Methoden zur gegenseitig ergänzenden Auslegung der Maschine und der Regelung in elektrische Antriebssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roberto Leidhold
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269964293

Elektrische Antriebe werden in immer mehr Anwendungsbereichen eingesetzt. Sie ermöglichen eine effiziente Leistungsumwandlung sowie die Regelung der Bewegungsabläufe. Man findet sie in Industriemaschinen, Elektrofahrzeugen, Haushaltsgräten, als Generatoren für erneuerbare Energien und vielen weiteren Anwendungsbereichen.Ziele beim Entwurf elektrischer Antriebe sind hohe Momentendichte, Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad, niedrige Kosten und gute Eigenschaften bei der Bewegungsregelung. Die Forschung und Entwicklung von elektrischen Antrieben ist in den meisten Fällen zweigeteilt. Auf der einen Seite steht der Entwurf der elektrischen Maschine und auf der anderen die Regelung und die Leistungselektronik.Die üblichen Ansätze zur Regelung von elektrischen Maschinen gehen von einer Standardmaschine aus. Die Maschine wiederum wird für einen Standardregelverfahren ausgelegt. Die Auslegung der elektrischen Maschine und die Auslegung des Regelalgorithums erfolgt meistens durch unabhängige Arbeitsgruppen.Im Fall von permanent erregten Synchronmaschinen (PSM) wird die Maschine üblicherweise so ausgelegt, dass man eine sinusförmige elektromotorische Kraft (EMK) erhält. Es wird von der Annahme ausgegangen, dass die Regelung die Maschine mit einem sinusförmigen Strom versorgt. Der Regler auf der anderen Seite wird für einen sinusförmigen Strom ausgelegt, da davon ausgegangen wird, dass die EMK der Maschine sinusförmig ist. Durch diesen Ansatz erhält man ein glattes Drehmoment. Dieses schränkt jedoch den Entwurf der Maschine ein und nutzt weder das ganze Potential der Leistungselektronik noch das der Regelung.Wenn der Entwurf der Maschine und die Regelung zusammenhängend durchgeführt werden, können bessere Systemeigenschaften erreicht werden, als wenn der Entwurf getrennt von der Regelung erfolgt. Daraus ergibt sich ein sehr großes Potential einfachere, aber zugleich auch effiziente Antriebssysteme zu entwickeln. Dieser Ansatz wurde bisher nur sehr selten untersucht und wird in diesem Antrag abgedeckt.Die Untersuchungen richten sich auf Maschinen, die mit nicht sinusförmiger EMK entworfen werden. Diese Maschinen werden in Kombination mit einem Dreiphasen-Vierdraht Umrichter betrieben, d.h. mit Anschluss des Neutralleiters und einer nicht sinusförmigen Koordinatentransformation für die Regelung. Mit dem Ziel ein einfacheres Antriebssystem ohne Positionssensor zu erhalten, werden auch Verfahren der geberlosen Regelung untersucht. Da die Genauigkeit der geberlosen Verfahren besonders von den Eigenschaften der Maschine abhängt, werden Methoden zur Maschinenauslegung hinsichtlich der Verbesserung der Fähigkeit geberloser Verfahren untersucht.Die Untersuchungen erfolgen auf Basis von Modellierung, Simulation und Experimenten an Prototypen der Maschine und des Regelungssystems. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden zunächst nur auf die PSM bezogen, sie lassen sich zumindest teilweise auch auf andere Maschinentypen übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Guillermo O. Garcia