Drehstromantrieb für einen Magnetlager-Demonstrator

Abstract

Diese Diplomarbeit wurde im Rahmen eines FWF-Projekts zur Entwicklung eines sensorlosen Magnetlagersystems abgefasst.<br />Zwischenzeitlich gehörte auch die Parametrierung und Inbetriebnahme des Magnetlagers zum Aufgabengebiet, Hauptaufgabe war aber die Entwicklung eines Drehstromantriebs für den Magnetlager-Demonstrator.<br />Der Motor für den Antrieb war vorgegeben (Permanentmagneterregte Synchronmaschine - PSM), ebenso wie der Umrichter. Herausfordernd war die angegebene Bemessungsspannung des Motors von 300 V im Zusammenhang mit der Zwischenkreisspannung des Umrichters von 48 V. Mit Einschränkungen hinsichtlich der Dynamik, an die ohnehin keine Anforderungen gestellt waren, konnte sensorlose Regelung mittels Großsignal- und Kleinsignal-INFORM-Verfahren sowie klassischem EMK-Modell umgesetzt werden.<br />Anforderungen des Magnetlagers machten es notwendig, von der PSM auf eine Reluktanzmaschine (RM) umzusteigen. Dazu wurde in den vorhandenen PSM-Stator ein Reluktanzrotor aus massivem Stahl eingesetzt. Die sensorbehaftete Drehzahlregelung konnte gut umgesetzt werden, wozu ein Regler mit d- und q-Stromvorgabe realisiert wurde, der auch Feldschwächbetrieb beherrscht.<br />Die sensorlose Regelung der RM funktionierte in Ansätzen gut (besonders das INFORM-Verfahren), das EMK-Modell konnte aber nicht erfolgreich umgesetzt werden. Vor allem lag das an unsicheren und auch ungewöhnlichen Parametern, wie dem sehr hohen normierten Statorwiderstand sowie möglicherweise Kopplungsinduktivitäten zwischen Längs- und Querachse. Das erlaubte einige sonst übliche Vereinfachen nicht, weshalb z.B. auch das Kurzschluss-EMK-Modell nicht funktionierte.<br />Aus diesem Grund wurden noch weitere Messungen und Berechnungen zur Klärung der Induktivitäten unternommen, womit diese Arbeit ihren Abschluss fand.<br />

This diploma thesis was carried out in the framework of a FWF-project, which aims for a sensorless magnetic bearing system. The main task was the development of a three-phase drive for a magnetic bearing demonstrator. A temporary side task covered the start-up and parameterization of the magnetic bearing.<br />The motor for the drive (permanent magnet synchronous machine - PMSM) and the inverter were already defined. A special challenge was the given nominal voltage of 300 V of the motor in connection with the DC link voltage of the inverter of 48 V. The sensorless control via the INFORM-method as well as the classical EMF-model was implemented with constraints on the dynamics, whereby dynamical requirements where not specifically defined. Due to the requirements of the magnetic bearing, it was necessary to switch from the PMSM to a reluctance machine (RM). This was realised by using a solid steel reluctance rotor in the stator of the given PMSM.<br />The sensor-afflicted revolution-control could be implemented by a controller, which controls the target values of d- and q-current and is also capable of field weakening operation.<br />The sensor-less control of the RM worked partially good (especially the INFORM-method), whereby the EMF-model could not be implemented successfully. In particular this was caused by uncertain and unusual parameters, such as the very high rated stator resistance and possibly coupling inductances between direct- and quadrature axes. Hence, some common simplifications were not allowed and therefore the short curcuit EMF model did not work. For that reason, further measurements and calculations were made to investigate the inductances of this machine, leading to the finalization of this thesis.