„funktionsweise synchronmaschine ii“ srm with fully pitched windings (motor a) (rated for 600v...

VorlesungElektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben

„Funktionsweise Synchronmaschine II“

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Arcisstraße 21

80333 München

die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie … oder umgekehrt …

… erfolgt grundsätzlich nach den Maxwell‘schen Gleichungen

1. Durchflutungsgesetz(Ampère‘s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell)

2. Induktionsgesetz(Faraday‘s Gesetz)

3. Gesetz von Gauss(Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen)

4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder(es gibt keine magnetischen Monopole

– nur geschlossene magnetische Feldlinien)

… ‚Lorentz‘-Kraft

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

… auch Nichtspezialisten können die Zusammenhänge herleiten …

… mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes1. Pel = U I

2. Pmech = M

3. U I = M hier werden Verluste vernachlässigt –

diese sind jedoch in elektrischen Maschinenvergleichsweise niedrig

4. … die Lorentz-Kraft M = k I

5. … hieraus folgt U = k … es ist auch möglich, diese Zusammmenhänge

aus dem Induktionsgesetz (2. Maxwell‘sche Gleichung) ( nächste Folie) herzuleiten … so ist es jedoch einfacher

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen

Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen

… jetzt fehlt noch der Zusammenhang zwischen

… M und

… U und I

M = k I

U = k

elektrisches Ersatzschaltbild

dynamische Grundgleichung

… auch Nichtspezialisten können die Zusammenhänge herleiten …

… mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

M = k I

U = k

elektrisches Ersatzschaltbild

dynamische Grundgleichung M – ML = J d/dt

next slide

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

… auch Nichtspezialisten können die Zusammenhänge herleiten …

Gleichstrommotor: vereinfachtes Ersatzschaltbild

Ua

Ui

Ia

Ra

Rf Lf

La

Ua / Ia / Ra / La: Ankerspannung / -strom / -widerstand /-induktivität

Rf / La : Feldwiderstand /-induktivität Ui: induzierte Spannung

If

B

Ankerstrom wird

durch

elektronische

Kommutierung

gleichgerichtet

DC

DC

Rotor (Anker) Stator

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

… aus diesen Gleichungen lassen sichBetriebskennlinien ableiten

M = k I

U = k

elektrisches Ersatzschaltbild

dynamische Grundgleichung M – ML = J d/dt

UA = R I + L dI/dt + U

… auch Nichtspezialisten können die Zusammenhänge herleiten …

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

Prinzipiell ist bei der Synchronmaschine alles gleich… wie bei der Gleichstrommaschine

B

If

B

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

… auch bei höchsten Drehzahlen ist die Bewegung so geringdass die Maxwell‘schen Gleichungen genauso anzuwenden sind

(es gibt keine Energieabstrahlungen)

B

If

B

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

… bei der Gleichstrommaschine ist das erregende magnetische Feld ortsfest… das Koordinatensystem ist ebenfalls ortsfest

es ist „automatisch“ feldorientiert

B

If

B

Koordinatenachse in Feldrichtung(Feldwicklung)

d-Koordinate

Koordinatenachse in „Anker“-Richtung(Ankerwicklung)

q-Koordinate

Krafterzeugung in der Synchronmaschine

B

If

B

Koordinatenachse in Feldrichtung(Feldwicklung)

d-Koordinate

Koordinatenachse in „Anker“-Richtung(Ankerwicklung)

q-Koordinate

… bei der Synchronmaschine ist das erregende magnetische Feld rotorfest… man kann das Koordinatensystem ebenfalls rotorfest definieren

das nennt man „Feldorientierung“

Krafterzeugung in der Synchronmaschine… man „sitzt“ quasi – wie das feldorientierte Koordinatensystem –

auf dem Rotor und rotiert mitsamt dem magnetischen Feld

B

If

B

… dann kann man die gleichen Gleichungenwie bei der Gleichstrommaschine verwenden

Synchronmaschine: Vereinfachtes Ersatzschaltbild

US / IS / RS / LS : Ständerspannung / -strom / -widerstand / - induktivität

Up: Polradspannung Uf / Rf: Feldspannung / -widerstand

US

RS

Rf

Up

IS

Uf

LS

If

DC

bzw.

Magnete

keine mechanische Gleichrichtung

Wechsel- bzw. Drehstrom

IfB

Stator Rotor

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

Berechnung des Drehmomentsauf der Basis der Strombelagsverteilung

(nach Kovacs/Racz)

… für das Wegelement eines Kreises ergibt sich

… die Durchflutung Θ längs des Umfangsabschnittes ergibt sich zu

.

Berechnung des Drehmomentsauf der Basis der Strombelagsverteilung

(nach Kovacs/Racz)Das elektrische Drehmoment ist beschreibbar als

Θ… auf jedes Stromelement wirkt die Lorentzkraft.

Setzt man voraus, dass diese Kraft tangential angreift, gilt

Das gesamte elektrische Drehmoment ergibt sich aus der Summe aller Teilmomente( = Integral) über den gesamten Statorumfang

… dieses Integral lässt sich mit Hilfe eines Additionstheorems lösen zu

Drehmomentgleichungin feldorientierten (d,q)-Koordinaten

(nach Kovacs/Racz)setzt man in die letzte Gleichung

die entsprechenden Formeln für den Strombelag und die Induktion ein,ergibt sich für das elektrische Drehmoment :

… in Feldkoordinaten ergibt sich :

… bei Synchronmaschinen ist oft eine konstante permanente Flusserregung gegeben demnach lässt sich ein konstanter Flussanteil abspalten

Reluktanz-Drehmoment„elektrisches“ Drehmoment

Permanentmagneterregte Synchronmaschine

•Transformation in rotorfestes Koordinatensystem (dq)

•Quasistationärer Zustand

•Keine Reluktanzeinflüsse

0dt

dI

dt

dI qd

dqqdqpm

pmrddr

q

qqsq

qqrd

ddsd

LLp2

3 T

IL dt

dIL IR U

IL dt

dIL IR U

III

ia

ib

ic

q

α

β

d

φ

qd LL

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschoinen

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

N

S S

… das bedeutet, dass dasdurch die Permanentmagnete

erzeugte Felddurch ein elektrisch erregtes

Gegenfeldgeschwächt werden muss

… das ist bei oberflächenmontiertenPermanentmagneten

nicht einfach und erfordertwegen des großen Luftspalts

viel Strom

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

N

S S

… das bedeutet, dass dasdurch die Permanentmagnete

erzeugte Felddurch ein elektrisch erregtes

Gegenfeldgeschwächt werden muss

… bei vergrabenenPermanentmagneten

ist das einfacher,weil der magnetische Fluss

des Gegenfeldeszur Seite ausweichen kann

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

N

S S

… das bedeutet, dass dasdurch die Permanentmagnete

erzeugte Felddurch ein elektrisch erregtes

Gegenfeldgeschwächt werden muss

… bei integriertenPermanentmagneten

ist das ebenfalls einfach,weil der magnetische Fluss

des Gegenfeldeseinen günstigen Weg findet

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

zu erwartende Vorteile

elektrische Maschine / Motor :

Baugröße / Gewicht :– richtet sich nach dem Drehmoment

kein Vorteil !!!

Wirkungsgrad– hängt von der Auslegung ab

nicht unbedingt ein Vorteil !!!… das Wechselspiel zwischen Fahrzyklus und Energieverbrauch

ist ohnehin schwer einzuschätzen … wenn überhaupt, dann im Prozentbereich

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

zu erwartende Vorteile

Stromrichter :

Baugröße / Gewicht :– richtet sich nach dem Strom (der ist kleiner !)

Vorteil ! … aber : Stromrichter haben kein Eisen … … nur ein kleiner Vorteil

… wäre ein höherer Motorstrom wirklich ein Problem ?

Wirkungsgrad… höherer Motorstrom heißt nicht höherer Batteriestrom …

… der Batteriestrom richtet sich in jedem Fall nach der Motorleistung … eigentlich spielt die Auslegung der Motorwicklung keine Rolle

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

zu erwartende Vorteile

Stromrichter :

Baugröße / Gewicht :– richtet sich nach dem Strom (der ist kleiner !)

Vorteil ! … aber : Stromrichter haben kein Eisen … … nur ein kleiner Vorteil

… wäre ein höherer Motorstrom wirklich ein Problem ?

Wirkungsgrad Vorteil (höherer Modulationsgrad)!

… das Wechselspiel zwischen Fahrzyklus und Energieverbrauch ist trotzdem schwer einzuschätzen

… wenn überhaupt, dann im Prozentbereich

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

zu erwartende Nachteile

Abschaltung bzw. Fehlerfall bei hoher Drehzahl :

Gegenmaßnahmen :Motorauslegung (niedriger „Kurzschlussstrom“) … aber : Auswirkung für den „Normal“betrieb ???

… volle Gegenspannung (EMK) an den Motorklemmen :

Gefahr für die Leistungselektronikund evtl. die Motorwicklung) !

elektronisch („Notbetrieb“ bzw. „künstlicher Kurzschluss“) … aber : muss sehr zuverlässig sein !!!

Feldschwächbetriebbei Synchronmaschinen

Frage, die man sich– bei der Auslegung (!) –

ernsthaft stellen muss:

… brauche ich den Feldschwächbereich wirklich ???

… oder will ich nur die Mechanik nicht ändern ???(„gewohntes“ Verhalten eines Schaltgetriebes)

VorlesungElektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben

„(Synchron-) Reluktanzmotoren“

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Arcisstraße 21

80333 München

Drehmomentgleichungin feldorientierten (d,q)-Koordinaten

(nach Kovacs/Racz)setzt man in die letzte Gleichung

die entsprechenden Formeln für den Strombelag und die Induktion ein,ergibt sich für das elektrische Drehmoment :

… in Feldkoordinaten ergibt sich :

… bei Synchronmaschinen ist oft eine konstante permanente Flusserregung gegeben demnach lässt sich ein konstanter Flussanteil abspalten

Reluktanz-Drehmoment„elektrisches“ Drehmoment

Synchronreluktanzmaschine: Drehmomententstehung

Rm klein

Rm groß

Rm klein

Rm groß

Reluktanz = magnetischer Widerstand

Stator

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

Rm klein

Rm groß

Rotor

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Reluktanzmaschineder grundlegende physikalische Effekt

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Reluktanzmaschineder grundlegende physikalische Effekt

12-8 SRM with Fully Pitched Windings (Motor A)

(Rated for 600V d.c. link, 25Nm)

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Reluctance Motors

• Invented in 1820’s

not really any use until transistors in 1948

• Switched reluctance motors

same in principle as stepping motors

they are not new this is just marketing hype!

• The motor of choice for small indexing drives

e.g. CD/DVD track drive

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

q

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0,2

0,4

0,6

0,8

1

i [A]

y

[Vs]

1,2

aligned 0°

+

+++++

+++++

+++++

++

++++

++++

+++++

unaligned 30°

+

+++++

+++++

+++++

++

++++

++++

+++++

Reluktanzmaschine: grundsätzliche Funktionsweise

Günter Schröder / Joanna BekieschInstitute for Power Electronics and Electrical Drives, University of Siegen

Model of the Reluctance Machine

• Voltage Equation

( , )d iu R i

dt

q

( , ) ( , )i di i du R i

i dt dt

q q q

q

Ri

lincr(i,q) e(i,q,)

u

q

lincr(i,q) e(i,q,)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0,2

0,4

0,6

0,8

1

i [A]

y

[Vs]

1,2

aligned 0°

+

+++++

+++++

+++++

++

++++

++++

+++++

unaligned 30°

+

+++++

+++++

+++++

++

++++

++++

+++++

Günter Schröder / Joanna BekieschInstitute for Power Electronics and Electrical Drives, University of Siegen

Torque = change of stored energy with position at constant

current = rate of change of co-energy with position

Phase Current (A) Rotor Position (rad)

Torque (Nm)Flux (Wb)

qq

q

q

qqi

i

Torque/phase not constant

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Reluktanzmaschine: grundsätzliche Funktionsweise

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Phase MMF (A)

Flu

x p

er t

urn

(W

b)

PM brushless d.c. 12-8 segmental SRMconventional 12-8 SRM12-10 segmental SRM

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Phase MMF (A)

Flu

x p

er t

urn

(W

b)

PM brushless d.c. 12-8 segmental SRMconventional 12-8 SRM12-10 segmental SRM

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Phase MMF (A)

Flu

x p

er t

urn

(W

b)

PM brushless d.c. 12-8 segmental SRMconventional 12-8 SRM12-10 segmental SRM

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Phase MMF (A)

Flu

x p

er t

urn

(W

b)

PM brushless d.c. 12-8 segmental SRMconventional 12-8 SRM12-10 segmental SRM

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Typically excite one phase only from just after unaligned

to just before aligned for motor

Rotor Position (deg.)

Shaft torque (Nm)

Increasing current

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Reluktanzmaschine: Drehmoment bei konstantem Strom

Embedded Engine Starter Generator

Outer rotor 18/15 segmented SR

Torque against Position (20 A)

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12

Mechanical Degrees

To

rq

ue (

Nm

)

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Reluktanzmaschine: Umrichterspeisung

Braucht man in jedem Fall einen speziellen Umrichter ?

THE USE OF THREE PHASE BRIDGE INVERTERS WITH SWITCHED RELUCTANCE DRIVES

• Supply current ir, is and it are alternating

• Phase currents are pulses as normal for SRM

• Effectively dc circulates around the delta

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Reluktanzmaschine: Umrichterspeisung

Braucht man in jedem Fall einen speziellen Umrichter ?

Nachteil : … nur eine Drehrichtung möglich !!!

Reluctance Machines

• Cheap (no magnets)• Brushless - long life• high speed ok (no rotor windings or magnets)• fault tolerant• Noisy ?• torque ripple• non-standard inverter?• more motor connections?• market has low experience

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

VergleichAsynchronmaschine – Synchronmaschine - Reluktanzmaschine