TP5-Mutschler

TP 5

Wechselwirkung zwischen Schaltverhalten und Steuerung der Leistungstransistoren mit HF-Strömen und Spannungen in Antrieben am Spannungszwischenkreis Wechselrichter

Betreuer Prof. Dr.-Ing. P. Mutschler

Bearbeiter Dipl.-Ing. C. Purcarea

Prof. Dr.-Ing. P. Mutschler
Prof. Dr.-Ing. P. Mutschler

Dipl.-Ing. C. Purcarea
Dipl.-Ing. C. Purcarea

Beim optimierten Schalten heutiger IGBT's sind Spannungsgradienten um 10kV/µs möglich. Damit können Umrichter realisiert werden, die trotz hoher Schaltfrequenz akzeptable Schaltverluste aufweisen. Dies ist führt zu besseren Stromkurvenformen, kleineren Energiespeichern (Filter), kleinerem Volumen usw.. Neben diesen wünschenswerten Eigenschaften entstehen aber zahlreiche Probleme mit hochfrequenten Strömen und Spannungen. Einige davon betreffen die Maschine wie die nichtlineare Spannungsaufteilung an den Wicklungen, die Überspannungen, die Hf-Gleichtaktströme und ggf. Lagerströme. Zahlreiche Parameter wie Leitungslänge, Spannungssteilheit, Reflexionsfaktoren, Leitungsdämpfung, Pulsmuster usw. beeinflussen die Höhe der auftretenden Überspannung.

Die Hf-Ströme verursachen nicht nur Zusatzverluste in der Maschine, sonder sie wirken auch auf den Umrichter zurück und verursachen dort neben Verlusten auch EMV-Probleme insbesonde bei der dort befindlichen Elektronik für Regelung, Steuerung und Schutz.

Die für die elektromagnetische Verträglichkeit problematischen Gleichtaktströme aller Komponenten wachsen bekanntlich mit wachsender Steilheit der Schaltflanken.

Auf Seiten der digitalen Elektronik, die zur Realisierung von Steuerung, Regelung und Schutz eingesetzt wird, ist der Trend zu höheren Taktfrequenzen, d.h. zu höherer Rechenleistung gekoppelt an eine Absenkung der Signalpegel. Derzeit sind viele Bauelemente nur noch mit 3,3V Versorgungsspannung erhältlich, eine weitere Absenkung ist zu erwarten. Beides auf engstem Raum zusammen, also schnellschaltende IGBTs im Leistungsteil und niedrige Signalpegel in der unmittelbar benachbarten Elektronik führt zu einer weiteren Verschärfung der umrichterinternen EMV-Probleme.

Wie im übernächsten Abschnitt noch detaillierter ausgeführt, zählt eine gesamthafte Vorausberechnung der Hf-Phänomene von der Quelle, also vom Zeitverhalten der Treiberschaltungen der IGBTs über die Leistungsmodule mit ihren parasitären Effekten und den durch die konstruktive Gestaltung des Umrichters bedingten parasitären Elementen über das Kabel bis hin zum Motor, bislang noch nicht zum Stand der Forschung. Wesentlich für eine solche Vorausberechnung ist die Erstellung geeigneter Simulations-Modelle, die bei akzeptabler Rechenzeit die relevanten Erscheinungen nachbilden. Ob die dazu notwendigerweise vereinfachten Modelle tatsächlich die in Realität beobachteten Erscheinungen angemessen nachbilden, muss an ausgewählten Beispielen durch Messungen an Versuchsaufbauten gezeigt werden; gegebenenfalls ist daraufhin die Modellierungsgenauigkeit anzupassen.

Das vorliegende Teilprojekt konzentriert sich auf den heute überwiegend verwendeten Umrichter mit eingeprägter Zwischenkreis-Gleichspannung (Zwei-Stufen U-Umrichter). Zu Teilgebieten hierzu existieren auch einige Arbeiten in der Literatur . Im vorliegenden Teilprojekt sollen zunächst Modelle für die in Bild 3.5.1 dargestellten Komponenten entwickelt werden. Im Rahmen der Forschergruppe wird eine enge Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten bezüglich der Hf-Modellierung von Kabel und Asynchronmaschine stattfinden. Vertiefend widmet sich das vorliegende Teilprojekt der Modellbildung des U-Umrichters selbst sowie der Untersuchung von Maßnahmen zur Reduktion von Überspannungen und Gleichtaktstörungen.

Übersicht des Antriebssystems
Übersicht des Antriebssystems

Stand der Arbeit