Modellierung und Regelung von fünfphasigen Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Mehrfachanisotropien

Abstract

Die Verwendung von elektrischen Maschinen mit einer Phasenzahl größer als drei bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie beispielsweise die Erhöhung der Systemleistungsdichte durch Nutzung der dritten Harmonischen und Redundanz im Falle eines Phasenausfalls. Sowohl im theoretischen als auch im experimentellen Bereich gibt es aufgrund der geringen Verbreitung von fünfphasigen Maschinen eine wissenschaftliche Lücke im Vergleich zu dreiphasigen Systemen, was die Bewertung des Nutzens der Fünfphasigkeit erschwert. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem die Modellierung von fünfphasigen Synchronmaschinen um Nichtlinearitäten wie Sättigungseffekte und Mehrfachanisotropien erweitert wird. Das entwickelte Modell wird anhand von FEM-Simulationen validiert und die Tauglichkeit wird festgestellt. Des Weiteren wird ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der Modellparameter des Systems vorgestellt. Das Verfahren basiert auf der HF Signalinjektion bei festgebremstem Motor und wird im Rahmen dieser Arbeit auf fünfphasige Maschinen angewandt. Sowohl die Simulation als auch die experimentellen Versuche liefern gute Ergebnisse und zeigen, dass eine Identifikation der Parameter des erweiterten Motormodells möglich ist. Im Vergleich mit den FEM-Ergebnissen ergeben sich sättigungsabhängige Abweichungen, die anhand des Hystereseverhaltens des Eisens erklärt werden können. Im Anschluss werden zwei Regelverfahren für fünfphasige Maschinen vorgestellt und bewertet: die erweiterte „Feldorientierte Regelung“ im rotorfesten Koordinatensystem und die auf fünfphasige Maschine angewendete „Indirekte Selbstregelung“ im statorfesten Koordinatensystem. Hierfür wird das erweiterte Motormodell mit den experimentell identifizierten Parametern als Grundlage verwendet. Die Verfahren liefern vergleichbare Ergebnisse und es zeigt sich, dass die statorflussfeste „Indirekte Selbstregelung“ in Bezug auf die Rechenzeit effektiver ist, jedoch ein erhöhtes Modellwissen voraussetzt. Abschließend werden zwei Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung von fünfphasigen Maschinen mit Einzelzahnbestromung präsentiert: die Injektion der dritten Harmonischen in die Phasenströme und die neuartige Spulenabschaltung im Teillastbereich. Die Momentensteigerung durch Nutzung der dritten Harmonischen in fünfphasigen Systemen ist in der Literatur häufig erwähnt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Sättigungseffekte berücksichtigt werden müssen, wenn die dritte Harmonische zur Wirkungsgradsteigerung verwendet wird, da die Amplitude und Phasenverschiebung der dritten Harmonischen in der Flussverkettung von dem Sättigungszustand der Maschine abhängen. Dieses Wissen wird genutzt, um anhand eines Arbeitspunkts im Überlastbereich eine Wirkungsgradsteigerung nachzuweisen. Eine weitere Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung eines Antriebsystems, in dem jede Spule von einer H-Brücke angesteuert wird, ist die Abschaltung von Spulen im Teillastbereich. Dieses Verfahren ist nicht auf fünfphasige Maschinen beschränkt, sondern auf Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl übertragbar, wenn zu einer Phase mehrere Spulen gehören und diese von H-Brücken angesteuert werden. Anhand von Wirkungsgradkennfeldern mit und ohne Spulenabschaltung wird gezeigt, dass der Wirkungsgrad im Teillastbereich gesteigert werden kann, wenn die Hälfte der H-Brücken deaktiviert werden.

Electrical machines with a phase number higher than three have several advantages over conventional three-phase machines such as an increased power density and redundancy in case of a phase failure. The benefit of a five-phase machine is difficult to evaluate, because these types of machines are seldom used and the theoretical and experimental knowledge is well short of the knowledge about three-phase machines. This work closes this gap between five-phase and three-phase machines by extending the modelling of five-phase machines with saturation effects and multiple anisotropies. The presented modelling is verified using FEM-simulation with good results. Furthermore an experimental approach to identify system parameters for a five-phase machine is presented. The method is based on high frequency signal injection and has so far only been applied to three phase machines. Simulation and experiments prove that the method is capable of identifying differential inductances with high accuracy for any given operating point and rotor position. Compared with the results from FEM there is a small difference, which can be explained by the influence of hysteresis in the iron. With the extended model and the identified parameters two control-schemes for five-phase machines are presented: the extended “Field Orientated Control” which is fixed to the rotor reference frame and the “Indirect Self Control” which is fixed to the stator system coordinates. The “Indirect Self Control” has not yet been applied to five-phase machines. Both control schemes deliver similar results in simulation and on the test bench. The “Indirect Self Control” is slightly more efficient concerning calculation time but requires a better knowledge about the drive. Finally two methods are presented, that improve the efficiency of five-phase machines with one H-Bridge per coil winding: the injection of third order harmonics into the stator currents and a coil switch off algorithm that disables some of the H-Bridged under partial load. In literature the torque improvement of five-phase machines when using third harmonic current injection is often mentioned. This work shows, that saturation effects have a major influence on the amplitude and phase shift of the third order harmonic and should therefore be taken into account. This knowledge is used to prove an increased efficiency in simulation and on the test bench for a given operation point under saturation. Another possibility to improve the efficiency of a drive system in which each coil is fed by an H-Bridge converter, is to switch off parts of the machines under partial load. This method is not limited on five-phase machines but can be used with machines with an arbitrary number of phases if two or more coils belong to the same phase and are independently fed by an H-Bridge converter. Characteristic diagrams of the efficiency with and without coils switched off show that under partial load up to 20 % of the nominal torque the efficiency of the drive can be significantly increased when half of the H-Bridges are disabled.