Fehlertolerante Regelung drei- und sechsphasiger permanenterregter Synchronmaschinen mit Windungsschlüssen

Windungsschlüsse sind häufig der initiale Fehler elektrischer Maschinen bei dem Betrieb an getakteten Umrichtern. Ohne Gegenmaßnahmen können sich
diese weiter ausbreiten und zum katastrophalen Ausfall des gesamten elektrischen Antriebssystems führen. Dies muss insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie dem elektrischen Fliegen, vermieden werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Windungsschlusses kann reduziert werden, indem die lokale Temperatur an der Fehlerstelle begrenzt wird. In dieser Arbeit wird eine fehlertolerante Regelung entwickelt, welche die Fehlerverlustleistung eines Windungsschlusses durch die geregelte Anpassung des Arbeitspunktes auf einen definierten Wert begrenzt. ... mehrFür den Entwurf der Regelstrategie werden sowohl drei- also auch sechsphasige permanenterregte Synchronmaschinen betrachtet. Die Fehlerabschätzung wird mit einem maschinellen Lernverfahren umgesetzt und das thermische Verhalten wird mit einem dreidimensionalen Maschinenmodell plausibilisiert. Zur Validierung der fehlertoleranten Regelung wird während dem Betrieb der dreiphasigen Prüflingsmaschine im Bemessungspunkt aktiv ein Windungsschluss geschaltet. Der fehlertolerante Arbeitspunkt wird daraufhin stationär ohne Überschwinger eingeregelt. Die Temperatur an einer ungünstigen Fehlerposition wird dadurch auf die vorab festgelegten Heat-Shock Temperatur der Lackisolation reduziert. Mit der Annahme einer exponentiellen Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer, wird diese ausgehend von wenigen verbleibenden Sekunden erhöht, sodass der aktuelle Lastzyklus einer sicherheitskritischen Anwendung beendet werden kann.

Inter-turn faults are most commonly the initial fault of electrical machines in power trains with voltage source inverters. Without counteractions, these faults can propagate and cause catastrophic failures of the overall propulsion system. This must be avoided especially in safety critical applications like all-electric aircraft. The propagation speed of an inter-turn fault can be reduced, by limiting the local temperature at the faults location. In this publication, a fault tolerant control scheme is developed, which limits the local heat of an inter-turn fault to a predefined value, by a controlled adaption of the operating point. ... mehrFor the design of the control strategy, three- and six-phase permanent magnet synchronous machines are considered. The estimation of the local heat is performed with a machine learning approach and the thermal behaviour is shown with a three-dimensional machine model. For the validation of the fault tolerant control scheme, an inter-turn fault is actively switched on during nominal operation. The fault tolerant operating point is reached stationary without overshooting. Thereby, the local temperature at a disadvantageous fault position is reduced to the predefined heat-shock temperature of the magnet wire. With the assumption of an exponential temperature dependency, the fault tolerant control scheme extends the insulation life from a few remaining seconds in order to fulfil the current load cycle of a safety critical application.