Browsing by Author "Schaab, Darian Andreas"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Auslegung von Regelungssystemen industrieller Gleichspannungs-Mikronetze
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Schaab, Darian Andreas; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
Der elektrische Energiebezug in der Industrie wird zu rund zwei Dritteln mit elektrischen Maschinen in mechanische Energie umgewandelt. Ein wachsender Anteil dieser Antriebe wird mit Leistungswandlern betrieben, deren verlustbehaftete Energiewandlung Gleichstrom als eine Zwischenstufe nutzt. Motiviert durch das Potenzial, diese Verluste an den Wandlungsstellen zu reduzieren, Energie aus Produktionsprozessen in das Versorgungssystem zurückzuführen - und somit Energie einzusparen - sowie regenerative Energiequellen vor Ort in das Versorgungssystem zu integrieren, kommt der Einsatz von industriellen Gleichstrom-Mikronetze als Lösungsansatz auf. Erst der Ausgleich von Leistungsbezug und -erzeugung stellt die Versorgungsaufgabe eines elektrischen Netzes sicher. Die von Lasten bezogene Leistung und die Einspeiseleistung muss aktiv in ein Gleichgewicht geführt werden. Ein Regelungssystem ist notwendig. Das Regelungssystem des Wechselstrom-Verbundnetzes liegt in der Hand der Übertragungsnetzbetreiber und betrachtet industrielle Endverbraucher als volatile Lasten, sodass industrielle Wechselspannungsanlagen heutzutage kein lokales Regelungssystem betreiben. Die Gleichspannungszwischenkreise von Antriebssystemen in Produktionsanlagen besitzen ein Regelungssystem, das aber keine lokalen und parallel betriebenen Energiequellen einbezieht. Soll nun lokal, in einer Produktionshalle oder für ein ganzes Industriewerk ein Mikronetz eingesetzt werden, um Wandlungsverluste einzusparen und/oder lokale Energiequellen einzubinden, ist es notwendig, ein Regelungssystem dafür zu entwickeln. Neben der grundlegenden Regelungsarchitektur muss das Regelungssystem individuell je nach Anwendungsfall ausgelegt werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der zentralen Forschungsfrage: Wie kann ein Regelungssystem für ein industrielles Gleichspannungs-Mikronetz ausgelegt werden mit dem Ziel, Leistungsgleichgewicht und Leistungsaufteilung zu erreichen? Die Arbeit führt zunächst in elektrische Versorgungssysteme und den Einsatz von Leistungselektronik in der Industrie ein. Die Problemstellung und der Forschungsbedarf werden dargelegt und die Zielsetzung sowie die Forschungsfragen, die den Aufbau der Arbeit leiten, vorgestellt. In den Grundlagen wird der Betrachtungsrahmen der Arbeit definiert und in wesentliche Theorien eingeführt. Anhand verwandter und übertragbarer Ansätze zur Regelung von Gleichspannungs-Mikronetzen werden die Anforderungen an das Regelungssystem und die Auslegung abgeleitet. Der sich daraus ergebende Handlungsbedarf wird diskutiert. Zur Beantwortung der zentralen Forschungsfrage wird ein Vorgehensmodell zur Auslegung entworfen. Dieses wird anschließend in den Fallbeispielen einer Roboterzelle und einer Hallenversorgung erprobt. Die Arbeit schließt mit der Bewertung der Anforderungen und der zusammenfassenden Beantwortung der Forschungsfragen. Der gefundene Lösungsansatz umfasst neun Prozeduren: Auslegungsmodell erzeugen, Systemverhalten identifizieren, funktionale Zustände entwerfen, Regelkennlinien bestimmen, Primärregler entwerfen, Großsignalstabilität prüfen, Netzresonanzen entkoppeln, Umschaltpunkte analysieren und Übergangsstabilität sicherstellen. Die technischen Zusammenhänge werden detailliert beschrieben und lösungsorientierte Hilfsmittel für die Auslegungsaufgabe vorgestellt. Diese werden zunächst theoretisch behandelt, wobei die wesentlichen Auslegungsregeln hergeleitet und vorgestellt werden. Für zwei reale Fallbeispiele werden die Parameter des Regelungssystems bestimmt. Theoretisches und reales Verhalten werden experimentell abgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die gefundene Lösung das reale Verhalten des Regelungssystems außerordentlich gut vorhersagen kann. Die gefundene Methode reduziert die Komplexität der Auslegung des Regelungssystems maßgeblich, da die Auslegung auf die wesentlichen Schritte reduziert wird. Die detaillierte Darstellung der physikalischen Zusammenhänge und die exakte Begründung der empfohlenen Grenzen erlaubt es, die Methode für den jeweiligen Anwendungsfall abzuwandeln. Die Methode bietet dem Projektierer einen einfachen Zugang zu relevantem Wissen bzgl. der Auslegung des Regelungssystems. Sie ermöglicht, definierte Problemstellungen des jeweiligen Anwendungsfalles zu bewerten und die notwendigen Werkzeuge zielführend und lösungsorientiert anzuwenden.