Präzise und hochdynamische Leistungserfassung

Die Bewertung und  Prüfung von elektrischen Antrieben sowie der dazugehörigen Regelungsstrategien in Industrie- als auch Elektromobilitätsanwendungen bedarf einer präzisen und hochdynamischen Leistungserfassung. In diesen Anwendungsgebieten besteht das elektrische System standardmäßig aus einem Zweipunktwechselrichter, einer dreiphasigen elektrischen Maschine und der dazugehörigen Energieversorgung.

In diesem Beitrag wird zunächst die weiterführende Topologie des Doppelzweipunktwechselrichters (DZW) vorgestellt. Anschließend wird die messtechnische Erfassung der mechanischen und elektrischen Größen mit dem Messdatenerfassungssystem GEN3i sowie die Berechnung der Echtzeit-Leistungsgrößen dargestellt.

Die Autoren

Simon Wolfstädter, M.Eng., Thomas Kowalski, M.Eng., Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter, University of Applied Science Aschaffenburg, Dipl.Ing. Klaus Lang, HBM

Doppelzweipunktwechselrichter

Abbildung 1: Topologie des DZWs mit getrennten Zwischenkreisen

Die Topologie des Doppelzweipunktwechselrichters setzt sich aus zwei einzelnen Zweipunktwechselrichtern zusammen. Die Wicklungsstränge der elektrischen Maschine sind jeweils zwischen den beiden Wechselrichtern verschaltet. Die elektrische Maschine wird somit durch sechs Strangspannungen gespeist. Abbildung 1 zeigt die Topologie des DZWs mit getrennten Zwischenkreisen. Die Versorgung der beiden Wechselrichter erfolgt über zwei ebenfalls separate Gleichspannungsquellen.

Als Vorteile dieser DZW-Topologie können stellvertretend die erhöhte Ausfallsicherheit, reduzierte Zwischenkreisspannung (bei gleichem Leistungsbedarf der Maschine) sowie die höhere Anzahl an Spannungslevels im Vergleich zur einfachen Zweipunktwechselrichteranwendung genannt werden [1].

Gleichzeitig erlaubt die Topologie eine Verteilung der durch die Maschine aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung auf die beiden Wechselrichter, bzw. die daran angeschlossenen Energieversorgungen. Abbildung 2 zeigt die möglichen Energieflussrichtungen innerhalb des Systems. Dabei liegen diese jedoch nicht nur zwischen den Wechselrichtern und der elektrischen Maschine, sondern auch zwischen den beiden Wechselrichtern selbst. D.h. es ist ebenfalls möglich Energie über die Maschinenwicklung zwischen den beiden Energieversorgern auszutauschen.

Abbildung 2: Energieflussrichtungen innerhalb des Systems

Prüfstand und Messwerterfassung

Die messtechnische Erfassung und Auswertung der im System vorhandenen elektrischen und mechanischen Größen bedarf einer hohen Anzahl an Messstellen.Neben den mechanischen Größen wie Drehzahl, Drehmoment und Drehwinkel, werden die elektrischen Messwerte der jeweiligen Strangspannungen/-ströme, Zwischenkreisspannung und -ströme für die Bewertung des dynamischen und stationären Betriebsverhalten benötigt.

Abbildung 3 zeigt schematisch die Messwerterfassung der Systemgrößen, welche dem Datenrecorder GEN3i zugeführt werden.

Abbildung 3: Gemessene Systemgrößen

Der Prüfstand und die Messwerterfassung sind folgendermaßen aufgebaut:

  • Die zu prüfende Maschine  ist eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM), welche durch den DZW gespeist wird. Beide Wechselrichter werden jeweils von einer Lithium-Batteriebank versorgt. Die Rotorposition wird mittels eines Resolvers  errechnet.
  • Die Vorgabe der Betriebsparameter erfolgt über ein CAN-Interface.
  • Die Lastmaschine ist eine drehzahlgeregelte permanenterregte Synchron-maschine, welche über einen separaten Wechselrichter versorgt wird. Dieser wird durch eine Einspeiseeinrichtung direkt am Versorgungsnetz betrieben. Die Drehzahlerfassung erfolgt über einen eigenen Inkrementalgeber.
  • Die Strangströme werden mit hochgenauen externen Stromwandlern Typ LEM IT 400 S gemessen. Als Messshunts kommen hochpräzise HBR 2.5, direkt am jeweiligen Kanaleingang des GEN3is, zum Einsatz.
  • Die Strangspannungen der beiden Wechselrichter werden jeweils gegen einen künstlichen Sternpunkt, ebenfalls direkt am GEN3i, gemessen.
  • Die Batteriespannungen werden direkt durch die Hochspannungskanäle des GEN3is erfasst.
  • Die mechanischen Größen Drehmoment und Rotorposition werden durch einen HBM Drehmomentaufnehmer T12 bereitgestellt. Dieser ist über den Event IO to Txx Adapter mit dem GEN3i verbunden

Abbildung 4 zeigt die zu prüfende Maschine mit dem zweiseitigen Anschluss der Wicklungen. Ebenfalls zu erkennen ist der Drehmomentaufnehmer, die Stromwandler als auch die Messabgriffe der Phasenspannungen. In Abbildung 5 ist eine der beiden Lithium-Batteriebänke zur Versorgung der Wechselrichter dargestellt. Die Eingangskanäle des GEN3i mit den Messshunts der Strommessung und dem künstlichen Sternpunkten sind in Abbildung 7 aufgeführt.

Bild 4: Motorprüfstand mit T12-Drehmomentaufnehmer, Stromwandler und Spannungsabgriffen
Bild 5: Lithium-Batteriebank zur Versorgung eines Wechselrichters
Bild 6: GEN3i, PC zur Parametervorgabe, Stromwandlerversorgung und Event IO to Txx Adapter
Bild 7: GEN3i Eingangsbereich mit Messshunts und künstl. Sternpunkten

Echtzeit-Leistungsberechnung

Mit Hilfe der gemessenen Rohdaten können die einzelnen Systemleistungen bestimmt werden [2][3]. Die ausgangsseitigen Wechselrichteraugenblicksleistungen werden mit Hilfe der Stranggrößen errechnet:

Durch die Zählpfeilrichtung des zweiten Wechselrichters tragen negative Strangspannungen zur positiven Leistungsabgabe bei:

Über die Grundschwingungsperiode T des Strangstroms gemittelt werden die Wirkleistungen bestimmt:

Die eingangsseitige Wirkleistung der beiden Wechselrichter ermittelt sich gleichermaßen:

Die Augenblicksleistung der elektrischen Maschine kann als Produkt aus der Spannungsdifferenz der jeweiligen Strangspannungen und des Strangstroms dargestellt werden:

Beziehungsweise auch als Summe der beiden Wechselrichterleistungen:

Die mechanische Leistung an der Maschinenwelle wird unter Berücksichtigung des Drehmoments M und der Drehzahl n berechnet:

Über den Wirkungsgrad des Wechselrichters können die wechselspannungsseitigen Größen auf die Gleichspannungsseite umgerechnet werden:

Bei bekanntem Wirkungsgrad kann somit der jeweilige Batteriestrom wie folgt ermittelt werden:

Messergebnisse

Die in den vorherigen Kapiteln beschriebenen Messungen und Berechnungsverfahren wurden bei einer Untersuchung der zu prüfenden Maschine mit folgenden Kenndaten angewandt: Nennstrangspannung: 270 V, Nennstrom: 150 A, Nennmoment: 190 Nm, Nenndrehzahl: 1500 min-1 , Polpaarzahl: 2.

Die beiden IGBT-Wechselrichter des DZWs arbeiten synchronisiert mit einer Schaltfrequenz von je 8 kHz. Beide Wechselrichter werden von Lithium-Batteriebänken mit einer Nennspannung von je 210 V versorgt. Nachfolgend sind beispielhaft zwei Messreihen zur Bestimmung des Betriebsverhaltens des DZWs und der elektrischen Maschine aufgeführt.

(A) Energieverteilung auf beide Zweipunktwechselrichter

Während der Messung wird die Lastmaschine drehzahlgeregelt bei konstanten 750 min-1 betrieben. Die zu prüfende Maschine wird zunächst symmetrisch (PAC,1 = PAC,2) durch den Doppelzweipunktwechselrichter, anschließend unsymmetrisch (PAC,1 ≠ PAC,2) versorgt. Das abgegebene Drehmoment des Motors beträgt 120 Nm. Abbildung 8 zeigt die dabei durch das GEN3i berechneten Systemleistungen P. Dabei sind die Ein- und Ausgangsleistungen der Wechselrichter sowie die elektrische und mechanische Gesamtleistung dargestellt. Es ist unter anderem ersichtlich, dass durch die Variation der Energieverteilung lediglich die Leistungen der beiden Wechselrichter, jedoch nicht die abgegebene Motorenleistung beeinflusst wird.

(B) Energieaustausch zwischen den Zweipunktwechselrichtern

Ausgehend von einer symmetrischen Leistungsbereitstellung, bei einem gleichen Arbeitspunkt der Maschine wie in (A), wird der Energieaustausch zwischen den beiden Wechselrichtern, bzw. den Lithium-Batterien gestartet. Dabei wird ein geforderter Ladestrom der Batterie 2 von zunächst 20 A, anschließend 30 A und 15 A vorgegeben (Abbildung 10). Abbildung 9 zeigt die dabei durch das GEN3i berechneten Systemleistungen P. Die symmetrische Leistungsbereitstellung beider Wechselrichter als Ausgangspunkt wird zum Zeitpunkt t = ca. 4,3 s durch den Energieaustauschs abgelöst. Der Wechselrichter 1 liefert sodann die von der elektrischen Maschine benötigte, als auch die zur Ladung der Batterie 2 benötigten Energie.

Abbildung 8: Ermittelte Systemleistungen (A)
Abbildung 9: Ermittelte Systemleistungen (B)
Abbildung 10: Gemessene Batterieströme (B)

Real time und postprocessing Berechnung

Abbildung 11 zeigt stellvertretend mit Hilfe der Wirkleistungsverläufe der Eingangs- und Ausgangsleistung des Wechselrichters 1 sowie der mechanischen Leistung den Vergleich der beiden Berechnungsverfahren real time und postprocessing für die in Abschnitt 4 (A) beschriebene Messung. Beide Verfahren liefern identische Ergebnisse.

Abbildung 11: Berechnete Wirkleistungsverläufe im postprocessing und real time Verfahren

Formeln der post processing Berechnung

Abbildung 12 zeigt einen Ausschnitt aus dem angewandten Formelsheet innerhalb Perception. Dabei sind stellvertretend die Berechnungen der Wirkleistungen der beiden Energiespeicher und die Ausgangsleistung des Wechselrichters 1 aufgeführt.

Abbildung 12: Ausschnitt der post processing Formeln

Formeln der real time Berechnung

Die Umsetzung der Leistungsberechnung in Echtzeit ist in Abbildung 13 dargestellt.

Auch hier sind stellvertretend die Eingangs- und Ausgangswirkleistung des Wechselrichters 1 aufgeführt. Zu beachten ist die teilweise unterschiedliche Syntax zwischen postprocessing und real time Berechnung.

Abbildung 13: Ausschnitt der real time Formeln

Literatur

[1] Grandi, Gabriele; Rossi, Claudio; Lega, Alberto; Casadei, Domenico: Multilevel

Operation of a Dual Two-Level Inverter with Power Balancing Capability. In: Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, 2006, 603–610

[2] Teigelkötter J.: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-Efficient Electrical Drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3] Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calculating Power Values with Perception Software]: www.hbm.com/en/3783/calculating-power-quantities-with-perception-software/