Optimierte transiente Anregung von Asynchronmaschinen

Die Entwicklung von schnellen Signalprozessoren und schnell schaltender Leistungselektronik führte in den vergangenen Jahren zu einer Verdrängung der bis dahin dominanten Gleichstrommaschinen durch umrichtergespeiste Drehstromantriebe. Unter dem ständigen Druck zur Kostenreduktion sowie zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Antrieben werden in letzter Zeit große Anstrengungen unternommen Drehzahl- und Drehmomentgeregelte Antriebe ohne mechanischem Sensor an der Motorwelle zu realisieren. Nach dem aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet ist eine Drehmoment/Drehzahlregelung der Maschine ohne mechanischem Sensor im gesamten Drehzahlbereich (einschließlich Stillstand) nur möglich indem die Reaktion der Maschine auf eine hochfrequente oder transiente Anregung erfasst und ausgewertet wird. Neben der mechanisch sensorlosen Regelung kann diese Methode auch erfolgreich zur Erkennung von Fehlerzuständen in umrichtergespeisten Maschinen während des Betriebes angewandt werden. Durch die in jeder Maschine vorhandenen räumlichen Asymmetrien (hervorgerufen beispielsweise durch Sättigung oder Nutung) wird die transiente Reaktion der Maschine von der Fluss-/Rotorposition beeinflusst, wodurch deren räumliche Positionen ermittelt werden können. Die erwähnte hochfrequente oder transiente Anregung muss während des Betriebs der Maschine zusätzlich zur Grundwellenanregung realisiert werden und beeinflusst sowohl die Stromregelung, das Drehmoment und vor allem die Geräuschentwicklung der Maschine. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, ein Umrichteransteuerverfahren zu entwickeln, das beide Anregungen in einem Verfahren vereint und damit ein gemeinsames Optimum für die zur Drehmomentbildung der Maschine notwendige Grundwellenanregung und der, für die sensorlose Regelung notwendigen transienten Anregung bildet. Dadurch wird eine deutliche Reduktion der Nebeneffekte wie Strom-/Drehmomentrippel sowie Geräuschentwicklung ermöglicht. Darüber hinaus soll das Messverfahren zur Ermittlung der transienten Reaktion der Maschine untersucht und in Hinblick auf die Signalqualität optimiert werden. Die geplanten Untersuchungen und Messungen werden sowohl durch Simulation als auch durch Messungen an einem speziellen Asynchronmaschinen - Prüfstand durchgeführt, der im Rahmen des Projektes ebenfalls aufgebaut wird. Das vorgeschlagene Projekt basiert auf den Ergebnissen eines derzeit laufenden, vom FWF finanzierten Projektes.

Antriebe mit Asynchronmaschinen sind, vor allem wegen ihrer Robustheit, industriell sehr weit verbreitet. Jedoch wird zum erreichen einer hochdynamischen Regelung im gesamten Drehzahlbereich, ein mechanischer Winkel- oder Drehzahlsensor benötigt. In den letzten Jahren wurde versucht diesen Sensor durch rein elektrische Messungen zu ersetzen, womit Baugröße, Kosten und Ausfallswahrscheinlichkeit weiter reduziert werden könnten. Eine, der dabei eingesetzten Methoden (auch Injektionsmethoden genannt) wurde in diesem Forschungsprojekt untersucht und verbessert. Die sogenannte INFORM Methode (INFORM = Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement) kann speziell dazu verwendet werden, Winkel- und/oder Drehzahlsensoren im Bereich kleiner Drehzahlen zu ersetzten. Kern dabei ist das transiente (hochfrequente) elektrische Verhalten der Maschine, welches aus der Reaktion der Maschine auf injizierte Spannungsimpulse ermittelt wird. International werden Injektionsmethoden wie das INFORM Verfahren derzeit als einzige Möglichkeit angesehen, Drehstrommaschinen selbst bei geringsten Frequenzen/Drehzahlen ohne Winkel- oder Drehzahlsensor zu regeln. Die dabei notwendige Injektion führt jedoch auch zu einigen nachteiligen Effekten, welche die weitere Entwicklung hin zum industriellen Einsatz bremsen würden. Der störende Effekt der zusätzlichen Geräuschentwicklung, die unvorteilhafterweise in einem Frequenzbereich liegt, der für das menschliche Ohr sehr gut wahrnehmbar ist, wurde häufig als Nachteil genannt. Außerdem kam es zu einem zusammenwirken dieser Methode mit dem, für den Normalbetrieb erforderlichen Stromregler. Das Hauptziel des Projektes war es, Methoden zu entwickeln, die eine Integration der Injektionen in eine industrielle Pulsweitenmodulation ermöglichen, um damit die Geräuschentwicklung und das problematische Zusammenspiel mit dem Stromregler zu verbessern. Die elektrischen Sensoren in industriellen Systemen sind nicht auf die Messung transienter elektrischer Maschinenphänomene ausgerichtet. Daher war bereits zu Beginn des Projektes klar, dass bei der Erreichung der Projektziele die Optimierung der Messkette eine zentrale Rolle spielt. Es wurden daher Stromsensoren erfolgreich verbessert, die dann auch einen großen Beitrag bei der Integration der Pulsinjektion lieferten. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen zeigte sich darüber hinaus, dass die gemessenen transienten elektrischen Maschineneigenschaften auch erfolgreich auf anderen Gebieten eingesetzt werden können. Erwähnt sei hier vor Allem die frühzeitige Erkennung von Fehlerzuständen in Maschinen, die derzeit in einem eigenen Forschungsprojekt untersucht wird. Die im Rahmen des Projektes erzielten Ergebnisse führen zu einer Halbierung der erwähnten störenden Eigenschaften der Injektionspulse, im Vergleich zu den bisher eingesetzten Injektionsmethoden.