Ein typischer moderner elektrischer Antrieb besteht aus einem Wechselrichter, einem digitalen Kontrollsystem, Feedback-Sensoren und der Maschine. Verschiedenste Fehler können den reibungslosen Betrieb gefährden oder seine Leistungsfähigkeit einschränken. In vielen sicherheitskritischen Bereichen (Kraftwerke, Luftfahrt, Fahrzeugen, u.s.w) können Systemausfälle nicht toleriert werden. Bei verketteten Produktionsprozessen, wie sie in modernen Be- und Verarbeitungsanlagen vorliegen, kann der Ausfall eines einzelnen Antriebes zu erheblichen Material- und Maschinenschäden führen. Die Folgekosten von Antriebsausfällen in modernen Produktionsanlagen können ganz erhebliche Größenordnungen annehmen, so dass fehlertolerante Antriebslösungen zur Erzeugung einer sehr hohen Anlagen-Verfügbarkeit ein zukünftig wesentliches Thema sein werden.
In diesem Forschungsprojekt wurden Lösungen zur Verbesserung der Verfügbarkeit von Komponenten des Antriebsstranges unter Wahrung technischer und wirtschaftlicher Randbedingungen systematisch entwickelt und experimentell verifiziert.
Im Einzelnen sind dies:
1) Signalverarbeitung (im digitalen Kontrollsystem)
2) Leistungsteil (Wechselrichter)
3) Feedback-Sensoren (Lage- und Stromsensoren)
Die Hochverfügbarkeit der Kontrolleinheit wird auf Basis einer dreifachen modularen Redundanz erreicht. Drei digitale Prozessoren (DSPs) laufen parallel und benutzen den gleichen Algorithmus. Die PWM Ausgangssignale werden mit einer einfachen Logik auf Basis von Mehrheitsentscheidungen, die in sich fehlertolerant ist, ausgewertet. Um alle drei DSP synchron zu halten, wurde eine serielle Kommunikation zwischen ihnen entwickelt, die die Ergebnisse des Zeitgebers übermittelt. Über diese Schnittstelle werden auch Kontrollparameter ausgetauscht um die Abstimmung zwischen allen DSPs zu gewährleisten. Die Verbindungen zwischen allen DSPs wurden so ausgelegt, dass es keinen „Single Point of Failure“ gibt.
Die verbesserte Verfügbarkeit des Wechselrichters wird dadurch erreicht, dass den Standard- Zweistufen-Wechselrichtern eine weitere, redundante Halb-Brücke hinzugefügt wird. Die Isolation der fehlerhaften und die Einfügung der redundanten Halb-Brücke werden durch Anwendung zweier antiparallel geschalteter Thyristoren erreicht. Die hier entwickelte Lösung beherrscht den Kurzschluss und die Unterbrechung der Leistungshalbleiter im gesamten Wechselrichter.
Algorithmen zur Fehlererkennung wurden sowohl für Fehler der Lage- als auch der Stromsensoren entwickelt. Bei einem Ausfall des Lagesensors wird ein sensorloser Algorithmus angewendet. Im Normalfall sind zwei Stromsensoren für die feldorientierte Regelung eines PMSM (Permanent-Magnet-Synchron-Maschine) mit isoliertem Sternpunkt ausreichend. Beim Ausfall eines der beiden Stromsensoren wird er durch einen redundanten Sensor, der die dritte Phase misst, ersetzt.
Das Gesamtsystem wurde auf der Grundannahme entwickelt, dass nur ein einzelner Fehler zu einer gegebenen Zeit auftritt. Um alle oben genannten Fehlerzustände testen zu können, wurde eine feldorientierte Regelung des PMSM entwickelt. Es wurde dargestellt, dass das Verhalten des Systems vor und nach dem Fehlerfall nahezu identisch ist, mit vernachlässigbaren Beeinträchtigungen während der Fehlererkennungs- und Korrekturphase. | German |