Analyse eines Tiefsetzstellers mit parallelen Zweigen und Bildung der Ausgangsspannung über eine Saugdrosselgruppe

Abstract

In Industrieanlagen sind Elektromotoren von den speisenden Umrichtern oft räumlich getrennt aufgestellt, wodurch die vom Pulsumrichter erzeugten PWM-Signale oft Leitungslängen von bis zu 10-100 m zurücklegen müssen. Dadurch entstehen in Verbindung mit den hohen du/dt -Werten der Umrichterausgangsspannung Leitungsreflexionen, welche eine hohe Spannungsbeanspruchung am Motor verursachen und die Lebensdauer der Wicklungsisolation reduzieren und zudem auch das Motorlager durch parasitäre Lagerströme beeinträchtigen kann. Zudem müssen aus EMV-Gründen spezielle geschirmte Motorkabel verwendet werden. Im Sinne einer technologischen Weiterentwicklung ist es deshalb sehr vorteilhaft, wenn zukünftige Motorumrichter statt PWM-Signalen sinusförmige Ausgangsspannungen haben, da damit alle genannten Nachteile vermieden werden können. Der Umrichter muss also möglichst mit einem integrierten Sinusfilter ausgerüstet sein, wofür allerdings eine geringe Baugröße erforderlich ist. Dies kann einerseits mit einer sehr hohen Schaltfrequenz erreicht werden, alternativ aber auch mit den heute üblichen Standard-Schaltfrequenzen mit der hier betrachteten Schaltungstopologie. Dabei wird der Ausgangsstrom einer Motorphase auf mehrere parallele, phasenversetzt getaktete Schalterzweige aufgeteilt. Die Ausgangsspannungen der einzelnen Zweige werden mittels eines Saugdrossel-Netzwerkes aufaddiert und bilden eine Summenspannung welche somit eine Multilevel-Charakteristik aufweist. Deshalb genügt es als Glättungsfilter die Streuinduktivität des Saugdrossel-Netzwerkes zu verwenden, womit vorteilhafterweise auch kurzzeitig hohe Überströme (z.B. für hochdynamische Beschleunigungsvorgänge) geführt werden können. Ziel dieser Diplomarbeit ist, das erläuterte Konzept anhand einer Designstudie für einen Tiefsetzsteller (symbolisierend eine Phase eines Motorwechselrichters) zu verifizieren bzw. Designrichtlinien abzuleiten. Weiters sollen die Saugdrosseln des Kopplungsnetzwerkes dimensioniert und mit dem Finite-Elemente-Programm FEMM simuliert werden. Hauptteil ist aber auch die Erstellung von Konzepten zur Regelung der Ausgangsspannung. Dafür werden zwei Varianten betrachtet, einerseits ein Konzept mit PI-Ausgangsspannungsregler und unterlagertem P-Stromregler bzw. alternativ ein PI-Ausgangsspannungsregler mit aktiver Dämpfung des LC-Ausgangsfilters und mittels LT-Spice-Schaltungssimulation getestet. Des Weiteren wird auch die aktive Symmetrierung der Zweigströme mittels Balanzierungsregler untersucht.

In industrial plants, electric motors are often located spatially separated from the feeding PWM converter’s, which means that the converters PWM output voltages have to cover cable lengths of up to 10-100 m. This, in conjunction with the high switching du/dt rates of modern converters, may cause line reflection effects at the motor terminals resulting in a high voltage stress on the motor reducing the service life of the winding insulation and which may even impair the motor bearing due to parasitic bearing currents. In addition, special shielded motor cables must be used for EMC reasons. In terms of technological development, it is therefore very advantageous if future motor inverter instead of PWM signals will have sinusoidal output voltages, since thus all the above mentioned disadvantages can be avoided. The inverter therefore has to be extended by an integrated sine-wave filter, for which, however, a small size is required. This can be achieved on the one hand with a very high switching frequency, but alternatively also with today’s standard switching frequencies applying the circuit topology proposed in this thesis. Here the output current of a motor phase is divided into multiple parallel switch branches PWM operated in a phase-shifted manner. The output voltages of the individual branches are added up by means of an interphase transformer, the total voltage therefore shown multi level characteristic. For this reason, the stray inductance of the interphase transformer network is sufficient as the smoothing filter. With this advantageously high overcurrents can be covered for short time intervals (e.g. for highly dynamic motor acceleration processes). The aim of this diploma thesis is to verify the concept described before by means of a design study for a step-down converter (symbolizing one phase of a motor inverter) and to derive design guidelines. Furthermore, the interphase transformers of the coupling network are to be dimensioned and simulated with the finite element program FEMM. However, the main part is also the development of concepts for regulating the output voltage. For this purpose, two variants are considered, on the one hand a concept with PI output voltage controller with a subsequent P-type current controller or alternatively a PI output voltage controller with active damping of the LC output filter, and tested by means of LT-Spice circuit simulation. Furthermore, the active balancing of the branch currents is also investigated by means of balancing controllers.