Emulation von Drehstrommaschinen

Einführung

Im Bereich der Fahrzeugtechnik kommen neben dem eigentlichen Antrieb zahlreiche geregelte Hilfsmotoren zum Einsatz, die das Ziel haben, den Fahrkomfort weiter zu erhöhen.

Die eingesetzten Drehstrommaschinen werden üblicherweise von einem Wechselrichter mit einer entsprechenden Regelung gespeist. Bei der Entwicklung von Wechselrichtern und Regelverfahren für Drehstrommaschinen ist deren Test während des Entwicklungsprozesses und vor der eigentlichen Serienproduktion unabdingbar. Dabei sollten mindestens alle im realen Betrieb vorkommenden Betriebspunkte des gesamten Antriebs auf elektrischer wie auch auf mechanischer Seite abgeprüft werden.  

Normalerweise werden hierfür Maschinenprüfstände verwendet, auf denen der Antrieb mit einer Belastungsmaschine belastet werden kann und somit realitätsnahe Szenarien durchfahren werden können. Dies erfordert jedoch einen hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand für einen solchen Aufbau.

Eine alternative Möglichkeit Wechselrichter und deren Regelverfahren zu testen besteht nun darin, das Verhalten der Antriebsmaschinen rein elektrisch mit Hilfe eines Maschinenemulators nachzubilden.

Dies hat die Vorteile,

  • dass kein aufwendiger Prüfstandsaufbau mit rotierenden Teilen mehr notwendig ist,
  • dass auch mögliche Fehlerfälle nachgebildet werden können, welche auf einem Prüfstand nicht nachzubilden wären, beispielsweise Phasenkurzschlüsse, und
  • dass die Prüf- und Testphase sehr frühzeitig schon ohne die real vorhandene Maschine mit Variation der Maschinenparameter beginnen kann.

Ein derartiger Emulator einer Drehstrommaschine verhält sich also an seinen Klemmen genauso wie reale Maschine mit entsprechender Last.

Das folgende Bild zeigt den schematischen Aufbau eines herkömmlichen Prüfstands mit zu testendem Wechselrichter (DUT), einer Drehstrommaschine (M), einer Belastungsmaschine und der Drehmoment-Drehzahlerfassung im Vergleich zum Prüfaufbau mit Maschinenemulator.

Pruefstand_mit_und_ohne_Emulator
Prüfstand mit und ohne Maschinenemulator

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ziele

Ein Emulator soll das elektrische Verhalten von Drehstrommaschinen mit veränderlichen und einstellbaren elektrischen und mechanischen Parametern nachbilden. Dabei sollen die elektrischen Größen genauso wie die emulierten mechanischen Größen dem DUT über Schnittstellen zur Verfügung gestellt werden.

Forschungsaktivitäten am ILEA

Am Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe wurde bereits ein Emulator zur elektrischen Nachbildung von Synchronmaschinen im Leistungsbereich bis 30kW aufgebaut. Dieser ist in folgendem Bild gezeigt.

Emulator
 ILEA Maschinenemulator

 

Die aktuelle Forschungsaktivität untersucht alternative leistungselektronische Topologien, mit denen ein neuer Emulator speziell für Maschinen im Leistungsbereich bis 1kW aufgebaut und geregelt werden kann. Darüber hinaus wird ein neues Konzept für die Modellierung der Maschinen entwickelt. Exakte dreidimensionale Maschinenmodelle sollen vorab simuliert und anschließend für einen Echtzeitbetrieb mit dem Emulator aufbereitet werden.

Ansprechpartner: Manuel Fischer, M.Sc.