Wirkungsgradprüfung von elektrischen Maschinen und Invertern – aus Sicht des Anwenders

Beim Entwurf eines Antriebssystems mit Elektromotor gibt es, unabhängig von der Anwendung, drei Elemente:

  • die Stromquelle
  • den Stromrichter und
  • den Motor

Häufig findet man diese Elemente in Form einer Batterie, die als DC-Bus – Inverter, der Gleichstrom in Wechselstrom umrichtet – fungiert und eines Motors, der mit dem Wechselstrom elektrische Energie in mechanische Leistung umwandelt. Dies wird auch als elektromechanische Leistungswandlung bezeichnet.

Was wollen die Ingenieure erreichen?

Beim Entwurf solcher Systeme versuchen Ingenieure typischerweise den Wirkungsgrad über einen Fahrzyklus zu maximieren. Dazu maximieren sie das Drehmoment pro Ampère an so vielen Punkten wie möglich. Was manchmal durch geschickte Gestaltung der Maschine erfolgt und in anderen Fällen durch Einsatz geeigneter Steuerungstechnik. Inverter, Steuerung und Motor müssen gut zusammenspielen, um diesem Ziel möglichst nahe zu kommen; häufig werden diese Komponenten jedoch unabhängig voneinander entwickelt. Dies verursacht Probleme, wie beispielsweise ein äußerst effizienter Motor mit einem Inverter mit niedrigem Wirkungsgrad. Daher versuchen auf Systemebene Tätige und Ingenieure, den Leistungsfaktor über das System zu maximieren. Ein etwas weniger effizienter Motor kann sinnvoll sein, wenn sich dadurch der Wirkungsgrad des Motorantriebs erhöht.

Was ist mit der Stromversorgung?

Die Stromversorgung erfolgt in diesen Anwendungen fast immer über eine Batterie, manchmal kann es aber auch ein Gleichrichtersystem von einer Starkstromleitung sein, um einen DC-Bus zu erzeugen. Mit einem DC/DC-Wandler, mit dem ein Inverter gespeist wird, kann dieser DC-Bus angehoben oder abgesenkt werden. Der DC/DC-Wandler kann auch in Batteriesysteme integriert werden, um den DC-Bus auf ein Niveau einzustellen, das für den Inverter geeignet ist. Hier werden für Anwendungen in der Automobilindustrie meistens Lithium-Ionen-Batterien mit 200-400 V eingesetzt; es sind jedoch auch 600-800 V möglich. Nicht viele Anwender entscheiden sich für höhere Werte, da das Arbeiten auf so hohem DC-Potenzial deutlich schwieriger wird.

Mitchell Marks
Mitchell Marks, HBM Sales Engineer für eDrive Testing-Lösungen.

In diesem Artikel erklärt Mitchell Marks die Grundlagen und Anforderungen für das Prüfen elektrischer Inverter und Maschinen. Was ihm an dieser Anwendung besonders gefällt:

„Motoren waren 100 Jahre lang in der Welt Industrie etabliert, ohne dass wir die Möglichkeit hatten, sie zu steuern, da sie sauber und zuverlässig waren – einfach anschließen und sie laufen. Nun, da wir sie steuern können, werden sie überall eingebaut, vom Handy bis hin zum U-Boot. Bei so vielen Anwendungen, gibt es immer etwas zu tun und kein Tag ist so wie der andere.“

Electric motor system setup
Typischer Aufbau eines Systems mit Elektromotor.

Die Rolle des Inverters

Der Inverter spielt im System eine sehr wichtige Rolle, da er die gesamte Leistungswandlung und Steuerung übernimmt. Der Inverter besteht typischerweise aus sechs Schaltern (für einen 3-Phasenbetrieb), die nach einem bestimmten Muster öffnen und schließen, um Wechselstrom zu erzeugen. Dieses Muster wird mit einer Schaltfrequenz ausgeführt, die meistens zwischen 9 kHz und 25 kHz liegt. Eine Frequenz von weniger als 9 kHz wird deutlich hörbar; bei Anwendungen mit hoher Leistung ist jedoch eine niedrigere Schaltfrequenz erforderlich, um Verluste zu reduzieren. Höhere Schaltfrequenzen sind begrenzt und zwar sowohl durch die physikalischen Grenzen der Schalter als auch durch zunehmende Schaltverluste. Typischerweise werden hier IGBTs oder MOSFETs eingesetzt. Die Auswahl des Schalters wird durch die Stärke des Stroms bestimmt. MOSFETs sind typischerweise für niedrigere Leistung ausgelegt; IGBTs für höhere. Höhere Frequenzen lassen kleinere passive Geräte und mehr Steuerung zu. Das hat dazu geführt, dass viel Geld in Geräte mit großer Bandlücke investiert wird. Hier handelt es sich üblicherweise um Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid (GAN)-Geräte. Diese Geräte haben geringere Verluste und können typischerweise bei höheren Strömen und Schaltfrequenzen betrieben werden. Zurzeit sind sie extrem teuer und nicht sehr robust; sie sind jedoch die Geräte der Zukunft.

Schematische Darstellung von Stromversorgung - Inverter - Motor

Was ist mit der Steuerung?

Wie genau die Steuerung erfolgt, wird nur ungern verraten. Da es sich hier um eine Software handelt, ist es leicht unter Verschluss zu halten. Die Steuerung ermittelt Drehmoment und Drehzahl und bestimmt die Schaltfrequenz, Pulsweitenmodulations (PWM)-Methode und wie der Wirkungsgrad optimiert werden soll. Diese Aspekte können sich über einen Zyklus schnell ändern. Die meisten Steuerungen, unabhängig vom Motortyp, basieren auf der feldorientierten Regelung (FOC). Ein wachsender Trend ist die Deadbeat-Regelung. Alle diese Steuerungen funktionieren jedoch nach derm Prinzip der Closed-Loop-Stromregelung.

In der Steuerung findet die dq0-Bezugsrahmen-Transformation statt. Dies ist eine mathematische Umrechnung zur Visualisierung und Steuerung der 3-Phasen-PWM auf Grundlage der Systemanforderungen. Es ist einfach gesagt eine Operation mit Sinus und Cosinus und einer Positionsreferenz, um 3 Phasen so darzustellen wie 2 (alles andere als trivial).

Es dauerte ungefähr 50 Jahre, bis man die Geschichte der zur Steuerung und zum Verständnis der Asynchronmaschine gehörigen Mathematik verstanden hatte. Es ist erstaunlich, dass wir die Maschine 50 Jahre lang benutzt haben, bevor wir sie verstehen konnten!

Modelle müssen validiert werden

Computermodelle werden überall eingesetzt, bevor die eigentliche Arbeit beginnt. Modelle sind kostengünstig und man kann sie sehr schnell und in optimaler Art und Weise laufen lassen. Das Bauen von Motoren und Steuerungen ist ein langer Prozess. Die Optimierung von Motor und Steuerung findet über Modelle und FEM statt. Das ist generelle Praxis, bevor die eigentliche Konstruktion beginnt. Modelle sind sehr gut für Vorhersagen des Verhaltens von Motor und Inverter geeignet und ein unglaublich nützliches Werkzeug dafür. In den meisten Firmen arbeitet ein ganzes Team von Ingenieuren an den Modellen. Bei Wissenschaftlern ist die Modellvalidierung sehr beliebt, da sie ihnen mehr Vertrauen in ihre Modelle gibt und sie diese dann zur Vorhersage des Verhaltens von Motor und Steuerung einsetzen können. In diesem Bereich können unsere Produkte ins Spiel kommen: zur Validierung von Modellen.

Letztendlich unterliegen die meisten Anwendungen Einschränkungen hinsichtlich der Größe und Kosten, die viele der Variablen bestimmen, bevor die Motorkonstruktion überhaupt beginnt.

Was bleibt, ist die Auswahl der Topologie und kleiner Details auf Grundlage des Steuerungsschemas, das verwendet werden soll. Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten der Kühlung und der Wicklung der Motoren. Zu den Hauptmotortypen gehören der Induktionsmotor, Motoren mit Permanentmagnet, Feldwicklung und geschalteter Reluktanz. Induktionsmotoren sind am einfachsten zu steuern, wir verstehen sie am besten und sie sind die „Arbeitstiere“ der Industrie; ihr Nachteil jedoch ist, dass sie eine Felderregung erfordern, was zu Verlusten führt. Permanentmagnet (PM)-Motoren werden oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen der Wirkungsgrad wichtig und die Größe ein einschränkender Faktor ist, da sie eine höhere Leistungsdichte haben, weil der Magnet das Feld für den Rotor liefert und es im Rotor nicht zu Verlusten kommt.

Wenn sie in unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten, erfordern diese PM-Motoren einen Inverter und viel Kühlung und Pflege. Ein anderer Nachteil ist, dass sie an CPSR (Constant Power Speed Ratio - Verhältnis von Leistung zu Drehzahl) einbüßen, da es nicht so einfach ist, das Feld zu schwächen. Als Feldschwächung bezeichnet man eine Methode der Reduzierung des Magnetfelds des Rotors, um die Drehzahl einer Maschine zu erhöhen. Wir können das Feld in einer Induktions- oder PM-Maschine durch Einspeisen eines q-Achsen-Stroms schwächen. Die Notwendigkeit, für die FOC die Mengen des q-Achsen-Stroms (zur Drehmomentsteuerung) und des d-Achsen-Stroms (zur Steuerung des Rotorfelds) steuern zu können ist ein Grund dafür, dass viele daran interessiert sind, ihre dq0-Kurven in Echtzeit zu überwachen. Bei einer PM-Maschine sind weitere Dinge zu bedenken, da die Magnete durch die Feldschwächung entmagnetisiert werden können und eine Überwachung der Gegen-EMK erforderlich werden kann. 

Synchron-Reluktanz (SR)-Motoren haben einen sehr einfachen Rotor, lediglich eine Beschichtung mit einem bestimmten Muster. Diese Motoren nutzen die Eigenschaften der Reluktanzkraft, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Diese Motoren sind aufgrund ihrer einfachen Konstruktion sehr praktisch für eine Vielzahl von Anwendungen, haben jedoch den Nachteil, dass sie starkes Rauschen und Vibrationen erzeugen. Daher werden sie nur in bestimmten Situationen eingesetzt. Beim Testen dieser Maschinen sind Wissenschaftler daran interessiert, eine „Vibrationslandkarte“ zu erhalten, die zeigt, welche Drehmoment- und Drehzahlvibrationen am stärksten sind.

Je kühler der Motor, desto geringer die Verluste; je weniger Verluste, desto höher der Wirkungsgrad.

Hinzu kommt, dass es bei Magneten, wenn sie zu heiß werden, zu einer Entmagnetisierung in bestimmten Bereich kommen kann, was sehr problematisch sein kann. Daher ist es sehr wichtig, die Wicklungen und Schalter zu kühlen. Schalter weisen höhere Verluste auf und können sogar explodieren, wenn sie zu heiß werden. Bei der Konstruktion wird viel Zeit darauf verwendet, Strategien für die Kühlung zu entwickeln, um den Wirkungsgrad von Maschinen zu erhöhen. Zur Kühlung wird meistens Wasser, Öl oder Glykol verwendet, das auf die Bereiche gepumpt oder gesprüht wird, die gekühlt werden sollen.

Durch den Fokus auf die Maschinenkühlung ist das Überwachen der Motortemperatur zu einem wichtigen Aspekt bei Betrieb und Prüfung geworden. In einer Prüfung werden Thermoelemente für die Temperaturüberwachung eingesetzt, deren Signale aufgezeichnet oder an ein Steuerungssystem für die Abschaltung gesendet werden. Eine Synchronisation dieser aufgezeichneten Werte mit den Daten wäre für Wissenschaftler interessant, um herauszufinden, wann und wo es durch ihre Steuerungen zu Temperaturänderungen gekommen ist. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Daten zur Modellvalidierung eingesetzt werden können.

Erhöhung des Wirkungsgrads

Am besten lassen sich viele der oben erwähnten Themen durch das Erstellen von Wirkungsgradkennfeldern und Leistungsprüfungen abdecken. Die Erhöhung des Wirkungsgrads von Systemen ist von allgemeinem Interesse. Dafür ist es wichtig, die Rohdaten zur Verfügung zu haben. Denn, geht etwas schief, kann man einen Bezug zu früheren Tests herstellen und mit einer Post-Processing-Software wie beispielsweise MATLAB tiefer gehende Auswertungen durchführen. Darüber hinaus ist es von größter Bedeutung für dynamische Prüfungen, denn bei dynamischen Belastungsvorgängen oder bei Fahrzyklusversuchen kann man unerwartete und ungenaue Ergebnisse für den Wirkungsgrad erhalten, wenn man die Rohdaten nicht zur Verfügung hat.

Zu Beginn der Tests hat man eine voreingestellte DC-Busspannung, dann eine voreingestellte Drehzahl.

Die Maschine wird mit einem bestimmten Drehmoment belastet. Dies geschieht für alle gewünschten Drehmomente und Drehzahlen, die im Bereich der Maschine liegen. Als Ergebnis erhält man die Wirkungsgrade für alle gewünschten Arbeitspunkte und eine Darstellung in einem Wirkungsgradkennfeld. Diese Punkte werden in einem bestimmten Temperaturbereich ermittelt. Manchmal muss man darauf warten, dass die Maschine abkühlt, um an einem Arbeitspunkt zu messen. Hier kann der Kunde mit dem eDrive Testing-System von HBM viel Zeit sparen, denn durch die Möglichkeit, Arbeitspunkte in einigen Zyklen zu messen, anstatt in einigen Sekunden, benötigt die Maschine weniger Zeit für das Aufwärmen.

Häufig wird bis an die Grenzen der Maschine getestet und diese im Grunde genommen zerstört oder dies zumindest versucht. Es wird bis an die maximale Drehzahl gegangen, um herauszufinden, wo die mechanischen Grenzen der Maschine liegen. Dank der Möglichkeit zu Triggern und auf gepufferte Daten zurückzugreifen können Wissenschaftler nicht nur verstehen, wo ihre Maschine ausgefallen ist, sondern auch wie.

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