Intelligente Antriebe für die Industrie

Institut für Energiesysteme
und Elektrische Antriebe
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Intelligente Antriebe für die Industrie
Stufenlose Drehzahlregelung, sensorlose Positionsbestimmung
und erhöhte Ausfallsicherheit für Synchronmotoren
Permanentmagnet-Synchronmotoren
(PMS-Motoren)
zeigen eine hervorragende Regeldynamik. Deswegen
wurden sie ursprünglich vor allem in der Robotik und
in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Ihr überlegener Wirkungsgrad von um die 90% gegenüber 85% von Asynchronmotoren - beispielsweise im Leistungsbereich
einiger kW - macht sie nun für energetisch sensitive
Anwendungen immer attraktiver. Dies führt zu ihrem
zunehmend breiten Einsatz angefangen bei der Traktion von batteriebetriebenen Fahrzeugen (Erhöhung der
Reichweite) über die Heizungs- und Klimatechnik (24/7
Betrieb) bis hin zum Einsatz in Haushaltsgroßgeräten
(Energieeffizienzklasse A+++).
Lösungsansätze
Für PMS-Motoren kommen oft „feldorientierte“ Regelungen zum Einsatz. Darunter versteht man eine Statorstromeinprägung in der Art, dass mit der gegebenen
Stromamplitude ständig das maximale Moment in der
Maschine entsteht. Dies erreicht man, indem der Strom
in einem bestimmten Winkel relativ zum Rotor eingeprägt wird - wie es beispielsweise bei einem Gleichstrommotor durch den Kommutator erfolgt. Um dies im
PMS-Motor zu ermöglichen, ist die Kenntnis der Lage
des Rotors notwendig.
Viele sinnvolle Anwendungen von
PMS-Motoren werden jedoch nur
deshalb noch nicht realisiert, weil
bisher die Verwendung eines Lagesensors - vor allem für ein hohes
Anfahrmoment - als notwendig erachtet wurde. Da die Lageerfassung
mit dem Motor abgestimmt werden
muss, ist bei einem Tausch des Sensors meist eine Neuvermessung nötig
und dies kann sehr arbeits- und damit zeit- und kostenintensiv werden.
Zielsetzung
Ziel von Prof. Manfred Schrödl und seiner Arbeitsgruppe
an der TU Wien war, eine neuartige Regelung zu entwickeln, die ohne extra Bewegungs- oder Lagesensor auskommt und dennoch das maximale Drehmoment – entsprechend der Stromaufnahme - in jedem Betriebspunkt
sicherstellt, und die es erlaubt, PMS-Motoren vom Stillstand weg unter veränderlicher Last „ruckelfrei“ gezielt
zu beschleunigen und zu bremsen. Nun kann gezeigt
werden, dass diese Regelungstechnik auch für ausgefallenste Anwendungen den Einsatz von PMS-Motoren erlaubt und damit auch für diese ein hocheffizienter und
kostengünstiger Antrieb möglich wird.
Die Rotorlage kann auf folgende Arten erfasst werden:
• Montage eines Lagegebers auf die Welle des PMSMotors - dies ist die genaueste Methode
• Montage von Hallsensoren im PMS-Motor. Antriebe
mit dieser, in 60°-Schritten genauen Rotorlageinformation werden häufig im sogenannten „Brushless
DC Betrieb” mit einem trapezförmigen Stromverlauf
gefahren.
Wenn die Montage der genannten Lageerfassung nicht
erwünscht oder aus technischen Gründen nicht möglich
ist, muss die Lageinformation „intern“ ermittelt werden
– ohne speziellen Sensor.
Unter einer sensorlosen Regelung für PMS-Motoren ist
der Verzicht auf einen externen Sensor zu verstehen, der
die Lage ermittelt. Diese wird „intern“ bestimmt: Im oberen Drehzahlbereich wird ein so genanntes SpannungsModell (EMK-Modell) verwendet, das die Rotorposition
unter Zuhilfenahme von elektrischen Maschinenmodellen ermittelt. Bei kleinen Drehzahlen und im Stillstand
versagt diese Methode allerdings, da die induzierte
Spannung hier zu klein bzw. gleich Null ist. Diesen unteren Drehzahlbereich abzudecken, erlaubt die von Prof.
Schrödl erfundene INFORM-Methode.
Die INFORM-Methode nützt die magnetischen Eigenschaften des PMS-Motors. Der Aufbau des Motors zeigt
eine Asymmetrie, die von der Stellung des Rotors bestimmt ist. Durch Auswertung von Testimpulsen kann
somit die Rotorposition bestimmen werden.
Ergebnisse
Um den gesamten Drehzahlbereich mit einer sensorlosen Lageerfassung abzudecken, wird die INFORMMethode mit dem EMK-Modell kombiniert.
Dabei wird das jeweilige Verfahren nur in jenem Drehzahlbereich eingesetzt, in dem es optimal funktioniert.
Die INFORM-Methode wird im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen angewendet, weil in diesem Bereich
das EMK-Modell versagt. Bei höheren Drehzahlen steigt
ohne Gegenmaßnahmen die Winkelabweichung der
INFORM-Messung auf Grund der nicht konstanten Rotorposition während einer INFORM-Messung. Da dort das
EMK-Modell aber bereits funktioniert, kann auf dieses
Modell gewechselt werden.
So kann der gesamte Drehzahlbereich, von Null weg,
sensorlos abgedeckt werden. Das volle Moment der
Maschine steht bereits ab Stillstand - innerhalb einiger
Millisekunden - zur Verfügung.
Nutzen für Sie
Sie können auf den Einsatz von zusätzlichen Bewegungsoder Lagesensoren verzichten, der Verkabelungsaufwand sinkt, die Fehleranfälligkeit wird reduziert und der
Bauraum der elektrischen Maschine wird kleiner.
Ermittelte Rotorposition yINFORM
INFORM steht für „INdirekte Flussermittlung durch
Online-Reaktanz-Messung“ und bedeutet:
• Auswertung von Stromanstiegen zufolge Spannungspulsen des Umrichters
• Stromänderungszeiger (Trajektorie) bewegt sich bei
drehendem Rotor entlang einer offsetbehafteten
Kreisbahn (vergleiche yINFORM in der Abbildung)
• Bahngeschwindigkeit ist gleich der doppelten Rotorgeschwindigkeit
• Rückschluss von Kreisbahn auf die Rotorposition benötigt die Korrektur des Offsets des Kreises - ist durch
geschickte Wahl der Testimpulse möglich
• Trajektorie korreliert mit der Rotorposition und kann für
weitere feldorientierte Regelung verwendet werden
Die INFORM-Methode bestimmt die Richtung maximaler
magnetischer Leitfähigkeit. Die ermittelte Rotorposition
unterscheidet nicht zwischen der Nord- und Süd-Richtung
des Rotors und weist somit eine doppelte Periodizität gegenüber der mechanischen Lage auf. Im Zuge der Startpositionsbestimmung wird diese Winkelzweideutigkeit eliminiert. Dies geschieht pro Startvorgang lediglich einmal
und dauert typischer Weise nur wenige Millisekunden.
Sie benötigen keinen Abgleich zwischen Lageerfassung
und Position der Magnete im Motor selbst.
Sie können etwaige Verdrahtungs- und Wartungsfehler in
der Verbindung zwischen Sensor und Regler ausschließen!
Ihr Antrieb verfügt über volles Startmoment, vom Stillstand weg!
Ihr Antrieb kann kurzzeitig sogar über den Nennstrom
der Maschine hinaus gefahren werden und die Kontrolle
über den Hochlaufvorgang bleibt gegeben, die Gefahr
des Blockierens wird reduziert!
Die TU Wien ist Ihnen behilflich, diese Technologie zur
Regelung von anspruchsvollen Antrieben im Bereich
von wenigen Watt bis zu vielen Kilowatt einzusetzen.
Ansprechpartner:
O.Univ.Prof. Dr. Manfred Schrödl
TU Wien
Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe
+43 (1) 58801 370212
[email protected]
TU Wien - Forschungsmarketing