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Minimierung des Gefährdungspotentials

Minimierung des Gefährdungspotentials in modernen drehzahlgeregelten Antrieben

Wechselstrommotoren werden in modernen Antriebssystemen verstärkt eingesetzt, von Haushaltsgeräten bis zu automatisierten industriellen Anwendungen wie: Lüftungsanlagen, Ventilatoren, Windanlagen und Werkzeugmaschinen. Wechselrichter sind in der industriellen und kommerziellen Anwendungen wegen des steigenden Bedarfs an Drehzahlregelung in AC-Antriebssystemen weit verbreitet. Der gesamte Antrieb, einschließlich Gleichrichter, Zwischenkreisspannung, Wechselrichter, Kabel und mechanischer Belastung, muss als ein System aus Induktivitäten und Kapazitäten betrachtet werden, auf das viele Parameter einwirken (Abb. 1).

Eine inhärente Eigenschaft der PWM-Technik ist die Erzeugung der Gleichtaktspannung, die als Spannung zwischen den Motorsträngen und dem Erdpotential definiert wird (Abb. 1). Diese Spannung wirkt als eine Quelle für viele unerwünschte Probleme in den AC- Antriebssystemen. Ein hoher Prozentsatz der Gleich-taktspannung führt zu folgenden beiden Strömen als Ursache für Lagerausfälle:

·         Hochfrequente Erdungsströme der Welle

·         Zirkulierende Ströme

Deshalb ist die Gleichtaktspannung ein wichtiger Faktor bei der hochfrequenten Modellierung von elektrischen Maschinen. Die Gegenmaßnahmen zur Verringerung der Auswirkungen der Gleichtaktspannung sind: Wellenerdung, isolierte Lager, Keramiklager, passive und aktive Filter, symmetrische Kabel mit Abschirmung, usw. Die Ansätze zur Modifizierung der Motor- und Umrichter-Konfigurationen durch Hinzufügen von Hardware erhöhen nicht nur die Kosten und den Wartungsaufwand, auch die Systemkonstruktion und die Systemsteuerung werden erschwert. Eine weitere Maßnahme ist die Software-Lösung, um die Gleichtaktspannungs-Amplitude mit einer entsprechenden PWM-Strategie zu reduzieren. Das Modulationsverfahren und die Synchronisation eliminieren die Gleichtaktspannung und erfordern keine zusätzliche Hardware. Dies ist kostengünstiger, wartungsfreundlicher und kompakter.

Multilevel Umrichter haben den Vorteil einer höheren Nennspannung, niedrigerer Ausgangsverzerrung und weniger du/dt, wenn sie mit zweistufigen Umrichtern verglichen werden. Die Gleichtaktspannung kann jedoch immer noch lästig sein. Die Entwicklung von PWM- Strategien zur Reduzierung von Wellenspannungen und Leckströmen ist das Hauptforschungsziel dieser Arbeit. Ein PWM-Steueralgorithmus aus dem Größenzusammenhang zwischen der Raumzeigermodulation und der Dreieck-Modulation wurde im Detail simuliert. Dieses experimentelle Modulationsverfahren unter Verwendung eines Multilevel Umrichters in NPC Topologie mit einer Leistung von 30 kVA bei einer Netzspannung von 400 V wurde testweise mit einer Mikrorechnerkarte, basierend auf einem F28M35x Mikrocontroller von Texas Instruments, überprüft.