Einfluss unterschiedlicher Regelungsstrategien auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad von permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Abstract:
Unter den elektrischen Drehfeldmaschinen hat die permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM) in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Elektromobilität und im Bereich der regenerativen Energien konnte sich die PMSM aufgrund ihrer prinzpbedingt hohen Drehmomentdichte und ihres hohen Wirkungsgrades durchsetzen. Bei den genannten Anwendungen werden PMSM in einem weiten Drehzahl- und Leistungsbereich betrieben. Im Gegensatz zu Kraftwerksantrieben und großen Industriemotoren, welche oft den Großteil der Zeit in einem Betriebspunkt, dem Bemessungspunkt, oder einigen wenigen Betriebspunkten gefahren werden, stellen die Elektromobilität und Windkraft andere Anforderungen an das Antriebssystem. Die Elektromobilität stellt eine besondere Herausforderung dar, da hier ein Betrieb vom Stillstand bis über 10.000 1/min möglich sein soll. Der Motor bzw. das gesamte Antriebssystem müssen dabei zur Maximierung der Reichweite des Fahrzeugs im gesamten relevanten Drehmoment-Drehzahl-Bereich möglichst effizient betrieben werden. In diesem Beitrag werden drei Regelungsverfahren – Maximales Moment pro Ampere (MMPA), feldorientierte Regelung (FOR) und wirkungsgradoptimierter Betrieb – einander in Bezug auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad gegenübergestellt. Die hier exemplarisch untersuchte 8-polige Maschine mit vergrabenen NdFeB-Magneten stellt einen typischen Traktionsantrieb dar. In diesem Kontext wird ein neu entwickeltes, kombiniert numerisch-analytisches Verfahren zur zeitoptimierten Berechnung von Drehmoment-Drehzahl-Kennfeldern (M-n-Kennfeldern) von PMSM vorgestellt.