Entwicklung und sensorlose Regelung von PM-Außenläufer- Traktions-Maschinen. Development and Sensorless Control of PM Outer Rotor Traction Machines

Transkript

1 Entwicklung und sensorlose Regelung von PM-Außenläufer- Traktions-Maschinen Development and Sensorless Control of PM Outer Rotor Traction Machines Florian Demmelmayr 04. Juli 2013 Überblick Motivation Vergleich Energieverbrauch PSM - ASM Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 2/28

2 Motivation Entwicklung einer Traktionsmaschine für den Schienennahverkehr Anforderungen: Hoher Wirkungsgrad Direktantrieb Kein Getriebe Hohe Drehmomente Hohe mechanische Beanspruchungen Seriennahe Fertigung Gute sensorlose Eigenschaften Florian Demmelmayr 3/28 Maschinen PSM P1 PSM P2 PSM PTO PSM NdFeB PSM Ferrit PSM XL PSM Rail Florian Demmelmayr 4/28

3 Überblick Motivation Vergleich Energieverbrauch PSM - ASM Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 5/28 Maschine Definition des Baumraums Umrichter Anzahl der Phasen Zwischenkreisspannung Schaltfrequenz Drehzahl / Drehmoment Charakteristik Florian Demmelmayr 6/28

4 Überblick Motivation Vergleich Energieverbrauch PSM - ASM Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 7/28 Definition charakteristischer Maschinenparameter Nut-/Polzahl Abmessungen Wicklungsverschaltung Berechnung wichtiger Kennwerte Magnetische Berechnung Wicklungsfaktoren Abmessungen des Blechschnitts Florian Demmelmayr 8/28

5 Überblick Motivation Vergleich Energieverbrauch PSM - ASM Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 9/28 Berechnung laut Finite Elemente Methode (FEM) Optimierung der analytischen Berechnung Magnetische Flussdichte Induzierte Spannung Drehmoment Magnetische Flusslinien bei Leerlauf Drehmoment über normierten Statorstrombetrag Florian Demmelmayr 10/28

6 Überblick Motivation Vergleich Energieverbrauch PSM - ASM Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 11/28 Vergleich Energieverbrauch PSM - Asynchronmaschine [DEM11-2] PSM ASM Florian Demmelmayr 12/28

7 Vergleich PSM - ASM Modell einer ASM Maschinendaten im Nennpunkt Annahme: U/f-Betrieb Berechnung eines Wirkungsgradkennlinienfeldes Charakteristisches Fahrspiel Fahrspiel Florian Demmelmayr 13/28 Vergleich PSM - ASM Wirkungsgradkennlinienfeld der PSM und ASM inkl. Fahrspiel [DEM11-2] Florian Demmelmayr 14/28

8 Vergleich PSM - ASM Diskrete Arbeitspunkten Berechnung Zugeführte Energie Abgegebene Energie Energieverbrauch PSM: 49% ASM: 100% Florian Demmelmayr 15/28 Überblick Motivation Vergleich mit alternativen Maschinen Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 16/28

9 Regelstruktur des Antriebs Struktur des Antriebs mit Lagegeber Florian Demmelmayr 17/28 Regelstruktur des Antriebs Struktur des Antriebs inkl. sensorloser Regelung [DEM11-1] Florian Demmelmayr 18/28

10 Sensorlose Regelung 5 verschiedene Verfahren für 3 unterschiedliche Drehzahlbereiche Winkelinitialisierung im Stillstand Großsignal INFORM Geberlose Start-Sektor Detektion Stillstand und niedrige Drehzahlen Klassisches Kleinsignal INFORM Verfahren Hohe Drehzahlen Klassisches EMK-Modell Kurzschluss-EMK-Modell Florian Demmelmayr 19/28 Sensorlose Regelung - INFORM Spannungssprünge Messung der Phasenströme 2γ el INFORM-Auswertung Elimination der 180 Unsicherheit Florian Demmelmayr 20/28

11 Elimination der 180 -Unsicherheit Großsignal-INFORM Hohe Ströme (i s 1) Verschiebung des magnetischen Arbeitspunkt Bestimmung der absoluten Lage: Elimination der 180 Unsicherheit Hohe Ströme auch in( d)-richtung Gefahr der irreversiblen Entmagnetisierung Sektor Detektion Bestimmung des Vorzeichens der d-achse Testsignale mit geringeren Strömen Testsignale bei aktueller Rotorposition [DEM13-1] Florian Demmelmayr 21/28 Start-Sektor Detektion Kleinsignal- INFORM Vorzeichen der d-achse? 2γ Test-Signal mit 2 Umrichterzweigen Entscheidung größeres i +d-achse Florian Demmelmayr 22/28

12 Qualität der sensorlosen Regelung Großsignal-INFORM Standardabweichung: 2,28 el I max = 262 A Häufigkeitsverteilung Großsignal- INFORM [DEM13-1] Zuverlässigkeit Sektor Detektion [DEM13-1] Sektor Detektion Zuverlässigkeit >96% I max = 120 A Florian Demmelmayr 23/28 Sensorlose Regelstruktur Struktur der sensorlosen INFORM/EMK-Regelung [DEM11-1] Florian Demmelmayr 24/28

13 Überblick Motivation Vergleich mit alternativen Maschinen Sensorlose Regelung Florian Demmelmayr 25/28 Bau eines weiteren Prototypen Einbau in ein Fahrgestell Test im Fahrbetrieb Beispiel: Fahrgestell [HAC03] Florian Demmelmayr 26/28

14 Quellenangaben [DEM10] F. Demmelmayr, A. Eilenberger, M. Schrödl, Sensorless electric traction drive with 500 Nm outer rotor permanent magnet synchronous machine, International Conference on Electrical Machines (ICEM), Rome, Italy, 2010 [DEM11-1] F. Demmelmayr, M. Susic, M. Schrödl, Sensorless Control at High Starting Torque of a 4000 Nm Traction Drive With Permanent Magnet Synchronous Machine, European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Birmingham, UK, 2011 [DEM11-2] F. Demmelmayr, M. Troyer, M. Schrödl, Advantages of PM-machines compared to induction machines in terms of efficiency and sensorless controlin traction applications, International Conference on IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Melbourne, Australia, pp , 2011 [DEM13-1] F. Demmelmayr, B. Weiss, M. Troyer, M. Schrödl, Comparison of PM-machines With Ferrite and NdFeBMagnets in Terms of Machine Performance and Sensorless Start-up Control, ICIT 2013, Cape Town, South Africa, pp , 2013 [HAC03] W. Hackmann, SystemvergleichunterschiedlicherRadnabenantriebefürden Schienennahverkehr: Asynchronmaschine, permanenterregtesynchronmaschine, Transversalflussmaschine, Dissertation TU Darmstadt, 2003 Florian Demmelmayr 27/28

15 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!