Philipp Kappes

Philipp Kappes, M.Sc.

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Fraunhoferstr. 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 206

Forschungsthema

Geberlose Regelung von Synchron-Reluktanzmaschinen

Realization of the regulation (EG) 640/2009 [1]
Realization of the regulation (EG) 640/2009 [1]

Im Sinne der Steigerung der Energieeffizienz von Unternehmen, dürfen gemäß der Verordnung EG 640/2009 ab dem 01.01.2015 ausschließlich Motoren (Drehstromasynchronmotoren, Bemessungsleistung 7,5 bis 375 kW), die der Wirkungsgradklasse IE3 oder IE2 (nach IEC 60034-30 von 2008) entsprechen in Verkehr gebracht werden, wobei letztere dann drehzahlgeregelt mit einem Umrichter betrieben werden müssen. Es ist zu erwarten, dass zukünftige Richtlinien die Anforderungen an neu in Verkehr gebrachte Motoren, sowie an das gesamte Antriebssystem, in Hinblick auf die Energieeffizienz weiter erhöhen. Ein Trend zu drehzahlgeregelten und damit umrichtergespeisten Motoren ist damit unausweichlich.

Rotor of a synchronous reluctance machine [2]
Rotor of a synchronous reluctance machine [2]

Das Funktionsprinzip der Synchron-Reluktanzmaschine ist bereits seit vielen Jahren bekannt, jedoch konnte sich diese auf dem Markt bisher nicht durchsetzen, da für den Betrieb ohne Anlaufkäfig ein Umrichter benötigt wird. Der Vorteil der Synchron-Reluktanzmaschine gegenüber der Asynchronmaschine liegt darin, dass bei gleichem Aufbau des Stators kein Kupfer- oder Aluminiumkäfig im Rotor benötigt wird. Es ergibt sich ein sehr simpler und robuster Rotorauf-bau. Aufgrund des Wegfalls von Stromflussbedingten Rotorverlusten ist gegenüber der Asyn-chronmaschine ein höherer Wirkungsgrad erreichbar.

Für den Betrieb der Synchron-Reluktanzmaschine wird die elektrische Lage des Rotors benötigt. Um Robustheit und Zuverlässigkeit des Antriebssystems zu erhöhen und den Verkabelungsaufwand zu verringern, werden seit einigen Jahren Verfahren entwickelt, die die Rotorlage aus elektrischen Größen bestimmen. Auf einen zusätzlichen Lagegeber kann mit Hilfe eines solchen Verfahrens verzichtet werden.

Projektschwerpunkte

Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Verfahren der geberlosen Regelung von Synchron-Reluktanzmaschinen verglichen und bezüglich der Einsetzbarkeit für Positionier- und Stellaufgaben optimiert. Bei diesem Anwendungsfall ist das Verhalten der Schätzverfahren im transienten Fall, also bei variabler Drehzahl oder veränderlicher Last, ausschlaggebend für die erreichbare Dynamik. Mögliche Ansätze sind der Einbezug des transienten Verhaltens des Umrichters in die Schätzung der Rotorlage und die Gewinnung von zusätzlichen Informationen aus einer Überabtastung des Statorstroms.

In einem weiteren Schwerpunkt wird die Fehlertoleranz der geberlos ermittelten Rotorlage überprüft. Ziel ist es, die Abweichungen von der gemessenen Rotorlage in Abhängigkeit von der Drehzahl bewerten zu können. Eine so ermittelte Charakteristik kann eingesetzt werden, um bei Systemen, bei denen aus Sicherheitsgründen eine redundante Sensorik erforderlich wäre, eine robuste und automatische Fehlererkennung zu ermöglichen. Es könnte dann auf einen zweiten, redundanten Positionssensor verzichtet werden.

Projektförderung und Partner

Das Projekt wird im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)“ vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie als ZIM-Kooperationsprojekt gefördert. Projektpartner ist die ESR Dipl.-Ing. Pollmeier GmbH – Servo Antriebstechnik aus Ober-Ramstadt.

[1] ZVEI „Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben“ (April 2014)

[2] ETZ „Motoren für die Energiewende“ (S3, 2012)

Betreute Studentische Arbeiten

  • Bachelorarbeit Neukonzipierung der Softwarestruktur einer Linux basierten Antriebsreglerplattform mittels Einbindung von automatisch generiertem C-Code
  • Masterarbeit Accuracy Investigations in Energy Efficiency Measurements using Input and Output Power Measurement Method
  • Masterarbeit Simulation and Implementation of Control Algorithms for a SynRM and Development of a Test-Stand
  • Masterarbeit Modellierung und Analyse von Einflussfaktoren eines Umrichters auf die Statorspannung von Drehfeldmaschinen
  • Masterarbeit Geberlose Regelung einer Synchron-Reluktanzmaschine mittels Signalinjektion
  • Bachelorarbeit Numerische Simulation zur Verlustbestimmung in alternativen Hauptspindelantrieben (Ext. Partner: PTW, TU-Darmstadt)
  • Masterarbeit Flux Estimator Based Sensorless Control of Synchronous Reluctance Machines
  • Masterarbeit Extracting of Current Characteristics through Oversampling
  • Masterarbeit PMSM and IM with single and double speed transmissions

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