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2018 | Book

Einführung Read chapter Read first chapter

Thermisches Management elektrischer Maschinen

Messung, Modell und Energieoptimierung

Author: Mihály Németh-Csóka

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Das Buch fasst den aktuellen Stand der wichtigsten thermischen Aspekte einer umrichtergespeisten elektrischen Maschine zusammen. Neben den typischen Themen wie Modellierung, Wirkungsgradoptimierung oder Widerstandadaption werden auch Bestimmung von Zeitkonstanten, Temperaturmessung, kT-Adaption, Entmagnetisierung und Alterung der Isolation beschrieben. Schwerpunkte sind praktische Anwendungsmöglichkeiten in Echtzeitsystemen bei der Modellierung und bei der Wirkungsgradoptimierung. Das Buch eignet sich besonders für den Ingenieur mit industrieller Praxis oder als Lehrbuch für Studenten, die sich vertiefend mit elektrischen Antrieben beschäftigen.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einführung
Worum geht es überhaupt?
Zusammenfassung
Grundlegende theoretische Überlegungen zu thermischen Aspekten von Elektromaschinen sind in vielen Fachbüchern bereits beschrieben. In diesem geht es darum, praktische Wege aufzuzeigen, mit denen die beschriebene Theorie in der Praxis rasch umsetzbar ist.
Der Inhalt des Buches gilt der industriell eingesetzten elektrischen Maschine, worunter man drehende Maschinen (Motoren) verschiedener Art und Transformatoren versteht. Da die Anzahl der direkt am Versorgungsnetz angeschlossenen Motoren gegenüber den umrichtergespeisten Motoren kontinuierlich sinkt, werden in erster Linie umrichtergespeiste Motoren behandelt. Alle aufgeführten Beispiele beziehen sich auf Asynchronmaschinen im Industrieeinsatz, Ausnahmen werden besonders vermerkt.
Von den aufgelisteten Anwendungsmöglichkeiten werden die thermische Modellierung und die Verlustoptimierung vorrangig herausgearbeitet. Bei den anderen Themen sind die grundlegenden Informationen zusammengefasst, dabei wird auf die relevante Literatur hingewiesen.
Die beschriebenen elektrischen Maschinen werden, um die Lesbarkeit zu erleichtern, an einigen Stellen etwas umgangssprachlich Motoren genannt, auch wenn der Zustand „Motor“ gegenüber „Generator“ nicht mit dem Gegenstand „Maschine“ zu verwechseln ist.
Ebenso wird der Begriff „Läuferflussbetrag“ gehandhabt: Die Benennung ist „Flussbetrag“ oder“ Fluss“.
Die Schreibweise der Modellbenennung hat sich in der Fachliteratur noch nicht herauskristallisiert. Die Modelle werden als Einkörpermodell, Zweikörpermodell usw. bezeichnet.
Mihály Németh-Csóka
2. Die verschiedenartigen thermischen Aspekte
Wozu der ganze Aufwand?
Zusammenfassung
Die Vielseitigkeit thermischer Aspekte in einer Elektromaschine wird anhand der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten deutlich. Neben den klassischen Problemfeldern wie der Wicklungserwärmung, der Alterung der Isolation oder der Motorauslegung gibt es noch zahlreiche weitere Bereiche der Antriebstechnik, die eine wichtige Rolle im Rahmen thermischer Abhängigkeiten spielen.
In der Feldorientierung ist die Onlineidentifikation der Ständer- und Läuferwiderstände und des Drehmomentkoeffizienten mittlerweile die Basis für eine dem Stand der Entwicklung gemäße Regelung. Mit unterschiedlichen Arten von thermischen Motormodellen können nicht nur die Wicklung, sondern auch andere Teile einer Maschine wie die Lager, die Magnete, die Oberfläche oder sogar mechanisch angekoppelte, angrenzende Bereiche ständig überwacht werden. Die thermischen Motormodelle, welche alle relevanten Verluste in der Maschine kontinuierlich berechnen, ermöglichen es durch Steuerung des Flussbetrages als „Nebenprodukt“ ohne aufwendigere Parametrierung auch einen wirkungsgradoptimierten Betrieb zu erzielen.
Mihály Németh-Csóka
3. Grundlagen
Was wir eigentlich schon alle wissen.
Zusammenfassung
Die Beschreibung der Entstehung der Verluste ist die Grundlage des thermischen Managements einer Elektromaschine. Die Aufteilung des Gesamtverlusts auf unterschiedliche Quellen und die Zuordnung dieser Wärmequellen zu den betroffenen Teilen ermöglichen die genaue Beschreibung der thermischen Verhältnisse innerhalb einer Maschine.
Ein Überblick über die unterschiedlichen Arten von Wärmeübertragung zeigt, dass alle Übertragungsarten bei den Berechnungen berücksichtigt werden müssen, auch wenn die Wärmeleitung eine zentrale Rolle spielt.
Die Erwähnung normdefinierter Nennbetriebsarten und Isolationsklassen ist für die spätere Beschreibung der thermischen Begrenzungen wichtig. Die immer strengeren Vorschriften der Wirkungsgradklassen zeigen, dass noch Reserven beim Maschinenbau vorhanden sind, die ausgeschöpft werden können.
Die thermische Betrachtung bei der Auslegung von Maschinen mit Hinblick auf den Sonderfall von langsam drehenden Motoren rundet den Überblick ab.
Mihály Németh-Csóka
4. Temperaturmessung
Einfacher geht es nicht, oder?
Zusammenfassung
Temperatur wird mit fest eingebauten Sensoren gemessen. Der Sensor sollte an der heißesten Stelle einer Maschine befestigt werden. Da dies in der Regel ein Teil der Wicklung ist, muss der Sensor elektrisch gut isoliert sowie thermisch leitend sein. Das bringt einerseits Zusatzkosten und führt andererseits zu Verzögerungen in der Signalauswertung.
Für die direkte Messung werden Thermistoren eingesetzt. Ein stetigeres Temperatursignal kann zum Beispiel für die Widerstandsadaption benutzt werden. Eine Nichtlinearität kann während der Signalauswertung mit gespeicherten Tabellen relativ einfach kompensiert werden. Sensoren mit Schaltereigenschaften werden vor allem für Schutzmechanismen eingesetzt.
Die Eigenschaft der Temperaturabhängigkeit der Widerstände kann indirekt für die Temperaturmessung genutzt werden. Mit Strom- und Spannungsmessung (bei Inbetriebnahme oder einmalig beim Einschalten) oder mit Temperaturbeobachtung (online) können die aktuellen Widerstände und dadurch auch die Temperaturen kontinuierlich erfasst werden.
Mihály Németh-Csóka
5. Thermisches Modell
Schauen wir tiefer rein, als ein Sensor kann!
Zusammenfassung
Mit thermischen Modellen kann die Temperatur einer elektrischen Maschine an einer beliebigen Stelle berechnet werden. Die Genauigkeit der Berechnung hängt direkt mit der Komplexität des eingesetzten Modells ab. Je mehr Körper definiert sind, desto komplizierter wird die Berechnung und desto mehr Parameter werden benötigt, um die nötigen Berechnungen durchführen zu können.
Das einfachste und am häufigsten eingesetzte Modell ist das Einkörpermodell. Neben der Beschreibung des theoretischen Hintergrunds sind die praktischen Wege angegeben, wie das Modell pragmatisch parametriert werden kann.
Die Mehrkörpermodelle sind als Verallgemeinerung des Einkörpermodells eingeführt. Die Ersatzschaltbilder, Wirkungspläne, Differenzialgleichungssysteme und die davon abgeleiteten Differenzengleichungssysteme werden vorgestellt. Die praktische Umsetzung ist durch Mess- und Simulationsergebnisse dargestellt. Es wird gezeigt, wie die durch Erwärmung der Widerstände verursachte Nichtlinearität berücksichtigt werden kann.
Mihály Németh-Csóka
6. Modellunterstützung durch Temperaturmessung
Und jetzt alles zusammen!
Zusammenfassung
Die direkte Messung der Temperatur in einer elektrischen Maschine scheint am einfachsten zu sein. Leider kann sie nicht überall realisiert werden, da sie kostenaufwendig bezüglich der Isolationen, Kabel, Stecker und Auswertungen ist und Verzögerungen in sich birgt. Ein Modell hingegen – wenn es einmal fertiggestellt ist – braucht nur Rechenzeit, ist aber dafür etwas ungenauer und die berechneten Temperaturen hängen von der Umgebungstemperatur ab.
Die Zusammenführung der beiden Methoden scheint logisch zu sein. Richtig interessant wird es, wenn die Messung und das Modell die Temperatur derselben Körper liefern.
Die Zusammenführung der beiden Werte kann mit einer Beobachterstruktur realisiert werden. Dabei treten die Vorteile der beiden Methoden in den Vordergrund: die Schnelligkeit des Modells und die Stabilität der Messung.
Eine Messung kann aber auch für die einmalige Initialisierung des Modells genutzt werden. Die Messung kann helfen, die Modelltemperaturen immer zwischen sinnvollen Grenzwerten zu halten.
Mihály Németh-Csóka
7. Wirkungsgradoptimierung
Und was haben wir davon?
Zusammenfassung
Die Wirkungsgradoptimierung ist ein stets aktuelles Thema. Auch wenn es durch die ständigen Optimierungen immer schwieriger wird, weitere Verbesserungen zu erreichen, entstehen dennoch immer wieder neue Ansätze.
Bei Asynchronmaschinen ist ein durch Drehmoment und Drehzahl vorgegebener Lastzustand nicht nur in einem Maschinenzustand zu erreichen, da die Größe des Flusses frei wählbar ist. Darauf bauen die unterschiedlichen, gut bekannten Verfahren auf, sie sind in diesem Kapitel zusammengefasst und werden miteinander verglichen.
Die Reduzierung der Gesamtverluste führt automatisch zur Erhöhung des Wirkungsgrads. Falls die Reduzierung durch ein Suchverfahren realisiert wird, können die ständigen Teständerungen nicht nur den Betrieb stören, sondern auch zusätzliche Verluste verursachen.
Die Mitbenutzung der für die thermischen Motormodelle errechneten Daten erlaubt es, die Verlustleistungen nicht nur in den aktuellen Arbeitspunkten, sondern auch in theoretischen Zuständen auszurechnen, die nicht angefahren werden müssen. Das ermöglicht die direkte Einstellung des wirkungsgradoptimalen Arbeitspunktes.
Mihály Németh-Csóka
Backmatter
Metadata
Title
Thermisches Management elektrischer Maschinen
Author
Mihály Németh-Csóka
Copyright Year
2018
Electronic ISBN
978-3-658-20133-3
Print ISBN
978-3-658-20132-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-20133-3