Projekt 575

DFG Forschergruppe FOR 575

Höherfrequente Parasitäreffekte in umrichtergespeisten elektrischen Antrieben

Hintergrund

  • Moderne umrichtergespeiste Antriebe werden mit rasch schaltenden IGBT-Umrichtern (IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor) ausgerüstet, die mittlerweile mit Sperrspanungen bis ca. 6 kV verfügbar sind.
  • Das rasche Schalten innerhalb weniger Nanosekunden von Null auf volle Zwischenkreisspannung löst einen Wanderwellenvorgang zwischen Umrichter und Maschine aus, der auf Grund der Reflexionen an den Motorklemmen eine deutliche Spannungserhöhung in der Maschine mit sich bringt.
  • Zusätzlich bedingen die hochfrequenten Nullspannungen zusätzliche parsitäre hochfrequente Ströme in den Maschinen, z. B. Lagerströme, die die Lager binnen kurzer Zeit ausfallen lassen.
  • Die zusätzliche Spannungsbeanspruchung der Wicklung hat dazu geführt, dass selbst Niederspannungswicklungen für Umrichterspeisung besonders isoliert werden müssen.
  • Als Abhilfe sind Filter am Umrichterausgang, Motorfilter (am Motoreingang), spezielle Wicklungstopologien zum Schutz der ersten Spule im Motor (wegen der nichtlinearen Verteilung der Spannung in der Wicklung) und die Entwicklung höherwertiger Isolierstoffe auch für Nieder- und Mittelspannungsmaschinen bekannt.

Höherfrequente Parasitäreffekte in umrichtergespeisten elektrischen Antrieben
Höherfrequente Parasitäreffekte in umrichtergespeisten elektrischen Antrieben

Verfolgte Ziele

  • Berechnungsmethoden für HF-Ströme: Ableitströme, Lagerströme
  • Vergleichende Bestimmung von Zusatzverlusten für AC-Maschinen (Asynchron-, Permanentmagnet-Synchron-, Geschaltete Reluktanzmaschinen)
  • Numerische Berechnungsmethodik für Hochfeldbeanspruchung in: Motorlagern, IGBT-Leistungsschaltern, Varistoren
  • Numerisches Systemmodell für Wanderwellen: auf Motorkabeln, in der Maschine, bei geeigneter Umrichtermodellierung
  • Bemessung und experimentelle Erprobung von Varistoren für extrem häufiges Ansprechen (= pulsfrequentes Ansprechen)
  • Überspannungen / Gleichtaktströme bei unterschiedlichen Umrichtertopologien (Resonant DC link, Drei-Punkt-Wechselrichter, Matrixumrichter)
  • Verringerung der Gleichtaktspannung durch optimierte Steuerprofile der Treiberschaltungen &Pulsmuster, Filtereinsatz

Übersicht der Teilprojekte

Betreuer: Titel:
TP1-Binder
Berechnung parasitärer hochfrequenter Stromverteilungen in elektrischen Maschinen bei Umrichterspeisung
TP2-Binder
Vergleichende Untersuchung von Verlusten in umrichtergespeisten Maschinen durch höherfrequente Stromanteile mit Zeitschrittverfahren
TP3-DeGersem
Simulation von Wellenausbreitungsphänomenen in umrichtergespeisten Antrieben
TP4-Hinrichsen
Dimensionierung, Alterungsverhalten und Energieaufnahmevermögen von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz von umrichtergespeisten Antrieben
TP5-Mutschler
Wechselwirkung zwischen Schaltverhalten und Steuerung der Leistungstransistoren mit HF-Strömen und Spannungen in Antrieben am Spannungszwischenkreis Wechselrichter
TP6-Weiland
Multiskalenmodellierung und Parameterextraktion in der Simulation umrichtergespeister Antriebe