: Zustandsraumregelung, Beobachter.

Energieumwandlung und Wirkungsgradberechnungen

Definition:

Energieumwandlung: Übergang von Energieform A zu Energieform BWirkungsgradberechnung: Bestimmung der Effizienz eines Systems

Details:

• Energieerhaltungssatz: \( E_{gesamt} = E_{input} = E_{output} + E_{verluste} \)
• Wirkungsgrad \( \eta \): Anteil der Nutzenergie\( \eta = \frac{E_{nutz}}{E_{input}} \times 100 \% \)
• Mechanisch zu elektrisch: \( P_{em} = T \cdot \omega \)
• Elektrisch zu mechanisch: \( P_{mech} = V \cdot I \)
• Verluste berücksichtigen (z.B. Wärme, Reibung)

Sensorlose Steuerungstechniken

Definition:

Techniken zur Regelung von elektrischen Antrieben ohne physische Positions- oder Geschwindigkeits-Sensoren.

Details:

• Basiert auf dem Beobachterprinzip oder der modellbasierten Regelung.
• Verwendet Strom- und Spannungsmessungen zur Bestimmung der Rotorlage.
• Dynamisches Modell des Motors erforderlich.
• Reduziert Kosten und erhöht Zuverlässigkeit.
• Schaltungsstrategien: z.B. Kalman-Filter, Sliding Mode Observer, Back-EMF-Technik.
• Mathematische Modellierung und digitale Signalverarbeitung notwendig.
• Oft in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) verwendet.
• Herausforderungen: Genauigkeit bei niedrigen Drehzahlen, Robustheit gegenüber Parameter- und Lastschwankungen.
• Formeln zur Berechnung der Rotorlage z.B. \textbf{Back-EMF} Ansatz:
• Position des Rotors durch Integration der Back-EMF-Spannung:
• Regelalgorithmen:

Leistungshalbleiter und ihre Eigenschaften

Definition:

Leistungshalbleiter sind spezialisierte Halbleiterbauelemente für das Schalten und Steuern großer elektrischer Leistungen.

Details:

• Hauptarten: Transistoren, Dioden, Thyristoren
• Wichtige Parameter: Sperrspannung, Durchlassstrom, Schaltzeiten, Verlustleistung
• Verwendung: Stromrichter, Frequenzumrichter, Antriebstechnik, elektrische Energieumwandlung
• Vor- und Nachteile: effezientes Schalten vs. thermische Verluste

PID-Regler und ihre Einstellung

Definition:

Proportional-Integral-Derivative (PID) Regler: verwendet zur Steuerung von Systemen durch Anpassung der Regelgröße anhand von proportionalen, integral und differenziellen Fehlertermen.

Details:

• Proportionalanteil (P): Korrektur proportional zum Fehler
• Integralanteil (I): Korrektur basierend auf akkumuliertem Fehler über die Zeit
• Differentialanteil (D): Korrektur basierend auf der Änderungsrate des Fehlers
• Wichtige Einstellungsparameter: Kp, Ki, Kd
• Einstellungsmethoden: Ziegler-Nichols, Cohen-Coon
• Formel: \[ u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{d e(t)}{d t} \]