FOR 575: Parasitic Effects at Elevated Frequency in Inverter-fed Drive Systems
Final Report Abstract
Die Forschungsschwerpunkte der ersten Phase umfassten die Erstellung frequenzabhängiger Systemmodelle für Spannungszwischenkreisumrichter, Motorkabel und E-Motor, vor allem der Käfigläufer-Asynchronmaschine, den Einsatz von Varistoren zur Schaltspannungsbegrenzung, den Einfluss des Schaltverhaltens der Transistoren auf die Schaltspannungen an den Maschinenklemmen und die Untersuchung der HF-Ableitströme in der Motorwicklung und die HF-Lagerströme. Mit dem Systemmodell, bestehend aus dem Kabel- und dem Motormodell, wurde für die Vorausberechnung die Spannungsverteilung bei jeder sprungförmigen Schalthandlung des Umrichters an den Maschinenklemmen und in der E-Maschinenwicklung sowie die Berechnung der HF-Ableitströme annäherungsweise angegeben. Die frequenzabhängigen Einzelmodelle wurden für das Motorzuleitungskabel und die Statorwicklung der Maschine für den typischen Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz, in dem die parasitären Ableitströme in der Maschine auftreten, entwickelt, um Skin- und Proximity-Effekte in den Leitern zu berücksichtigen. Es eignen sich hierfür kaskadierte RLC-Ersatzschaltbild-Modelle. Die dafür nötigen Ersatzschaltbild-Parameter wurden sowohl über Messung als auch Berechnung Erhalten. Ein 3D-Gesamtmodell zur Modellierung dieser höherfrequenten Effekte in der Maschinenwicklung konnte nicht erstellt werden, da die Skalierung von der sehr kleinen Eindringtiefe der Wirbelströme in die 0,5 mm dicken Bleche einerseits und den großen Motor- und Kabelabmessungen im Meterbereich andererseits numerisch aufwendig ist. Der Einsatz von Varistoren zur Begrenzung der umrichterbedingten Überspannungen an der Maschinenwicklung wurde erfolgreich erprobt und eine beschleunigte Alterungsprüfung zur Dimensionierung dieser mit Schaltfrequenz beanspruchten Varistoren entwickelt. Es wurde daraus die Idee entwickelt, halbleitende Isolierstoffe zur Spannungsvergleichmäßigung unmittelbar in der Wicklungsisolation einzusetzen. Allerdings sind dafür geeignete Werkstoffe noch in der Entwicklungsphase. Weiterhin wurde die Modellierung von IGBT-Modulen mit parasitären Ersatzschaltbildparametern aus der Modulgeometrie durchgeführt. Das Schaltverhalten des Umrichters wurde mit diversen vereinfachten Modellen nachgebildet und mit Messungen an einem speziell präparierten Umrichter validiert. Die Spannungsüberhöhung an den Maschinenklemmen kann sowohl durch Erhöhung des Gate-Widerstands der Schalttransistoren als auch durch aktive Gate-Ansteuerung reduziert werden. Beide Varianten sind jedoch wegen der dann zu großen Verluste in den Schaltelementen nicht praktikabel. Die Spannungsbelastung an den Motorklemmen durch Reflexion kann aber durch Einprägen von zwei unterschiedlich langen Spannungsimpulsen reduziert werden. Diese sind jedoch von der angeschlossenen Kabellänge abhängig, so dass das Verfahren ebenfalls nicht praxisgerecht ist. Die erstellten Modelle wurden zur Auslegung geeigneter Gleichtaktfilter verwendet. Für die Vorausbestimmung hochfrequenter Lagerströme infolge der Umrichtergleichtaktspannung wurde mit 2D- und 3D-Modellen des mechanischen Wälzlagers dessen Kapazität größenabhängig zu einigen hundert Picofarad berechnet. Dabei ist die Lagerkapazität von der Rotordrehzahl, den axialen und radialen Lagerkräften, der Lagertemperatur, der Oberflächenrauheit der Lagerlaufspuren sowie von den mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Schmierfetts abhängig. Die Berechnung von Zusatzverlusten durch Wirbelströme in Permanentmagneten sowie vereinzelt durch die zeitharmonischen Oberschwingungen der Statorströme wurde mit 2D und 3D-Finiten-Element-Modellen durchgeführt. Analytische Ersatzmodelle mit bestimmten Vereinfachungen wurden für axiale und radiale Unterteilung von Oberflächenmagneten gefunden und mit 3D-Finite-Element-Modellen validiert. In der zweiten Phase wurde erstens die messtechnische Ermittlung der HF-Ableitströme und ihre Vorausberechnung, sodann die Auswirkung der HF-Lagerströme in Dauerversuchen und die Wirkung von mit Mikrovaristor-gefüllten Isolationsmaterialien, untersucht. Weiter wurde ein Ansatz zur Umgehung des Skalierungsproblems der 3D-HF-Motormodelle gesucht und gefunden, und schließlich die Auswirkung des Schaltverhaltens der IGBTs im Umrichter auf den Spannungsverlauf an den Motorklemmen theoretisch und experimentell weiter verfolgt. Im Einzelnen wurden im Anschluss an die Grundsatzuntersuchungen zu umrichterbedingten Lagerströmen der 1. Phase nun umfangreiche Dauerversuche bei unterschiedlichen Testparametern bei drei unterschiedlichen Leistungsklassen 4-poliger Käfigläufer-Asynchronmaschinen (1,5 kW, 11 kW, 110 kW) durchgeführt. Für jede dieser Maschinen wurden Kettenleiterersatzschaltbilder der Wicklung erstellt und der zeitliche Kurvenverlauf der Ableitströme mit guter Übereinstimmung zur Messung nachgerechnet. Allerdings sind dafür die Ersatzschaltbildparameter nur messtechnisch mit ausreichender Genauigkeit ermittelbar, so dass eine Vorausberechnung der Zeitkurven der Ableitströme auf ausschließlicher Basis der Geometrieparameter deutlich ungenauer ist. Für die Lagergröße 6205 C3 der 1,5 kW-Asynchronmotoren führen „scheinbare“ Lagerstromdichten (Lagerstromamplitude je Hertz’scher Kontaktfläche) über 0,8 A/mm² zu einer erheblichen Reduzierung der Lagerlebensdauer. Für "scheinbare" Lagerstromdichten kleiner als 0,3 A/mm2 traten keine Lagerschäden für den betrachteten Versuchszeitraum von 500 Betriebsstunden auf. Dieses Ergebnis wurde bei den Lagergrößen 6209 C3 und 6316 C3 bestätigt. Weiter wurde ein Lagerimpedanzmodell für Rillenkugellager mit mineralölbasierten Schmierstoffen entwickelt und messtechnisch an einem synthetischen Prüfstand verifiziert. Das Problem der Skalierung kleinster Eindringtiefen in den Motorblechen und der deutlich größeren Motor- und Wicklungsabmessungen wurde folgendermaßen untersucht: Es wurden die Wirbelströme im magnetisch nichtlinearen geblechten Eisen mit 3D-Simulationen für einen 240 kW-Asynchronmotor im Frequenzbereich von 10 Hz bis 1 MHz berechnet, und dann – berechnet mit dem Homogenisierungsansatz eines ungeblechten Materials mit komplexer Permeabilität - verglichen. Die Differenz zwischen den beiden Methoden zeigte im Frequenzbereich bis zu 1 kHz einen Fehler kleiner 1 %, für größere Frequenzen ist das Modell wegen zu großer Abweichung größer 10 % nicht geeignet. Die in der ersten Phase untersuchten Mikrovaristoren wurden numerisch modelliert, um Gestaltungsregeln für die schaltfrequent beanspruchten Varistoren zu erhalten. Die Nichtlinearität der Mikrovaristoren konnte durch die von der elektrischen Feldstärke abhängigen Permittivität und der elektrischen Leitfähigkeit im Modell abgebildet werden. An einem 7,5 kW-Asynchronmotor mit angezapfter Drehfeldwicklung wurden die sich einstellenden Spannungsverteilungen gemessen und damit die berechneten Verteilungen mit ausreichender Übereinstimmung überprüft. Durch das entwickelte Simulationsmodell können die Spannungsverteilung in der Maschine sowie die dielektrischen Verluste in der Maschinenisolation berechnet werden. Die untersuchten Mikrovaristoren reduzierten dafür die Überspannungsamplituden um maximal 36 % bei maximal 18 W Verlusten in den Varistoren. Es konnten aber keine Mikrovaristor-gefüllten Isoliermaterialien, die diese an den Klemmen angebrachten Varistoren ersetzen sollten, mit reproduzierbarer Qualität gefertigt und erprobt werden. Bei dem zur Verfügung stehenden speisenden Spannungszwischenkreisumrichter wurde durch Simulation und Messung gezeigt, dass ein weiches Schalten des Wechselrichters eine brauchbare Alternative zum hart schaltenden Wechselrichter mit Sinusfilter betreffend der Überspannungen in den verketteten Spannungen ist. Eine Beeinflussung der Gleichtaktspannung, die die HF-Ableitströme und Lagerströme hervorruft, ist damit jedoch nur bedingt möglich.
Publications
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