Abstract:
Die Reduzierung der Emissionen ist entscheidend, besonders jetzt, während dem globalen Klima seinen ersten Wendepunkten nähert. Daher ist es nicht nur dringlich, jahrzehntelanges Wissen über elektrische Antriebe in Straßen- und Schienenfahrzeuge zu integrieren, sondern auch Maschinen zu entwickeln, die Energie aus erneuerbaren Quellen gewinnen. Ein Teil der erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und Wasserkraft nutzen auch elektrische Antriebe. Die Steigerung ihrer Effizienz würde daher dazu beitragen, dass Elektrofahrzeuge mit der derzeitigen Infrastruktur schneller die Gewinnschwelle bei ihren Produktionsemissionen erreichen und weniger elektrische Maschinen pro produzierter Energieeinheit benötigen, sobald diese Infrastruktur entkarbonisiert ist. ... mehrIm Großen und Ganzen gibt es zwei Hauptdimensionen, um die Effizienz von E-Antrieben zu steigern: Hardware- und Softwaredesign. Die Software-Entwurfsphase beinhaltet die Maschinensteuerung, die binäre Vektoren für den Wechselrichter berechnet. Diese widerum hängen von Arbeitspunkten ab, deren Eigenschaften die Hardware Entwurf definiert. In dieser Arbeit geht es darum, diese Symbiose zu klären und für elektrische Antriebe im Allgemeinen und für duale Drehstromantriebe im Besonderen zu optimieren. Grundlegende Frequenzeigenschaften des Antriebs, DC-Spannungspegel, Spitzen- und Dauerleistung und andere Designüberlegungen werden typischerweise in der Hardware-Designphase ohne Berücksichtigung der Kommutierungsfrequenzeigenschaften definiert. Diese Arbeit erweitert daher das Wissen über hochfrequenz Maschinenverlustmodelle auf arbiträrphasige und arbiträre Maschinen mit Hilfe des Kopplungskoeffizienten $ \varsigma$ und der Erkenntnis, dass die Floquet-Theorie auch für Hochfrequenzmodelle gilt. Letzteres ermöglicht die Modellierung nichtperiodischer Nichtlinearitäten in einem synchronen Rahmen. Steuerungsfunktionen, von denen angenommen wird, dass sie keinen Einfluss auf die Maschinenverluste haben, um die Stromwelligkeit des Zwischenkreiskondensators zu reduzieren, nämlich Verschachtelung für duale Dreiphasenmaschinen, verringern den Wirkungsgrad in der Maschine nachweislich um bis zu 4\% je nach Spannungsniveau. Die Kopplung zwischen Teilmaschinen und das Permeabilitätsprofil über das Drehmoment-Drehzahl-Feld erweisen sich als entscheidend für die Bestimmung der Erhöhung der Maschinenverluste durch Verschachtelung. Dabei werden verschiedene PWM-Verfahren, Kommutierungsfrequenzen und Stromabtastraten untersucht und der Stand der Technik auf duale Drehstrommaschinen erweitert. Optimale Steuervektoren mit den vorherigen Elementen werden für jeden Betriebspunkt gefunden, was ein detailliertes Wechselrichterverlustmodell und ein Gleichgewichtsmaschinenverlustmodell erfordert. Es zeigt sich, dass eine Abtastrate von $f_{\rm{sa}}=2f_{\rm{sw}}$ , Stromwelligkeitsprofile nahezu bei $f_{\rm{sw}}\rightarrow \infty$ aufrechterhält und dies bei sehr niedrigen Verhältnissen der Grundfrequenz zur Schaltfrequenz ($f_0/f_{\rm{sw}}$). Alle anderen Abtastraten zwischen synchron ($f_{\rm{sa}}=f_{\rm{sw}}$) und $f_{\rm{sa}}=2f_{\rm{sw}}$ erhöhen die Welligkeit vom Fall Synchronabtasten. Obwohl die Stromwelligkeit wenig Einfluss auf die Verluste im Kupfer hat, dominiert sie in Kombination mit dem hochfrequenten magnetischen Permeabilitätsprofil die hochfrequenten Eisen- und Magnetverluste. Große Schaltfrequenzen sind notwendig, um Eisenverluste nahe der maximalen Leistungsgrenze und möglicherweise nahe dem Modulationsindexwert von $2/\pi$ abhängig von $\varsigma$ und $\mu$ zu kontrollieren. Bei niedrigen Grunddrehzahlen dominieren Umrichterverluste und wesentlich niedrigere Schaltfrequenzen sind optimal und erhöhen dort den Antriebswirkungsgrad um 1\%. Die Bedeutung der Magnetsegmentierung zur Reduzierung von Hochfrequenzverlusten wird bestätigt und ein Rahmen für die Eisenabschirmung der Magnete für IPMSMs wird unter Verwendung der Poynting-Gleichung entwickelt. Magnetverluste sind wichtig, um eine Entmagnetisierung zu vermeiden und die Anforderungen an die Rotorkühlung besser zu verstehen. Es zeigt sich, dass sich Maschinenkonstruktionsfrequenzen mit Wechselrichter-induzierter Feldwelligkeit überlappen, um Magnetverluste je nach PWM-Methode zu erhöhen oder zu verringern. Insbesondere überlappt die vom Rotor aus gesehene Zahn-pro-Pol-Harmonische mit der verschmolzenen 2$^{\rm{nd}}$- und 4$^{\rm{th}}$-Subharmonischen der ersten Trägergruppe. Simulationen zeigen, dass für hochgekoppelte zweimal dreiphasige Drehstrommaschinen wie die asymmetrische Maschine das D6$\phi$ SVM-B2 12-Sektoren-Verfahren den elektrischen Antrieb für alle Betriebspunkte außer dem Feldschwächbereich und niedrigen Drehmomenten optimiert. Für leicht gekoppelte duale Dreiphasenmaschinen teilen sich alle untersuchten DPWM-Verfahren den optimalen Betriebsraum. SVM ist unabhängig vom Kopplungskoeffizienten fast nirgendwo optimal für den elektrischen Antriebsverlust. Simultane Schaltfrequenzen und Optimierung der PWM-Methode zeigen in Simulationen eine Effizienzsteigerung von etwa 1\% für eine Isokurve, die sich vom Eckpunkt bis zum Ursprung erstreckt, und bietet dadurch signifikante Verbesserungen.
Abstract (englisch):
Reducing emissions is critical as global climate approaches its first tipping points. As a result, not only does assimilating decades of electric drives knowledge into road and rail vehicles require urgency, but so does developing machines that harvest energy from renewable sources. Of the plethora renewables, wind and hydraulic energy also use electric drives. Increasing their efficiency would therefore help electric vehicles break even with their production emissions faster using the current infrastructure and require less energy harvesting machines per unit power once that infrastructure de-carbonizes. ... mehrBroadly, there exist two principal dimensions to increase e-drive efficiency: hardware and software design. The software design stage entails machine control by means of designing sequences of binary vectors for the inverter, which in turn depend on operating points whose characteristics the hardware design stage defines. This work involves clarifying that symbiosis and optimizing it for electric drives in general and for dual three-phase drives specifically. Drive fundamental frequency characteristics, DC voltage level, peak and continuous power, and other design considerations are typically defined at the hardware design stage without consideration for the commutation frequency characteristics. This work therefore expands knowledge regarding high frequency machine loss models to arbitrary-phase and arbitrary-type machines by means of the coupling coefficient $\varsigma$ and the realization that Floquet theory also applies to high frequency models. The latter allows the modeling of non-periodic nonlinearities in a synchronous frame. Control features thought to have no influence on machine losses to reduce DC-link capacitor current ripple, namely interleaving for dual three-phase machines, are shown to decrease efficiency in the machine by up to 4\% depending on the voltage level. Coupling between duals and the permeability profile over the torque-speed field prove decisive in determining the increase in machine losses due to interleaving. Different PWM methods, commutation frequencies, and current sampling rates are investigated and the state-of-the art is extended to dual three-phase machines. Optimal control vectors with the previous elements are found for each operating point, something that requires a detailed inverter loss model and an equilibrium machine loss model. It is found that $f_{\rm{sa}}=2f_{\rm{sw}}$ rate sampling maintains $f_{\rm{sw}}\rightarrow \infty$ current ripple profiles over very low fundamental to switching frequency ratios, or $f_0/f_{\rm{sw}}$, but anything in between increases ripple from $f_{\rm{sa}}=f_{\rm{sw}}$. Although current ripple has little influence regarding losses in copper, it combined with the high frequency magnetic permeability profile dominate high frequency iron and magnet losses. Large switching frequencies are necessary to reduce iron and magnet losses near the modulation index value of $2/\pi$ depending on $\varsigma$ and $\mu$ there. At low fundamental speeds, inverter losses dominate and much lower switching frequencies are optimal and increase drive efficiency by 1\% there. The importance of magnet segmentation to reduce high frequency losses is confirmed and a framework for iron shielding of the magnets for IPMSMs is developed using the Poynting equation. Magnet losses are important to avoid demagnetization and better understand the needs for rotor cooling. Machine design frequencies are shown to overlap with inverter-induced field ripple to increase or decrease magnet losses depending on PWM method. Specifically, the tooth-per-pole harmonic as seen from the rotor overlaps with the coalesced 2$^{\rm{nd}}$ and 4$^{\rm{th}}$ subharmonic of the first carrier group. Simulations show that for highly coupled dual three phase machines like the asymmetric machine, the D6$\phi$ SVM-B2 12-sector method optimizes the electric drive for all operating points except for the field-weakening region and low torques. For lightly coupled dual three phase machines, all investigated DPWM methods share the optimal operating space. SVM is almost nowhere drive-loss optimal irrespective of the coupling coefficient. Simultaneous switching frequency and PWM method optimization in simulations results in about a 1\% efficiency increase for an iso-curve spanning from the corner point to the origin, offering significant and broad improvements.
