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Zusammenfassung Dissertation Dr.-Ing. Andreas Greif

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz einer Geschalteten Reluktanzmaschine (GRM) als Traktionsantrieb für Elektrofahrzeuge. Es wird hierzu ein in Grundzügen bereits früher verwendetes Steuerverfahren weiter entwickelt und auf die Anforderungen im Fahrzeug hin optimiert. Ein Vergleich mit einer Asynchronmaschine mit Käfigläufer (AMK) zeigt den hohen Entwicklungsstand des Antriebs auf.
Zur Erklärung der Funktionsweise einer GRM dient hier das lineare Modell, das die Zusammenhänge zwischen den Steuerparametern, die sich aus den Schaltwinkeln gamma-A, gamma-K und dem Stromsollwert i-w zusammensetzen, und der Drehmomentbildung verständlich darstellen kann. Die beiden vorgestellten Berechnungsverfahren nutzen jedoch das allgemeine Modell der GRM. Dieses Modell berücksichtigt auch die nichtlinearen Eigenschaften des magnetischen Kreises, die durch Sättigungseffekte hervorgerufen werden. Mit den beschriebenen Berechnungsverfahren ist es möglich, an Hand der für jede GRM charakteristischen psi-i-Kennlinien die Verläufe der Strangströme und Strangmomente sowie des Gesamtmomentes für jeden Betriebspunkt zu bestimmen.
Die Verläufe der Schaltwinkel können in der Drehzahl-Rotorpositionsebene durch Einschaltparabeln bzw. Kommutierungsgeraden dargestellt werden, deren Koeffizienten abhängig sind von der Drehmomentanforderung. Die Verläufe der Stromsollwerte lassen sich durch Wurzelfunktionen, ebenfalls mit drehmomentabhängigen Koeffizienten, in der Drehzahl-Stromebene beschreiben. Bei der Bestimmung der Koeffizienten können verschiedene Optimierungskriterien, wie z.B. geringe Stromwärmeverluste, einfließen.
Das beschriebene Verfahren zur Berechnung der Steuerparameter bietet sich zur Implementierung in eine digitale Rechnerplattform an. Der Mikrocontroller oder Signalprozessor kann zusätzlich die Aufgabe der Stromregelung übernehmen. Hierzu wird ein neues Regelungskonzept vorgestellt, das auf einem linearen Regelalgorithmus mit Vorsteuerung basiert und die Eigenschaften der GRM bezüglich der rotorpositionsabhängigen Regelstrecke und der induzierten Strangspannung berücksichtigt. Mit dieser Art der Stromregelung kann auf relativ einfache Weise die Stromform in einem begrenzten Betriebsbereich beeinflusst werden. Es ist so beispielsweise möglich, das Geräuschverhalten bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern und/oder die Drehmomentwelligkeit theoretisch auf null zu reduzieren.
Dazu ist es jedoch erforderlich, die genaue Rotorposition zu kennen. Die Bestimmung kann durch mechanische Sensoren oder "sensorlos" durch verschiedene Rechenansätze erfolgen, wobei bei den Konzepten ohne mechanischen Sensor noch ein Entwicklungsbedarf besteht. Eine kostengünstige Alternative zur Bestimmung der Rotorposition stellt der Leiterplattenresolver dar. Er weist die gleiche Funktion wie ein handelsüblicher Industrieresolver auf, wird aber lediglich durch zwei Leiterplatten realisiert. Die Auswertung kann mit gebräuchlichen Chips, oder direkt vom Mikrocontroller erfolgen, der auch für die Steuerung des Antriebs verantwortlich ist.
Als generelle Tendenz ist in diesen Bereichen der Antriebstechnik eine starke Verlagerung von mechanischen Komponenten in die Software erkennbar, angestoßen durch immer leistungsfähigere und billigere Mikrocontroller bzw. Signalprozessoren. Durch den Wegfall mechanischer Komponenten, wie z. B. Sensoren, lassen sich kostengünstigere und betriebssichere Antriebe entwickeln.
Zur Überprüfung des vorgestellten Steuerverfahrens in der Praxis wurden Messungen an einem realisierten Antrieb durchgeführt. Sie dokumentieren die Güte des Stromreglers sowie die Möglichkeiten der Stromformung, um das Betriebsverhalten der GRM zu verbessern. Es folgt eine Darstellung der Betriebsgrenzen und der Wirkungsgrade des vermessenen Antriebs und ein Vergleich dieser Größen mit einer AMK, die für die gleichen Betriebsbedingungen ausgelegt und aufgebaut wurde.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die GRM der AMK weitgehend gleichwertig ist, wenn man bereit ist, einigen Aufwand in die Steuerung des Antriebs zu investieren, und das höhere Geräuschniveau sowie die höheren Pulsationsmomente im oberen Drehzahlbereich hingenommen werden kann. Die Auswahl des Antriebs muss unter Berücksichtigung der Anforderungen der Anwendung getroffen werden, da jeder der beiden Antriebe seine Stärken und Schwächen in unterschiedlichen Bereichen aufweist.