Dynamische Feldschwächung bei am einphasigen Netz betriebenen EC-Motoren mit schlankem Zwischenkreis

Wystup, Ralph GND

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicher wie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und den simulierten Ergebnissen liefert. Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer Motorleistung von etwa 200 Watt und einem Wirkungsgrad von ca. 80 % mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität von 14 µF aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor eine Zwischenkreiskapazität von 204 µF.

The present paper deals with the operation of single-phase-fed EC motors with a slim intermediate circuit. The problem with single-phase voltages is that due to the pulsing-down of this DC bus voltage to zero volts, an air gap torque with a high proportion of harmonics occurs. To avoid this, discrete energy storage elements such as electrolytic capacitors and ferrite core chokes must be installed as an energy storage in the intermediate circuit of the inverter in practice. In the present paper, a novel method is presented, which ensures a virtually constant air gap torque for single-phase-fed EC motors with a slim intermediate circuit. The method known as dynamic field weakening can replace the previously required energy storages such as coils and electrolytic capacitors. For the derivation of the method of dynamic field weakening, the necessary mathematical equations have been developed on the basis of a saturation-free and therefore linearly operating fan motor. The approach of using a saturation-free fan motor allows easy implementation of a design specification for a fan motor that has been specifically adapted to the dynamic field weakening, on the basis of control-relevant engine parameters. Using a non-linear Kalman filter, the saturation-free fan motor that has been built is then measured on a test bench. It has been shown that the process of dynamic field weakening provides a good agreement between the analytical and the simulated results. The method of dynamic field weakening requires a very small intermediate circuit capacity of 14 µF, with an Motorpower of about 200 Watt and an efficiency of about 80 %. In comparison, a series fan motor requires an intermediate circuit capacitance of 204 µF.

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Wystup, Ralph: Dynamische Feldschwächung bei am einphasigen Netz betriebenen EC-Motoren mit schlankem Zwischenkreis. Ilmenau 2017.

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