Geberfreie Regelung von Synchronmaschinen

Einführung

Bei elektrischen Antrieben für die Automatisierungs- und Produktionstechnik sowie für die Mobilität kommen häufig Synchronmaschinen zum Einsatz. Die Synchronmaschinen werden heutzutage üblicherweise über einen Wechselrichter mithilfe der feldorientierten Regelung (FOR) angesteuert. Die feldorientierte Regelung ermöglicht eine Entkopplung der feld- und momentenbildenden Komponenten, benötigt aber eine Transformation der erfassten Statorgrößen in ein rotierendes Koordinatensystem. Der dafür benötigten Transformationswinkel φ wird über einen mechanischen Sensor, dem sog. „Geber“, erfasst, welcher häufig als optischer Inkrementalgeber oder Resolver ausgeführt wird.

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Übersicht über eine Synchronmaschine mit feldorientierter Regelung

 

Ziel des Forschungsgebietes ist es, auf den Geber zu verzichten und den Transformationswinkel mithilfe der elektrischen Größen der Maschine zu bestimmen. Durch den Einsatz dieser „geberfreien Verfahren“ kann der Geber entfallen wodurch die Zuverlässigkeit erhöht sowie Kosten und Bauraum reduziert werden können.
Ist es Aufgrund der Anwendung nicht möglich auf einen Geber zu verzichten, kann ein Verfahren zur geberfreien Positionsbestimmung genutzt werden, um eine Redundanz zu erzeugen, oder die Auflösung eines einfachen kostengünstigen Gebers zu erhöhen.

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Übersicht über eine Synchronmaschine mit feldorientierter Regelung und geberfreier Positionserfassung

 

 

Um den Transformationswinkel geberfrei bestimmen zu können, kann man zwei physikalische Eigenschaften der Synchronmaschine ausnutzen. Bei einer drehenden Maschine kann die induzierte Spannung durch geeignete Verfahren erfasst werden und daraus der Transformationswinkel bestimmt werden. Bei einer Maschine im Stillstand ist dies prinzipiell nicht möglich. Hier kann jedoch eine „magnetische Achsigkeit“, welche entweder konstruktivbedingt vorhanden ist, oder künstlich erzeugt werden kann, für die Bestimmung des Transformationswinkels herangezogen werden.

Für beide Prinzipien gibt es eine große Anzahl verschiedener Ausgestaltungen und Verfahren, welche für die verschiedenen Einsatzgebiete von Synchronmaschinen unterschiedlich gut geeignet sind. Ziele des Forschungsbereichs sind, unter anderem, der Vergleich und die Bewertung der einzelnen Verfahren für konkrete Anwendungsgebiete (Bsp.: HS-Cutting, Elektrofahrzeug, …) und ggf. deren Erweiterung.

Aktuelle Aktivitäten

FESM
Prototyp einer fremderregten Synchronmaschine
  • Untersuchung von Verfahren zur geberfreien Positionsbestimmung an einer fremderregten Synchronmaschine für den Einsatz in elektrischen Fahrzeugen.
  • Untersuchung von Verfahren zur geberfreien Positionsbestimmung mithilfe der Einprägung von hochfrequenten Signalen und vor allem die Möglichkeit den Erregerkreis als Quelle der hochfrequenten Signale zu nutzen.
  • Untersuchung von Verfahren zur geberfreien Positionsbestimmung oder einer Kombination aus mehreren Verfahren, um die Position über den gesamten Drehzahlbereich, vom Stillstand bis zur maximalen Drehzahl, erfassen zu können.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Johannes Schuster