Projektleiter: Jürgen Wolff
Blechschnitt-Optimierer: Eberhard Vonhof
Motorenhersteller: Elbtalwerk GmbH

Die Nennleistung des gebauten geschalteten Reluktanzmotors mit 16 Statorpolen und 12 Rotorzähnen beträgt 26 kW bei 1500 U/min. Im Vergleich zu bisher produzierten geschalteten Reluktanzmotoren gleicher Baugröße konnte die Nennleistung auf etwa 150 % gesteigert werden. Die Leistungsfähigkeit des neuen Antriebssystems hinsichtlich Dynamik, Drehzahlregelung und Lageregelung ist durch Messergebnisse belegt.
 

Am Elektrotechnischen Institut der Universität Karlsruhe wurde ein Switched-Reluctance-Antrieb mit dazugehöriger Leistungselektronik und Regelungstechnik nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen entwickelt, optimiert und gefertigt. Der Motor ist für eine Bemessungsleistung von 26 kW im Industriestandard ausgeführt. Der Antrieb arbeitet im Vier-Quadranten-Betrieb und ist für Anwendungen mit hohen Forderungen an die Dynamik, an ein gleichförmiges Drehmoment, an eine geringe Geräuschemission und auf hohe Ausnutzung konzipiert. Die Bemessungsdrehzahl des Versuchsantriebes wurde auf 1500 Umdrehungen pro Minute festgelegt. Als Kühlart wurde die Oberflächenkühlung mit angebautem Lüfter und dem Kühlmittel Luft gewählt. Die Maschine ist für den Dauerbetrieb und für beide Drehrichtungen mit einem Schutzgrad von IP 54 geeignet. In der Tabelle 1 sind die technischen Daten des neuen Switched-Reluctance-Motors im Vergleich zu einem anderen Switched-Reluctance-Motor aufgeführt. Die Versuchsanlage besteht aus den zwei Hauptkomponenten Umrichter und Switched-Reluctance-Maschine. Der Umrichter mit Spannungszwischenkreis ist wiederum in den netzseitigen und den maschinenseitigen IGBT-Stromrichter unterteilt. Der Netzstromrichter ist direkt an das Drehstromnetz 400V/50Hz angeschlossen. 

Tabelle 1: Technische Daten des neuen 16/12-Reluktanzmotors im Vergleich mit einem anderen Reluktanzmotor

Drehmomentwelligkeit

Alle umrichtergespeisten Elektromotoren besitzen eine mehr oder mindere Welligkeit im erzeugten Drehmoment. Je nach Einsatzgebiet der Antriebe wirkt sich diese Eigenschaft negativ auf die Drehzahlregelung und den Arbeitsprozeß aus. Aus diesem Grund ist eine minimale Drehmomentwelligkeit wünschenswert. Das Bild 1 soll bei dem in der Versuchsanlage implementierten Steuerverfahren die Auswirkung der verbleibenden Drehmomentwelligkeit auf die Drehzahl beschreiben. Die Welligkeit des Momentes wird durch die Trägheit des Reluktanzmotors von 0,0883 kgm2 geglättet. Die Last wurde bei dieser Simulation als trägheitslos angenommen. Bereits bei diesen Betriebsbedingungen ist ein weitgehend konstanter Verlauf der Drehzahl zu erkennen. Besitzt die Last eine Trägheit, wird der Drehzahlverlauf noch gleichmäßiger.
Bild 1: Drehmomentwelligkeit und die Auswirkung auf die Drehzahl (Simulation), J=0,0883 kgm2

16/12 Switched Reluctance Motor als drehzahlgeregelter Antrieb

Die Drehzahlregelung wurde nach einem in der elektrischen Antriebstechnik üblichen Verfahren entworfen und auf das Ausregeln von Drehzahlschwankungen optimiert. Als Regler wurde ein PI-Regler ausgewählt. Ein Hochlaufgeber stellt sicher, daß bei einem Führungssprung der Drehzahl nahezu kein Überschwingen der Istdrehzahl auftritt. Für den Drehzahlregelkreis werden Momentensteuerung und Stromregelung zu einem Verzögerungsglied erster Ordnung mit kleiner Zeitkonstante zusammengefaßt. Bei einem Anstieg des Lastmomentes von ca. 10 Nm auf 110 Nm bleibt die Drehzahl innerhalb eines Toleranzbandes von 3% (Bild 2). Die Steilheit des Lastmomentanstieges wurde durch die angekuppelte Gleichstrommaschine vorgegeben.
ben.
Bild 2: Drehzahlverlauf nach einer Lastaufschaltung von 100 Nm (Messung), J=0,54 kgm2

16/12 Switched Reluctance Motor als Positionierantrieb

Zu den Antriebsaufgaben von Elektromotoren gehören ebenfalls die Positionierung z.B. von Werkstücken, Werkzeugen, Maschinenteilen, Förderkörben und vieles mehr. Durch das Meßergebnis im Bild 3 wird nachgewiesen, daß Switched-Reluctance-Motoren mit 16 Statorpolen und 12 Rotorzähnen auch als Positionierantriebe geeignet sind. Bei dem angeforderten Lagesprung von 1000° dreht der Motor ca. 2,8 Umdrehungen und erreicht ohne Überschwingen nach einer Sekunde den Sollwert.

Bild 3: Positionierung mit dem geschalteten Reluktanzmotor (Messung), J=0,54 kgm2

Netzfreundlichkeit des geschalteten Reluktanzantriebes

Der Netzstromrichter besteht aus einem dreiphasigen IGBT-Stromrichter. Eine Elektronik übernimmt die Regelung des Netzstromes und der Zwischenkreisspannung. Die Regelung der Netzströme ist so optimiert, daß der Antrieb im stationären Betrieb mit einem cos(=1 und einem Leistungsfaktor von ca. eins Energie aus dem Drehstromnetz bezieht oder einspeist. Das bedeutet einen sinusförmigen Netzstrom und die Übereinstimmung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung - letztendlich die Netzfreundlichkeit des Antriebes.

Läufer des 16/12-Switched-Reluctance-Motors

Vorteile

Technische Vorteile

• überdurchschnittliches Dauer-Drehmoment im Grunddrehzahlbereich
• kleines Trägheitsmoment - hohe Dynamik
• sehr gutes Beschleunigungsvermögen
• ausgezeichnete Notlaufeigenschaften nach Ausfall einer oder mehrerer Motorphasen
• hohe Überlastbarkeit
• geringe Abmessungen
• ausgezeichneter Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahlbereich und im Teillastbetrieb
• geringe Wartung
• sehr geringe Läufererwärmung
• großes Haltemoment - auch über lange Zeiträume
• kein Zwischenkreiskurzschluß durch fehlerhaftes Schalten der Transistoren
• Höchste Drehzahlen: Der Maschinenläufer des geschalteten Reluktanzmotors trägt weder eine Wicklung noch Permanentmagnete. Er kann deshalb mit hohen Radialkräften belastet werden und ist somit für den Betrieb bei großen Drehzahlen besonders geeignet. Aufgrund der mit der Drehzahl zunehmenden Ummagnetisierungsverluste sind für diese Anwendungen eher niederpolige Reluktanzmotoren geeignet.

Kostenvorteile

• robuster und einfacher Aufbau
• wicklungsloser Rotor aus Weicheisen
• konzentrische Statorwicklungen
• unipolare Erregung

Veröffentlichungen

Deutsch:

• Steiert, U.: Drehmomentsteuerung einer Reluktanzmaschine mit beidseitig ausgeprägten Polen und gringer Drehmomentwelligkeit. Dissertation am Elektrotechnischen Institut der Universität Karlsruhe 1992
• Späth, H.; Wolff, J.: Der elektrische Antrieb der Zukunft? -Der geschaltete Reluktanzmotor: oft die kostengünstigste und leistungsstärkste Lösung- TECHNICA (1996), H. 19, S. 49-53
• Wolff, J.: Gehört dem Reluktanzmotor die Zukunft? Konstruktion & Engineering (1997) 3, S. 18-19
• Wolff, J.: Funktionsprinzip und Entwurf geschalteter Reluktanzmotoren. Maschinenmarkt 103 (1997) 15, S.74-77
  (pdf-Datei 5.9MB) oder (jpg-Datei 4.5MB) und (jpg-Datei 1.4MB) 
• Wolff, J.: Geschalteter Reluktanzmotor - Drehmomentstarker Elektromotor mit kleinem Bauvolumen. (Messeprospekt anläßlich der Hannover Messe´97, Elbtalwerk Heidenau GmbH) (verfügbar als pdf-Datei 232kB) 
• Wolff, J.: Geschaltete Reluktanzmotoren eignen sich fuer viele Anwendungsgebiete. Maschinenmarkt 103 (1997) 18, S. 52-55
  (pdf-Datei 4.2MB) oder (jpg-Datei 2.4MB) und (jpg-Datei 1.7MB) 
• Wolff, J.; Bauer G.; Simon O.: Netzfreundlicher Anschluß elektrischer Antriebe an das Drehstromnetz durch verbesserte Regelung. atp - Automatisierungstechnische Praxis (1997) 11 S. 44-51 (verfügbar als pdf-Datei 178kB) 
• Wolff, J.: Drehzahlveränderbarer Industrieantrieb mit Geschaltetem Reluktanzmotor. Dissertation Universität Karlsruhe, 1999 (Die Arbeit kann im Buchhandel über den Verlag Mainz in Aachen bezogen werden. ISBN 3-89653-481-5) 
• Wolff, J.; Späth, H.; Klaus, C.: Positionieraufgaben mit Geschaltetem Reluktanzantrieb. Konferenzband der Fachtagung Leistungselektronik und intelligente Bewegungssteuerungen, S. 143-148, Magdeburg 1999 (verfügbar als pdf-Datei 64kB) 
• Wolff, J.; Neubert, Th.: Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme im Vergleich.
  atp - Automatisierungstechnische Praxis (2002) 11 S. 52-60 (Abstrakt verfügbar pdf-Datei 53kB), (pdf-Datei 6.3MB) 
• Neubert, Th.; Wolff, J.; Helduser, S.; Späth, H.: Untersuchung elektrischer Antriebssysteme am Beispiel von Hydraulikpumpen. antriebstechnik 43 (2004) Nr. 1 S. 34-41 (verfügbar pdf-Datei 3.2MB)

English:

• Wolff, J.: Switched Reluctance Motor - Compact High-torque Electric Motor. (prospectus on the occasion of Hannover Messe´97, Elbtalwerk Heidenau GmbH) (pdf file available 165KB)
• Wolff, J.; Späth H.: Switched Reluctance Motor with 16 stator poles and 12 rotor teeth. Proceedings of 7th European Conference on Power Electronics and Applications, Vol. 3, p. 558-563, Trondheim 1997 (pdf file available 165KB)
• Wolff, J.; Rahner, R.; Späth, H.: Sensorless Speed Control of a Switched Reluctance Motor for Industrial Applications. Proceedings of Optimization of Electrical and Electronic Equipments, Vol. 2, p. 457-462, Brasov 1998 (pdf file available 334KB)

Espaniol:

• Wolff, J.; Gomez G.: El motor de reluctancia conmutado. Un motor eléctrico con gran par motor y poco volumen. energia (1997) 4, p. 113-115 (pdf file available 200KB)