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Steigerung des Wirkungsgrads und der Ausnutzung von Norm-Asynchronmotoren mit Kurzschlusskäfig

Knopik, Thomas :
Steigerung des Wirkungsgrads und der Ausnutzung von Norm-Asynchronmotoren mit Kurzschlusskäfig.
ULB Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Steigerung des Wirkungsgrads und der Ausnutzung von Norm-Asynchronmotoren mit Kurzschlusskäfig
Language: German
Abstract:

Die allgemeine Energiesituation am Ende des 20. Jahrhunderts zwingt die Menschheit zum bewussteren Umgang mit der Energie. Weiterhin sorgt ein weltweites Umdenken in der Umweltpolitik zu einer Verschärfung der Energiesituation und (besonders in Deutschland) zu einem verstärkten Einsatz regenerativer Energiequellen, was u. A. den Strompreis erheblich ansteigen lässt. In diesem Zusammen-hang wird auch die Reduzierung des Energieverbrauchs elektrischer Verbraucher angestrebt und im Energiekonzept der Bundesregierung von 2010verankert. In der Antriebstechnik führt das zu immer strengeren neuen Wirkungsgradklassen (z.B. IE3 und IE4, IE5 in Diskussion), in die die Antriebe eingestuft werden. Motoren, die einen hohen Energieverbrauch haben und somit einen niedrigen Wir-kungsgrad (<IE2) besitzen, sollen stufenweise vom Markt verschwinden. Die stark angestiegenen Prei-se für Selten-Erden-Magnete sowie die im Vergleich zur Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine (kurz: KLASM) deutlich geringere Robustheit machen den Einsatz von Permanentmagnet-Synchronmotoren (kurz: PMSM) trotz der vergleichsweise größeren Wirkungsgrade für industrielle Anwendungen unren-tabel, so dass die KLASM noch für längere Zeit der am weitesten verbreitete Motorentyp für industriel-le Antriebe bleiben wird. Zur Auslegung hocheffizienter KLASM sind äußerst präzise Berechnungsmodelle vonnöten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Modelle zur elektromagnetischen Auslegung von KLASM berücksichtigen den Einfluss der doppelseitigen Nutung, des Fertigungsprozesses und der Eisensättigung auf das Betriebs-verhalten der Motoren. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Leistungsbilanz der Motoren in unter-schiedlichen Betriebspunkten. Die präzise Vorausberechnung der Zusatzverluste Pzus stellt dabei eine besondere Herausforderung dar und wurde dementsprechend ausführlich betrachtet. Anhand von drei vierpoligen Mastermotoren der Achshöhen 80 mm, 100 mm und 160 mm (Kenndaten 115H121H5HAnhang A: Maschinendaten) mit Bemessungsleistungen von PN = 750 W, 2200 W bzw. 9200 W wurden die Berechnungsmodelle getestet, optimiert und über Vergleichsrechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (FLUX2D, ANSYS) und Messungen verifiziert. Dabei haben sich die in der Arbeit vorgestellten Berechnungsmodelle sowohl zur Vorausberechnung der elektromagnetischen Betriebsparameter als auch zur Berechnung der Erwärmung und der Geräuschabstrahlung nachweislich als sehr geeignet dargestellt. Die hier erzielten Ergebnisse wurden zur Verbesserung des am Institut mitentwickelten Berechnungs-programms KLASYS herangezogen. Die Modelle wurden zur Erarbeitung eines Neuentwurfs einer gesamten Motorbaureihe mit unter-schiedlichen Leistungs- und Wirkungsgradklassen bei gleicher Achshöhe von 160 mm im 50Hz- und 60Hz-Netzbetrieb verwendet. Anhand von Messungen an Prototypen wurden die Vorausberechnungen der Betriebskennlinien der Entwurfvorschläge kontrolliert, und es ergaben sich sehr gute Übereinstimmungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Realisierbarkeit eines Motorentwurfs gemäß den geforderten Vorgaben und im Rahmen der gewünschten Randbedingungen fraglich ist. Zur Reduktion der parasitären Oberwelleneffekte wie z. B. der Zusatzverluste und der Oberwellenmomente wurde eine mehrphasige Wicklung in Stern-Polygon-Mischschaltung untersucht. Durch Reihenschaltung aus einer äußeren Stern- und einer inneren Dreieckverschaltung der Spulen mit unterschiedlichen Strangwindungszahlen Ns entsteht hierbei eine Wicklung, durch die die Durchflutungsverteilung einer 6-phasigen Wicklung mit um 30°el versetzten Stromzeigern angenähert wird. Der Vergleich eines Serienmotors der Achshöhe 180 mm (AH180 mit PN = 15 kW) mit einem Prototypen PT180 gleicher Baugröße und Blechpaketdaten mit einer mehrphasigen Wicklung in Stern-Polygon-Mischschaltung, ergibt eine Steigerung des Wirkungsgrades des Motors PT180 im Vergleich zum Motor AH180 um ca. 1 % bei gleichzeitiger Reduktion der Oberwellenmomente und der Geräuschabstrahlung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The energy situation at the end of the 20th century forces mankind to use their energy resources more efficiently. Furthermore a worldwide rethinking about the ecological policy intensifies the discussion on the energy situation and leads (especially in Germany) to a stronger use of renewable energy sources. This increases the costs for electric energy. Therefore the German government decided to develop concepts to reduce the energy consumption, which was summarized in the energy concept in the year 2010. In the area of drive technology, this results in new and tighter efficiency classes (e.g. IE3 and IE4, IE5 under consideration), in which the machines are classified. Motors that have a big amount of losses and therefore a low efficiency (< IE2) should vanish stepwise from the market. Due to the lower robustness and the strongly increasing price of rare earth magnet materials permanent-magnet synchronous machines are at the moment no economical alternative for industrial applications, although the efficiency is higher compared to induction machines. For the design of high efficient squirrel cage induction machines very precise calculation models are necessary. In this thesis, models for the electro-magnetic design of squirrel cage induction machines, which take into account the influence of double-sided slotting, the production process and iron satura-tion on the machine performance are introduced. The focus is on the power balance of the motors for different load points. Especially the prediction of the additional losses Pzus is a challenging task and is therefore regarded more in detail. With investigations on three 4-pole machines with the frame sizes of 80 mm, 100 mm and 160 mm (machine data in Appendix A) and rated output power values of PN = 750 W, 2200 W and 9200 W the calculation models are tested, optimised and validated with the help of FEM-calculations (FLUX2D, ANSYS) and measurement results. The results proof that the introduced models for the calculation of the electro-magnetic parameters, as well as the thermal and the acoustic behavior, deliver satisfying and reliable results. The gained experiences are used to improve the calculation program KLASYS, that was developed at the Institute for Electrical Energy Conversion. The calculation models were used to redesign a production line with frame size 160 mm with motors of different output power values and efficiency classes to reach improved efficiency of the motors. The predictive calculations of the redesigned motors were checked with measurement results of prototype motors and show very good accordance. The results of this thesis suggest that the desired machine performance, which considers all proposed boundary conditions, cannot be reached. To reduce parasitic harmonic effects as e.g. additional losses or harmonic torques a star-polygon poly-phase winding for an induction machine was investigated. Due to the series connection of a outer star and inner delta connection of the stator coils with different number of turns, the ampere turns of a six phase winding with 30°el phase shifted currents is approximated. The comparison of a series motor with frame size 180 mm (AH180 with PN = 15 kW) with a prototype motor PT180 of the same total machine volume and the same iron stack geometry, but equipped with a star-polygon poly-phase winding, shows an increase of efficiency for motor P180, compared to motor AH180, by ca. 1 % and at the same time a reduction of harmonic torques and acoustic noise emission. English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: ULB Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Asynchronmaschine Wirkungsgrad Zusatzverluste Geräuschabstrahlung Thermisches Ersatzschaltbild Stern-Polygon-Mischschaltung Ummagnetisierungsverluste Kurzschlusskäfig
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
induction machine English
efficiency English
additional lossesEnglish
noise emissionEnglish
stray load lossesEnglish
star-polygon poly-phase windingEnglish
thermal modelEnglish
iron lossesEnglish
squirrel cageEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion > Electrical Energy Conversion
Date Deposited: 17 Jun 2013 11:59
Last Modified: 17 Jun 2013 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-34519
Referees: Binder, Prof. Dr.- Andreas and Bolte, Prof. Dr.- Ekkehard
Refereed: 27 August 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3451
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