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Dissertation Kilthau

Dr.-Ing. Andreas Kilthau

"Drehgeberlose Regelung der Synchronen Reluktanzmaschine" (2002)

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Regelung der Synchronen Reluktanzmaschine mit und ohne Lagegeber. Grundlage für die Regelung ist ein genaues Maschinenmodell. Das Modell wurde zunächst in allgemeiner Form aufgestellt mit Berücksichtigung der Eisenverluste und der Eisensättigung. Später hat sich dann gezeigt, dass die Eisenverluste bei der vorliegenden Maschine vernachlässigbar sind und das Modell konnte vereinfacht werden. Die Eisensättigung hingegen hat einen großen Einfluss auf das Verhalten der Maschine. Die allgemeinen Spannungsgleichungen der SyncRel wurden mathematisch so umgeformt, dass die Auswirkungen der Eisensättigung auf das dynamische Verhalten der SyncRel erkennbar werden. Es hat sich gezeigt, dass damit zusätzlich zu den starken Nichtlinearitäten eine Verkopplung der Achsen d und q entsteht, die es so bei anderen Maschinen nicht gibt.

Nach der Umformung der Spannungsgleichungen ergaben sich in der d- und q-Achse jeweils drei verschiedene Induktivitäts-Kennlinien: die stationären und transienten Induktivitäten und ein zusätzlicher Term, verursacht durch die Abhängigkeit der Induktivitäten vom Strom der jeweils orthogonalen Achse. Im nächsten Schritt wurde viel Sorgfalt darauf verwandt, diese Kennlinienfelder zu messen. Für diese Messungen hat sich ein Stromabfalltest als gut geeignet erwiesen.

Anschließend wurde auf der Grundlage des ausführlichen Maschinenmodells und der gemessenen Kennlinien eine geeignete Regelungsstruktur für die SyncRel entworfen, zunächst unter Verwendung eines Lagegebers. Die gemessenen Parameter werden dabei in der Regelung für die Entkopplung der Achsen und die Kompensation der Nichtlinearitäten verwendet. Sie dienen außerdem zur Berechnung des drehmomentoptimalen Betriebs im Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich.

Im Fall der SyncRel ist der direkte Ansatz für eine Regelung ohne Lagegeber die Auswertung der magnetischen Unsymmetrie. Es wurde eine Methode vorgestellt, wie der Rotorwinkel aus den Klemmenspannungen und Strömen berechnet werden kann. Das in den vorhergehenden Betrachtungen hergeleitete und bestätigte Maschinenmodell diente hierfür als Grundlage. Bei kleiner Drehzahl bis zum Stillstand wird zusätzlich ein Testsignal aufgeschaltet. Durch eine systematische Vorgehensweise konnte das Verfahren so optimiert werden, dass im Stationärbetrieb und im Rahmen der von den Maschinenparametern vorgegebenen Grenzen eine Schätzung des Winkels mit maximaler Genauigkeit in jedem Betriebspunkt möglich ist.

Im experimentellen Aufbau wurde eine kommerziell verfügbare SyncRel eingesetzt. Die praktische Realisierung wurde von einem Simulationsmodell begleitet und unterstützt. Die vorgestellten Messergebnisse und Simulationen bestätigen im wesentlichen das Maschinenmodell und das Regelungsverfahren. Für die verbleibenden Differenzen wurden Verbesserungsvorschläge gemacht.

Es hat sich gezeigt, dass mit der SyncRel eine qualitativ hochwertige Regelung erstellt werden kann. Die Realisierung einer geberlosen Regelung ist relativ einfach möglich, da es sich trotz der umfangreichen Gleichungen und Abfragen um ein deterministisches Verfahren handelt. Die vorliegende Arbeit stellt somit eine Grundlage für den Einsatz der SyncRel in drehzahlgeregelten Antrieben dar.