Drehgeberlose Regelung von Käfigläufer-Reluktanzmaschinen bei kleiner Drehzahl und Stillstand: Berichte aus der Elektrotechnik

Für eine optimale Regelung elektrischer Maschinen muss der Rotorwinkel mit hoher Genauigkeit bekannt sein. In den meisten Fällen werden Inkrementalgeber oder Resolver eingesetzt. Für Anwendungen mit hoher Ausfallsicherheit werden Drehgeber auch redundant ausgeführt. Drehsensoren sind jedoch nur begrenzt zuverlässig, relativ kostenintensiv und haben ungünstige mechanische Anforderungen. Aus diesen Gründen sind heutige Forschungsaktivitäten dahin ausgerichtet, einen elektrischen Antrieb ohne Drehgeber zu realisieren bzw. einen redundanten Drehgeber durch ein anderes Verfahren zu ersetzen. Die Tatsache, dass die verschiedenartigen Verfahren zur geberlosen Rotorwinkelbestimmung industriell kaum umgesetzt sind, liegt möglicherweise darin begründet, dass die Implementierung aufwändiger, der gesamte Drehzahlbereich bisher nicht abgedeckt und die Zuverlässigkeit bzw. die Genauigkeit nicht zufriedenstellend sind. In dieser Arbeit wird daher schwerpunktmäßig die Rotorwinkelbestimmung einer Käfigläufer-Reluktanzmaschine mittels aktiven Diagnosesignals für den unteren Drehzahlbereich und Stillstand untersucht. Das entwickelte Verfahren basiert auf den in jeder nicht-idealen Maschine existierenden Anomalien oder Unsymmetrien, die mittels Streuinduktivitätstensor (Oberwellenmodell) beschrieben werden. Ein permanent eingeprägtes Diagnosesignal mit kleiner Amplitude koppelt in den Rotor ein und ist mit dem Streufluss verkoppelt. Durch die Wahl einer Frequenz deutlich über der grundsynchronen Erregerfrequenz ist durch Filterung die Extraktion des interessierenden Signals leicht möglich. Das aus den Phasenströmen entnommene Signal enthält ein vollständiges Abbild der Anomalien der Maschine, dessen Charakteristik von einer magnetischen Rotorunsymmetrie, vom Sättigungsgrad und vom Nutzahlverhältnis abhängig ist. Zur Umsetzung des Verfahrens ist einzig die Messung der Phasenströme notwendig. Bei den untersuchten Antrieben handelt es sich um eine seriengefertigte Maschine mit 4 kW und eine Prototyp-Entwicklung mit verbessertem Wirkungsgrad mit 1,5 kW.