Bei der Entwicklung eines Elektromotor-Antriebssystems gibt es, unabhängig von der Anwendung, drei Elemente:
Häufig bestehen diese Elemente aus einer Batterie, die als Gleichstrombus fungiert, einem Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, und einem Motor, der den Wechselstrom nutzt, um elektrische Energie in mechanische Leistung umzuwandeln. Dies wird manchmal auch als elektromechanische Energieumwandlung bezeichnet.
In diesem Artikel erklärt Mitchell Marks die Grundlagen und Anforderungen für die Prüfung von elektrischen Wechselrichtern und Maschinen. Was er an dieser Anwendung mag:
"Motoren haben die industrielle Welt 100 Jahre lang beherrscht, ohne dass man sie kontrollieren konnte, weil sie sauber und zuverlässig waren, man musste sie nur einstecken und sie liefen. Jetzt, da wir die Möglichkeit haben, sie zu kontrollieren, werden sie überall eingebaut, vom Handy bis zum U-Boot. Bei so vielen Anwendungen wird die Arbeit nie enden und kein Tag wird jemals derselbe sein."
Die Geschichte der Mathematik zur Steuerung und zum Verständnis der Induktionsmaschine hat etwa 50 Jahre gedauert, bis die Menschen sie gelöst hatten. Es ist erstaunlich, dass wir die Maschine schon 50 Jahre vorher benutzt haben, bevor wir sie verstehen konnten!
Letzten Endes haben die meisten Anwendungen Größen- und Kostenbeschränkungen, die viele der Variablen bestimmen, bevor die Motorentwicklung überhaupt beginnt.Wir haben also die Wahl der Topologie und der kleinen Details, je nachdem, welches Kontrollschema die Gruppen verwenden möchten. Auch bei der Kühlung und der Art, wie die Motoren gewickelt werden, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die wichtigsten Motortypen sind Induktionsmotoren, Permanentmagnetmotoren, Wickelmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren. Induktionsmotoren sind am einfachsten zu steuern, wir verstehen sie am besten, sie sind ein absolutes Arbeitspferd der Industrie, aber ihr Nachteil ist, dass das Feld erregt werden muss, was zu Verlusten führt. Permanentmagnetmotoren (PM-Motoren) werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen der Wirkungsgrad wichtig ist und die Größe eine Einschränkung darstellt, da sie eine höhere Leistungsdichte aufweisen, weil der Magnet das Rotorfeld liefert, anstatt die Verluste im Rotor zu haben. Diese PM-Motoren erfordern einen Wechselrichter und viel Kühlung und Sorgfalt beim Betrieb in verschiedenen Modi. Sie haben auch den Nachteil, dass sie das konstante Leistungs-Geschwindigkeits-Verhältnis CPSR nicht erreichen, weil das Feld nicht so leicht geschwächt werden kann. Die Feldschwächung ist eine Methode zur Reduzierung des Magnetfelds des Rotors, um die Geschwindigkeit einer Maschine zu erhöhen. Wir können das Feld in der Induktions- oder PM-Maschine schwächen, indem wir q-Achsenstrom einspeisen. Der Bedarf an kontrollierten Mengen des Stroms der q-Achse (zur Steuerung des Drehmoments) oder der d-Achse (zur Steuerung des Rotorfelds) für die FOC ist ein Grund, warum viele Gruppen daran interessiert sind, ihre dq0-Plots in Echtzeit zu überwachen. Bei einer PM-Maschine müssen mehr Überlegungen angestellt werden, da die Magnete während der Feldabschwächung entmagnetisiert werden können und die Gegen-EMK möglicherweise überwacht werden muss. Synchron-Reluktanz-Motoren (SR-Motoren) haben einen sehr einfachen Rotor, der einfach aus einem Blech mit einem bestimmten Muster besteht. Diese Motoren nutzen die Eigenschaft des Reluktanzmoments, um eine Rotationsbewegung zu erzeugen. Diese Motoren sind aufgrund ihrer einfachen Konstruktion für eine Vielzahl von Anwendungen sehr nützlich, haben aber den Nachteil, dass sie viel Lärm und Vibrationen erzeugen. Aus diesem Grund wurden sie nur in bestimmten Szenarien verwendet. Bei der Prüfung dieser Maschinen sind die Forscher vor allem daran interessiert, eine Schwingungskarte zu erhalten, die zeigt, welche Drehmoment- und Geschwindigkeitsschwingungen am stärksten sind.
Je kühler der Motor ist, desto geringer sind die Verluste; je geringer die Verluste, desto höher ist der Wirkungsgrad.Außerdem können Magnete, wenn sie zu heiß werden, in bestimmten Bereichen entmagnetisiert werden, was sehr schlecht sein kann. Daher ist es sehr wichtig, die Wicklungen und Schalter kühl zu halten. Schalter haben höhere Verluste und können auch explodieren, wenn sie zu heiß werden. Forscher verbringen viel Zeit mit der Erforschung von Kühlstrategien, um ihre Maschinen effizienter zu machen. Bei Kühlsystemen wird oft Wasser, Öl oder Glykol gepumpt und auf die Bereiche gesprüht, die Wärme abführen sollen. Die Beanspruchung der Kühlmaschinen hat die Überwachung der Motortemperatur zu einem wichtigen Bestandteil des Betriebs und der Tests gemacht. Ein Test verfügt über Thermoelemente zur Überwachung der Temperaturen, die protokolliert oder zur Abschaltung an ein Kontrollsystem gesendet werden. Die Synchronisierung dieser protokollierten Werte mit den Daten wäre für die Forscher von Interesse, um zu wissen, wann und wo Temperaturänderungen als Reaktion auf ihre Kontrollen stattgefunden haben. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Daten zur Modellvalidierung verwendet werden können.
Der beste Weg, um viele der oben genannten Themen abzudecken, ist das Effizienzmapping und der Test auf dem Prüfstand oder Dynamometer. Jeder möchte die Effizienz seiner Systeme steigern. Es ist wichtig, die Rohdaten zu haben, denn wenn etwas schief geht, können Sie auf frühere Tests verweisen und auch eine gründliche Analyse in einem Nachbearbeitungsprogramm wie nCode GlyphWorks oder MATLAB durchführen. Darüber hinaus ist dies für dynamische Tests von größter Bedeutung, denn wenn Sie dynamische Belastungen oder Fahrzyklen testen, können Sie ohne die Rohdaten seltsame, ungenaue Wirkungsgrade erzielen.
Wenn sie mit dem Testen beginnen, haben sie eine bestimmte Zwischenkreisspannung, gefolgt von einer bestimmten Geschwindigkeit.
Sie werden die Maschine dann mit einem bestimmten Drehmoment belasten. Sie werden dies für alle gewünschten Drehmomente und Drehzahlen tun, die im Bereich der Maschine verfügbar sind. Auf diese Weise erhalten Sie die Wirkungsgrade für alle gewünschten Sollwerte, und Sie erhalten eine Wirkungsgradkarte. Diese Punkte werden in einem bestimmten Temperaturbereich gemessen. Manchmal müssen Sie warten, bis das Gerät abgekühlt ist, um eine Messung an einem bestimmten Punkt vorzunehmen. Hier kann von HB M den Kunden viel Zeit ersparen, da die Prüfpunkte in einer Reihe von Zyklen statt in einer Reihe von Sekunden gemessen werden und die Maschine dadurch weniger Zeit zum Aufheizen benötigt.
Oftmals testen die Leute die Grenzen der Maschine aus und sprengen sie in die Luft - oder versuchen es zumindest. Sie werden versuchen, die maximale Geschwindigkeit zu erreichen, um die mechanischen Grenzen ihrer Maschine zu kennen. Die Möglichkeit, Trigger auszulösen und einen Datenpuffer zu haben, wird es den Forschern ermöglichen, nicht nur zu verstehen, wo ihr Gerät ausgefallen ist, sondern auch wie es ausgefallen ist.
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