Untersuchung von Gleichtaktschwingungen in elektrischen Antriebssystemen

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Beim Einsatz mehrachsiger rückspeisefähiger Umrichtersysteme mit gemeinsamen Zwischenkreis entsteht durch die Induktivität der Hochsetzstellerdrossel und Kapazitäten gegen Erde, die vorwiegend in den geschirmten Motorzuleitungen zu finden sind, ein parasitärer Schwingkreis im Gleichtaktsystem, wobei die Resonanzfrequenz dabei durch die Induktivität und die Summe der parasitären Kapazitäten und die Dämpfung durch die Kernverluste in der Hochsetzstellerdrossel bestimmt sind. Angeregt wird dieser Schwingkreis durch Schaltvorgänge in der Ein- und Rückspeiseeinheit (Active Front End) und den Wechselrichtern. Bei großen Summenkabellängen, und damit großen parasitären Kapazitäten, kann die Resonanzfrequenz so geringe Werte annehmen, dass diese im Bereich der Taktfrequenzen der Ein- und Rückspeiseeinheit und der Wechselrichter bzw. deren Harmonischen liegt. In diesem Frequenzbereich besitzt die Hochsetzstellerdrossel eine vergleichsweise geringe Dämpfung. Dadurch können erhöhte Spannungen an den Klemmen der Motoren auftreten, die zu einer erhöhten Beanspruchung und längerfristig zum Ausfall der Isolation führen, wenn die Teilentladungseinsetzspannung überschritten wird. Durch den internen Aufbau aus Induktivitäten und parasitären Kapazitäten gegen das geerdete Ständerblechpaket besitzen auch die Motoren parasitäre Schwingkreise im Gleichtaktsystem. Speziell bei Torque- und Linearmotoren, die mit konzentrierten Wicklungen gefertigt sind (sog. Zahnspulentechnik), kann die Resonanzfrequenz dieser Schwingkreise ebenfalls so niedrig sein, dass sie im Bereich der Schaltfrequenzen und der Resonanzfrequenzen des Umrichtersystems liegt. Eine geringe Dämpfung in den Motoren führt dann dazu, dass sich die an den Klemmen auftretenden Spannungen gegen Erde zum Sternpunkt hin noch weiter verstärken, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit von Teilentladungen in der Isolierung der Motoren noch weiter erhöht.

Für eine umfassende Analyse dieser Problematik wurden die einzelnen Komponenten eines beispielhaften Umrichtersystems genau untersucht und Modelle für eine darauf folgende Systemanalyse ermittelt. Aus den Modellen wurde ein Gesamtmodell für das Gleichtaktsystem erstellt, mit dessen Hilfe das Systemverhalten im Frequenzbereich berechnet wurde.

Die analysierten Gleichtaktschwingkreise werden durch die Schalthandlungen in der Ein- und Rückspeiseeinheit und in den Wechselrichtereinheiten angeregt. Auf Grund der Anregungen ergeben sich im System Schwingungen, die zu erhöhten Spannungen an den Klemmen der Motoren führen, welche sich bei der Verwendung von Torquemotoren zum Sternpunkt hin noch zusätzlich verstärken. Weitere Folgen der Schwingungen sind erhöhte Gleichtaktströme und Gleichtaktverluste. Prinzipielle Untersuchungen des Schwingungsverhaltens zeigen die Abhängigkeiten dieser Größen von den Systemparametern. Um die tatsächlich auftretenden Werte zu ermitteln, wurden umfangreiche Simulationen im Zeitbereich durchgeführt und die maximal auftretenden Spannungen an der Hauptisolation der Motoren, die Mittelwerte der Verluste und die Effektivwerte der Ströme ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass vor allem bei Systemkonfigurationen, in denen Oberschwingungen der anregenden Spannung auf die Resonanzfrequenz des System treffen, wesentlich erhöhte Spannungen an der Hauptisolation der Motoren auftreten. Diese Spannungen liegen bei vielen Antriebskonfigurationen mit den untersuchten Torquemotoren so hoch, dass die Teilentladungseinsetzspannung wesentlich überschritten wird, und damit die Isolation geschädigt würde. Auch bei Systemen ohne Torquemotor treten in etwas geringerem Maße Überschreitungen der Teilentladungseinsetzspannung auf. Vor allem auch im Bereich der Anregung durch die Harmonischen nehmen die Ströme und Verluste sehr hohe Werte an, wodurch die Strombelastung der Leistungshalbleiter erhöht und, im Falle der Verluste, der Wirkungsgrad des Antriebssystems verringert wird.

Um die gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse zu verifizieren, wurden Messungen an realen Antriebsystemen unternommen, die einem Teil der durch Simulation untersuchen Systeme entsprechen. Hier konnten sowohl die auftretenden Phänomene als auch die Simulationsergebnisse bestätigt werden.

Durch die systematische Analyse der untersuchten Problemstellung wurden verschiedene Abhilfemaßnahmen ermittelt, von denen sechs mit Hilfe der Simulation und teilweise mit Hilfe von Messungen untersucht wurden.