Intelligentes, integriertes Einzelrad-Antriebs-Brems-Modul für Schienenfahrzeuge (EABM) Antrieb mit Geschalteter Reluktanzmaschine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geschaltete Reluktanzantriebe werden zurzeit nicht als Bahnantriebe eingesetzt. Dabei haben sie im Vergleich zu anderen Maschinentypen einige Vorteile, die besonders im Bereich der Bahntriebe von Nutzen sind. Die Verwendung von Konzentrierten Wicklungen z.B. verringert die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen zwischen zwei Wicklungen, da diese sich nicht überlappen. Weiterhin reduzieren sich dadurch die Abmaße des Wickelkopfes. Prinzipbedingt führt ein Wicklungskurzschluss innerhalb einer Wicklung einer permanenterregten Maschine zum Ausfall der Maschine. Wird der Fehler nicht detektiert und der Antrieb angehalten, können die großen Kurzschlussströme die durch die Magnete induziert werden zu einer starken Überhitzung der Maschine führen. Bei Detektierung eines Kurzschlusses innerhalb einer Wicklung einer Geschalteten Reluktanzmaschine (GRM) können die entsprechenden Leistungsmodule abgeschaltet werden. Die Phasen einer GRM werden von unabhängigen Leistungsmodulen versorgt. Der Betrieb der Maschine ist bei Ausfall einer Phase weiterhin mit reduzierter Leistung möglich. Geschaltete Reluktanzmaschinen sind bedingt durch ihren simplen und robusten Aufbau sehr zuverlässig. Es werden keine verschleißenden Teile wie z.B. Kommutatoren oder Schleifringe bei Gleichstrom- oder Synchronmaschinen eingesetzt. Die hohe Vibrations- und Schockbelastung von bis zu 160 g sowie die hohe Temperaturbelastung komplizieren zu dem den Einsatz von permanenterregten Maschinen, da die Möglichkeit besteht, dass die Magnete sich entmagnetisieren. Im Hinblick auf die Integration des Antriebs in das EABM-Modul kommen zwei verschiedene Antriebskonzepte in Frage. Zum einen ist es möglich die GRM als Innenläufer zu realisieren. Dies bedeutet, dass der rotierende Rotor innen und der Stator außen sitzt. Über eine Welle wird der Motor mit dem Rad verbunden. Bei dem anderen Konzept sitzt der Rotor außen und ist direkt mit dem Rad verbunden. Das Konzept mit Außenläufer ist für die Integration des Antriebs in das Modul besser geeignet. Eine Studie hat gezeigt, dass die GRM als Außenläufer ein höheres Verhältnis von produziertem Drehmoment zu dem benötigten Phasenstrom hat. Dadurch hat der Außenläufer bei gleichen Randbedingungen einen höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich kann dadurch das Volumen und die Kosten des Umrichters reduziert werden. Um die Integration des Umrichters in den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum zu ermöglich wurde ein Konzept entwickelt, bei dem der Umrichter über den Umfang der Maschine verteilt ist. Anstatt großer Leistungsmodule werden diskrete Halbleiter verwendet und auf die einzelnen Pole der Maschine verteilt. Dadurch ist eine gleichmäßigere Verteilung der Verluste der Halbleiter möglich. Die hohe Anzahl an Bauelementen erhöht die Redundanz, da jedes der entwickelten Polmodule unabhängig von den restlichen Polmodulen betrieben werden kann. Durch die Verwendung des verteilten Umrichters reduziert sich der Verkabelungsaufwand im Wicklungskopf der Maschine. Jede Wicklung wird direkt an den Umrichter angeschlossen. Dementsprechend reduziert sich auch die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers zwischen den Wicklungen der Phasen. Durch die Integration von Maschine und Umrichter konnte die Anzahl an Zuleitungen deutlich reduziert werden. Zum Betrieb des Antriebs werden zwei Leitungen für die Spannungsversorgung, zwei Anschlüsse für die Kühlung und eine Kommunikationsleitung pro Phase benötigt. Damit reduzieren sich die Komplexität und die Kosten der Schnittstelle. Weiterhin kann die Anzahl der Maschinenphasen ohne Nachteile erhöht werden. Dies ist für einen Direktantrieb von Vorteil. Um die benötigte Dynamik des Antriebs für die Realisierung der Spurführung und Schlupfregelung zu erreichen, wurde eine Direkte Drehmomentregelung entwickelt. Diese Regelung wurde in Bezug auf die hohen Anforderungen und die hohe Anzahl an Phasen optimiert. Mit der entwickelten Regelung kann innerhalb weniger µs das gewünschte Drehmoment eingestellt werden. Aufgrund des geringen Einbauraums für den Umrichter wurde eine Strategie entwickelt, mit der die Anforderungen an den Umrichter reduziert werden können. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Wicklungen pro Phase kann bei niedrigen Drehzahlen der benötigte Phasenstrom reduziert werden. Jedoch steigt bei hohen Drehzahlen die induzierte Gegenspannung derart, dass mit der ursprünglichen Regelstrategie kein Phasenstrom mehr in die Maschine eingeprägt werden kann. Mit Continuous Conduction Mode (CCM) ist es möglich trotz der hohen Gegenspannung bei hohen Drehzahlen einen Strom in die Maschine einzuprägen. Insgesamt reduzieren sich dadurch die Anforderungen an den benötigten Phasenstrom und somit auch das Volumen und die Kosten des Umrichters. Wie im Folgeantrag detailliert beschrieben, wird in der zweiten Projektphase ein integriertes EABM-Modul aufgebaut. Dafür wird zuerst das Konzept neu erarbeitet und anschließend das Modul vom IFS in Zusammenarbeit mit den Partner Instituten konstruiert. Zeitgleich erfolgt eine Untersuchung des thermischen Verhaltens des Antriebs. Mit der zu entwickelnden modellbasierten Temperaturüberwachung wird auf Basis eines thermischen Modells die Auslastung der Maschine und des Umrichter bestimmt. Die dadurch gewonnen Informationen werden in der übergeordneten Regelung (IRT) eingesetzt, um den Betriebspunkt an die thermische Auslastung des Antriebs anzupassen. Neben der thermischen Untersuchung erfolgt eine akustische Vermessung des Antriebs. Anhand der Messergebnisse können verschiedene Regelstrategien zur Geräuschsreduzierung untersucht und verglichen werden. Ebenfalls Teil des Folgeantrags ist die Untersuchung und Entwicklung einer Regelung für den Einsatz von CCM sowie einer lagegeberlosen Regelung. Die Untersuchung der Systemredundanz, sprich der möglichen Fehlerfälle und deren Auswirkung auf den Betrieb der Maschine, wird zeigen, inwiefern der Antrieb trotz eines Fehlers weiterlaufen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Comparison of Outer- and Inner-Rotor Switched Reluctance Machines". 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS, Bangkok, Thailand
M. D. Hennen und R. W. De Doncker
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"Multiphase Torque-Sharing Concepts of Predictive PWM-DITC for SRM". 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS, Bangkok, Thailand
H. J. Brauer, M. D. Hennen, und R. W. De Doncker
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"Influence of Continuous Conduction Mode on Converters in SRM Drives". 22th International Electric Vehicle Symposium (EVS), Yokohama, 2006
M. D. Hennen, S. E. Bauer, und R. W. De Doncker
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"Temperatures evaluation in an integrated motor drive for traction applications". In: Proc. IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference on, Nov. 2006, pp. 4800–4805
A. Tenconi, F. Profumo, D. Gallo, M. D. Hennen, und S. E. Bauer
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Predictive PWM-based Direct Instantaneous Torque Control for Switched Reluctance Machines. Dissertation, 2007, ISBN 978-3- 8322-6210-5
N. H. Fuengwarodsakul
