TU Darmstadt / ULB / TUprints

Gleichtakteffekte bei umrichtergespeisten Elektromotoren

Weicker, Martin (2021):
Gleichtakteffekte bei umrichtergespeisten Elektromotoren. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019145,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Dissertation_MWeicker_20210715.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (7MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Gleichtakteffekte bei umrichtergespeisten Elektromotoren
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit sind die verschiedenen Elektromotorenvarianten a) doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit einer Bemessungsleistung von 14 kW, b) zwei permanentmagneterregte Synchronmotoren mit je einer Bemessungsleistung von 90 kW sowie c) in Summe vier Lüfter- und Kleinantriebe hinsichtlich umrichterbedingter Lagerströme theoretisch berechnet und messtechnisch untersucht worden. Die Lagerströme der verschiedenen Maschinen sind von den parasitären Maschinenkapazitäten abhängig, die im Wesentlichen durch die geometrische Konstruktion der jeweiligen Elektromotoren beeinflusst wird. Eine analytische und numerische Berechnung der parasitären Maschinenkapazitäten zeigt eine Möglichkeit zur Abschätzung der zu erwartenden Lagerstromart. Auf Basis umfangreicher Lagerstrommessungen ist ein Simulationsmodell verifiziert, das ausschließlich auf wesentliche Komponenten reduziert ist, die Einfluss auf umrichterbedingte Lagerströme im Elektromotor haben und mit dem qualitativ Entlade- und Rotor-Erd-Lagerströme simuliert werden können. Anschließend liegt der Fokus auf der Wälzlagerimpedanz, die hauptsächlich auf den mechanischen, tribologischen Eigenschaften des Wälzlagers sowie auf den elektrischen Eigenschaften des Schmierfetts beruht. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die sich derzeit verändernden Antriebssysteme durch schnell schaltende Silizium-Carbid-Umrichter mit einer Spannungsanstiegsrate von ca. 40 kV pro Mikrosekunde und höheren Zwischenkreisspannungen bis 800 V in Bezug auf Lagerströme ab.

Als Ergebnis sind die charakteristischen Lagerströme der Elektromotorenvarianten durch geeignete Ersatzschaltbilder berechenbar und nachvollziehbar. Bei der doppelt gespeisten Asynchronmaschine treten aufgrund der Umrichterspeisung der Rotorwicklung mit jeder Schaltflanke hohe Lagerströme auf. Das Lagerstromverhalten von permanentmagneterregten Synchronmaschinen als Innenläufer ist vergleichbar mit dem Lagerstromverhalten bei Asynchronmaschinen. Jedoch sind durch die konstruktiven Unterschiede dieser Motorenvarianten an den Stirnseiten des Rotors und durch den größeren Luftspalt im Vergleich zu einer luftgekühlten Standard-Norm-Asynchronmaschine gleicher Bemessungsleistung die Lagerstromamplituden der Zirkular-Lagerströme bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen nur ca. 1/3 so groß. In kleinen Lüftermotoren sind hauptsächlich Entladeströme messtechnisch nachgewiesen worden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this thesis, different electric motor types, a) a doubly-fed induction machine with rated power of 14 kW, b) two permanent magnet synchronous motors with rated power of 90 kW each, and c) a total of four fan drives and smaller electrical machines, were theoretically investigated with focus on inverter-induced bearing currents, which were verified by measurements. The bearing currents of these machines depend on their high frequency parasitic machine capacitances, which are essentially influenced by the geometric design of these machines. Analytical and numerical calculations of the parasitic high frequency machine capacitances show a possibility of estimating the expected type of bearing current. On the basis of in-house bearing current measurements, a simulation model has been verified that is exclusively reduced to essential components which influence inverter-induced bearing currents in electric machines and with which discharge and rotor-to-ground bearing currents can be simulated roughly.

Further the focus is on the bearing impedance, which is mainly based on the mechanical and tribological properties of the bearing and the electrical properties of the bearing lubricant grease. This thesis concludes with an outlook on the currently changing drive systems due to fast switching silicon carbide inverters with a voltage rise time of approx. 40 kV per microsecond and a higher dc-link voltage of up to 800 V with reference to bearing currents.

As a result, the characteristic bearing currents of the electric machine types can be calculated and simulated by using basic equivalent circuit diagrams. In the doubly-fed induction machine, high bearing currents occur with each rising and falling edge of the common-mode voltage due to the inverter-fed rotor winding. The bearing current behavior of surface mounted permanent magnet synchronous machines with internal rotor is comparable to the bearing currents of similar induction machines. However, due to the geometrical differences of these machine types of the rotor and the larger air gap compared to an air-cooled standard induction machine with same rated power, the bearing current amplitudes of the circulating bearing currents in surface mounted permanent magnet synchronous machines are only approx. 1/3. In small fan drives mainly electrical discharge machining bearing currents have been verified by measurements.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVI, 163 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion
Date Deposited: 22 Jul 2021 07:27
Last Modified: 22 Jul 2021 07:27
DOI: 10.26083/tuprints-00019145
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-191451
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas ; Griepentrog, Prof. Dr. Gerd
Refereed: 19 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19145
Export:
Actions (login required)
View Item View Item