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Analytische Beschreibung des Betriebsverhaltens geregelter Kaskadenmaschinen

Die Kaskadenmaschine („bürstenlose doppeltgespeiste Induktionsmaschine“) ist eine elektrische Maschine mit zwei Statorwicklungssystemen in den gleichen Nuten des Statorblechpakets und einer gemeinsamen Rotorwicklung. Es besteht keine direkte transformatorische Kopplung zwischen den Statorwicklungen, sondern das Funktionsprinzip basiert auf der Kopplung der Statorwicklungen über den Rotor. Für diese Arbeit wurde ein „Nested Loop“ Rotor gewählt, der bei Kaskadenmaschinen weit verbreitet ist. Abgesehen von einer modifizierten Verschaltung der Stäbe an einer Rotorstirnseite ist er identisch zum robusten Käfigläufer der Asynchronmaschine.
Über eine analytische Modellbildung (lineares Luftspaltmodell) wird in dieser Arbeit über einen allgemeinen, geometriebasierten Ansatz mit induktiv gekoppelten Kreisen ein Modell mit unterschiedlichen Detaillierungsstufen hergeleitet. Dies umfasst ein Oberwellen- und ein Grundwellenmodell, mit denen regelungstechnische Aspekte im System mit einem Frequenzumrichter und konkreten Applikationen untersucht werden können. Aus dem Grundwellenmodell wird ein Ersatzschaltbild (ESB) der Maschine abgeleitet. Dieses ESB weist die gleiche Struktur auf, wie das ESB der konventionellen (doppeltgespeisten) Asynchronmaschine. In vorherigen Arbeiten wurde das ähnliche Verhalten dieser beiden Maschinentypen experimentell festgestellt. Dies wurde auf analytischem Weg nachgewiesen und vereinfacht einen
direkten Vergleich.
Ein vorteilhaftes, geregeltes Systemkonzept setzt sich aus einer Kaskadenmaschine und einem Frequenzumrichter zusammen, wobei die Primärwicklung der Maschine direkt mit dem Netz verbunden ist. Wird der Frequenzumrichter zwischen das Netz und die Sekundärwicklung geschaltet, muss er in Abhängigkeit des gewünschten Drehzahlbereiches nur einen Bruchteil der Maschinenleistung führen und kann daher kleiner dimensioniert werden. Unter Nutzung der zuvor entwickelten Modelle wird die Stromregelung der Maschine parametriert und um eine Entkopplung erweitert.
Weiterhin werden eine Methode zur Ausrichtung des Rotorlagegebers sowie zwei Anwendungsfälle im System vorgestellt.
Ein Funktionsmuster der Kaskadenmaschine wurde entworfen und mit einem frei programmierbaren Frequenzumrichtersystem am Prüfstand aufgebaut. Über die in der Arbeit dokumentierten Messungen konnten die vorgestellten Modelle und Verfahren experimentell verifiziert werden.