Zusammenfassung

Geschalteter Reluktanzantrieb: Zusammenfassung

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. 

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