Einführung
Ob im Bereich der Anlagentechnik oder der Elektromobilität, die Verbreitung und Anzahl elektrischer Antriebe von Hilfsmotoren bis zum Traktionsantrieb nimmt stetig zu. Im höheren Leistungsbereich werden mittlerweile fast ausschließlich Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche üblicherweise von einem Wechselrichter mit entsprechender Regelung gespeist werden.
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.
Ziele
Ein Emulator soll das elektrische Verhalten von Drehstrommaschinen mit veränderlichen elektrischen und mechanischen Parametern nachbilden, um so den vollumfänglichen Betrieb eines zu prüfenden Wechselrichters ohne reale Maschine erproben zu können. Die Reaktion des Emulators auf die Schalthandlungen des Prüflings soll hierbei so exakt wie möglich mit der Reaktion der echten Drehstrommaschine übereinstimmen.
Forschungsaktivitäten am ILEA
Am Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe wurden bereits mehrere Emulatoren zur elektrischen Nachbildung von Synchronmaschinen aufgebaut. Der im nebenstehenden Bild gezeigte Emulator wurde für einen Leistungsbereich bis 30kW entworfen. Daneben wurden verschiedene leistungselektronische Topologien als Emulator für Kleinantriebe bis 1kW aufgebaut und hinsichtlich ihrer Abbildungsgenauigkeit verglichen. Der Fokus lag hierbei auf der exakten Nachbildung der durch die taktende Arbeitsweise des DUT-Wechselrichters hervorgerufenen Stromwelligkeit.
Die aktuellen Forschungsaktivitäten übertragen die Erkenntnisse zur Nachbildung der Stromwelligkeit auf den Leistungsbereich elektrischer Traktionsmaschinen und beachten insbesondere stark anisotrope Synchronmaschinen. Darüber hinaus wird die Erweiterung der bislang eingesetzten Maschinenmodelle, z.B. hinsichtlich Oberschwingungen, untersucht.
Ansprechpartner
André Haspel, M.Sc.
Akademischer Mitarbeiter