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Untersuchungen zu einem möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Antriebe

Blatt, Sébastien :
Untersuchungen zu einem möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Antriebe.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zu einem möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Antriebe
Language: German
Abstract:

In der heutigen Zeit werden immer mehr elektrische Maschinen durch einen Umrichter angetrieben. Moderne Umrichter beziehen ihre Spannung aus einem Gleichspannungs-zwischenkreis, weswegen sie nahezu unabhängig von der Netzfrequenz betrieben werden. Die Taktfrequenz der vom Umrichter erzeugten Impulse liegt im Kilohertzbereich mit Anstiegszeiten von weit unter einer Mikrosekunde. Da Umrichter und Maschine häufig räumlich voneinander getrennt betrieben werden, sind Zuleitungen notwendig, deren Länge hundert Meter überschreiten können. Aufgrund dieser Länge und der kurzen Anstiegszeiten treten Wanderwelleneffekte auf der Verbindungsleitung zwischen Umrichter und den Maschinenklemmen auf. Durch den unangepassten Eingangswiderstand der Maschine kommt es zu Reflexionen der Wanderwellen an den Maschinenklemmen. Im ungünstigsten Fall führen diese Reflexionen zu einer Verdoppelung der Spannung an den Maschinenklemmen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz von Metalloxid-Varistoren (MO Varistoren) an den Eingangsklemmen der Maschine diese Überspannungen begrenzen kann. Nun stellt sich die Frage, ob Mikrovaristoren in der Isolation der Maschine die gleichen positiven Effekten haben. Mikrovaristoren bestehen wie MO Varistoren aus dotiertem und gesintertem Zinkoxid und haben eine Korngröße von 10 µm…200 µm. Weiterhin besitzen sie eine nichtlineare Spannung-Strom-Kennlinie und eine hohe relative Permittivität (r = 300…1000). Der Vorteil von Mikrovaristoren ist, dass sie ihre elektrischen Eigenschaften an den Isolierstoff, dem sie beigemischt werden, weitergeben. Vermutlich werden durch den Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation von umrichtergespeisten Maschinen die Überspannungen, welche durch die Wanderwelleneffekte entstehen, auf ein akzeptables Maß begrenzt. Weiterhin könnten die Anstiegszeiten durch die hohe relative Permittivität der Mikrovaristoren verlängert werden. Um den möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Maschinen untersuchen zu können, wird zunächst in dieser Arbeit das mikrovaristor-gefüllte Material anhand von Messungen von U-I-Kennlinien an verschiedenen mikrovaristorgefüllten Prüflingen elektrisch charakterisiert. Dabei werden auch andere Frequenzen als 50 Hz und höhere Temperaturen betrachtet. Des Weiteren wird ein mathematisches Modell entwickelt, um die nichtlineare E-J-Kennlinie der mikrovaristorgefüllten Isolation beschreiben zu können. Dieses Modell wird in dieser Arbeit benötigt, um die Auswirkungen verschiedener Kennlinien auf die Spannungsverteilung innerhalb der Statorwicklung untersuchen zu können. Dafür wird anhand von Messwerten ein elektrisches Ersatzschaltbild, bestehend aus passiven Elementen einer Statorwicklung aufgebaut und mit dem ermittelten Ersatzschaltbild für die mikrovaristorgefüllte Isolation ergänzt. Es stellt sich heraus, dass das vielfach in der Literatur erwähnte vereinfachte Ersatzschaltbild, bestehend aus einer Parallelschaltung von einem nichtlinearen Widerstand und einer Kapazität, zu einfach ist, um einen Stromfluss durch das mikrovaristorgefüllte Material voraussagen zu können. Neben einer resistiven und einer kapazitiven Komponente treten auch Hysterese-Effekte in der Stromdichte auf. Des Weiteren führt eine Änderung der Frequenz und der Temperatur zu einer Änderung der nichtlinearen resistiven E-J-Kennlinie. Hier kann ein Modell gefunden werden, welches diese Effekte berücksichtigt. In dieser Arbeit kann durch Simulation am Beispiel einer Niederspannungsmaschine gezeigt werden, dass die erhöhte relative Permittivität nur einen geringen Einfluss auf die Spannung an den Maschinenklemmen hat. Erst durch Berücksichtigung der nichtlinearen Kennlinie kann diese Spannung reduziert werden. Allerdings entstehen durch das halbleitende Material zusätzliche Verluste, die beachtet werden müssen. Schließlich kann in dieser Arbeit eine Kennlinie gezeigt werden, mit der die zusätzlichen Verluste akzeptable Werte erreichen und die Überspannungen auf ein gewisses Maß begrenzt werden. Abschließend wird in dieser Arbeit der Einfluss einer mikrovaristorgefüllten Isolation auf eine 240 kW-Maschine untersucht. Es stellt sich dabei heraus, dass alleine der Einfluss der erhöhten relativen Permittivität durch die mikrovaristorgefüllte Isolation die Überspannungen auf ein akzeptables Maß beschränkt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Nowadays, more electrical machines are fed by inverters. Modern inverters obtain their voltage from an intermediate direct current link and operate nearly independent from the grid frequency. The inverter generates impulses with a pulse frequency of several kilohertz and a rise time of less than one microsecond. Since the inverter and the electrical drive are often operating spatial separated, a relative long feed cable which can exceed 100 meters, is required for connection. Due to long length of the cable and short rise time of the input voltage, traveling wave effect on the line between inverter and terminals of the machine has to be considered. The unmatched input resistance of the machine provides reflections of traveling waves, which leads to the voltage doubling at the terminals of the machine in worst case. Review of the former researches on the application of MO-varistors at the terminals of the machines shows the reduction in this type of overvoltages. The question is now if the use of microvaristors in insulation parts of the machine has same positive effects. Microvaristors consist like MO Varistors of doped and sintered zinc-oxide and have a grain size of 10 µm to 200 µm. Furthermore, they have a nonlinear Voltage-Current characteristic and a high relative permittivity (r = 300…1000). The main advantage of microvaristors is that they can transmit their electrical properties to the insulating material in which they were mixed. Application of microvaristors in insulation parts of the inverter fed machine limits assumedly the virtually produced overvoltages due to traveling wave effects and extends the rise time of the input voltage because of high permittivity of applied microvaristors. In order to investigate the feasibility of application of microvaristors in the insulation of inverter fed drives, the microvaristor-filled material is first electrically characterized, based on measurements of E-J-characteristics of different microvaristor-filled specimens. Other frequencies then 50 Hz and higher temperatures are also taken into account to find a reliable model of the microvaristor-filled insulation. In addition, a mathematical model is developed to describe the nonlinear E-J-characteristic of the microvaristor-filled insulation. The developed model has been used furthermore to investigate the influence of different characteristics of the microvaristor-filled insulation materials on the voltage distribution inside the stator winding of the machine. An electrical equivalent circuit for the microvaristor-filled insulation is constructed, based on measurement results. It turns out that the simplified equivalent circuit consisting of a parallel connection of a capacitance and a nonlinear resistance, which is frequently mentioned in the literature, is too simple to predict the current flow through the microvaristor-filled material. Beside a resistive and a capacitive component, hysteresis effects are occurring in the current density. Changing frequency and temperature lead to a change in the nonlinear resistive E-J-characteristic. The developed model in this work can consider all these effects. Simulation results have shown that the higher relative permittivity of microvaristor- filled materials has only a little influence on the voltage at the machine terminals. Only through consideration of the nonlinear characteristic, this voltage can be reduced. However, and due to the semiconducting materials, additional losses have to be taken into account, too. As a result of this study, a proper nonlinear characteristic of microvaristor-filled materials with acceptable losses and a good limitation level of overvoltages can be achieved. However, in a 240-kW-machine it is obvious that overvoltages can be limited to an acceptable level only by the influence of the higher relative permittivity of the microvaristor-filled insulation.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 09 Dec 2015 15:15
Last Modified: 03 Aug 2016 07:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51812
Referees: Hinrichsen, Dr.-Ing. Volker
Refereed: 13 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5181
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