Untersuchung von Gleichtaktschwingungen in elektrischen Antriebssystemen

Investigation on Common Mode Oscillations in Electrical Drive Systems

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-12766
  • 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 dieBeim 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.show moreshow less
  • Using electrical drive systems with active front end (AFE), common DC-link and several axis, a common mode resonant circuit can be observed, consisting of the choke in the active front end and the parasitic capacitances to ground in the shielded motor cables. The resonant frequency thereby is defined through the inductance in the choke and the sum of the parasitic capacitances to ground. The damping is almost only represented through the damping appearing in the choke. Owing to low resonant frequencies especially in systems with long cables and thereby high values of the parasitic capacitances low damping occurs. Excitation is generated through switching in the rectifier of the active frontUsing electrical drive systems with active front end (AFE), common DC-link and several axis, a common mode resonant circuit can be observed, consisting of the choke in the active front end and the parasitic capacitances to ground in the shielded motor cables. The resonant frequency thereby is defined through the inductance in the choke and the sum of the parasitic capacitances to ground. The damping is almost only represented through the damping appearing in the choke. Owing to low resonant frequencies especially in systems with long cables and thereby high values of the parasitic capacitances low damping occurs. Excitation is generated through switching in the rectifier of the active front end and the inverter. As consequence overvoltages may appear on the motor terminals. If a certain maximum voltage is exceeded partial discharges may appear degrading the winding isolation and abbreviating the lifetime of the motors. At this point it is important to have a closer look at the high-frequency behavior of the motor in the common-mode region. Owing to parasitic capacitances between winding and grounded core and the inductances in the winding a common-mode resonant behavior also exists. %Most types of AC-Motors with distributed Especially in torque- and linearmotors with concentrated winding high parasitic capacitances exist in the coils and thereby the resonant frequencies may lie in the range of the system resonant frequency. As consequence the voltage is strongly elevated from the motor terminals to the star point. To obtain detailed information about the system behavior, all components of an electrical drive system were deeply investigated and modeled. The most important attention have to be turned on the behavior of the choke, that represents the inductance and the damping of the system, and the already mentioned torque- and linearmotors.% A system model was built, consisting of all component models to calculate the frequency domain behavior. The main parameters that vary in different electrical drive systems are the sum of the parasitic capacitances, the damping and the inductance of the choke and whether torque- or linearmotors are used or not. The highest voltage increase can be observed in systems with torquemotors and high values of parasitic capacitances. The common mode resonant circuits are excited from the switching in the active front end and from the switching in the inverters. Thereby the excitation from a single switching operation as well as from the harmonics in the resulting voltage have to be considered. Two different types of active front ends were analyzed. An active front end with hysteresis current control produces more accidentally appearing switching commands. As consequence no harmonics can be observed. But owing to a positive feedback effect an enforced excitation may be notified. The switching commands of an active front end with flat top modulation are very regular and the resulting voltage implies several harmonics. The excitation of the active front end and the inverters can be superposed. Whereas the highest excitation from the inverters appears with modulation index zero if a sine triangle or space vector modulation scheme is used. Owing to the excitation the oscillations produce overvoltages on the motor terminals. If torque- or linearmotors are used these voltages are additionally increased to the star point of these motors. Other consequences of the oscillations are losses in the choke and high common mode currents. Fundamental investigations show the dependencies on the system parameters. To determine the appearing values, extensive simulations in the time domain were processed. Thereby the maximum appearing voltage on the motor isolation, the average value of the common mode losses and the root-mean-square value of the common mode current was detected. It could be found out, that especially in cases where the resonant frequency of the system is lying near a harmonic of the inverter very increased voltages can be observed. In many system configurations with torquemotors these voltages are high enough to generate partial discharges in the main isolation. Also in systems without torquemotors overvoltages appear in a lower degree generating partial discharges. Especially in the case of the excitation by the harmonics of the inverter the losses and the common mode currents rise up decreasing the efficiency of the system and elevating the current loading of the semiconductor switches. To prove the simulation results, measurements on electrical drive systems were made. The phenomena as well as the detected values could be approved. As results of a methodical analysis of the problem different remedies were determined and six of them were investigated with the aid of simulations and partially with the aid of measurements. The best results can be found with the remedy "DC-link-filter"'. Very good results for guarding torque- and linear motors can be achieved using the remedy "high impedance decoupling"', that however implies a high effort. A little bit worse but almost acceptable outcomes with lower effort create the remedies "voltage limitation"', "choke with transformatorial damping"' and "flat-top-modulation scheme in the inverters"'. Other remedies like the modification of the hysteresis current control in the active front end do not generate a sufficient reduction of the overvoltages, whereas they reduce the losses at an only very low effort. A good precondition to be combined with other remedies. For further work interesting aspects could be found using active reliefs e.g. the modification of the modulation scheme or of single switching commands in the active front end or the inverters to reduce the excitation and realize an active damping of the system. The benefit thereby could be to reduce the voltages and the losses with a very low or even no hardware effort.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Weidinger
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-12766
ISBN:3867278539
Advisor:Bernhard Piepenbreier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2008/12/04
Release Date:2009/03/12
Tag:Common-Mode-Störungen; Gleichtakt-Störungen
Common Mode Noise; EMC
SWD-Keyword:Antrieb <Technik>; Leistungselektronik; Elektrotechnik; Erlangen / Institut für Elektrotechnik; Elektronik und Informationstechnik; Elektromagneti
Original publication:Dissertation erschienen im Cuvillier Verlag mit dem folgenden Titel: Untersuchung von Gleichtaktschwingungen in elektrischen Antriebssystemen . http://www.cuvillier.de/flycms/de/html/30/-UickI3zKPS7ydkk=/Buchdetails.html
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
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