Themenvorschlag für FVA-AK Geregelte Antriebe Höhere Antriebsleistungen durch separat gespeiste parallele Stränge Kennwort : Parallelspeisung Prof. Dr.-Ing. Ralph M. Kennel Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Technische Universität München
Problemstellung Antriebshersteller müssen Kundenanfragen u. U. negativ beantworten weil die für die entsprechende Anwendung notwendigen Produkte (z. B. Umrichter) außerhalb des eigenen Produktspektrums liegen die in Aussicht stehenden Stückzahlen rechtfertigen den Entwicklungsaufwand für die Erweiterung des Produktspektrums jedoch nicht 2
Grundidee bei Drehfeldmaschinen ab 20 kw Bemessungsleistung werden Wicklungen aus fertigungstechnischen Gründen in der Regel in mehreren parallelen Strängen ausgeführt und auf dem Klemmbrett miteinander verschaltet eine Speisung mit mehreren parallelen Umrichtern wäre technisch problemlos (d. h. mit geringem Aufwand) realisierbar 3
Erster kommerzieller Einsatz der Parallelspeisung EMO 1987 : Hauptspindelantrieb mit feldorientierter Regelung für Karusseldrehbänke Bemessungsleistung 63 kw (bzw. 75 kw) Hersteller : BOSCH Produktname : SERVODYN-T 4
Struktur des Karusselldrehbank-Antriebs 5
weitere mögliche, aber seinerzeit nicht realisierte Struktur 6
Phasenströme in den parallelen Strängen bei Nennlast das Prinzip funktionierte ganz gut es wurde tatsächlich eingesetzt! 7
Phasenströme in den parallelen Strängen Beschleunigungs- und Bremsvorgang 8
ungelöste bzw. nicht bearbeitete Probleme bzw. Aufgabenstellungen Stromaufteilung auf die parallelen Stränge bei niedrigen Drehzahlen (Gegenspannungen) Folge : volle Leistung stand nur in einem der Stränge zur Verfügung möglicher Lösungsansatz : separate Stromregelungen für die parallelen Stränge 9
separate Stromregelungen aber : seinerzeit wurde die Thematik nicht weiterverfolgt. 10
es gibt aktuelle Veröffentlichungen! J. Pontt, J. Rodríguez, J. Rebolledo, K. Tischler, N. Becker : Operation of High-Power Cycloconverter-Fed Gearless Drives Under Abnormal Conditions IEEE-IAS Transactions, vol. 43, No. 3, May/June 2007 (in diesem Fall spielt u. a. Redundanz eine Rolle) R. M. Cuzner, D. J. Nowak, A. Bendre, G. Oriti, A. L. Julian : Mitigating Circulating Common Mode Currents Between Parallel Soft-Switched Drive Systems IEEE-IAS Transactions, vol. 43, No. 5, September/October 2007 (in diesem Fall spielt die Reduktion von Gleichtaktströmen eine Rolle) die Thematik ist nach wie vor interessant und wird verfolgt 11
Nutzen für kleinere und mittlere Unternehmen Erweiterung des Leistungsbereichs ohne Neuentwicklung von Umrichtern (für große Leistungen) bei kleinen Stückzahlen : höhere Stückkosten << Entwicklungskosten ohne unüberschaubaren Aufwand könnten weitere Applikationen abgedeckt werden 12
weitere Argumente bzw. Untersuchungsziele Reduktion von Pendelmomenten, Oberschwingungsverlusten und Geräuschen (die von der Umrichter-Taktfrequenz herrühren) durch Regelung der (Nutz-)Grundwelle der (Teil-)Umrichterströme in Phasengleichlage durch Taktung der PWM-Pulse und deren Harmonischen in Gegenphase zueinander einfache Realisierung beim Unterschwingungsverfahren (Sinus- Dreieck-PWM) : Invertierung des zweiten Dreiecksignals vor dem Vergleich mit dem Spannungssollwert 13
gegenphasige PWM-Taktung 14
theoretische Überlegungen Umrichter 1 Umrichter 2 fiktiver Sternpunkt (muss nicht unbedingt verbunden sein) grundsätzlich stellt jeder parallele Wicklungsstrang einen Übertrager dar, auf den die sowohl die Grundwelle als auch die Taktfrequenz einwirken 15
einphasiges Ersatzschaltbild Technische Universität München Umrichter 1 Umrichter 2 sind U1 und U2 in Gleichphase (Grundwelle) und gleich groß wird die magnetisch wirksame Spannung der Grundwelle entsprechen Drehmoment wird erzeugt! sind U1 und U2 in Gegenphase (Taktfrequenz) und gleich groß wird die magnetisch wirksame Spannung im Idealfall verschwinden mit einer deutlichen Reduktion des Oberschwingungsstroms und der durch ihn verursachten Verluste und Geräusche ist zu rechnen 16
Themenvorschlag die vorgenannten theoretischen Überlegungen wurden bis heute nicht praktisch untermauert Themenvorschlag : Untersuchung, ob eine sequentielle Taktung paralleler Umrichter (siehe FVA-Projekt 420 Emissionsfreier Prüfstand ) oder eine gegenphasige Raumzeiger-PWM die erwünschte Stromaufteilung sowie eine Reduktion von Oberschwingungsströmen, Verlusten und Geräuschen gewährleisten kann. 17
wie soll es untersucht werden? theoretische Untersuchung : Nachbildung des Verhaltens von Drehfeldmaschinen (Asynchronmaschinen) bei Speisung mit mehreren Umrichtern mit sequentieller Taktung bei gegenphasiger Raumzeiger-PWM ein entsprechendes Modell existiert bereits (am Lehrstuhl für Elektrische Maschinen und Antriebe der Bergischen Universität Wuppertal) die Anwendbarkeit des Modells muss noch überprüft werden praktische Untersuchung : Aufbau eines Versuchsstandes für einen Antrieb im Leistungsbereich 60...100 kw, der von 2 "parallelen" Umrichtern entsprechend kleinerer Leistung gespeist wird (auf Wunsch auch größer) Regelung durch einen Pentium-basierten Rechner (ähnlich wie im FVA-Projekts 420 "Emissionsfreier Prüfstand ) Realisierung sequentielle Taktung "gegenphasige Taktung" Vergleich der technischen Eigenschaften beider Verfahren insbesondere im Hinblick auf Drehmoment- und Geräuschverhalten 18