Der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen bietet durch den Wegfall des Gebers zahlreiche Potentiale: So können Kosten, Bauvolumen und Wartungsaufwand reduziert werden.
In dieser Dissertation wird eine Beobachterstruktur mit zugehöriger Lage- bzw. Drehzahladaption entworfen, die im gesamten Drehzahlbereich unabhängig von der Statorfrequenz verwendet werden kann. Das Verfahren basiert auf einer hybriden Auswertung, die sowohl die Drehzahlinformation durch die induzierte Spannung als auch die Rotorlageinformation auf Basis einer Anisotropie nutzt. Ein neuartiges Rotordesign für die Induktionsmaschine wird zur Steigerung der Anisotropie untersucht. Dazu wird eine kurzgeschlossene Zusatzwicklung einachsig in den Rotor eingelegt.
Das untersuchte Verfahren in Kombination mit dem vorgeschlagenen Rotordesign ermöglicht die Anwendung der Induktionsmaschine als geberlosen Antrieb im gesamten Drehzahlbereich.
Aktualisiert: 2022-08-05
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Der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen bietet durch den Wegfall des Gebers zahlreiche Potentiale: So können Kosten, Bauvolumen und Wartungsaufwand reduziert werden.
In dieser Dissertation wird eine Beobachterstruktur mit zugehöriger Lage- bzw. Drehzahladaption entworfen, die im gesamten Drehzahlbereich unabhängig von der Statorfrequenz verwendet werden kann. Das Verfahren basiert auf einer hybriden Auswertung, die sowohl die Drehzahlinformation durch die induzierte Spannung als auch die Rotorlageinformation auf Basis einer Anisotropie nutzt. Ein neuartiges Rotordesign für die Induktionsmaschine wird zur Steigerung der Anisotropie untersucht. Dazu wird eine kurzgeschlossene Zusatzwicklung einachsig in den Rotor eingelegt.
Das untersuchte Verfahren in Kombination mit dem vorgeschlagenen Rotordesign ermöglicht die Anwendung der Induktionsmaschine als geberlosen Antrieb im gesamten Drehzahlbereich.
Aktualisiert: 2022-08-05
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In vielen Bereichen der Industrie werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) als kompakte elektrische Servoantriebe mit einer hohen Drehmomentdichte eingesetzt. Mechanische Rotorlagegeber für die Antriebsregelung stellen jedoch eine potentielle Fehlerquelle dar. Ein Defekt der Elektronik führt zu einem Ausfall des gesamten Antriebs.
Geberlose Regelungsverfahren ermöglichen den Betrieb von PMSM ohne mechanischen Rotorlagegeber. Neben der erhöhten Ausfallsicherheit stellen die Reduktion des Bauvolumens und der Kosten weitere Vorteile dar.
In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen Maschineneigenschaften und geberloser Regelung näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der elektromagnetischen Gestaltung der PMSM. Es wird ein zeiteffizienter Lösungsansatz zur Vorausberechnung der Maschinencharakteristik erarbeitet, der numerische Verfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode mit analytischen Berechnungen kombiniert.
Aktualisiert: 2022-02-10
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In vielen Bereichen der Industrie werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) als kompakte elektrische Servoantriebe mit einer hohen Drehmomentdichte eingesetzt. Mechanische Rotorlagegeber für die Antriebsregelung stellen jedoch eine potentielle Fehlerquelle dar. Ein Defekt der Elektronik führt zu einem Ausfall des gesamten Antriebs.
Geberlose Regelungsverfahren ermöglichen den Betrieb von PMSM ohne mechanischen Rotorlagegeber. Neben der erhöhten Ausfallsicherheit stellen die Reduktion des Bauvolumens und der Kosten weitere Vorteile dar.
In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen Maschineneigenschaften und geberloser Regelung näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der elektromagnetischen Gestaltung der PMSM. Es wird ein zeiteffizienter Lösungsansatz zur Vorausberechnung der Maschinencharakteristik erarbeitet, der numerische Verfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode mit analytischen Berechnungen kombiniert.
Aktualisiert: 2022-02-10
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Die feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine setzt die Kenntnis der aktuellen Rotorposition voraus, weshalb moderne Antriebssysteme üblicherweise mit einem Rotorlagegeber ausgestattet sind. Aus unterschiedlichen Beweggründen kommt jedoch zunehmend der Wunsch auf, die Maschine selbst als Sensor verwenden und so auf einen separaten Lagegeber verzichten zu können.
Hierzu wird im unteren Drehzahlbereich und im Stillstand den elektrischen Größen im Arbeitspunkt ein im Vergleich zur Grundfrequenz hochfrequentes (HF) Testsignal überlagert und die gemessene Strom- bzw. Spannungsantwort zur Rotorlageschätzung herangezogen. Die zentrale Herausforderung stellen dabei das Verschwinden der Anisotropie unter Last und der Einfluss der Kreuzsättigung dar, welche den für die Lageschätzung geeigneten Betriebsbereich einschränken und die erreichbare Genauigkeit begrenzen.
Zur gezielten Beeinflussung des HF-Verhaltens wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit daher das Konzept einer kurzgeschlossenen Rotorwicklung grundlegend untersucht.
Auf Basis von Messungen an einem 2-phasigen Testaufbau werden die theoretisch hergeleiteten Erkenntnisse bewertet und ein geeignetes Simulationsmodell entwickelt.
Mit dessen Hilfe wird unter anderem eine Rotorwicklung für einen Rotor mit vergrabenen Magneten optimiert. Die Messungen am Prototypen bestätigen das Potential des Konzepts.
Im letzten Abschnitt wird gezeigt, dass sich die Genaugkeit der Lageschätzung durch eine gleichzeitige Auswertung der resistiven und induktiven Anteile der HF-Impedanz weiter steigern lässt.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Mit dem heutigen Stand der Technik werden für den Betrieb von Permanentmagnet-Synchronmaschinen in Elektro- und Hybridfahrzeugen Winkelsensoren eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Konzept zur geberlosen Regelung vorgeschlagen. Es konnte der robuste Betrieb mit neu- und weiterentwickelten geberlosen Verfahren am Maschinenprüfstand nachgewiesen werden. Der Betriebsbereich der geberlosen Regelung konnte mit den vorgestellten Verfahren deutlich vergrößert werden. With the current state of the art angle sensors are used for the operation of permanent magnet synchronous machines in electric and hybrid vehicles. In the present work, a new concept for sensorless control is proposed. The robust operation could be proven with new and further developed sensorless procedures on the machine test bench. The operating range of sensorless control could be significantly increased with the presented methods.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der geberlosen, feldorientierten Regelung der permanenterregten Synchronmaschine mit oberflächenmontierten Magneten. Anhand der Grundlagen zur geberlosen Regelung erfolgt eine Klassifizierung der in der Literatur vorhandenen Verfahren zur Bestimmung des Rotorwinkels. Aus Sicht der Anforderungen für die Anwendung in kostengünstigen Industrieantrieben wurden zwei Verfahren ausgewählt, mit denen der gesamte Drehzahlbereich abgedeckt werden kann. Eines der Verfahren basiert auf der Integration der induzierten Spannung und wird für die Rotorwinkelbestimmung im oberen Drehzahlbereich benutzt. Bei niedriger Drehzahl und im Stillstand wird ein zweites Schätzverfahren verwendet, das auf der Einprägung eines Testsignals basiert. Beide Verfahren werden in einer einzigen Struktur kombiniert, so dass sich ein sanfterer Übergang zwischen den beiden Verfahren in Abhängigkeit von der Drehzahl ergibt. Schwerpunkt der Arbeit ist die praktische Umsetzung der Bestimmungsverfahren mittels eines kommerziell erhältlichen Umrichters, der über einen kostengünstigen 16-Bit Festkomma Digital Signalprozessor angesteuert wird. Für die bei der Rotorwinkelbestimmung mit dem Testsignal auftretenden Besonderheiten, wie z. B. die Notwendigkeit des digitalen Bandpassfilters, die Kompensation der Nichtlinearitäat des Wechselrichters und die Entkopplung des Testsignals von der Stromregelung, werden in dieser Arbeit theoretisch begründete und für die praktische Anwendung geeignete Lösungen vorgestellt. Wie durch die experimentellen Ergebnisse bewiesen wird, ermöglicht das vorgestellte Konzept der geberlosen Drehzahlregelung kostengünstige und kompaktere Antriebslösungen für den Einsatz in Industrieanwendungen aus dem Low-End-Bereich.
Aktualisiert: 2020-02-05
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