Der wirkungsgradoptimale und sensorlose Betrieb von Synchron-Reluktanzmaschinen

Abstract

Die Energieeffizienz ist in heutigen Tagen ein immer mehr in den Vordergrund rückender Aspekt, der heutige und auch zukünftige Entwicklungen von Antriebssystemen maßgeblich beeinflusst. Die dramatische Volatilität der Preise von Seltenen Erden, speziell in den Jahren 2010 - 2014, hat den Trend zu effizienten Elektromotoren, möglichst ohne die zuvor erwähnten Permanentmagneten verstärkt. An dieser Stelle kam die Synchron-Reluktanzmaschine wieder ins Spiel. Sie ist bereits seit Jahren in der Wirtschaft etabliert, allerdings aufgrund der damalig hohen Leistungselektronikkosten nicht die erste Wahl gewesen. Durch die immer günstiger werdenden Bauteilkosten der Halbleiterindustrie ist dieser Umstand heute nicht mehr gegeben. In der vorliegenden Dissertationschrift wird auf den wirkungsgradoptimalen und auf den sensorlosen Betrieb von Synchron-Reluktanzmaschinen (SynRM) eingegangen. Hierbei liegt der Fokus auf dem synchronen Betrieb der Maschine, d.h. auf der Einprägung eines sinusförmigen Statorstroms in die Maschine. Anfangs werden in Kapitel 1 die Motivation und die Rahmenbedingungen dieser Arbeit erläutert, wobei im Anschluss auf die Gliederung der Arbeit eingegangen wird. In Kapitel 2 wird im Zuge der Untersuchungen detailliert auf die drei gängigsten Varianten der SynRM, der SynRM mit ausgeprägten Polen, der Flussbarriere-SynRM und der permanentmagnetunterstützten SynRM eingegangen. Es wird das notwendige mathematische Werkzeug zur Beschreibung der Maschine eingeführt und die grundlegenden Eigenschaften der Maschine sowie deren Regelung beschrieben. Der wirkungsgradoptimale Betrieb der SynRM wird in Kapitel 3 untersucht und richtet sich in erster Linie auf den winkelgeberbasierten Betrieb. Es werden die Parameter der Maschinen bestimmt und miteinander verglichen, um im Anschluss auf die Unterschiede im Betriebsverhalten eingehen zu können. Schlussendlich werden die Leistungsfähigkeit der Maschinen sowie deren Wirkungsgrad und deren Verluste analysiert. Da manche Bauformen von SynRMs besonders zur Erzeugung von harmonischen Störgrößen neigen, im konkreten Fall die SynRM mit ausgeprägten Polen, wird in Kapitel 4 auf diese eingegangen. Es werden die harmonischen Störgrößen der SynRM mit ausgeprägten Polen messtechnisch erfasst und das mathematische Grundwellenmodell erweitert, um diese Effekte beschreiben zu können. Im Anschluss wird ein Verfahren zur Unterdrückung dieser Störungen vorgestellt und dessen Leistungsfähigkeit quantifiziert. Abschließend beschäftigt sich Kapitel 5 mit dem sensorlosen Betrieb der drei untersuchten SynRMs. Für den tiefen Drehzahlbereich (inklusive Stillstand) wird das INFORM-Verfahren und für den mittleren bis hohen Drehzahlbereich das integrierende EMK- und das Kurzschluss-Modell detailliert untersucht. Es werden die für den stabilen Betrieb notwendigen regelungstechnischen Maßnahmen bestimmt und abschließend die Leistungsfähigkeit der sensorlosen Verfahren mittels statistischer Methoden quantifiziert. Kapitel 6 fasst die Erkenntnisse der vorliegenden Dissertation in kompakter Form zusammen und gibt Ausblick über mögliche zukünftige Forschungsarbeiten.

In these days, energy efficiency is becoming more important and has a significant influence on the current and future developments of drive systems. The fluctuations in the prices of rare-earth materials, especially in the years 2010-2014, have increased the trend towards efficient electromotors without permanent-magnets. At this point, the synchronous reluctance machines became attractive again. It has been applied in industry for a long time, but due to the high cost of power electronics at that time, it was not the first choice. Today, this is no longer the case because of the low cost of semiconductor components. This dissertation discusses the optimal operation regarding efficiency and the sensorless operation of synchronous reluctance machines (SynRM), with the focus on synchronous operation at sinusoidal stator currents. In the beginning chapter 1 explains the motivation and the general conditions of this work, followed by a short overview of the dissertation's structure. Chapter 2 describes the three most established types of SynRMs, the SynRM with salient poles, the flux-barrier SynRM, and the permanentmagnet-assisted SynRM, in detail. The fundamental mathematical equations to describe the machines are introduced and the basic characteristics of SynRMs and their field oriented control are explained. The optimal operation of the SynRM with regard to high efficiency is examined in chapter 3, with the main focus on encoder-based operation. The parameters of each machine are determined by measurements. They are compared with each other in order to discuss the operating behaviour of the SynRMs. Finally, the performances of the machines as well as their efficiency and losses are analysed. As some SynRM designs are especially tending to generate harmonic disturbances they will be discussed in chapter 4. In this case, the harmonic disturbances of the SynRM with salient poles are measured, whereby the mathematical fundamental wave model has to be extended to describe these effects. Afterwards, a method for suppressing these disturbances is presented and its performance is quantified. Finally, chapter 5 discusses the sensorless operation of the three analysed SynRMs. For the low speed range (including standstill), the INFORM-method is investigated in detail and for the medium to high speed range the integrating EMF- and the short-circuit model are examined. In order to ensure stable sensorless operation, the required current-components regarding to the different sensorless methods are determined. Furthermore, the performances of the sensorless methods are quantified by statistical methods. Chapter 6 briefly summarises the dissertation's results and gives an outlook on possible future research investigations.