Schaltstrategien für geschaltete Reluktanzantriebe mit kleinem Zwischenkreis

Neuhaus, Christoph Rainer; de Doncker, Rik W.

doi:999910270565

Schaltstrategien für geschaltete Reluktanzantriebe mit kleinem Zwischenkreis = Switching schemes for switched reluctance drives with small DC-link capacitance

Neuhaus, Christoph Rainer (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Rainer Neuhaus

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVII, 133 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42195
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64800/files/4219.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antrieb <Technik> (Genormte SW) ; Antriebssteuerung (Genormte SW) ; Reluktanzmaschine (Genormte SW) ; Zwischenkreis (Genormte SW) ; Pulsdauermodulation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; geschalteter Reluktanzantrieb (frei) ; switched reluctance drive (frei) ; drive control (frei) ; reluctance motor (frei) ; DC-link (frei) ; pulse width modulation (frei) ; DC-link capacitance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In elektrischen Antriebssystemen werden zur Glättung der Zwischenkreisspannung Kondensatoren eingesetzt. Hierbei werden typischerweise Elektrolytkondensatoren verwendet, welche eine hohe Kapazitätsdichte aufweisen. Gleichzeitig sind diese Bauelemente aufgrund von Alterung häufig die Ursache für Ausfälle und reduzieren dadurch die durchschnittliche Lebensdauer des Umrichters. Die Verkleinerung der zum Betrieb des Antriebs notwendigen Kapazität, welche die Möglichkeit eröffnet, alternative Kondensatortechnologien einzusetzen, ist daher Gegenstand der aktuellen Forschung. In dieser Arbeit werden zwei neuartige Ansätze formuliert, welche die Belastung des Zwischenkreiskondensators von geschalteten Reluktanzantrieben signifikant reduzieren. Auf der Basis einer eingehenden Untersuchung verschiedener typischer Lastfälle, wird zunächst die für die geschaltete Reluktanzmaschine charakteristische Phasenstromkommutierung als Hauptursache für die Entstehung einer niederfrequenten Wechselstrombelastung des Zwischenkreises identifiziert. Die vorgeschlagenen Ansätze zur Reduzierung der Zwischenkreisbelastung sind rein regelungstechnischer Natur und erfordern deshalb keine Anpassung der Maschine oder des Umrichters. Beide Verfahren beeinflussen die Stromform der abkommutierenden Phase, sodass der Zwischenkreiskondensator möglichst wenig geladen wird. Das erste Verfahren der PWM-basierten Energiebilanzierung realisiert dies durch die Steuerung des Tastgrades der abkommutierenden Phase, wodurch die Ladungsbilanz im Zwischenkreis, im Mittel während jeder PWM-Periode, zu Null geregelt werden kann. Neben der sehr kleinen Restwelligkeit der Zwischenkreisspannung kann insbesondere durch Untersuchungen des Frequenzspektrums des Zwischenkreisstroms gezeigt werden, dass die Belastung des Kondensators bei der elektrischen Grundfrequenz vollständig eliminiert wird. Darüber hinaus wird anhand von umfangreichen Computersimulationen gezeigt, dass sich dieses Verfahren nicht negativ auf zentrale Bewertungsgrößen des Antriebs, wie den Wirkungsgrad oder die Drehmomentwelligkeit auswirkt. Das zweite vorgestellte Verfahren, welches toleranzband-basiert ist, kann ohne großen Aufwand in eine konventionelle Strom-Toleranzbandregelung integriert werden. Hierbei wird der Stromverlauf der abkommutierenden Phase durch einen zusätzlichen Toleranzbandregler gesteuert, sodass die Zwischenkreisspannung unterhalb einer vorgegebenen Schwelle gehalten werden kann. Auch für dieses Verfahren wird nachgewiesen, dass es die wesentlichen Betriebseigenschaften des Antriebs nicht negativ beeinflusst. Abgeschlossen wird diese Arbeit durch die experimentelle Validierung der entwickelten Steuerverfahren am Prüfstand. Messungen der Zwischenkreisspannung zeigen, dass bei beiden Verfahren die Spannungswelligkeit im Zwischenkreis deutlich gegenüber der konventionellen Ansteuerung reduziert werden kann. Die verbleibende Welligkeit der Zwischenkreisspannung ist dabei für das PWM-basierte Verfahren etwas geringer als beim Toleranz-bandbasierten, wodurch es sich potentiell besser in Verbindung mit übergeordneten Reglerstrukturen eignet, welche eine konstante Zwischenkreisspannung voraussetzen.

To avoid large fluctuations of the dc-link voltage of switched reluctance drives, usually large capacitors are used. To achieve this, electrolytic capacitors providing high capacitance densities are typically employed. As these particular devices are prone to deterioration, they frequently cause failures and thereby reduce the overall life time of the drive. It is therefore subject of current research to diminish the minimum necessary amount of capacitance for a safe operation of the drive, in order to make the utilization of alternative capacitor technologies possible. In this thesis, two novel approaches are being presented, which allow for a significant reduction of the stress on the dc-link capacitor of a switched reluctance drive. Starting from a comprehensive investigation of different typical load cases, the commutation process of phase currents, which is a characteristic trait of switched reluctance motors, is being identified as the main reason for a low-frequency current strain of the dc-link capacitor. The proposed methods help reduce the load on the dc-link capacitor significantly only by means of control and do therefore not require any modifications of the machine or the drive. Both strategies influence the current waveform of the outgoing phase during the commutation process in such a way that the charge being fed back into the dc-link capacitor is minimized. The first method is based on pulse width modulation and varies the duty cycle of the outgoing phase during commutation to keep the charge in the dc-link capacitor constant during every PWM period. Besides very small residual voltage fluctuations in the dc-link, it can be shown by investigations of the frequency spectrum of the dc-link current that the stress on the dc-link capacitor is completely eliminated at the fundamental electrical frequency. In addition to that, comprehensive computer simulations are carried out to show that the proposed control method does not compromise important performance criteria, such as efficiency or torque ripple. The second introduced control scheme is based on hysteresis control and can be integrated into a conventional current hysteresis control without great efforts. In this approach, the dc-link voltage is observed by a hysteresis controller, which controls the switches of the outgoing phase in such a way that the dc-link voltage stays below a pre-defined limit during commutation. It is shown that this scheme does not degrade the performance of the drive as well. This thesis is concluded by an experimental validation of the proposed control methods on a test stand. Measurements of the dc-link voltage prove that both approaches lead to a significant reduction of the ripple voltage compared to conventional control structures. The remaining ripple voltage of the pulse width modulation scheme is slightly smaller compared to the hysteresis control, which makes it better suited for a combination with controls requiring a constant dc-link voltage.

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