Michael Kuper, M. Sc.

Mitarbeiterprofil

• Forschungsthema - Geberlose Regelung von Induktionsmaschinen
  Worum geht es bei deinem Forschungsthema?

  Bei meinem Forschungsthema geht es um die geberlose Regelung von Induktionsmaschinen, also um den Betrieb einer Asynchron- bzw. Induktionsmaschine ohne mechanischen Drehzahl- oder Lagegeber an der Motorwelle. Dabei bedeutet „geberlos“ nicht, dass vollständig auf Sensorik verzichtet wird. Stattdessen werden weiterhin elektrische Größen wie Statorströme, Zwischenkreisspannung oder aus dem Umrichter rekonstruierte Statorspannungen verwendet. Aus diesen Messgrößen werden mithilfe von Maschinenmodellen, Beobachtern und Schätzverfahren die für die Regelung benötigten Größen rekonstruiert, insbesondere Rotorlage, Drehzahl, Rotorfluss und elektromagnetisches Drehmoment.

  Das zentrale technische Problem liegt darin, dass diese Größen bei einer Induktionsmaschine nicht direkt zugänglich sind. Besonders kritisch ist der Betrieb bei sehr niedrigen Drehzahlen bis hin zum Stillstand. In diesem Bereich ist die induzierte Spannung sehr klein, sodass klassische EMK-basierte Verfahren ihre Informationsgrundlage verlieren. Zusätzlich wirken sich Parameterunsicherheiten, Temperaturabhängigkeiten der Widerstände, magnetische Sättigung, Umrichter-Nichtlinearitäten und Messrauschen stark auf die Schätzqualität aus.

  Im Kontext der Regelungskonzepte ist die geberlose Regelung keine einzelne Regelungsart, sondern kann mit verschiedenen Antriebsregelungen kombiniert werden. Bei der feldorientierten Regelung, beziehungsweise FOC, wird das Verhalten der Maschine durch Transformation in ein dq-Koordinatensystem so beschrieben, dass Fluss- und Drehmomentbildung näherungsweise entkoppelt werden können. Für einen geberlosen Betrieb müssen dabei Flusslage und Drehzahl geschätzt werden. Alternative Konzepte wie die Direct Torque Control, DTC, oder Direct Flux Control, DFC, regeln Drehmoment und/oder Fluss direkter über geeignete Spannungsvektoren. Für alle diese Verfahren gilt: Ohne mechanischen Geber verschiebt sich die zentrale Herausforderung auf die Qualität des Schätz- beziehungsweise Beobachtersystems.

  Warum ist das Thema wichtig?

  Entscheidend ist, dass geberlose Verfahren eine leistungsfähige Regelung auch dort ermöglichen, wo ein mechanischer Drehzahl- oder Lagegeber aus Kosten-, Platz- oder Zuverlässigkeitsgründen ungünstig ist. Dadurch können hochwertige Regelkonzepte wie die feldorientierte Regelung, DTC oder DFC auch in Anwendungen eingesetzt werden, die sonst häufig nur mit einer einfachen skalaren U/f-Steuerung betrieben würden. Dies verbessert insbesondere die Dynamik, die Drehmomentregelung, die Energieeffizienz und die Prozessqualität.

  Zusammenfassend ist die geberlose Regelung von Induktionsmaschinen wichtig, weil sie robuste, kompakte und kostengünstige elektrische Antriebssysteme ermöglicht. Gleichzeitig stellt sie hohe wissenschaftliche Anforderungen an Modellbildung, Beobachterdesign, Leistungselektronik, Maschinenentwurf und digitale Echtzeitimplementierung. Die bisherigen Arbeiten am IAL, insbesondere zum FIE-QD-Verfahren und zu anisotropiebasierten Self-Sensing-Konzepten, zeigen dabei einen vielversprechenden Ansatz: Nicht nur der Regler wird verbessert, sondern Maschine und Regelung werden gemeinsam so ausgelegt, dass ein zuverlässiger geberloser Betrieb auch im besonders schwierigen Niedrigdrehzahl- und Stillstandsbereich möglich wird.