Messungen und Simulation von nichtlinearen Effekten zur Bestimmung der Flußlage von Asynchronmaschinen ohne mechanischen Sensorvon Asynchronmaschinen

Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Thema sensorlose Regelung von Asynchronmotoren. Unter dem Begriff sensorlos wird in diesem Zusammenhang der Wegfall des teuren und fehleranfälligen Sensors an der Motorwelle von umrichtergespeisten Antrieben mit Asynchronmaschinen verstanden. Eine intelligente Regelung soll die zur Regelung benötigte Information im gesamten Betriebsbereich (inklusive Stillstand) ersetzen. Alle dazu bisher publizierten Verfahren leiden unter einer starken Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine. Darüber hinaus sind auch einige Merkmale bei der Auslegung von Asynchronmaschinen entscheidend für die Qualität der Regelung. Die genannten Punkte verhinderten bisher eine industrielle Umsetzung dieser sensorlosen Verfahren. Es wurden in diesem Projekt die Hintergründe dieser Abhängigkeit bzw. der begrenzten Anwendbarkeit untersucht und Richtlinien für die Konstruktion von Motoren erarbeitet. Dadurch kann beim Entwurf der Maschine sowie bei der Auslegung des Antriebes durch Berücksichtigung der Projektergebnisse die Qualität der Regelung deutlich erhöht werden. Es wurde damit die Grundlage für den Einsatz sensorloser Regelungsverfahren in industriellen Anwendungen geschaffen. Das gesamte, zu einer Umsetzung notwendige Know-how ist an der Forschungsstätte konzentriert. Bei einer zeitgerechten industriellen Einführung sensorlos geregelter Asynchronmaschinen ist ein deutlicher Vorsprung zur internationalen Konkurrenz zu erzielen, wodurch eine deutliche Standortverbesserung ermöglicht wird. In allen modernen umrichtergespeisten Drehstromantrieben ist für einen stabilen Betrieb im Bereich um den Motorstillstand ein Positionssensor oder Drehgeber an der Motorwelle nötig. Dieser Sensor führt sowohl zu zusätzlichen Kosten, als auch zu einer Vergrößerung der Abmessungen. Da von einem Ausfall des Sensors zumeist der gesamte Antrieb betroffen ist, wird auch die Zuverlässigkeit reduziert. In den vergangenen Jahren wurden mehre Regelungsverfahren in der Literatur vorgestellt, die diesen Drehgeber ersetzen können. Dabei wird aus der Reaktion der Maschine auf eine Anregung durch Spannungsimpulse die Position des Rotors bzw. die Richtung des magnetischen Flusses in der Maschine berechnet. Die Anregung durch die, nur wenige 10s dauernden Spannungsimpulse, erfolgt durch den Wechselrichter. Zur Anwendung des Verfahrens werden nur Stromsensoren benötigt, die in Wechselrichtern zur Bestimmung der Strangströme bereits vorhanden sind. In dem vorliegenden Projekt wurde der Einfluss von unterschiedlichen Konstruktions-Parametern von Asynchronmaschinen auf das transiente elektrische Verhalten der Maschine (die Reaktion der Maschinenströme auf die Spannungsimpulse) untersucht, indem gezielt Messungen an speziell gefertigten Maschinen durchgeführt wurden. Zusätzlich wurde ein Simulationsmodell der Maschine entworfen, dass auch die, bei einer Anregung durch Spannungsimpulse auftretenden Effekte im Eisen (Hysterese etc.) mit berücksichtigt. Aufgrund der Projektergebnisse ist es möglich, bereits beim Entwurf der Asynchronmaschinen auf den sensorlosen Betrieb Rücksicht zu nehmen und die Maschine auch in ihrem transienten Verhalten zu optimieren. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sind jedoch nicht nur auf dem Gebiet der sensorlosen Regelung anwendbar. Wie die Resultate zeigten, ist beispielsweise auch eine sehr sensible Überwachung der Maschine auf mögliche Fehlerzustände durch leichte Modifikationen realisierbar. Speziell in sicherheitskritischen Anwendungen (steer-by-wire, brake-by-wire, Steuerklappenaktuatoren von Flugzeugen etc.) von Umrichterantrieben gewinnen solche Überwachungssysteme immer mehr an Bedeutung.