Systemauslegung für das E Fahrzeug: Wechselwirkung Maschine/Leistungselektronik zusätzliche Verluste

Transkript

1 Vorlesung Umwandlung Elektrischer Energie mit Leistungselektronik Systemauslegung für das E Fahrzeug: Wechselwirkung Maschine/Leistungselektronik zusätzliche Verluste Prof. Dr. Ing. Hans Georg Herzog (hg.herzog@tum.de) Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel (ralph.kennel@tum.de) Technische Universität München Arcisstraße München

2 zusätzliche Verluste Stromoberschwingungen Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

3 Eisenverluste bei Umrichterspeisung Quelle : PTB

4 zusätzliche Verluste Einfluss der Schaltfrequenz Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

5 Systemauslegung für das E Fahrzeug: EMV

6 Electro Magnetic Compatibility E even M more C confusion

7 Schaltschrankaufbau mit modernen Servoantrieben Signalelektronik Leistungselektronik

8 Schirmung und Erdung

9 Schirmung und Erdung hält man diese Vorgaben ein, hat man es beim Einsatz von Stromrichtern fast ausschließlich nur mit leitungsgebundener EMB zu tun ( und nicht mit nicht leitungsgebundener EMB )

10 zusätzliche Verluste Stromoberschwingungen motoring regeneration line current line voltage Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

11 Harmonische Ströme leitungsgebundene EMB hängt sehr stark vom Taktverfahren ab (Block- oder PWM-Steuerung) without filtering with optimized filtering H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21 0 H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21 motoring Diodenbrücke mit kapazitiver Last am elektrischen Netz (ähnlich zu Blocksteuerung) regeneration vollgesteuerter (IGBT-)Umrichter line current am elektrischen Netz (ähnlich zu PWM-Steuerung) line voltage

12 Systemauslegung für das E Fahrzeug: Wanderwellen

13 voltage in V Wanderwellen time in s typischer Spannungsverlauf am Ausgang eines PWM-Pulsumrichters

14 voltage in V Wanderwellen e-06 8e e e-05 2e-05 time in s typischer Spannungssprung am Ausgang eines PWM-Pulsumrichters

15 Klemmenspannung Wanderwellen M Zeit

16 Klemmenspannung Wanderwellen das kommt darauf an worauf? ob wir Ströme oder Spannungen betrachten!!! in unserem Fall : Spannungen was geschieht jetzt? welcher Fall liegt vor? Anpassungsfall loses Ende festes Ende M Zeit für Spannungen ist der Motor ein loses Ende

17 Klemmenspannung was geschieht jetzt? welcher Fall liegt vor? Anpassungsfall loses Ende festes Ende Wanderwellen M für Spannungen ist der Umrichter ein festes Ende wenn die Spannungen am Umrichter sich inzwischen nicht geändert haben, läuft die Welle invertiert wieder zurück Zeit

18 Klemmenspannung Wanderwellen loses Ende M auf der Umrichterseite bleibt die Spannung konstant (festes Ende!) Zeit auf der Motorseite entstehen Spannungsschwingungen bis zum Doppelten der Zwischenkreisspannung (loses Ende!)

19 voltage in V voltage in V Wanderwellen so weit so gut viel schlimmer wird die Angelegenheit 1200 allerdings wenn der Umrichter 1000 in die rücklaufende Spannungswelle hinein schaltet e-06 8e e e-05 2e-05 time in s auf der Umrichterseite bleibt die Spannung konstant (festes Ende!) auf der Motorseite entstehen Spannungsschwingungen bis zum Doppelten der Zwischenkreisspannung (loses Ende!) 0 0 4e-06 8e e e-05 2e-05 time in s

20 Klemmenspannung Wanderwellen M Zeit

21 Klemmenspannung Wanderwellen loses Ende M Zeit bis hierher läuft alles wie gehabt

22 Klemmenspannung was geschieht jetzt? Wanderwellen festes Ende M wenn die Spannungen am Umrichter inzwischen geschaltet hat, läuft die Welle verstärkt wieder zurück Zeit

23 Klemmenspannung Wanderwellen loses Ende M Zeit

24 Wanderwellen auf der Umrichterseite wird die Spannung eingeprägt (festes Ende!) was ist daran so kritisch? auf der Motorseite entstehen Spannungsschwingungen bis zum 2,7 fachen der Zwischenkreisspannung (loses Ende!)

25 wicklungsinterner Spannungsüberschlag was ist daran so kritisch?

26 Horror bild was ist daran so kritisch? die Gefahr ist real - hinter solchen Bildern steckt allerdings meistens ein kommerzielles Interesse!!

27 Verträglichkeit zwischen Umrichter und Motor Text aus IEC paper IEC 2 (CD) (in Deurschland) : Anhang zu IEC 34 für moderne Umrichter sind das reale Werte!!! As long as you supply standard induction motors by inverters with voltage peaks below 1000 V Voltage rise times below 500 V/µs you should not expect any danger for the motor

28 Drahtisolation Erkenntnisse die kritische Spannung, bei der es zum Überschlag kommt, ist unabhängig vom Drahtdurchmesser eine Verdoppelung der Drahtisolationsschicht erhöht die kritische Spannung um 15 % (der größte Effekt ergibt sich durch die Überdeckung der Fehlstellen der ersten Lackschicht) das ist heute Stand der Technik!!! eine Erhöhung der Betriebstemperatur auf 155 C erniedrigt die kritische Spannung um 15 %

29 Systemauslegung für das E Fahrzeug: Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen

30 voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 8e e e-05 2e-05 time in s

31 voltage in V voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 8e e e-05 2e-05 time in s e-06 8e e e-05 2e-05 time in s

32 voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 4e-06 6e-06 8e-06 1e-05 time in s

33 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen um diesen Effekt zu erklären, ist die Darstellung als einfaches Ersatzschaltbild aus einer Serienschaltung von konzentrierten Induktivitäten nicht ausreichend!!! in diesem Fall muss die Motorwicklung wie eine elektrische Leitung aus einer Serienschaltung von Vierpolen dargestellt werden

34 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen um diesen Effekt zu erklären, ist die Darstellung als einfaches Ersatzschaltbild aus einer Serienschaltung von konzentrierten Induktivitäten nicht ausreichend!!! in diesem Fall muss die Motorwicklung wie eine elektrische Leitung aus einer Serienschaltung von Vierpolen dargestellt werden

35 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen Spannungs wellen breiten sich in der Motorwicklung wie in einer elektrischen Leitung nach den Gesetzen der Leitungsgleichungen aus

36 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen die Motorwicklung hat nur dann induktives Verhalten, wenn die Anstiegszeit der Spannungsflanke deutlich größer als die Gruppenlaufzeit der gesamten Motorwicklung ist wenn die Anstiegszeit der Spannungsflanke kleiner als die Gruppenlaufzeit der Motorwicklung ist, überwiegt das kapazitive Verhalten!!!

37 voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 4e-06 6e-06 8e-06 1e-05 time in s

38 voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 4e-06 6e-06 8e-06 1e-05 time in s

39 voltage in V Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen e-06 8e e e-05 2e-05 time in s das ist alarmierend!!! der erste Spannungsimpuls fällt fast vollständig an der Eingangsspule ab

40 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen bei kostengünstigen Wickelverfahren sind die einzelnen Leiter in der Nut zufällig verteilt!! daher muss die Isolation des einzelnen Leiters auf die volle Spannungsbeanspruchung ausgelegt sein!!!

41 Spannungsbeanspruchung der (Teil-)Spulen bei kostengünstigen Wickelverfahren sind die einzelnen Leiter in der Nut zufällig verteilt!! erinnern wir uns : auf der Motorseite entstehen Spannungsschwingungen bis zum 2,7 fachen der Zwischenkreisspannung daher muss die Isolation des einzelnen Leiters auf die volle Spannungsbeanspruchung ausgelegt sein!!!