Geberlose Regelung von Induktionsmaschinen mit Hilfe einer zusätzlichen einachsigen kurzgeschlossenen Rotorwicklung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Mertens; Professor Dr.-Ing. Bernd Ponick
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424944120

Mit Hilfe von feldorientierten Regelverfahren lassen sich mit Induktionsmaschinen (IM) sehr dynamische Antriebe gestalten, die bei Verwendung von entsprechenden mechanischen Gebern eine hohe Regelgüte erreichen. Ein geberloser Betrieb bietet jedochVorteile gegenüber dem konventionellen Betrieb mit Geber, wie die Einsparung von Kosten, Bauvolumen und Wartungsaufwand oder den Betrieb unter extremen Umweltbedingungen, die einen Einsatz eines mechanischen Gebers nicht zulassen. Die Herausforderung besteht darin, eine Drehzahl- bzw. Lageerkennung für den gesamtenDrehzahl- bzw. Frequenzbereich zu gewährleisten. Es fehlen jedoch geberlose Regelverfahren für die IM, die bis hin zur Statorfrequenz Null anwendbar sind, dabei keine hohe Magnetisierung erfordern und somit insbesondere bei geringen Drehmomenten niedrige Verluste zulassen, und die die Ermittlung der Rotorlage ermöglichen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen daher Möglichkeiten untersucht werden, um eine geberlose Regelung für den gesamten Drehzahlbereich zu gestalten, die diese Eigenschaften aufweist. Dazu soll ein innovatives Rotordesign für die IM zur Steigerung der Anisotropie untersucht werden, um damit den Betrieb insbesondere bis zur Statorfrequenz Null auch bei einer niedrigen Magnetisierung der IM zu ermöglichen. Ziel ist ein Verfahren zur geberlosen Regelung, das auf einer einheitlichen Beobachterstruktur für die EMK-basierte und die Anisotropie-basierte Schätzung beruht. Um einen weiteren Fortschritt bezüglich der Güte der geberlosen Regelung zu erzielen, sollen eine mittels Überabtastung verbesserte Stromerfassung und eine darauf aufbauende, sehr präzise Spannungsfehlerkompensation des Wechselrichters verwendet werden.Die Grundideen des modifizierten Rotordesigns und des einheitlichen Beobachters für den gesamten Drehzahlbereich wurden in eigenen Vorarbeiten bereits für permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) erfolgreich untersucht. Kern des beantragten Forschungsprojekts ist die Beantwortung der Fragen, ob dieseAnsätze auf die IM übertragen werden können, und im welchem Maße sich dadurch die geberlose Regelung der IM verbessern lässt. Dazu soll eine Methodik für die Gestaltung des Rotors durch Verwendung einer Zusatzwicklung erforscht werden, die es erlaubt, die rotorlageabhängige Anisotropie der IM zu vergrößern, ohne dabei die Höhe und die Welligkeit des Drehmoments sowie den Wirkungsgrad deutlich zu verschlechtern.Die Modellierung der Maschine für die Regelung muss so erweitert werden, dass die zusätzliche Wicklung mit berücksichtigt wird. Aufbauend auf diesem erweiterten Modell soll eine drehzahlgeberlose Regelung erforscht werden, die die Rotorlage unter Verwendung der neu eingebrachten Anisotropie ermittelt. Die sich aus dieser neuartigen geberlosen Regelung ergebenden Möglichkeiten und Grenzen sollen anschließend evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen