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Geberlose Synchronmaschine Software ersetzt Drehgeber beim Regeln von Synchronmotoren

| Autor / Redakteur: Dirk Paulus * / Gerd Kucera

Wissenschaftler der TU München haben einige Probleme beim Ansteuern von Synchronmaschinen gelöst und ermöglichen geberlose Anwendungen, sodass Winkelsensoren verzichtbar sind.

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Bild 1: Für die feldorientierte Regelung von Synchronmotoren wird ein Drehgeber benötigt. Dieser kann bei der Anwendung von dynAIMx entfallen, ohne das Einschränkungen für den Betrieb der Maschine bestehen.
Bild 1: Für die feldorientierte Regelung von Synchronmotoren wird ein Drehgeber benötigt. Dieser kann bei der Anwendung von dynAIMx entfallen, ohne das Einschränkungen für den Betrieb der Maschine bestehen.
(Bild: Bitflux)

Die steigende Bedeutung der Energiekosten und Treibhausgas-Emissionen sorgen für massive Veränderungen im Bereich der Antriebstechnik. Am Netz betriebene ineffiziente Asynchron-Maschinen (ASM) werden bedingt durch die Einführung von verpflichtenden Effizienznormen per-spektivisch auf Umrichter-gespeiste Synchronmaschinen (SM) umgestellt (Bild1). Diese Umstellung erfordert allerdings den Einsatz eines Drehgebers, da für die effiziente Regelung einer SM deren Rotorwinkel gemessen werden muss.

Sei es Kostenreduktion, Platzeinsparung, Senkung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder Steigerung der Robustheit – die Abschaffung dieses Lagegebers zur Regelung von Synchronmaschinen hätte Vorteile für fast jede Anwendung. Besonders in kostensensitiven und sicherheitskritischen Anwendungen sowie unter rauen Umgebungsbedingungen sollte die teure und anfällige mechanische Sensorik gemieden werden.

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Bekannte Verfahren geberloser Regelungen führen jedoch wegen ihres technologischen Anspruchs zu hohen Entwicklungskosten und -risiken und weisen Nachteile gegenüber der geberbehafteten Regelung auf. Beispiele hierfür sind die erforderliche Dynamikreduktion, Geräuschentwicklung bei Stillstand, Parameterabhängigkeit, Probleme im Übergang zwischen niedriger und hoher Drehzahl und mangelnde Eignung für Motoren mit Zahnspulenwicklung.

Insbesondere die Reluktanz-Synchronmaschine (RSM) würde von der geberlosen Regelung profitieren. Die RSM, die ohne kostenintensive Permanentmagnete (PM) auskommt, erreicht die Effizienzklasse IE4 und könnte ohne Geber zu vergleichbar niedrigen Systemkosten führen, wie eine ASM.

Zielsetzung: Effizienz und Performance auch ohne Geber

Um also möglichst viele Anwendungen mit erhöhtem Anspruch an Effizienz und Performance auch ohne Geber realisieren und dadurch die Systemkosten und Ausfallwahrscheinlichkeit senken zu können, müssen die oben genannten Probleme geberloser Regelung überwunden werden.

Es sind also die einhergehenden Entwicklungskosten zu reduzieren und die Verfahren hinsichtlich Dynamik, Geräuschentwicklung, Stabilität, Parameterabhängigkeit, Ressourcenbedarf im µC und Anwendbarkeit zu verbessern.

Ein Team aus Wissenschaftlern der Technischen Universität München hat diese und weitere Probleme im Rahmen seiner Forschung lösen können und ermöglicht damit heute geberlose Anwendungen, die bislang nur mit Lagegeber realisierbar waren.

Ihr Spin-Off-Unternehmen Bitflux stellt das Softwarepaket dynAIMx zur Verfügung, das als Add-on-Bibliothek zum bereits vorhandenen Antriebsregler aufgespielt wird und in der Regel keine zusätzliche Hardware-Kosten verursacht.

Nach Einbindung der Bibliothek in die Antriebssoftware können Motoren schnell und unkompliziert geberlos in Betrieb genommen werden. Expertenwissen wird nicht benötigt, denn es entfällt die Notwendigkeit, Tuningparameter einzustellen.

Die Expertise von Bitflux beruht auf 20 Personenjahren Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der geberlosen Regelung, in denen über die Validierung sämtlicher Verfahren der Literatur hinaus durch eigene Weiterentwicklungen signifikante Verbesserungen erzielt werden konnten. Im Folgenden werden die Kernthemen kurz erläutert.

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