Verlustoptimale und dynamische Regelung von elektrisch-erregten Synchronmaschinen
Niklas Monzen, HS München
Im Rahmen seines dualen Bachelorstudiengangs in “Elektrotechnik im Praxisverbund” an der Ostfalia Hochschule in Wolfenbüttel/Braunschweig hat Niklas Monzen 2013 seine Ausbildung zum Elektroniker für Automatisierungstechnik und 2014 sein Studium im Fachbereich Elektrotechnik abgeschlossen. Anschließend absolvierte er den Master „Elektrotechnik und Informationstechnik“ an der Technischen Universität München. Seit März 2020 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München tätig. Sein Forschungsschwerpunkt sind intelligente Regelungsstrategien zum Betrieb elektrischer Synchronmaschinen, wie sie z.B. im Automobil oder in regenerativen Energiesystemen eingesetzt werden
Betreuer:
Prof. Dr. -Ing. habil. Christoph M. Hackl, HS München
Prof. Dr. -Ing. Thomas Hamacher, TUM
Verlustoptimale und dynamische Regelung von elektrisch-erregten Synchronmaschinen
Motivation:
Ein Ziel der Umweltpolitik der Europäische Union ist es bis 2050 klimaneutral zu sein. Ein Bestandteil ist der Mobilitätssektor, der nun eine Transformation von konventionellen Fahrzeugen mit fossilen Energieträgern zur Elektromobilität erfährt. Der elektrischen Maschine — ob im Brennstoffzellen- oder batterieelektrischen Fahrzeug — kommt dabei eine zentrale Rolle zu.
Als Traktionsantrieb verwendet, müssen große Herausforderungen bei der Regelung der intrinsisch hochausgenutzten und daher von Sättigungseffekten geprägten Maschine bewältigen werden, um einen optimalen und sicheren Betrieb gewährleisten zu können. Dabei spielt insbesondere die Sollstromberechnung eine entscheidende Rolle, die abhängig von nichtlinearer Flussverkettung mit entsprechenden Kreuzkopplungen und abhängig von Kupfer- und Eisenverlusten die optimalen und innerhalb der Strom- und Spannungsgrenzen machbaren Referenzströme berechnet. Die Problematik der optimalen Sollstromberechnung wird mithilfe spezieller Betriebsstrategien wie beispielsweise Maximum Torque per Ampere/Current (MTPA/MTPC), Maximum Torque per Losses (MTPL), Maximum Current (MC), Field Weakening (FW), Maximum Torque per Flux (MTPF) oder Maximum Torque per Voltage (MTPV) gelöst. Die Berechnung erfolgt meist numerisch oder in wenigen Fällen analytisch unter stark vereinfachenden Annahmen wie unter Vernachlässigung (a) des Statorwiderstandes oder (b) der magnetischen Kreuzkopplung oder (c) physikalischer Stromoder Spannungsbegrenzungen oder (d) der Eisenverluste. Die Anwendung dieser Algorithmen auf die Synchronmaschine als Traktionsantrieb führt zu nicht optimalen Sollströmen, schränkt den Betriebsbereich ein oder sorgt sogar für einen instabilen Betrieb.
Projektziel:
Die Leistungselektronik sowie leistungsstarke Prozessoren stellen eine Schlüsseltechnologie zur Lösung der Problematik dar. Durch diese könne komplexere Regelungsalgorithmen umgesetzt werden. Für den optimalen und sicheren Betrieb der Synchronmaschine als Traktionsantrieb im gesamten Betriebsbereich müssen (a) die Wicklungswiderstände, (b) die magnetischen Kopplung zwischen Stator und Rotor, (c) die magnetischen Kreuzkopplung der Statorwicklung, (d) die physikalischen Strom- und Spannungsbegrenzungen und (e) die Eisenverluste berücksichtigt werden. Ziel des Projekts ist ein Steuerungs- bzw. Regelungsalgorithmus für die Berechnung optimaler Sollströme in Abhängigkeit der genannten Anforderungen. Als Bestimmungsmethode der optimalen Sollströme sind vor allem analytische Berechnungen interessant, die eine direkte Implementierung der analytischen Gleichungen erlauben und damit eine hohe Genauigkeit und schnelle Ausführungszeit bieten. Alternativ soll das Verfahren weiterhin genutzt werden können, um offline Look-Up-Tabellen generieren zu können und damit eine weniger rechenaufwändige Implementierung zu ermöglichen.