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Drehgeberlose Identifikation der Rotorlage bei elektrisch erregten Synchronmaschinen

Umrichter gespeiste elektrisch erregte Synchronmotoren werden heute in der Regel bei Antrieben sehr großer Leistungen bis ca. 20 Megawatt eingesetzt. Diese Antriebe werden mit Umrichtern im Mittelspannungsbereich (bis 10.000 Volt) betrieben und finden typischerweise ihren Einsatz in Pumpen und Förderanlagen aber auch in Schiffsantrieben.

Für die Regelung solcher Antriebe ist die Information über die aktuelle Rotorlage bzw. die Lage des Magnetfeldes der Maschine zwingend erforderlich, weshalb in der Regel ein mechanischer Drehimpulsgeber an der Maschinenwelle montiert wird. Der Einsatz eines solchen Sensors birgt jedoch erhebliche Nachteile, da dieser anfällig auf Verschmutzungen, elektromagnetischen Störfeldern und mechanischen Stößen reagiert und dementsprechend die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebsstranges deutlich reduziert.

Mit modernen Regelverfahren ist der Betrieb eines solchen Antriebs heutzutage auch ohne mechanischen Sensor möglich. Hierbei werden die Maschinenspannungen und -Ströme gemessen und daraus die Rotorlage mit Hilfe eines komplexen Maschinenmodells in einem digitalen Rechner, ausgestattet mit einem Signalprozessor, errechnet. Solange die Maschine in Bewegung ist, liefern diese Verfahren gute Ergebnisse. Sie scheitern jedoch bei sehr langsamen Drehzahlen, insbesondere im Stillstand der Maschine.

Um das Anfahren des Antriebs ohne Drehgeber dennoch zu ermöglichen müssen demnach andere Verfahren angewandt werden, die auch im Stillstand die Rotorposition ohne Drehgeber erfassen können. Die bisher angewandten Methoden können allerdings nur auf Maschinen angewandt werden, die spezielle Eigenschaften bezüglich der Dämpferwicklungen, Art der Erregung, etc. aufweisen. Aus diesem Grund ist die Drehgeberlose Regelung bei dem Großteil der Synchronmaschinen bisher nicht möglich.

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein neues Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorlage im Stillstand entwickelt. Es beruht auf der Einprägung niederfrequenter Spannungspulse in die Statorwicklung und der Auswertung der entsprechenden Antworten im Stator- und Feldstrom. Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren lässt sich diese Neuentwicklung auf eine Vielzahl von verschiedenen Synchronmaschinen anwenden und ermöglicht somit auch den drehgeberlosen Betrieb an solchen Maschinen, bei denen die bisherigen Verfahren scheitern.