British Steel presentation
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S R Drives® Eine Einführung in geschaltete Reluktanzmotoren und Regler Wie funktioniert’s? Geblechter Stahl-Stator • Einfacher, einphasiger Motor Geblechter Stahl-Rotor • Phasenstrom erzeugt magnetischen Fluss im Stator • Magnetische Anziehung versucht den Rotor in seine vollständig ausgerichtete Position zu drehen Drehmoment • Drehmoment im Urzeigersinn wird erzeugt (grüner Feil) • Dies ist das Funktionsprinzip des „regelbaren Reluktanzmotors“ Phasenstrom Das Phasendrehmoment ist Null bei vollständiger Ausrichtung • Abgebildete Rotorposition zeigt Rotor bei minimalem magnetischem Widerstand „Reluktanz“ • Die elektrische Phaseninduktion ist auf ihrem Maximum (Lmax) • Diese Position wird häufig bezeichnet als “Oberer Todpunkt” (OT) Phasenstrom Null – Drehmoment ebenfalls bei vollständig nicht-ausgerichteter Position • Der Rotor gibt in dieser Position maximalen mag. Widerstand (Reluktanz) ab • Die elektrische Phaseninduktion ist auf ihrem Minimum (Lmin) • Diese Position wir häufig bezeichnet als “Unterer Todpunkt” (UT) Phasenstrom Das Drehmoment kann umgekehrt werden ohne die Stromrichtung umzukehren • Wenn Phasenstrom noch fließt im Intervall nach OT und bevor UT erreicht wird, wird ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn erzeugt (orange Pfeile). • Rotiert der Rotor noch im Urzeigersinn, bremst dieses Drehmoment die Last. • Positive und negative Drehmomente erhältlich durch einfache, zeitliche Anpassung der Wicklungsansteuerung Drehmoment Phasenstrom Betrieb als geschalteter Reluktanzmotor • Annahme: Rotation im Uhrzeigersinn • Rotor gezeigt am UT • Erzeugt Drehmoment im Uhrzeigersinn sobald der Rotor an UT vorbei ist • Schaltet man die Phase ein, bevor UT erreicht wird erhält man ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn • Fazit: Idealerweise einschalten bei UT – aber nicht vorher! (um max. motorisches Drehmoment zu erhalten) Drehsinn Phasenstrom Abschalten des Phasenstroms am korrekten Rotorwinkel • Erzeugt ein Bremsmoment gegen den Uhrzeigersinn sobald der Rotor an OT vorbei ist. – außer der Phasenstrom wird abgeschaltet • Fazit: Idealerweise abschalten bei OT (um max. motorisches drehmoment zu erhalten) Drehsinn • Wenn OT erreicht wird fällt das augenblickliche Drehmoment auf Null ab. Phasenstrom Es folgt eine einfache Animation des motorischen Betriebs …… – Annahme: Drehrichtung im Uhrzeigersinn – Einschalten am unteren Todpunkt – Ausschalten am oberen Todpunkt CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL Betrieb als Bremse oder elektrischer Generator • Exakt vergleichbar mit motorischem Betrieb • Das Bremsmoment wird erzeugt, wenn Rotor- und Statorpole „auseinander gezogen“ werden – z.B. wenn die Induktivität abfällt • Einschalten des Phasenstromes (und mag. Fluss) bei OT (optimal) • Ausschalten des Phasenstromes (und mag. Fluss) bei UT (optimal) CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CCW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CCW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CCW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung CCW Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom EIN CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL CW Drehung Kein Drehmoment Phasenstrom = NULL Zusammenfassung bisher… • Ein SR-Motor ist ein drehzahlregelbarer Reluktanzmotor • Betrieben durch ein- und ausschalten der Phasen unter Berücksichtigung des Rotorwinkels– daher “geschalteter” (switched) Reluktanzmotor”! • Das Drehmoment wird erzeugt als Ergebnis aus der Veränderung der Phaseninduktivität unter Berücksichtigung des Rotorwinkels • Erregte Phasen in Verbindung mit einer steigenden induktiven Region erzeugt ein treibendes Drehmoment • Erregte Phasen in Verbindung mit einer fallenden induktiven Region erzeugt ein bremsendes Drehmoment Betrieb eines “echten” SR-Motors in der Praxis • Einphasige Motoren erzeugen ein Drehmoment nur für die Hälfte der Zeit (Die Induktion steigt nur über die Hälfte einer Umdrehung) – Spezielle Vorkehrungen um den Anlauf sicherzustellen notwendig – Gut geeignet für hohe Drehzahlen (z. B. Lüfter, Staubsauger etc) • Mehrphasige Motoren beliebt für Industrielle Anwendungen – Üblicherweise zwei, drei oder vier Phasen – Ermöglicht den Anlauf und erzeugt gleichmäßigeres Drehmoment • Die Phasen werden so erregt, dass sie überlappen – z.B. 120 Grad Abstand (elektrisch) bei 3-phasigen Motoren, 90 Grad Abstand (elektrisch) bei 4-phasigen Motoren • Die bisherige Darstellung unterstellt, dass Phasenströme ohne Verzögerung ein- und ausgeschaltet werden können – In der Praxis nicht wahr – Der Umrichter hat ein wenig mehr zu tun, um dies zu gewährleisten Summierung des Drehmoments eines dreiphasigen Motors 9 8 7 6 5 A 4 B C Total 3 2 1 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Anstiegs- und Abfallzeit des Stroms und des magnetische Flusses sind begrenzt • Die Anstiegsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses φ ist durch das Faradaysche Gesetz vorgegeben: dφ dt = V N wobei V der Spannung entspricht N der Drehzahl entspricht • Betrachtung des motorischen Betriebs: 1) Bei UT wird eine Verzögerung auftreten, bevor der Strom und der magnetische Fluss den Betriebswert erreicht. 2) Nach dem Ausschalten am OT wird der Strom und der magnetische Fluss noch für eine Weile anstehen • Ergebnis ist ein Verlust bzgl. Leistung und Wirkungsgrad, was folgendes bewirkt: 1) Reduzierung der treibenden Drehmomentkomponente 2) Erzeugung einer zusätzlichen Bremsmomentkomponente und Verlängern der Phasenbestromungszeit (=> höhere Wicklungserwärmung) • Erfreulicherweise können wir das durch eine clevere Ansteuerung vermeiden! … Wie kann der Wirkungsgrad bei hoher Drehzahl beibehalten werden? • Bei niedriger Drehzahl sind Anstiegs- und Abfallzeiten nebensächlich verglichen mit der benötigten Zeit für einen elektrischen Zyklus • Bei steigender Drehzahl werden Verzögerungen bedeutsam • Kompensation der Verzögerung durch Veränderung des Ein- und Ausschaltzeitpunktes in Abhängigkeit des Rotorwinkels – Früheres Einschalten, bringt den mag. Fluss auf die Betriebswerte während steigender Induktion. – Früheres Ausschalten, reduziert den mag. Fluss auf niedrige Werte bevor die Induktion abfällt. • Optimiertes Ein- und Ausschaltwinkel höchste Wirkungsgrade • Sehr hohe Wirkungsgrade über einen sehr großen Drehzahl- und Drehmomentbereich • Vergleich – Zündzeitpunktsanpassung bei Verbrennungsmotoren “Einfachster Rotor” • Keine Wicklung Welle • Kein Kollektor • Keine Rotorstäbe • Keine Magnete • Minimale Verluste – “kalter Rotor” • Keine Probleme bei hoher Drehzahl und / oder hohen Beschleunigungen • EXTREM RPOBUST Blechpaket (auf Welle gepresst oder geschrumpft ) “Einfacher, robuster Stator” Isolation • Keine Überlappung der Phasen – reduziert das Risiko der Isolationsfehler Wicklung • Einfach zu kühlen • Einfach zu wickeln, robust • Hoher dV/dt Widerstand • Niedrige Aufnahmefähigkeit des Gehäuses reduziert EMV-Störungen Blechpaket SR Motoren Von Grund auf zuverlässig Einfaches Temperaturmanagement • Keine Schleifringe • Kein Kollektor • Keine Magnete • Kein Kollektor Kühle Lager Rotor Kühler Rotor Einfacher Rotor: Mechanisch Robust Keine Phasenüberlappung Geringer Wickelkopfüberstand Hohe dV/dt Widerstandsfähigkeit • Geringe Wärmestauung Niedrige Aufnahmefähigkeit des • Geringere Bewegungen Gehäuses reduziert EMV-Störungen Wesentliche Vorteile der SR Motoren Konstruktion • Bürstenloser Motor • Einfache, geschichtete Bleche mit überstehenden Polen – keine Rotorstäbe, keine Wicklung am Rotor, keine Magnete – Eine einfache Wicklung je Satorpol (ggf. Vorgewickelt auf Wickelvorrichtung) • Einfaches Wärmemanagement – Verluste überwiegend im Stator – Kühler Rotor bedeutet längere Lagerlebensdauer • Hohe Überlast-Drehmomente leicht zu realisierbar (z.B. 1.000 %) • Geringe Rotorträgheitsmoment (konstruktionsbedingt) • Kleine Wickelköpfe – Gute Nutzung des Aktiven Materials – kompakte, kurze Baulänge – hohe Leistungsdichte in „Pancake“ – Ausführung möglich. SR Drive®: Typische Architektur eines Regelkreises SR Umformer “Phasenstrang” Verwendung von Halbleiter “Schaltern”, z.B.. IGBT, GTO Thyristoren Dreiphasiger Umformer für PM und AC Motoren – Zum Vergleich Hinweis: Transistoren in Reihe geschaltet, die Spannungsversorgung brückend (= Möglichkeit eines Kurzschlusses) und parallel zu den Freilaufdioden (= dV/dt Beanspruchung der Bauteile) Vorteile des SR Umformers • Wicklung in „Serie“ mit den IGBT‘s - Kein Kurzschluss möglich – Vereinfacht den Schutz, erhöht die Zuverlässigkeit • Kleinere Thyristoren notwendig verglichen zu AC-Umformern – Höhere Drehmomente von SR Motoren bei gleichem Strom erhältlich – Gute Performance bei hohen Drehzahlen ohne die Anzahl der Windungen reduzieren zu müssen • Geringer Schaltfrequenz – Keine Sinusform notwendig – reduziert Schaltverluste und EMV • Einpolige Ströme im Motor (sogar beim regen. Bremsen) – Vereinfacht die Anforderungen der Gatter-Ansteuerung • Betrieb bei “mittleren Spannungen” (z. B. 3.3kV AC) vereinfacht durch “gestapelte” Umformer (schwierig bei Umrichtern) • Die IGBT’s werden nicht verwendet, um die Überspannungen der Freilaufdioden aufzufangen (Im Gegensatz zu Frequenzumrichtern) – Vereinfacht die Anforderungen der Gatter-Ansteuerung Vorteile des SR Umformers Fehlertolerant, robust Einfache Inbetriebnahme, einfacher, stabiler Betrieb Geringe Wärmeverluste, kleinere IGBT’s Unbegrenzte Anzahl der Anläufe / Stunde 1500 run Geringe Abhängigkeit von der Motortemperatur Sofortiger, fliegender Start Hoher Wirkungsgrad über weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich Großer Spannungsbereich Hohe Versorgungsspannungen möglich Reduzierte EMV Zuverlässig, hohe Dynamik Lange Blockierfestigkeit SR Stator und Rotor S R Drive® Ansteuerungssystem • Direkte Ansteuerung des Drehmoments über den Strom und den Kommutierungswinkel – Betrieb mit konstantem (geregeltem) Drehmoment – Optimierter Wirkungsgrad für großen Drehmoment- und Drehzahlbereich – Anpassbares Drehzahl-Drehmomentverhalten um Anforderungen zu erfüllen • Zuverlässiger Betrieb ohne komplexe Inbetriebnahme oder Programmierung – Einfach zu handhaben, nur wenige Parameter notwendig (vergleichbar DC-Motor) – Extrem flexibel , programmierbare Bedienung möglich falls erwünscht • Sensorlose Regelung nun möglich falls erforderlich – Impulsgeber häufig verwendet (vergleichbar mit BPM & Vektor Reglern) • • • Robust und Fehlertolerant – schnelle Lastwechsel und Störungen der Versorgungsspannung sind problemlos – exzellente Fehlerdiagnose Tolerant bzgl. raschen Lastwechseln und Spannungsschwankungen Exzellente Fehlerdiagnose – Automatischer Neustart nach einem Fehler falls gewünscht • Geräuschentwicklung kontrollierbar durch elektronische Hilfsmittel – mechanische Methoden zur geräuscharmen Motorkonstruktion SYSTEM Wirkungsgrad: SR vs. AC-Vector bei 7.5kW Gleiche Baugröße: 132, Gleiche Bauelemente : 50A IGBT, Volllastdrehmoment Efficiency (%) 90 80 SR AC IM 70 Konstant 50Nm bei 1500 min-1, Konstant 7.5kW bei Feldschwächung 60 50 0 1000 2000 3000 4000 rev/min • SR Wirkungsgrad ist annähernd gleichbleibend über den Drehzahlbereich • Geringe Wirkungsgradunterschiede über denn Drehzahlstellbereich stellen gleichbleibende Drehmoment bis hin zu niedrigen Drehzahlen sicher SRDML Diamant Antrieb Drehmoment und Wirkungsgrad SR measured efficiency IM + inverter typically 89% efficient Bemerkenswert konstanter Wirkungsgrad bei wechselnder Belastung: Z.B. IEC D250 Motor (90kW) Drive system comprising motor type 03-00017 operated with controller 02-00017 Measured system efficiency plotted vs. speed at 380V AC SR Drives Manufacturing Ltd 100 95 System efficiency (%) 90 85 80 75 70 Maximum load (280Nm/90kW) 100% nominal load (240Nm/75kW) 65 67% nominal load (160Nm/50kW) 60 33% nominal load (80Nm/25kW) 55 50 0 500 1000 1500 2000 Speed (rev/min) 2500 3000 3500 4000