High-frequency parasitic effects in electric drives with long cables

In this work, the inverter is considered the source for HF parasitic effects and therefore thoroughly investigated and modeled. Also, more complex simulation models for cable and motor are developed and analyzed, together with their parameterization methods. A good compromise between model complexity and parameterization simplicity is followed. Next, all individual parts are connected together in an overall simulation model, to reflect the HF phenomena from inverter to motor. The investigated simulation models are verified with measurements at a real setup, a process that allows the iterative improvement of the simulation models. Finally, methods for reduction of overvoltage and common-mode ground current, regarding the improvement of inverter control and the use of inverter-output / motor-input filters are investigated using the complete simulation model and the measurements at the real setup. In the last part of the presented work, an unconventional converter topology is investigated for application with long cables, namely the Quasi-Resonant (QR) DC-link converter. Two major objectives are followed: the main issue here is the motor-friendly characteristic, leading to significant improvement of the motor operation; the secondary objective is to achieve a good efficiency compared to hard-switched converters with inverter-output filters. Finally, both objectives are validated with measurement results.

In dieser Arbeit wird der Wechselrichter als Quelle der parasitären HF Effekte betrachtet sowie gründlich erforscht und modelliert. Komplexere Modelle sind ebenfalls für Kabel und Motor zusammen mit deren Parametrisierungsmethoden analysiert und entwickelt. Ziel dieser Arbeit ist, einen guter Kompromiss zwischen Komplexität des Modells und einfacher Parametrisierungsmethoden zu finden. Zunächst sind alle einzelnen Teile eines elektrischen Antriebes in einem einzigen Simulationsmodell verbunden, welches letztendlich durch den Vergleich mit Messungen am Prüfstand bestätigt wird. Dadurch können iterative Verbesserungen für Modelle erreicht werden. Weiterhin werden Minderungsmethoden bezüglich der Überspannung an Motorklemmen und des Gleichtaktstromes analysiert, die am Wechselrichter (Änderung des Spannungsprofils) und am Kabel (Einsatz von Wechselrichterausgang/Motoreingang Filtern) greifen. Dafür ist das Gesamtsimulationsmodell einzusetzen. Diese Simulationsergebnisse sind ebenfalls durch Messungen am Prüfstand bestätigt. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von unkonventionellen Umrichtern in elektrischen Antrieben mit langen Kabeln, den sogenannten Quasi-Resonanten Zwischenkreisumrichtern. Zwei Ziele stehen dabei im Vordergrund: erstens soll der QR-Umrichter motorfreundlich sein, d.h. die parasitären HF Effekte müssen möglichst viel reduziert werden; zweitens soll ein guter Wirkungsgrad erreicht werden, im Vergleich zu hart geschaltetem Wechselrichter + Ausgangsfilter. Am Ende werden beide Ziele durch Messungsergebnisse bestätigt.