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Projekt
FOR 575: Höherfrequente Parasitäreffekte in umrichtergespeisten elektrischen Antrieben
Fachliche Zuordnung
Informatik, System- und Elektrotechnik
Förderung
Förderung von 2005 bis 2008
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5471635
Umrichtergespeiste Antriebe werden mit IGBT-Umrichtern (IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor) ausgerüstet, die mit Sperrspannungen 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 Spannungserhöhung in der Maschine verursacht. Weiter bedingen die hochfrequenten Nullspannungen zusätzliche parasitäre hochfrequente Ströme zum Beispiel in den Lagern, die zu deren Ausfall führen. Die zusätzliche Spannungsbeanspruchung der Wicklung hat dazu geführt, dass selbst Niederspannungswicklungen für Umrichterspeisung besonders isoliert werden müssen. Das Vordringen des IGBT zu immer höheren Spannungsebenen bedingt ein Fortschreiten dieser Problematik in den Mittelspannungsbereich. Als Abhilfe sind Filter am Umrichterausgang, Motorfilter am Motoreingang, spezielle Wicklungstopologien zum Schutz der ersten Spule im Motor und die Entwicklung höherwertiger Isolierstoffe auch für Nieder- und Mittelspannungsmaschinen bekannt.
Mit sechs Teilprojekten werden folgende Ziele verfolgt:
-- Vorausberechnung von hochfrequenten Ableitströmen zwischen Wicklung und Gehäuse von Induktions- und PM-Synchron-AC-Maschinen, in den Lagern (Lagerströme) und innerhalb der Motorteile.
-- Vergleichende Vorausberechnung von umrichterbedingten Zusatzverlusten in den drei elektrischen AC-Maschinentypen: Asynchron-, Permanentmagnet-Synchron, Switched-Reluctance bei IGBT-Umrichterspeisung mit numerischer Feldberechnung.
-- Entwicklung von geeigneten numerischen Modellen für die Hochfeldbeanspruchung in ausgewählten Komponenten des Antriebssystems, nämlich in Schmierfilmen von Wälzlagern (Lagerstromproblematik), Leistungsmodulen und Varistoren zur Überspannungsbegrenzung.
-- Entwicklung von numerischen Modellen zur Berechnung von Wanderwellenphänomenen im System Umrichter-Motorkabel-Motor, aufbauend auf vor allem experimentellen Erkenntnissen der letzten Jahre aus der Industrie und industrienahen Forschung.
-- Erprobung und Dimensionierung von Varistoren für die Spannungsbegrenzung durch Wanderwellenreflexionen in Umrichterantrieben, wobei die große Herausforderung die enorme Häufigkeit der (zwar geringen) Energieabsorption im kHz-Bereich ist, was für Varistoren absolutes Neuland darstellt.
-- Gezielte Beeinflussung der Spannungsflanken am Umrichterausgang durch das Schaltverhalten der Leistungsschalter selbst, was durch spezielle Treiberschaltungen ermöglicht werden soll.
Mit sechs Teilprojekten werden folgende Ziele verfolgt:
-- Vorausberechnung von hochfrequenten Ableitströmen zwischen Wicklung und Gehäuse von Induktions- und PM-Synchron-AC-Maschinen, in den Lagern (Lagerströme) und innerhalb der Motorteile.
-- Vergleichende Vorausberechnung von umrichterbedingten Zusatzverlusten in den drei elektrischen AC-Maschinentypen: Asynchron-, Permanentmagnet-Synchron, Switched-Reluctance bei IGBT-Umrichterspeisung mit numerischer Feldberechnung.
-- Entwicklung von geeigneten numerischen Modellen für die Hochfeldbeanspruchung in ausgewählten Komponenten des Antriebssystems, nämlich in Schmierfilmen von Wälzlagern (Lagerstromproblematik), Leistungsmodulen und Varistoren zur Überspannungsbegrenzung.
-- Entwicklung von numerischen Modellen zur Berechnung von Wanderwellenphänomenen im System Umrichter-Motorkabel-Motor, aufbauend auf vor allem experimentellen Erkenntnissen der letzten Jahre aus der Industrie und industrienahen Forschung.
-- Erprobung und Dimensionierung von Varistoren für die Spannungsbegrenzung durch Wanderwellenreflexionen in Umrichterantrieben, wobei die große Herausforderung die enorme Häufigkeit der (zwar geringen) Energieabsorption im kHz-Bereich ist, was für Varistoren absolutes Neuland darstellt.
-- Gezielte Beeinflussung der Spannungsflanken am Umrichterausgang durch das Schaltverhalten der Leistungsschalter selbst, was durch spezielle Treiberschaltungen ermöglicht werden soll.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
Projekte
- Einsatz von Mikrovaristor-Füllstoffen in der Isolation umrichtergespeister Antriebe (Antragsteller Hinrichsen, Volker )
- Erweiterte Transmission-Line Modelle für elektrische Antriebe mit Multi-Rate Zeitintegration (Antragsteller Gjonaj, Erion )
- Feld-Netzwerk gekoppelte Simulation mittelfrequenter Phänomene in umrichtergespeisten Antrieben (Antragsteller De Gersem, Herbert )
- Höherfrequente Parasitäreffekte in Antrieben mit unkonventionellen Umrichtern (Antragsteller Mutschler, Peter )
- Lagerimpedanz und Lagerschädigung bei Stromdurchgang in umrichtergespreisten elektrischen Maschinen (Antragsteller Binder, Andreas )
- Motorfreundlicher hocheffizienter Antriebswechselrichter (Antragsteller Mutschler, Peter )
- Multiskalen-Modelle für Wicklungen mit heterogenen Materialverteilungen unter Berücksichtigung von kapazitiven Effekten (Antragsteller Weiland, Thomas )
- Vergleichende Untersuchung von Verlusten in umrichtergespeisten Maschinen durch höherfrequente Stromanteile in Zeitschrittverfahren (Antragsteller Binder, Andreas )
Sprecher
Professor Dr.-Ing. Andreas Binder
