Untersuchung des Verlustverhaltens eines geregelten und mit optimierten Pulsmustern gespeisten Hochgeschwindigkeits-Antriebssystems
Klaus Peter
Hochgeschwindigkeitsantriebe kommen unter anderem in Vakuumpumpen, Turboradialverdichtern und Zentrifugen zum Einsatz und zeichnen sich typischerweise durch einen Betrieb mit konstanter Drehzahl über längere Zeiträume aus. Das in dieser Arbeit betrachtete Antriebssystem setzt sich aus einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit magnetgelagertem Rotor, einem LC-Filter, einem Wechselrichter in 2- oder 3-Stufen-Topologie, diverser Sensorik sowie einem Antriebsregler zusammen.
In der vorliegenden Arbeit wurden Pulsmusterformen auf viertel- und halbschwingungssymmetrischer Basis ausgewählt und nach relevanten Kriterien wie die Eliminierung niederfrequenter Harmonischer oder die Minimierung des Oberschwingungsgehalts offline-optimiert. Hierzu wurde eine modifizierte Variante der Partikel-Schwarm-Optimierung verwendet. Ziel war die Substitution der trägerbasierten Dreiecksmodulation durch eine geeignete Modulatorstruktur zur Generierung und Ausgabe offline-optimierter Pulsmuster an den Wechselrichter. Im Verlauf der Arbeit wurde zudem herausgestellt, dass die herkömmliche feldorientierte Reglerstruktur nicht mit den optimierten Pulsmustern kombiniert werden kann, was auf die fehlende Pulssymmetrie und die abweichenden Kurzzeitmittelwerte der Schaltsignale von der Stellspannung im aktuellen Reglertakt zurückzuführen ist. Daher wurde eine modellbasierte Reglerstruktur, die zum Teil steuernden Charakter aufweist, entworfen und implementiert.
Durchgeführte Messungen an einem Laststand mit einer Bemessungsleistung von 150 kW ergaben im maximal zulässigen Arbeitspunkt gegenüber der dreiecksmodulierten Pulsweitenmodulation eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads von bis zu 0,6% bei Verwendung eines 2-Punkt-Wechselrichters mit ausgangsseitigem LC-Filter.
