Optimierung eines Umrichters für die sensorlose COG Regelung eines aktiven Magnetlagersystems

Abstract

Magnetlager stellen bei der Lagerung von Rotoren eine berührungslose Alternative zu klassischen Kugellagern dar. Allerdings handelt es sich bei aktiven Magnetlagersystemen um instabile Systeme, weshalb eine Reglung benötigt wird. Zur Stabilisierung des Rotors muss die Rotorposition bekannt sein, wobei externe Sensoren für die Positionsmessung oftmals störungsanfällig und kostspielig sind.In dieser Arbeit wird das Verhalten einer sensorlosen COG-Regelung (Center Of Gravity Regelung) auf ein aktives Magnetlagersystem untersucht. Dabei erfolgt die Stabilisierung der einzelnen Freiheitsgrade des Rotors in einem Schwerpunktskoordinatensystem. Die Rotorposition wird in den Magnetlagerspulen indirekt über ein INFORM (Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement) basiertes Verfahren erfasst. Bislang erfolgte die sensorlose Regelung, aufgrund der hohen Anforderungen an Hard- und Software, lediglich mit einem separaten Umrichter pro Radiallager. Im Gegensatz dazu, erfolgt bei der COG-Regelung eine zentrale Regelung für alle Magnetlager des Systems. Daher ist es notwendig, die vorgegebenen Ressourcen des Umrichters möglichst effizient zu nutzen. Neben der genauen Beschreibung der COG-Regelung inklusive sensorloser Positionsmessung wird auch die Implementierung genauer betrachtet. Die sensorlose COG-Regelung wird in verschiedensten Messungen an einem Magnetlagersystem untersucht und mit zusätzlicher externer Sensorik verglichen. Die Messungen zeigen, dass die implementierte sensorlose COG-Regelung für das verwendete Magnetlagersystem die Norm ISO 14839-3 erfüllt und dass beide Positionsmessungen gleichwertige Ergebnisse über alle Messungen liefern.

Magnetic bearings represent a non-contact alternative to classic ball bearings in the suspension of rotors. However, active magnetic bearing systems are unstable systems, which is why control is required. To stabilize the rotor, the rotor position must be known. However, external sensors for position measurement are often fault-prone and expensive. In this work the behavior of a sensorless COG control on an active magnetic bearing system is examined. The individual degrees of freedom of the rotor are stabilized in a center of gravity coordinate system. The rotor position is recorded indirectly in the magnetic bearing coils via an INFORM (Indirect Flux detection by Online Reactance Measurement) based method. So far, sensorless control has only been carried out with a separate converter per radial bearing due to the high demands on hardware and software. In contrast, with the COG control, all magnetic bearings in the system are controlled centrally. Therefore it is necessary to use the specified resources of the converter as efficiently as possible. In addition to the precise description of the COG control including sensorless position measurement, the implementation is also examined more closely. The sensorless COG control is examined in various measurements on a magnetic bearing system and compared with additional external sensors. The measurements show that the implemented sensorless COG control for the magnetic bearing system used meets the ISO 14839-3 standard and that both position measurements provide equivalent results for all measurements.