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Weiterempfehlung
Thomas Herold
Simulation des elektrischen Antriebsstrangs als Hilfsmittel für die Synthese und Überprüfung von Algorithmen im Kontext der antriebsbasierten Diagnose
Im Rahmen der Prozessautomatisierung ist die Wartungsplanung von großer Bedeutung, da dadurch die Sicherstellung der Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit mit bestimmt wird. Neben der weitverbreiteten intervallorientierten Wartung, innerhalb welcher in zeitlich festgelegten Revisionen eine Anlage überprüft und gewartet wird, gewinnt die zustandsorientierte Instandhaltung einen immer höheren Stellenwert. Zustandsorientiert bedeutet, dass ein Verschleiß- oder Verschmutzungsgrad ständig oder zumindest in regelmäßigen Zeitabständen detektiert wird. Die Forderung nach einer Diagnose, die keine Prozessunterbrechung erfordert, kann nur durch die Auswertung von Sensordaten erfolgen, die während der Laufzeit einer Anlage den aktuellen Status analysiert. In einem elektromechanischen Antriebsstrang finden sich zur Regelung der elektrischen Maschinen Stromsensoren und ein oder mehrere Positionssensoren, mit denen eine Diagnosefähigkeit des Antriebs erreicht werden kann. Bei diagnostischer Verwendung dieser Sensoren spricht man von antriebsbasierter Diagnose.
Das Ziel der Arbeit ist die simulatorische Untersuchung von Betriebszuständen eines Antriebsstrangs bezüglich der Diagnosemöglichkeiten im Rahmen der antriebsbasierten Diagnose. Um überprüfen zu können, inwieweit eine sichere Diagnose möglich ist, gerade in Hinblick auf die Fehlerschwere, wird eine Simulationsumgebung geschaffen, die eine realitätsnahe Abbildung des Antriebsstrangs gewährleistet und mit Fehlerszenarien beaufschlagt werden kann. Das Modell umfasst die Komponenten elektrische Maschine, Leistungselektronik, Regelung, Mechanik und die Sensorik. Da im Antriebsstrang stochastische Einflüsse und Nichtlinearitäten sowie Signaldiskretisierungen durch zeitliche Taktung, Digitalisierung, PWM u. a. auftreten, erfolgt eine Modellbildung im Zeitbereich.
Mit dem parametrierten Gesamtsystemmodell werden verschiedene Betriebs- und Fehlerzustände simuliert und mit unterschiedlichen Diagnoseverfahren ausgewertet. Als Fehler werden Magnetisierungsfehler der elektrischen Maschine sowie ein Getriebe- und ein Lagerschaden untersucht. Die Auswertung ergibt, ob, respektive ab welcher Ausprägung, ein Fehler erkannt wird und mit welchem Verfahren. Durch diese Simulationen wird gezeigt, dass es alleine mit einer adäquat parametrierten Simulationsumgebung möglich ist, Diagnosealgorithmen an allen simulatorisch nachbildbaren Fehlerbildern zu testen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, aufwändige Software-in-the-Loop Untersuchungen an einem Prüfstand stark zu reduzieren und Fehlerszenarien nachzustellen, die mit einem Prüfstand nicht zerstörungsfrei oder gar nicht betrachtet werden können.
Das Ziel der Arbeit ist die simulatorische Untersuchung von Betriebszuständen eines Antriebsstrangs bezüglich der Diagnosemöglichkeiten im Rahmen der antriebsbasierten Diagnose. Um überprüfen zu können, inwieweit eine sichere Diagnose möglich ist, gerade in Hinblick auf die Fehlerschwere, wird eine Simulationsumgebung geschaffen, die eine realitätsnahe Abbildung des Antriebsstrangs gewährleistet und mit Fehlerszenarien beaufschlagt werden kann. Das Modell umfasst die Komponenten elektrische Maschine, Leistungselektronik, Regelung, Mechanik und die Sensorik. Da im Antriebsstrang stochastische Einflüsse und Nichtlinearitäten sowie Signaldiskretisierungen durch zeitliche Taktung, Digitalisierung, PWM u. a. auftreten, erfolgt eine Modellbildung im Zeitbereich.
Mit dem parametrierten Gesamtsystemmodell werden verschiedene Betriebs- und Fehlerzustände simuliert und mit unterschiedlichen Diagnoseverfahren ausgewertet. Als Fehler werden Magnetisierungsfehler der elektrischen Maschine sowie ein Getriebe- und ein Lagerschaden untersucht. Die Auswertung ergibt, ob, respektive ab welcher Ausprägung, ein Fehler erkannt wird und mit welchem Verfahren. Durch diese Simulationen wird gezeigt, dass es alleine mit einer adäquat parametrierten Simulationsumgebung möglich ist, Diagnosealgorithmen an allen simulatorisch nachbildbaren Fehlerbildern zu testen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, aufwändige Software-in-the-Loop Untersuchungen an einem Prüfstand stark zu reduzieren und Fehlerszenarien nachzustellen, die mit einem Prüfstand nicht zerstörungsfrei oder gar nicht betrachtet werden können.
Schlagwörter: Elektrische Maschine; Elektrischer Antrieb; Diagnose; Simulation
Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. mult. Kay Hameyer, Aachen
Band 21
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