Energieoptimale Drehmomentsteuerung und Auslegung von hochdynamischen Asynchronantrieben unter besonderer Berücksichtigung der transienten Stromverdrängung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wilfried Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 190397295

An moderne umrichtergespeiste Drehstromantriebe werden wachsende Anforderungen bezüglich einer hohen Drehmomentdynamik gestellt. Jedoch erfordert die schnelle Drehmomentänderung eine entsprechend schnelle Änderung der Wicklungsströme, die zur Anregung der Stromverdrängung in den Rotorstäben von Käfigläufermotoren führt. Die sich infolge der transienten Stromverdrängung ergebenden zusätzlichen Läuferverluste erzeugen bei schnellen Lastspielen eine nennenswerte zusätzliche Wärme im Läufer. Außerdem beeinträchtigt die transiente Stromverdrängung die Regelgüte der beiden am weitesten verbreiteten Regelverfahren (FOC und DTC). Denn die transiente Stromverdrängung führt zur dynamischen Änderung der Rotorparameter. Jede Abweichung von den realen Maschinenparametern führt zu einer falschen Berechnung der Entkopplung und zu einer falschen Einschätzung des Flusswinkels. Repräsentative Beispiele derartiger transienten Stromverdrängung bieten Querschneiderantriebe in Papiermaschinen, Scheren in Walzwerken und Prüfstandsantriebe in der Automobilindustrie. Im Verlaufe des Projekts konnte gezeigt werden, dass die durch die dynamische Stromverdrängung verursachten zusätzlichen Rotorverluste gezielt durch eine verlustarme hochdynamische Drehmomentsteuerung und durch eine verbesserte Rotornutgeometrie effektiv vermindert werden können, ohne dass die Maschinendynamik und die sonstigen Betriebseigenschaften des Asynchronmotors verschlechtert werden. Es konnte ebenfalls nachgewiesen werden, dass die Regelgüte einerseits durch die genaue Modellierung der transienten Stromverdrängung in den Rotorstäben und andererseits durch die echtzeitige Nachführung der Rotorparameter mithilfe von Online-Parameter-Identifikationsverfahren verbessert wird. In der letzten Projektetappe sollen die bisher theoretisch gewonnenen Erkenntnisse experimentell überprüft werden und ggf. eine Nachjustierung der Theorie vorgenommen werden. Parallel dazu sollen die letzten Lücken in der Theorie des Projekts durch den erfolgreichen Einsatz einer Online-Parameteridentifikation der Rotorzeitkonstante und das Auffinden der Pareto-Front für die beiden wichtigsten Optimierungsgrößen, dynamische Stromverdrängungsverluste und Trägheitsmoment, geschlossen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen