Wirkungsgradkennfeld für unterschiedliche Magnetisierungsströme zur feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine

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

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.