Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

Wuppertal, Universiẗat, Thesis (doctoral).

In dieser Arbeit wird ein Motorschutzsystem vorgestellt, das die Temperaturen in Asynchronmotoren während des Betriebes zuverlässig und sensorarm berechnet und dabei leicht auf andere Motoren übertragbar ist. Neben dem Schutz vor unzulässiger Erwärmung können die auftretenden Wicklungsverluste für eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung genauer ermittelt werden. Basis ist ein thermisches 9-Körper-Modell, das die Temperaturverläufe wesentlicher Maschinenteile abbilden kann. Der vorgeschlagene Identifikationsalgorithmus sorgt für eine hohe Übereinstimmung der Temperaturverläufe. Fehler im thermischen Modell oder der Verlustleistungsberechnung können durch die Rückführung eines einzelnen Temperatursensors und eines verbesserten Schätzers der Läuferwicklungstemperatur korrigiert werden. Das Überschreiten definierter Temperaturgrenzen kann mit der vorgeschlagenen Abschaltzeitprognose auch im Fehlerfall frühzeitig erkannt werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit modernen geregelten Niederspannungsdrehstromantrieben. Es wird insbesondere auf das Problem der Stromverdrängung bei Maschinen mittlerer bis großer Leistung eingegangen. Für hohe Frequenzen in Verbindung mit hohen Ständernuten kommt es dabei zu einer gravierenden Erhöhung der Ständerwicklungsverluste infolge der Stromverdrängung. Diese führt sowohl zu einem starken Anstieg der mittleren Erwärmung der Maschine als auch zu Heißpunkten in der Ständerwicklung. Aufgrund ihres Einsatzes als Prüfstandsmotor werden moderne geregelt betriebene Induktionsmotoren gezielt zu Drehschwingungen angeregt. Eine ähnliche Problematik findet man in abgwandelter Form auch bei Maschinen der Querschneiderindustrie, welche Spielzeiten im zehntel Sekundenbereich aufweisen. Bei diesen Induktionsmaschinen kommt es aufgrund der zyklischen Drehmomentänderung zu einem Stromverdrängungseffekt in den Stäben des Kurzschlusskäfigs. Es entsteht damit eine zusätzliche Verlustquelle, die wesentlich zur Erwärmung des Läufers beiträgt. Nach dem heutigen Stand der Wissenschaft geht man bei der Stromregelung von einem Trägheitsverhalten 1.Ordnung für die Übertragungsfunktion der Induktionsmaschine aus. Die vorliegende Arbeit erweitert dieses Modell unter Berücksichtigung der Läuferstromverdrängung. / This study focuses on modern controlled low voltage three phase machines, especially, on the problem of the skin effect in machines of middle and high power range. Due to the skin effect, a severe increase of the dissipation power of the slot windings can be observed for high frequencies with deep slots. This causes a sharp rise of the temperature of the machine as well as hot spots in the stator winding. As a result of its use as test bench applications, modern controlled induction machines are purposefully stimulated for torsional vibration. A similar difficulty can be found in machines for the cross cutter industry, which can be applied in the tenth part of a second, for instance. Because of the cyclical change of the torque in these induction machines, a skin effect results in the bars of the squirrel-cage. Here, an additional source of dissipation, which adds considerably to the heating of the rotor, emerges. Following the state of today’s science, at the current control loop an PT1-element can be assumed for the transfer function of induction machines. This study expands the model with regard to the rotor skin effect.

In diesem Beitrag wird ein thermisches Modell beschrieben, mit dem die Temperaturverteilung einer elektrischen Maschine während des dynamischen Betriebes berechnet werden kann. Die Maschine kann so ohne Überschreiten von Temperaturgrenzen weiter ausgenutzt werden. / In this paper a thermal model for dynamic operations is proposed to calculate the transient temperature distribution in the electrical machine. With the help of the model it is possible to increase availability during overload operation. Temperature limit overrun can be avoided.

Die Parameteridentifikation ist ein substanzieller Schritt zur Regelung der Käfigläufer-Asynchronmaschinen, die am häufigsten gebauten Form von Motoren in der Industrie. Die genauen Werte der Motorparameter sind für alle Komponenten einer feldorientierten Regelung, wie z. B. für den Entkopplungsblock und den Läuferflussschätzer, notwendig. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie die Parameter im Stillstand anhand des NRLS-Algorithmus (Nonlinear-Recursive-Least-Square-Algorithmus) berechnet werden können.

In diesem Beitrag wird ein analytischer Ausdruck für die Bestimmung des Sollwerts der Läuferflussverkettung einer Asynchronmaschine (ASM) bei der feldorientierten Regelung vorgestellt. Dieser Wert wird durch das Lösen des Wirkungsgradoptimierungsproblems für jeden Betriebspunkt hergeleitet. Bei der Berechnung werden die Begrenzung der Spannungen sowie der Ströme als Nebenbedingungen in Betracht gezogen. Dieser Algorithmus eignet sich für industrielle Anwendungen, aber auch für Tranktionsantriebe, die mit ASM betrieben werden. / In this contribution, an analytic expression for the reference value of the flux linkage of an induction machine during field oriented control is proposed. This value results from solving the efficiency optimization problem of the ASM at each operational point. The restrictions on the motor voltages and currents are also considered in the optimization problem as constraints.The proposed method is suitable for industrial applications such as electric cars equipped with induction motors.

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.