Untersuchung des elektrischen Einschwingverhaltens von umrichtergespeisten Drehstrommaschinen

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden die transienten Einschwingvorgänge von Spannungen bei umrichtergespeisten Drehstrommaschinen untersucht.<br />Die heutigen Antriebssysteme bestehen aus den zwei Hauptkomponenten Umrichter und Maschine. Die eingesetzte Leistungselektronik in den Umrichtern ermöglicht immer steilere Anstiegszeiten der Signale. Daraus ergibt sich der Vorteil der höheren Dynamik im Betrieb, jedoch auch der Nachteil der immer größeren Belastung von Maschinenkomponenten. Die Isolierungen der Wicklungen werden durch die eintretenden transienten Überspannungen zusätzlich beansprucht, wodurch der Alterungsprozess schneller voranschreitet.<br />Einen möglichen Ausfall oder die Zerstörung des Antriebs frühzeitig zu erkennen und vermeiden zu können, kann zur Kostenreduktion beitragen.<br />Die Untersuchung der Einschwingvorgänge wird mittels hochfrequenter Signalabtastung realisiert. Dafür wird eine spezielle Asynchronmaschine eingesetzt, deren Wicklungen mit Anzapfungen versehen und mittels Anschlussfeld herausgeführt wurden. Durch diese Anzapfungen können die transienten elektrischen Einschwingvorgänge in verschiedenen Bereichen der Stränge untersucht werden. Gemessen wurden die Spannungen gegen verschiedene Bezugspotentiale wie Sternpunkt, Maschinenmasse oder auch gegen andere Phasen der Wicklung. Variiert wurden zusätzlich die Schalthandlungen des speisenden Umrichters, um deren Einfluss auf den Signalverlauf zu untersuchen.<br />Durch die eingesetzten Messsysteme ist eine Vielzahl an Variationen der Einflussgrößen, wie etwa die Kabellänge, Temperatur und Anstiegszeiten möglich. Weiters wurden die Daten mittels statistischen Methoden untersucht.<br />

In this master's thesis, an analysis of the transient electrical effect in the stator of inverter fed induction machines is realised.<br />Modern drive systems are supplied by a modern frequency converter consisting of IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor modules, with PWM - Pulse Width Modulation technology in use. The major benefit of inverters lies in the more dynamic behaviour of the system control.<br />However, one disadvantage is that the insulation of such machines suffers due to higher stress, caused by faster pulse rise times of the inverters. The high du/dt values results in high transient overvoltage, detected at the machine terminal. This leads to the accelerated degradation as well as a shortening of the machine's lifetime. Awareness of the current inuslation's condition allows for a pre-estimation of the maintenance schedule and saves costs, seen as it may help to avoid machine damages. The research of the voltage distribution in the machine is realised through a high frequency sampling configuration. The analysis is done with a special induction machine, which has different tappings of the three phase stator windings leading through to a terminal area. Through this tappings, the transient voltage in different parts of the winding in the connection block is acquired. The reference potential is altered, as well as the switching operation of the inverter. With the measuring system, a high number of variations of the characteristics like cable length, temperature or pulse rise time is possible. The data is also evaluated by statistical analysis.