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Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Oberschwingungsverluste (explosionsgeschützter) permanentmagneterregter Synchronmaschinen

16.11.2013

Neben den Grundschwingungsverlusten treten bei frequenzumrichtergespeisten permanentmagneterregten Synchronmaschinen Oberschwingungsverluste auf, welche in den Stator- und Rotorblechen sowie in den Rotormagneten lokalisiert sind. Eine Reduktion dieser Verluste ist sowohl unter Erwärmungs- als auch unter Energieeffizienzgründen erstrebenswert. Ein Parameter mit Einfluss auf die Verluste innerhalb der Magneten ist dabei die Teilung der Magnete auf der Rotoroberfläche in einzelne Segmente.

Bedingt durch zahlreiche Vorzüge im Bereich der Energieeffizienz sowie der Regelbarkeit gewinnen die permanentmagneterregten Synchronmaschinen auch bezüglich des Einsatzes in explosionsgefährdeten Bereichen zunehmende Bedeutung. Wegen der im Vergleich zum Normmotor nicht oder nur geringfügig abweichenden konstruktiven Anforderungen ist die Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ hierzu prädestiniert. Bei dieser Zündschutzart wird gefordert, dass sowohl im Normalbetrieb als auch bei vorhersehbaren Fehlern an der Gehäuseoberfläche wie auch im Inneren der Maschine keine unzulässig hohen Oberflächentemperaturen sowie zündfähige elektrische Entladungen oder mechanische Reib- und Schlagfunken auftreten. Ein vorhersehbarer Fehlerfall wäre hier z.B. eine mechanische Überlastung des Motors oder gar ein Blockieren der Welle.

Im Vergleich zur Asynchronmaschine ist der Rotor der permanentmagneterregten Synchronmaschine in Ermangelung eines leitfähigen Käfigs und wegen der mit dem Statordrehfeld synchron umlaufenden Motorwelle stromlos bezüglich der Grundschwingungsfrequenz, was die Rotorerwärmung im Vergleich zur Asynchronmaschine deutlich verringert und den Motorwirkungsgrad erhöht.

Dennoch muss bei der Maschinenauslegung und später bei der Bewertung des Explosionsschutzes berücksichtigt werden, dass sich die Rotormagnete aufgrund der umrichterbedingten Oberschwingungsverluste im auf den Rotor geklebten Magnetmaterial  erwärmen können, wobei die eingetragene Verlustleistung neben der Leitfähigkeit des Magnetmaterials auch von der Rotorgeometrie sowie der Segmentgröße der einzelnen Magnete abhängig ist.

Bild 1: Nachbildung des Rotors über eine Modellanordnung

 

Bild 1: Nachbildung des Rotors über eine Modellanordnung

 

 

Die Segmentgrößenabhängigkeit wurde im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes zusammen mit dem Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen theoretisch sowie messtechnisch an einer in Bild 1 dargestellten Modellanordnung untersucht.  /1/, /2/

Bei den durchgeführten Messungen bestätigten sich die Ergebnisse der vorherigen analytischen Berechnungen und der Einfluss der Magnetteilung auf die Oberschwingungsverluste wurde auch in der Modellanordnung deutlich sichtbar, Bild 2.

Bild 2: Gegenüberstellung der Wirbelstromverluste der Messergebnisse und des analytischen Ansatzes bei einem Ständerstrom von 3 A

Ein weiterer im Rahmen des Projektes behandelter Punkt ist die Vorausberechnung der zu erwartenden Oberschwingungsverluste einer PM-Synchronmaschine bei Betrieb am Frequenzumrichter. Bei dem hier untersuchten Verfahren ist der erste Schritt die Charakterisierung der zu untersuchenden Maschine hinsichtlich ihrer frequenz- und spannungsabhängigen Impedanz, um dann später in einem nächsten Schritt mittels des Oberschwingungsspektrums am Frequenzumrichterausgang den Verlustleistungsbeitrag jeder einzelnen Oberschwingung zu berechnen und durch Summation über alle betrachteten Oberschwingungen die gesamten Oberschwingungsverluste der Maschine zu berechnen.

Zur Messung der Maschinenimpedanz wird die Maschine mit einem sinusförmigen Testsignal variabler Spannung und Frequenz beaufschlagt. Über eine Messung der Größen Spannung, Strom und Phasenwinkel werden dann der Wirk- und Blindwiderstand für die jeweilige Frequenz berechnet.

Zur Erzeugung des Testsignales wird hier ein dreikanaliger Funktionsgenerator mit nachgeschalteten Leistungsverstärkern verwendet. Der Versuchsaufbau ist Bild 3 dargestellt.

Zur Eliminierung etwaiger rotorstellungsabhängiger Effekte ist es erforderlich, die Maschine während der Messung über einen angekuppelten zweiten Motor mit kleiner Drehzahl, z.B. 100 1/min, anzutreiben und die Messwerte über mehrere Sekunden gemittelt aufzuzeichnen.

Bild 3: Prinzipieller Versuchsaufbau zur Messung der frequenzabhängigen Maschinenimpedanz

Bild 3: Prinzipieller Versuchsaufbau zur Messung der frequenzabhängigen Maschinenimpedanz

 

 

Dieses Verfahren wurde bei der Asynchronmaschine in einem abgeschlossenen Forschungsprojekt bereits erfolgreich angewendet  /3/, ist jedoch aufgrund einer Besonderheit der permanentmagneterregten Synchronmaschine nicht ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand übertragbar: Die fremdangetriebene Synchronmaschine liefert im Generatorbetrieb eine Spannung, die sich hier über den niederohmigen Verstärkerausgang kurzschließen würde und hohe Ströme zur Folge hätte.

Zur Vermeidung dieses unerwünschten Effektes wurde im Rahmen des aktuellen Forschungsprojektes eine Hochpass-Filterschaltung entwickelt, welche den Ausgängen der drei Verstärker nachgeschaltet wird und für die niederfrequente Induktionsspannung der zu untersuchenden Maschine eine sehr hohe Impedanz darstellt. Dadurch wird ein Stromfluss über die Verstärker wirksam verhindert. Zurzeit wird die Schaltung gerade erprobt und weiter optimiert.

Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, aus der Impedanzkennlinie der Maschine sowie dem Oberschwingungsspektrum des Frequenzumrichters die Oberschwingungsverluste verlässlich zu berechnen und ohne Messungen im Prüffeld den Einfluss einer Veränderung der Frequenzumrichterparameter auf die Maschinenverluste bewerten zu können sowie Einflüsse auf den Explosionsschutz zu erkennen. 

Weiterführende Literatur

 

/1/ M.Weber, C.Bode, C. Lehrmann: „Betrachtung permanentmagneterregter Synchronmaschinen unter Explosionsschutzaspekten“, 13. BAM-PTB-Kolloquium, Braunschweig, 18.-19. Juni 2013
/2/C. Bode, H. May und W.-R. Canders: „Optimized reduction of parasitic eddy current losses in high speed permanent magnet motors based on 2D and 3D field calculations,“ XV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, Funchal, 2011.
/3/C. Lehrmann: „Über ein Zulassungsverfahren für explosionsgeschützte, umrichtergespeiste Käfigläufer der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“; Dissertation Leibniz-Universität Hannover, Shaker-Verlag Aachen 2006

 

Kontakt: Dr.-Ing. Christian Lehrmann, FB 3.72, Opens window for sending emailchristian.lehrmann(at)ptb.de