Diese Arbeit beschäftigt sich damit, wie die Feldschwächekennlinie vorgegeben werden muss, damit das Wirkungsgradkennfeld der Asynchronmaschine das bestmögliche Verhalten im eingeschwungen Zustand aufzeigt unter der Bedingung von Spannungs- und Strombegrenzung und einer nicht linearen Hauptfeldinduktivität. Ebenso wird aufgezeigt, wie eine Asynchronmaschine zu modellieren ist und wie die Strom- und Drehzahlregelung im zeitkontinuierlichen sowie im zeitdiskreten auszulegen ist. Der reale Regler werden zeitdiskret ausgelegt.
Beim Betrieb der Asynchronmaschine mit konstanter Flussamplitude steigt mit zunehmender Drehzahl die erforderliche Statorspannung an. Aufgrund der vom Frequenzumrichter beschränkten Spannungs- und Stromamplitude sind Drehzahl und Drehmoment begrenzt. Um die Drehzahl weiter zu steigern, ist es notwendig, den Fluss abzuschwächen. Wie der Magnetisierungsstrom optimal für ein bestmögliches Wirkungsgradkennfeld gesteuert werden kann, wurde in dieser Arbeit unter Berücksichtigung einer nicht-linearen Hauptfeldinduktivität und den Beschränkungen des Frequenzumrichters untersucht.
Verwendet wurde hierfür das in der Literatur bekannte konventionelle Verfahren, bei dem der Magnetisierungsstrom ab Erreichen der Eckdrehzahl proportional zur Inversen der Drehzahl abgesenkt wird.
In der Literatur wird jedoch der Magnetisierungsstrom sowie die Eckdrehzahl für die genannten Berücksichtigungen nicht konkret vorgegeben. Üblich ist es, den Wert des Bemessungsstroms der Maschine als Magnetisierungsstrom festzulegen und die Eckdrehzahl nach Herstellerangaben der Asynchronmaschine auszuwählen. Dieses Verfahren führt jedoch zu unzufriedenstellenden Ergebnissen und einem schlechten Wirkungsgradkennfeld. In dieser Arbeit wurden daher Matlab-Programme entworfen, die die oben genannten Berücksichtigungen beachten, um den optimalen Magnetisierungsstrom und die geeignete Eckdrehzahl für das beste Wirkungsgradkennfeld zu berechnen. Dieses einfach anwendbare Verfahren wird in dieser Arbeit vorgestellt. Für die Untersuchung wurde eine 5,5 kW Asynchronmaschine mit Käfigläufer und ein Frequenzumrichter mit einer Ausgangsspannung von 560 V und einer Strombegrenzung von 28,28 A verwendet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Messtechnische Bestimmung der Maschinenparameter
2.1 Aufgabenstellung
2.2 Bestimmung der Maschinenparameter
2.2.1 DC-Widerstandsmessungen
2.2.2 Leerlaufmessungen
2.2.3 Kurzschlussmessungen
2.2.4 Beschreibung der Maschinenparameter
3 Beschreibungsgleichungen zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine
3.1 Aufgabenstellung
3.1.1 Beschreibungsgleichungen der Asynchronmaschine im statorfesten Koordinatensystem
3.1.2 Beschreibungsgleichungen der Asynchronmaschine im rotorflussfesten Koordinatensystem
4 Herleitung des Wirkungsgradkennfeldes
4.1 Aufgabenstellung
4.1.1 Berechnung eines einzelnen Wirkungsgrad-Wertes
4.1.2 Das charakteristische Wirkungsgradkennfeld
5 Varianzmöglichkeiten des Magnetisierungsstroms
5.1 Aufgabenstellung
5.2 Wirkungsgradkennfeld für variierende Magnetisierungsströme
5.3 Vorgeschlagene Methode zur Bestimmung des Magnetisierungsstroms
5.4 Optimierte Feldschwächekennlinien
5.4.1 Feldschwächekennlinie für das beste Wirkungsgradkennfeld
5.4.2 Wirkungsgrad-Verbesserung im Grunddrehzahlbereich
5.4.3 Feldschwächekennlinie für das maximale Drehmoment
5.5 Weitere Verfahren zur Verlustminimierung
5.5.1 Drehmoment abhängige Minimierung des Statorstroms
5.5.2 Kupferverlust optimierter Magnetisierungsstrom
6 Feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine
6.1 Aufgabenstellung
6.2 Statorstrom- und Drehzahlregelkreis
6.3 Transformationsmatrizen
6.4 Strommodell
6.5 Entkopplung
6.6 Magnetisierungs-Stromregler
6.7 Zeitkontinuierliche Regler
6.7.1 PI-Stromregler
6.7.2 PI-Drehzahlregler
6.8 Zeitdiskrete Regler
6.8.1 zeitdiskreter PI-Stromregler
6.8.2 zeitdiskreter Zustandsstromregler
6.8.3 zeitdiskreter PI-Drehzahlregler
6.8.4 zeitdiskreter P-Drehzahlregler mit Störgrößenaufschaltung
6.9 Simulierte Belastungsfälle
6.9.1 Belastungsfall ohne Lastmoment
6.9.2 Belastungsfälle mit Lastmomenten
6.9.3 Belastungsfall mit synchronen Drehzahl- und Lastmoment Verlauf
6.9.4 Plots zu den Belastungsfällen
7 Zusammenfassung
C Matlabprogramme
C.1 Link zu allen Matlab- und Simulinkdatein
C.2 Matlabprogramme zum Erstellen des Wirkungsgradkennfelds
C.2.1 Einzelner Wirkungsgrad-Berechnung
C.2.2 Berechnung des Wirkungsgradkennfelds
C.3 Matlabprogramm zur Bestimmung des Magnetisierungsstrom
C.4 Matlabprogramm zur Pollage in der Z-Ebene
C.5 Matlabprogramm zur Simulation der feldorientierten Regelung
D Messdaten zur Asynchronmaschine
D.1 Schaltplan des Messaufbaus
D.2 Messdaten der Leerlauf- und Kurzschlussmessungen
E Herstellerdatenblatt der Asynchronmaschine
E.1 Datenblatt Teil 1 von 4
E.2 Datenblatt Teil 2 von 4
E.3 Datenblatt Teil 3 von 4
E.4 Datenblatt Teil 4 von 4
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, den energieeffizienten Betrieb einer Asynchronmaschine durch die Optimierung des Magnetisierungsstroms zu verbessern, unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Hauptfeldinduktivität sowie der Begrenzungen des Frequenzumrichters. Die zentrale Forschungsfrage ist die Bestimmung des optimalen Magnetisierungsstroms und der geeigneten Eckdrehzahl zur Erzielung eines bestmöglichen Wirkungsgradkennfelds.
- Feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen
- Optimierung des Wirkungsgradkennfeldes durch Magnetisierungsstrom-Führung
- Messtechnische Bestimmung von Maschinenparametern
- Implementierung in Matlab zur Kennfeldanalyse
- Einfluss von Spannungs- und Strombegrenzungen auf das Regelverhalten
Auszug aus dem Buch
Kapitel 1 Einleitung
In Industriestaaten werden 2/3 der erzeugten Energie fur den Betrieb elektrischer Maschinen verwendet. Daher ist der energieeffiziente Betrieb in der Antriebstechnik von größerer wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. Durch eine gesamtheitliche Systemoptimierung des Antriebsstrangs kann ein Energieersparnis von bis zu 60% erzielt werden [Tei13]. Etwa 80% der verwendeten Elektromotoren sind Asynchronmaschinen. Der simple und robuste Aufbau dieser Maschine und der damit verbundene geringer Wartungsaufwand machen es zu einem kostengünstigen Antrieb, welcher in den Leistungsklassen von 100W bis zu 15MW zu finden ist [Tei13], [Alm15]. Der Fortschritt in der Leistungselektronik ermöglicht es ausgeklügeltere Regelungsverfahren zu verwenden, welche günstig zu implementieren sind, wodurch die Asynchronmaschine gegenüber der einfacheren zu regelnden Synchronmaschine in regelungstechnischer Hinsicht gleichgestellter wird [Alm15]. Das in der Industrie am häufigsten verwendete Regelungsverfahren für die Asynchronmaschine ist die feldorientierte Regelung [Wei10]. Hierbei wird eine Feldschwächekennlinie verwendet, welche abhängig ist von der Drehzahl der Maschine. Diese wird benötigt, um im Feldschwächebereich die Drehzahl zu steigern. Da beim Betrieb der Asynchronmaschine mit konstanter Flussamplitude und zunehmender Drehzahl die Statorspannung ansteigt, sodass die vom Frequenzumrichter maximal gestellte Ausgangsspannung überschritten werden würde. Nur durch Feldschwächung ist es möglich, die Drehzahl weiterhin zu steigern[Nuß10]. Wie hierfür der Magnetisierungsstrom optimal stationär für ein bestmögliches Wirkungsgradkennfeld einzustellen ist, unter Berücksichtigung der Spannungs- und Strombegrenzung des Frequenzumrichters sowie einer nicht-linearen Hauptfeldinduktivität, wird in dieser Arbeit untersucht. Verwendet wird hier das aus der Literatur bekannte konventionelle Verfahren, bei dem der Magnetisierungsstrom ab Erreichen der Eckdrehzahl proportional zur Inversen der Drehzahl abgesenkt wird.
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1: Einleitung: Stellt das Thema des energieeffizienten Betriebs von Asynchronmaschinen sowie die Problematik der Feldschwächung unter den Limitierungen von Frequenzumrichtern vor.
Kapitel 2: Messtechnische Bestimmung der Maschinenparameter: Beschreibt die praktische Identifikation der elektrischen Parameter einer Asynchronmaschine mittels Widerstands-, Leerlauf- und Kurzschlussmessungen.
Kapitel 3: Beschreibungsgleichungen zur feldorientierten Regelung der Asynchronmaschine: Leitet die mathematischen Modelle und Zustandsgleichungen der Maschine für das statorfeste und das rotorflussfeste Koordinatensystem her.
Kapitel 4: Herleitung des Wirkungsgradkennfeldes: Erläutert die Berechnung und mathematische Herleitung des Wirkungsgradkennfeldes sowie dessen Validierung durch Matlab-Simulationen.
Kapitel 5: Varianzmöglichkeiten des Magnetisierungsstroms: Untersucht den Einfluss unterschiedlicher Magnetisierungsströme auf das Wirkungsgradverhalten und stellt ein Verfahren zur Optimierung der Feldschwächekennlinie vor.
Kapitel 6: Feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine: Behandelt den Entwurf und die Auslegung verschiedener Reglerstrukturen für den zeitkontinuierlichen sowie zeitdiskreten Betrieb inklusive der Belastungssimulationen.
Schlüsselwörter
Asynchronmaschine, feldorientierte Regelung, Wirkungsgradkennfeld, Magnetisierungsstrom, Feldschwächung, Hauptfeldinduktivität, Frequenzumrichter, Maschinenparameter, Matlab-Programmierung, Stromregelung, Drehzahlregelung, Verlustminimierung, Entkopplung, Zustandsregler, PI-Regler
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterthesis grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Wirkungsgradkennfeldes einer Asynchronmaschine bei verschiedenen Magnetisierungsströmen, um den Betrieb unter Berücksichtigung von Leistungselektronik-Begrenzungen zu optimieren.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der messtechnischen Bestimmung von Maschinenparametern, der mathematischen Beschreibungsweise für die feldorientierte Regelung, der Kennfeldoptimierung und dem Entwurf verschiedener Reglerkonzepte.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung einer Feldschwächekennlinie, die unter Einbeziehung der nicht-linearen Hauptfeldinduktivität sowie der Spannungs- und Strombegrenzungen des Frequenzumrichters das bestmögliche Wirkungsgradkennfeld der Maschine ermöglicht.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden theoretische mathematische Modellbildungen (Park-Transformation, Zustandsgleichungen) angewendet, die durch messtechnische Versuche validiert und mittels Matlab-Simulationen systemtheoretisch analysiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellbeschreibung der Maschine, die Herleitung des Wirkungsgradkennfeldes, die Analyse zur Variation des Magnetisierungsstroms und schließlich den detaillierten Entwurf und Vergleich verschiedener Strom- und Drehzahlregler.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Feldorientierung, Feldschwächung, Wirkungsgradkennfeld, Magnetisierungsstrom, PT1-Glieder und Reglerdesign in zeitdiskreten Systemen charakterisiert.
Wie unterscheidet sich die vorgeschlagene Methode von Standardverfahren?
Im Gegensatz zu Standardverfahren, die oft konstante Induktivitäten annehmen, berücksichtigt der in der Arbeit vorgestellte Ansatz die Nicht-Linearität der Hauptfeldinduktivität und die spezifischen Grenzwerte des eingesetzten Frequenzumrichters.
Welche Bedeutung haben die Belastungssimulationen in Kapitel 6?
Sie dienen dazu, die theoretisch ausgelegten Regler (PI vs. Zustandsregler vs. P-Regler mit Störgrößenaufschaltung) unter dynamischen Bedingungen wie Lastmomentänderungen und Drehzahlverläufen zu vergleichen und deren Praxistauglichkeit nachzuweisen.
- Arbeit zitieren
- Ersan Ibrahimi (Autor:in), 2023, Wirkungsgradkennfeld für unterschiedliche Magnetisierungsströme zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1330386
