Berechnung der wechselrichterbedingten Zusatzverluste von hochausgenutzten Asynchronmaschinen für Traktionsantriebe unter besonderer Berücksichtigung der Eisenverluste

Abstract

Die Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs von Schienenfahrzeugen werden seit Jahrzehnten weiterentwickelt und weisen daher typischerweise bereits einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad auf. Bis heute werden Optimierungen jedoch häufig auf Komponentenebene durchgeführt, gegenseitige Abhängigkeiten werden während der Auslegung aus Termin-, Kosten- oder Ressourcengründen oft nur unzureichend berücksichtigt. Viele für die Effizienz des Systems entscheidende Parameter werden bereits in einer frühen Designphase festgelegt. Einen großen Einfluss auf die Gesamtverluste haben dabei insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Stromrichter und Asynchronmaschine. Um den Systemwirkungsgrad ermitteln und in weiteren Schritten optimieren zu können ist daher eine frühzeitige, möglichst exakte und effiziente Bestimmung der Einzelverluste nötig. Aus den genannten Anforderungen ergibt sich das Ziel dieser Arbeit zur Entwicklung eines analytischen Simulationsmodells für die Berechnung der wechselrichterbedingten Zusatzverluste von hochausgenutzten Asynchronmaschinen im Traktionsbereich. Zusätzlich wird eine Berechnung der Durchlass- und Schaltverluste des Wechselrichters implementiert, um Aussagen über die Systemeffizienz in Abhängigkeit verschiedener Auslegungsparameter treffen zu können. Für die Asynchronmaschine wird eine Maschinentopologie mit Profildraht-Zweischichtwicklung im Stator und einem ungeschrägten Kurzschlussläufer zugrunde gelegt. Die Modellierung beruht auf einem frequenz- und temperaturabhängigen Ersatzschaltbild, für die Analyse des Oberschwingungsverhaltens wird die Sättigung durch die Grundschwingungskomponente berücksichtigt. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Berechnung der Eisenverluste gelegt. Dazu werden die magnetischen Flüsse und Flussdichten im Eisenkreis über das Raumzeigermodell bestimmt. Aus diesen Größen werden mittels eines neu entwickelten transienten Hysteresemodells die magnetischen Arbeitspunkte sowie daraus folgend die auftretenden Eisenverluste bei Wechselrichterspeisung ermittelt. Das semi-empirische Hysteresemodell erlaubt sowohl die Berechnung von beliebigen transienten Flussdichteverläufen als auch von stark gesättigten Arbeitspunkten. Die Simulationsergebnisse des Maschinenmodells werden mit den Messdaten eines ausgeführten Traktionsmotors verifiziert. Anschließend werden mit dem Simulationsmodell diverse Optimierungsoptionen auf deren Potential zur Verlustreduzierung analysiert. Ausgehend von zwei Referenzszenarien werden Maschinen-, Wechselrichter- und Systemparameter sowie die Wechselrichtertopologie hinsichtlich der Einflüsse auf die Verluste der Komponenten und auf die Gesamtverluste des Systems untersucht. Weiters wird auf Basis von elektromagnetischen Finite Elemente Simulationen eine optimierte Stab- und Nutgeometrie im Rotor zur Reduzierung der harmonischen Verluste abgeleitet. Durch den aufgebauten Versuchsrotor werden die theoretischen Untersuchungen abgesichert. Die Analysen zeigen verschiedene Ansätze zur Verlustreduzierung bei den Komponenten und im System auf und erlauben eine quantitative Beurteilung der Optimierungsmaßnahmen.

The components of the electric drive train of rail vehicles have been continuously developed for decades and therefore typically show a relatively high efficiency. To date, however, optimizations are often carried out at the component level. Mutual dependencies are often taken into account insufficiently during the design for reasons of deadlines, costs or resources. Many of the parameters that are crucial for the efficiency of the system are already defined in an early design phase. The interactions between the converter and the asynchronous machine in particular have a major impact on the total losses. In order to determine the system efficiency and to be able to optimize it in further steps, it is therefore necessary to determine the individual losses as precisely and efficiently as possible at an early stage. Derived from the requirements mentioned, the aim of this work is the development of an analytical simulation model for the calculation of the harmonic losses of highly utilized inverter-fed asynchronous machines for traction applications. In addition, a calculation of the conduction and switching losses of the inverter is implemented to allow an evaluation of the system efficiency depending on various design parameters. For the asynchronous machine, a machine topology with a two-layer winding made of rectangular wires in the stator and a non-skewed squirrel-cage rotor is assumed. The modelling is based on a frequency and temperature dependent equivalent circuit diagram. The saturation by the fundamental component is taken into account for the analysis of the harmonic behavior. Particular attention is paid to the calculation of the iron losses. For this purpose, the magnetic fluxes and flux densities in the iron circuit are determined using the space vector model. From these variables, the magnetic working points and the resulting iron losses when fed from the inverter are determined using a newly developed transient hysteresis model. The semi-empirical hysteresis model allows for the calculation of any transient flux density over time as well as highly saturated working points. The simulation results of the machine model are verified with the measurement data of a built traction motor. Subsequent, the simulation model is used for analyzing various optimization options for the potential of loss reduction. Based on two reference scenarios, parameters of the machine, the inverter and the system as well as the inverter topology are examined with regard to their influences on the losses of the components and the total losses of the system. Furthermore, based on electromagnetic finite element simulations, an optimized bar and slot geometry in the rotor is derived to reduce the harmonic losses. The theoretical investigations are ascertained by a built up test rotor. The analyses show different approaches to reduce losses in the components and in the system and allow a quantitative assessment of the optimization measures.