Implementierung eines thermischen Modells für permanentmagneterregte Synchronmaschinen auf einem IGBT-Umrichtersystem

Abstract

Die Temperaturmodellierung für elektrische Maschinen erlangt einen immer größer werdenden Stellenwert, nicht zuletzt deshalb, weil die Kenntnis der Temperaturen in verschiedenen Bereichen der Maschine mehr an Bedeutung gewinnt. Insbesondere ist bei den permanentmagneterregten Synchronmaschinen, deren Einsatzbereich sich in den letzten Jahren stark erweitert hat, neben der Temperatur der Statorwicklung vor allem die Magnettemperatur von Interesse.<br />Die Vorteile eines Modells gegenüber herkömmlichen Messungen sind vielfältig. Modelle benötigen keine Hardware zur Auswertung und Erfassung der Messwerte und sind überdies auch nicht störanfällig. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Temperaturen an Stellen der Maschine zu Beschreiben, wo ein Einsatz von Sensoren sehr teuer bis unmöglich wird.<br />Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich, neben einer theoretischen Beschreibung des Umrichtersystems, vor allem mit der Modellierung der Wicklungstemperatur einer permanentmagneterregten Synchronmaschine. Dazu wird das sogenannte thermische Zweikomponentenmodell herangezogen und an einem IGBT-Umrichtersystem implementiert. Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung des Zweikomponentenmodells hinsichtlich der Fähigkeit, die Wicklungstemperatur in ausreichendem Maße beschreiben zu können.<br />Das hier zum Einsatz kommende Modell bietet den Vorteil, dass alleine die Kenntnis der Verlustleistungen und der, aus einem Erwärmungsversuch ermittelten, Erwärmungskennwerte für die Parametrierung ausreicht. Es ist keinerlei Wissen über den geometrischen Aufbau und die Materialbeschaffenheit der Maschine erforderlich.<br />Der verwendete Versuchsaufbau weist einige Besonderheiten auf, welche eine generelle Aussage über die Genauigkeit des Zweikomponentenmodells nicht zulassen. Die beiden wesentlichsten Erkenntnisse aus den Untersuchungen sind folgende: Erstens, die Wahl des Zahlenformates bei der Implementierung des Modells hat einen wesentlichen Einfluss auf die Modellergebnisse (Stichwort: Geradennäherung von Exponentialfunktionen) und Zweitens, für die korrekte Ermittlung der Erwärmungskennwerte muss der Erwärmungsversuch über die gesamte Dauer mit konstantem Strom und konstanter Drehzahl durchgeführt werden.<br />Die Ergebnisse stellen eine Grundlage für weitere Untersuchungen dar, auch in Richtung Erweiterung des Modells zur Beschreibung der Temperatur der Permanentmagnete.<br />

The modeling of temperatures in electric machines becomes more and more important because the knowledge of temperatures in various areas of an electrical machine is increasingly relevant. Especially at permanent magnet synchronous machines, which range of application has enlarged rapidly in the last years, mainly the temperature of the permanent magnets is of interest in addition to the temperature of the stator winding. The advantages of a model compared to conventional measuring are diverse. Models need no hardware for acquisition and interpretation of the measured values and further they are resistant to disturbances. An additional benefit is the possibility to describe temperatures in areas of the electric machine where the use of sensors is very expensive or even impossible.<br />This diploma thesis mainly deals with modeling of the winding temperature of a permanent magnet synchronous machine in addition to the theoretic description of the converter system. Therefore the so called thermal two components model is used and will be implemented on an IGBT converter system. Aim of the thesis is the evaluation of the two components model in respect of the ability to describe the temperature of the stator winding in an adequate way.<br />The model used here offers the advantage that only the knowledge of power losses and characteristic heating values, which were determined in a heat run, are sufficient for parameterization. There is no detailed information necessary about geometrical design and used materials of the electrical machine.<br />The applied experimental assembly shows some characteristics which makes a general statement regarding the accuracy of the temperature model impossible. In the following the two main insights will be mentioned.<br />First, selection of the number system for software implementation of the temperature model has significantly influence on the results of the model (heading: approximation of exponential functions with lines).<br />Second, to determine the characteristic heating values in a correct way the heat run has to be carried out with constant speed and constant current during the whole duration of the run.<br />The results represent the basis for further investigations also with regards to the extension of the model to describe the temperature of the permanent magnets.<br />