Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Mehrfachanisotropien

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Torben Jonsky

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Axel Mertens, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades15 Juni 2018
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Abstract

Die Verwendung von elektrischen Maschinen mit einer Phasenzahl größer als drei bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Erhöhung der Systemleistungsdichte durch Nutzung der dritten Harmonischen und Redundanz im Falle eines Phasenausfalls. Sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Bereich gibt es aufgrund der geringen Verbreitung von fünfphasigen Maschinen eine wissenschaftliche Lücke im Vergleich zu dreiphasigen Systemen, was die Bewertung des Nutzens der Fünfphasigkeit erschwert. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem die Modellierung von fünfphasigen Synchronmaschinen um Nichtlinearitäten wie Sättigungseffekte und Mehrfachanisotropien erweitert wird. Das entwickelte Modell wird anhand von FEM-Simulationen validiert und die Tauglichkeit wird festgestellt. Des Weiteren wird ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der Modellparameter des Systems vorgestellt. Das Verfahren basiert auf der HF Signalinjektion bei festgebremstem Motor und wird im Rahmen dieser Arbeit auf fünfphasige Maschinen angewandt. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Versuche liefern gute Ergebnisse und zeigen, dass eine Identifikation der Parameter des erweiterten Motormodells möglich ist. Im Vergleich mit den FEM-Ergebnissen ergeben sich sättigungsabhängige Abweichungen, die anhand des Hystereseverhaltens des Eisens erklärt werden können. Im Anschluss werden zwei Regelverfahren für fünfphasige Maschinen vorgestellt und bewertet: die erweiterte „Feldorientierte Regelung“ im rotorfesten Koordinatensystem und die auf fünfphasige Maschine angewendete „Indirekte Selbstregelung“ im statorfesten Koordinatensystem. Hierfür wird das erweiterte Motormodell mit den experimentell identifizierten Parametern als Grundlage verwendet. Die Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse und es zeigt sich, dass die statorflussfeste „Indirekte Selbstregelung“ in Bezug auf die Rechenzeit effektiver ist, jedoch ein erhöhtes Modellwissen voraussetzt. Abschließend werden zwei Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung von fünfphasigen Maschinen mit Einzelzahnbestromung präsentiert: die Injektion der dritten Harmonischen in die Phasenströme und die neuartige Spulenabschaltung im Teillastbereich. Die Momentensteigerung durch Nutzung der dritten Harmonischen in fünfphasigen Systemen ist in der Literatur häufig erwähnt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Sättigungseffekte berücksichtigt werden müssen, wenn die dritte Harmonische zur Wirkungsgradsteigerung verwendet wird, da die Amplitude und Phasenverschiebung der dritten Harmonischen in der Flussverkettung von dem Sättigungszustand der Maschine abhängen. Dieses Wissen wird genutzt, um anhand eines Arbeitspunkts im Überlastbereich eine Wirkungsgradsteigerung nachzuweisen. Eine weitere Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung eines Antriebsystems, in dem jede Spule von einer H-Brücke angesteuert wird, ist die Abschaltung von Spulen im Teillastbereich. Dieses Verfahren ist nicht auf fünfphasige Maschinen beschränkt, sondern auf Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl übertragbar, wenn zu einer Phase mehrere Spulen gehören und diese von H-Brücken angesteuert werden. Anhand von Wirkungsgradkennfeldern mit und ohne Spulenabschaltung wird gezeigt, dass der Wirkungsgrad im Teillastbereich gesteigert werden kann, wenn die Hälfte der H-Brücken deaktiviert werden.

Zitieren

Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Mehrfachanisotropien. / Jonsky, Torben.
Hannover, 2019. 182 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Jonsky, T 2019, 'Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Mehrfachanisotropien', Doktor der Ingenieurwissenschaften, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/4778
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author = "Torben Jonsky",
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language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

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T1 - Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Mehrfachanisotropien

AU - Jonsky, Torben

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die Verwendung von elektrischen Maschinen mit einer Phasenzahl größer als drei bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Erhöhung der Systemleistungsdichte durch Nutzung der dritten Harmonischen und Redundanz im Falle eines Phasenausfalls. Sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Bereich gibt es aufgrund der geringen Verbreitung von fünfphasigen Maschinen eine wissenschaftliche Lücke im Vergleich zu dreiphasigen Systemen, was die Bewertung des Nutzens der Fünfphasigkeit erschwert. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem die Modellierung von fünfphasigen Synchronmaschinen um Nichtlinearitäten wie Sättigungseffekte und Mehrfachanisotropien erweitert wird. Das entwickelte Modell wird anhand von FEM-Simulationen validiert und die Tauglichkeit wird festgestellt. Des Weiteren wird ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der Modellparameter des Systems vorgestellt. Das Verfahren basiert auf der HF Signalinjektion bei festgebremstem Motor und wird im Rahmen dieser Arbeit auf fünfphasige Maschinen angewandt. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Versuche liefern gute Ergebnisse und zeigen, dass eine Identifikation der Parameter des erweiterten Motormodells möglich ist. Im Vergleich mit den FEM-Ergebnissen ergeben sich sättigungsabhängige Abweichungen, die anhand des Hystereseverhaltens des Eisens erklärt werden können. Im Anschluss werden zwei Regelverfahren für fünfphasige Maschinen vorgestellt und bewertet: die erweiterte „Feldorientierte Regelung“ im rotorfesten Koordinatensystem und die auf fünfphasige Maschine angewendete „Indirekte Selbstregelung“ im statorfesten Koordinatensystem. Hierfür wird das erweiterte Motormodell mit den experimentell identifizierten Parametern als Grundlage verwendet. Die Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse und es zeigt sich, dass die statorflussfeste „Indirekte Selbstregelung“ in Bezug auf die Rechenzeit effektiver ist, jedoch ein erhöhtes Modellwissen voraussetzt. Abschließend werden zwei Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung von fünfphasigen Maschinen mit Einzelzahnbestromung präsentiert: die Injektion der dritten Harmonischen in die Phasenströme und die neuartige Spulenabschaltung im Teillastbereich. Die Momentensteigerung durch Nutzung der dritten Harmonischen in fünfphasigen Systemen ist in der Literatur häufig erwähnt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Sättigungseffekte berücksichtigt werden müssen, wenn die dritte Harmonische zur Wirkungsgradsteigerung verwendet wird, da die Amplitude und Phasenverschiebung der dritten Harmonischen in der Flussverkettung von dem Sättigungszustand der Maschine abhängen. Dieses Wissen wird genutzt, um anhand eines Arbeitspunkts im Überlastbereich eine Wirkungsgradsteigerung nachzuweisen. Eine weitere Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung eines Antriebsystems, in dem jede Spule von einer H-Brücke angesteuert wird, ist die Abschaltung von Spulen im Teillastbereich. Dieses Verfahren ist nicht auf fünfphasige Maschinen beschränkt, sondern auf Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl übertragbar, wenn zu einer Phase mehrere Spulen gehören und diese von H-Brücken angesteuert werden. Anhand von Wirkungsgradkennfeldern mit und ohne Spulenabschaltung wird gezeigt, dass der Wirkungsgrad im Teillastbereich gesteigert werden kann, wenn die Hälfte der H-Brücken deaktiviert werden.

AB - Die Verwendung von elektrischen Maschinen mit einer Phasenzahl größer als drei bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Erhöhung der Systemleistungsdichte durch Nutzung der dritten Harmonischen und Redundanz im Falle eines Phasenausfalls. Sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Bereich gibt es aufgrund der geringen Verbreitung von fünfphasigen Maschinen eine wissenschaftliche Lücke im Vergleich zu dreiphasigen Systemen, was die Bewertung des Nutzens der Fünfphasigkeit erschwert. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem die Modellierung von fünfphasigen Synchronmaschinen um Nichtlinearitäten wie Sättigungseffekte und Mehrfachanisotropien erweitert wird. Das entwickelte Modell wird anhand von FEM-Simulationen validiert und die Tauglichkeit wird festgestellt. Des Weiteren wird ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der Modellparameter des Systems vorgestellt. Das Verfahren basiert auf der HF Signalinjektion bei festgebremstem Motor und wird im Rahmen dieser Arbeit auf fünfphasige Maschinen angewandt. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Versuche liefern gute Ergebnisse und zeigen, dass eine Identifikation der Parameter des erweiterten Motormodells möglich ist. Im Vergleich mit den FEM-Ergebnissen ergeben sich sättigungsabhängige Abweichungen, die anhand des Hystereseverhaltens des Eisens erklärt werden können. Im Anschluss werden zwei Regelverfahren für fünfphasige Maschinen vorgestellt und bewertet: die erweiterte „Feldorientierte Regelung“ im rotorfesten Koordinatensystem und die auf fünfphasige Maschine angewendete „Indirekte Selbstregelung“ im statorfesten Koordinatensystem. Hierfür wird das erweiterte Motormodell mit den experimentell identifizierten Parametern als Grundlage verwendet. Die Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse und es zeigt sich, dass die statorflussfeste „Indirekte Selbstregelung“ in Bezug auf die Rechenzeit effektiver ist, jedoch ein erhöhtes Modellwissen voraussetzt. Abschließend werden zwei Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung von fünfphasigen Maschinen mit Einzelzahnbestromung präsentiert: die Injektion der dritten Harmonischen in die Phasenströme und die neuartige Spulenabschaltung im Teillastbereich. Die Momentensteigerung durch Nutzung der dritten Harmonischen in fünfphasigen Systemen ist in der Literatur häufig erwähnt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Sättigungseffekte berücksichtigt werden müssen, wenn die dritte Harmonische zur Wirkungsgradsteigerung verwendet wird, da die Amplitude und Phasenverschiebung der dritten Harmonischen in der Flussverkettung von dem Sättigungszustand der Maschine abhängen. Dieses Wissen wird genutzt, um anhand eines Arbeitspunkts im Überlastbereich eine Wirkungsgradsteigerung nachzuweisen. Eine weitere Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung eines Antriebsystems, in dem jede Spule von einer H-Brücke angesteuert wird, ist die Abschaltung von Spulen im Teillastbereich. Dieses Verfahren ist nicht auf fünfphasige Maschinen beschränkt, sondern auf Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl übertragbar, wenn zu einer Phase mehrere Spulen gehören und diese von H-Brücken angesteuert werden. Anhand von Wirkungsgradkennfeldern mit und ohne Spulenabschaltung wird gezeigt, dass der Wirkungsgrad im Teillastbereich gesteigert werden kann, wenn die Hälfte der H-Brücken deaktiviert werden.

U2 - 10.15488/4778

DO - 10.15488/4778

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -