Schaltstrategien für geschaltete Reluktanzantriebe mit kleinem Zwischenkreis

  • Switching schemes for switched reluctance drives with small DC-link capacitance

Neuhaus, Christoph Rainer; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

In elektrischen Antriebssystemen werden zur Glättung der Zwischenkreisspannung Kondensatoren eingesetzt. Hierbei werden typischerweise Elektrolytkondensatoren verwendet, welche eine hohe Kapazitätsdichte aufweisen. Gleichzeitig sind diese Bauelemente aufgrund von Alterung häufig die Ursache für Ausfälle und reduzieren dadurch die durchschnittliche Lebensdauer des Umrichters. Die Verkleinerung der zum Betrieb des Antriebs notwendigen Kapazität, welche die Möglichkeit eröffnet, alternative Kondensatortechnologien einzusetzen, ist daher Gegenstand der aktuellen Forschung. In dieser Arbeit werden zwei neuartige Ansätze formuliert, welche die Belastung des Zwischenkreiskondensators von geschalteten Reluktanzantrieben signifikant reduzieren. Auf der Basis einer eingehenden Untersuchung verschiedener typischer Lastfälle, wird zunächst die für die geschaltete Reluktanzmaschine charakteristische Phasenstromkommutierung als Hauptursache für die Entstehung einer niederfrequenten Wechselstrombelastung des Zwischenkreises identifiziert. Die vorgeschlagenen Ansätze zur Reduzierung der Zwischenkreisbelastung sind rein regelungstechnischer Natur und erfordern deshalb keine Anpassung der Maschine oder des Umrichters. Beide Verfahren beeinflussen die Stromform der abkommutierenden Phase, sodass der Zwischenkreiskondensator möglichst wenig geladen wird. Das erste Verfahren der PWM-basierten Energiebilanzierung realisiert dies durch die Steuerung des Tastgrades der abkommutierenden Phase, wodurch die Ladungsbilanz im Zwischenkreis, im Mittel während jeder PWM-Periode, zu Null geregelt werden kann. Neben der sehr kleinen Restwelligkeit der Zwischenkreisspannung kann insbesondere durch Untersuchungen des Frequenzspektrums des Zwischenkreisstroms gezeigt werden, dass die Belastung des Kondensators bei der elektrischen Grundfrequenz vollständig eliminiert wird. Darüber hinaus wird anhand von umfangreichen Computersimulationen gezeigt, dass sich dieses Verfahren nicht negativ auf zentrale Bewertungsgrößen des Antriebs, wie den Wirkungsgrad oder die Drehmomentwelligkeit auswirkt. Das zweite vorgestellte Verfahren, welches toleranzband-basiert ist, kann ohne großen Aufwand in eine konventionelle Strom-Toleranzbandregelung integriert werden. Hierbei wird der Stromverlauf der abkommutierenden Phase durch einen zusätzlichen Toleranzbandregler gesteuert, sodass die Zwischenkreisspannung unterhalb einer vorgegebenen Schwelle gehalten werden kann. Auch für dieses Verfahren wird nachgewiesen, dass es die wesentlichen Betriebseigenschaften des Antriebs nicht negativ beeinflusst. Abgeschlossen wird diese Arbeit durch die experimentelle Validierung der entwickelten Steuerverfahren am Prüfstand. Messungen der Zwischenkreisspannung zeigen, dass bei beiden Verfahren die Spannungswelligkeit im Zwischenkreis deutlich gegenüber der konventionellen Ansteuerung reduziert werden kann. Die verbleibende Welligkeit der Zwischenkreisspannung ist dabei für das PWM-basierte Verfahren etwas geringer als beim Toleranz-bandbasierten, wodurch es sich potentiell besser in Verbindung mit übergeordneten Reglerstrukturen eignet, welche eine konstante Zwischenkreisspannung voraussetzen.

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