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Reduzierung von Lagerströmen in umrichtergespeisten Motoren

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017461D
Original Publication Date: 2001-Jan-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-22
Document File: 5 page(s) / 104K

Publishing Venue

Siemens

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Hans-Dieter Heining: AUTHOR

Abstract

Drehzahlveränderbare Antriebe bestehen heute aus Frequenzumrichtern und i.a. aus Drehstrom- Motoren. Durch den Einsatz schnell schaltender Bauelemente wie IGBTs wird der Motor mit sehr steilen Flanken beaufschlagt. Neben der bereits seit einiger Zeit bekannten erhöhten Wicklungs- Isolationsbeanspruchung werden durch diese steilen Schaltflanken ebenfalls Lagerströme erzeugt. Das Phänomen der Lagerströme ist bei (sehr) großen Motoren prinzipiell zwar ebenfalls seit langem bekannt, allerdings handelte es sich dabei ausschließlich um Lagerströme, die von induzierten Lagerspannungen infolge elektromagnetischer Unsymmetrie hervorgerufen werden. In den steilen Schaltflanken liegen nun weitere Ursachen für Lagerströme:

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Industrie

Reduzierung von Lagerströmen in umrichtergespeisten Motoren

Idee: Hans-Dieter Heining, Erlangen

Drehzahlveränderbare Antriebe bestehen heute aus Frequenzumrichtern und i.a. aus Drehstrom-Motoren. Durch den Einsatz schnell schaltender Bauelemente wie IGBTs wird der Motor mit sehrsteilen Flanken beaufschlagt. Neben der bereits seit einiger Zeit bekannten erhöhten Wicklungs-Isolationsbeanspruchung werden durch diese steilen Schaltflanken ebenfalls Lagerströme erzeugt.Das Phänomen der Lagerströme ist bei (sehr) großen Motoren prinzipiell zwar ebenfalls seitlangem bekannt, allerdings handelte es sich dabei ausschließlich um Lagerströme, die voninduzierten Lagerspannungen infolge elektromagnetischer Unsymmetrie hervorgerufen werden.

In den steilen Schaltflanken liegen nun weitere Ursachen für Lagerströme:

·� � kapazitiv eingekoppelte Lagerspannungen mit

o� � � � kapazitiven Umlade- bzw. Verschiebungsströmen und

o� � � � Entladestromspitzen beim Überschreiten der Lager-Schwellenspannung, in der

Literatur als EDM (Electric Discharge Machining) bezeichnet

·� � kapazitive Nullströme gegen Erde verursachen über Zirkularwechselflüsse induzierteLagerspannungen mit Zirkularströmen.

Die unterschiedlichen Phänomene treten je nach Anlagenkonfiguration und Leistung (insbesondereBaugröße des Motors) unterschiedlich stark ausgeprägt auf und können dabei alleine oderinsbesondere in Kombination zu Ausfällen des Motors führen.

Grundsätzlich gibt es folgende Möglichkeiten, die Lagerströme zu reduzieren bzw. zu vermeiden:

1. Reduktion der Spannungssteilheit im Umrichter bzw. durch nachgeschaltete Filter

2. elektrostatische Schirmung des Läufers

3. hohe Erdimpedanz zur Reduzierung der Ableitströme

4. Isolierung der Lager

5. Erdung des Läufers

6. Reduzierung der Spannungssprünge

Entgegen den genannten und technisch aufwendigen Verfahren lassen sich alle umrichterbedingtenLagerströme dadurch verringern, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit im Umrichter auf„einfache“ Werte beschränkt wird. Im Gegensatz zu aufwendigen und eher sehr begrenzt

Siemens Technik Report

Jahrgang 4� Nr. 10� Januar 2001

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wirksamen Lösungen können doppelte und dreifache Werte, wie sie bei bestimmtenKommutierungen bzw. Betriebspunkten vorkommen, im Steuersatz eliminiert werden.

Um dennoch beliebige Spannungen (Spannungszeiger) zu ermöglichen, muss die Span-nungszeitfläche im Mittel dem Sollwert entsprechen. Anderenfalls würde die Drehmomentqualitätreduziert und könnte insbesondere bei sehr kleinen Drehzahlen einen ruckförmigenDrehzahlverlauf an der Motorwelle verursachen. Zur Gewährleistung der geforderten Spannungensind zur Spannungssteuerung im Steuersatz i.a. verschiedene Maßnahmen erforderlich.

Um gleichzeitige Kommutierungen zu vermeiden, muss zunächst festgestellt werden, ob einegleichzeitige Kommutierung vorliegt. Dabei reicht es bereits, dass die Kommutierung innerhalbeines „kritischen Zeitfensters“...