Geschaltete Reluktanzmaschine mit integriertem verteiltem Umrichter als Direktantrieb für Schienenfahrzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geschaltete Reluktanzmaschinen finden trotz vieler Vorteile als Bahnantrieb bisher keine Verwendung. In einem früheren Projekt wurde eine GRM für einen Einzelradantrieb mit verteiltem Umrichter ausgelegt und aufgebaut. Dieser Antrieb sollte in Hinblick auf verschiedene Kriterien optimiert werden. Dadurch sollte die Anwendung möglich gemacht werden. Da geschaltete Reluktanzmaschinen ein stark nichtlineares Verhalten besitzen, ist eine Positionsbestimmung ohne Lagegeber umsetzbar. Es wurde eine Möglichkeit gefunden, die lagegeberlose Regelung ohne Hardwareveränderungen durchzuführen. Insbesondere im Bahnbereich, aber auch bei anderen Straßenfahrzeugen, ist dieses Vorgehen interessant, da durch den Verzicht auf einen Positionssensor Kosten, Gewicht und Volumen eingespart werden. Bei der Verwendung als Einzelradantrieb kommt eine Vielzahl der Antriebsmodule zum Einsatz, die jeweils abweichende Maschinencharakteristiken besitzen. Zur automatisierten Bestimmung der Charakteristik wurde ein Selbstcharakterisierungsverfahren entwickelt, wodurch fertigungsbedingte Abweichungen und Umwelteinflüsse berücksichtigt werden. Für die Untersuchung neuer Regelungsverfahren wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das auch Phasenkopplung abbildet ohne zeitaufwändige FEM durchzuführen. Damit wurden eine optimierte Regelung im Fehlerfall sowie akustische Optimierungsansätze untersucht. Zudem wurde die Verlustverteilung in der Maschine ermittelt. Zum einen lassen sich daraus Rückschlüsse auf ein optimiertes Maschinendesign ziehen. Zum anderen können anhand der Verlustwerte zusammen mit dem ebenfalls entwickelten thermischen Modell die Temperaturen innerhalb der Maschine ermittelt werden. Dies ermöglicht einen Schutz vor thermischer Überlastung insbesondere beim Weiterbetrieb im Fehlerfall. Das thermische Modell ist parametrisiert aufgebaut und ermöglicht einfache Anwendung auch bei anderen Maschinen sowohl mit Innen- als auch mit Außenläufer. Im Bereich höherer Drehzahlen wurden Regelungsverfahren untersucht, um einen Betrieb an der thermischen Leistungsgrenze zu ermöglichen. Zudem wurden in diesem Betriebsbereich Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz oder zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit ermittelt. Insgesamt wurden vielfältige Ansätze zur Optimierung des Einzelradantriebs untersucht. Dabei wurden insbesondere die hohe Phasenzahl der geschalteten Reluktanzmaschine und die Eigenschaften des integrierten, verteilten Umrichters ausgenutzt. Die Erkenntnisse lassen sich auf andere geschaltete Reluktanzmaschinen übertragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Development and control of an integrated an distributed inverter for a fault tolerant five-phase switched reluctance traction drive“, 14th International Power Electronics and Motion Control Converence, EPE,PEMC, 2010, Mazedonien
M. Hennen, H. Brauer, M. Niessen, C. Heyers, R. W. De Doncker
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“Position Sensorless Torque Control of Switched Reluctance Machines”, Dissertation, 2011, ISBN 978-3-8440-1014-5
D. van Treek
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“Switched Reluctance Direct Drive with Integrated Distributed Inverter”, Dissertation, 2011, ISBN 978-3-8440-0731-2
M. Hennen
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"Development and Control of an Integrated and Distributed Inverter for a Fault Tolerant Five-Phase Switched Reluctance Traction Drive", Power Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 27, No. 2, pp. 547-554, 2012
M. Hennen, M. Niessen, C. Heyers, H. Brauer, R. W. De Doncker
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“Loss Calculation by Finite Element Method for a Switched Reluctance Machine (SRM)”, KKU-IENC2012, 2012, Thailand
K. Gularnupong, M. Hübner, N. Fuengwarodsakul, R.W. De Doncker
