Geberfreie Drehzahlregelung von über ein LC-Filter gespeisten permanenterregten Hochgeschwindigkeits-Synchronmaschinen

In der vorliegenden Arbeit wird ein Regelsystem zur verlustarmen Speisung von Hochgeschwindigkeits-Synchronmaschinen (HG-SM) vorgestellt. Weiter werden neu konzipierte Methoden zur geberfreien Ermittlung der Rotorposition und der Drehzahl von HG-SM für den gesamten Drehzahlbereich präsentiert.
Zur Vermeidung von Zusatzverlusten wird zwischen die HG-SM und den verwendeten Pulswechselrichter ein LC-Ausgangsfilter geschaltet. Die Minderung der Stator- und insbesondere der Rotorverluste sowie die Erhöhung der Lebensdauer der HG-SM rechtfertigen den Einsatz eines solchen LC-Filters. Insgesamt ergibt sich durch diese Anordnung eine mehrfach nichtlinear verkoppelte Regelstrecke 8. Ordnung. Zur Beherrschung dieser Regelstrecke wird eine dreistufige Kaskadenstruktur verwendet. Die unterste Ebene bildet ein Kondensatorstromregler. Diesem ist ein Statorstromregler überlagert und die oberste Ebene stellt ein Drehzahlregler dar, welcher die Aufgabe hat, die Drehzahl der HG-SM unabhängig von deren Belastung zu regeln.
Der zur Ermittlung der aktuellen Rotorposition benötigte Drehgeber stellt einen wesentlichen Nachteil aller bisherigen Regelsysteme für HG-SM dar. Aus diesem Grund wird für alle Drehzahlbereiche eine geberfreie Ermittlung der Drehzahl und der Rotorposition gefordert.
Das zur geberfreien Ermittlung der Rotorposition und der Drehzahl für den Stillstand und den Bereich kleiner Drehzahlen neu konzipierte Verfahren basiert auf der Detektion einer sättigungsbasierten magnetischen Anisotropie der HG-SM, welche sich aufgrund von Spannungsimpulsen ausbildet. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht die Berechnung der gesuchten Rotorlage und der Drehzahl direkt aus den gemessenen Statorgrößen der HG-SM. Für den Bereich höherer Drehzahlen wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, welches mithilfe eines Zustandsbeobachters die induzierten Spannungen der HG-SM auswertet.
Die im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Methoden und Regelsysteme zur geberfreien Ermittlung der Rotorposition wurden mithilfe einer Modellanlage statisch und dynamisch überprüft. Die vorgestellten Methoden zur geberfreien Ermittlung der Rotorposition und der Drehzahl ermöglichen in allen Betriebsbereichen dieselben hervorragenden Systemeigenschaften wie ein geberbehaftetes Regelsystem. Die Eignung der vorgestellten geberbehafteten und insbesondere der geberfreien Regelsysteme für hochwertige Hochgeschwindigkeits-Synchronmaschinen ist damit unter Beweis gestellt.