Project Details
Projekt
Feld-Netzwerk gekoppelte Simulation mittelfrequenter Phänomene in umrichtergespeisten Antrieben
Applicant
Professor Dr.-Ing. Herbert De Gersem
Subject Area
Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
Term
from 2005 to 2010
Project identifier
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5471635
In der heutigen Forschung werden hoch- und mittelfrequente Phänomene in umrichtergespeisten Antrieben fast ausschließlich auf der Basis von Ersatzschaltbildern simuliert. Dabei werden die Parameter für Kabel und Maschine auf Basis von Messergebnissen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bestimmt. Das Überspannungsphänomen, welches typisch für umrichtergespeiste Antriebe ist, wird simuliert durch das Anlegen der Zwischenkreisspannung des Umrichters mit der Anstiegszeit der IGBTs an die Kabel-Motorkonfiguration. Die Tatsache, dass die Motorimpedanz nicht mit der charakteristischen Kabelimpedanz übereinstimmt, führt zu Reflektions- und Transmissionskoeffizienten, die in ein Transmission-Line-Modell eingesetzt werden. Dieser Simulationsvorgang ermöglicht es, zusätzliche Abhilfemaßnahmen, wie z.B. am Umrichter oder am Motor angebrachte Filter, zu entwerfen und zu überprüfen. Weitere gegenwärtige Forschungsbemühungen zielen auf die Verbesserung der Ersatzschaltbilder und der einzelnen Antriebskomponenten, so dass nicht nur die Wellenausbreitung im Kabel, sondern auch in Teilen der Maschine oder des Umrichters berücksichtigt werden kann. Die Bestimmung der Topologie des Ersatzschaltbildes basiert auf technischen Überlegungen. Außerdem unterstellt eine solche, auf Messergebnissen beruhende Vorgehensweise, dass die einzelnen Antriebskomponenten bereits vorhanden sind. Diese Vorgehensweise spiegelt die Tatsache wieder, dass beim heutigen Stand der Technik die auf den Umrichter bezogenen Überspannungen durch zusätzliche Maßnahmen reduziert werden. Eine Vermeidung dieser Überspannungen durch einen verbesserten Entwurf des Umrichters, der Kabel und des Motors selbst, worauf dieses gemeinsame Projekt abzielt, ist auf der Basis einer solchen Simulationsmethode nur teilweise möglich. Hieraus ergibt sich somit ein weiterer Forschungsbedarf nach Simulationstechniken, die es erlauben, die im Antrieb auftretenden Wanderwellen genau vorhersagen zu können, ohne dabei auf Messungen von schon angefertigten Antriebsteilen zurückgreifen zu müssen. Derartige Verfahren sollten auch eine Lokalisierung und Erforschung möglicher Schwachstellen der Isolation innerhalb der Maschine ermöglichen. Eine Simulation komplexen Zusammenhänge, wie z. B. in einem Umrichter-Kabel-Maschine-Aggregat, ist auf dem heutigen Stand der Simulationstechnik nur auf Basis von Ersatzschaltbildern möglich. Wichtige Teile des Gesamtproblems sind jedoch dabei zu grob aufgelöst, so dass wichtige höherfrequente Parasitäreffekte in diesen Ersatzschaltbildern nicht oder nur teilweise nachgebildet werden. Eine feine Auflösung des Gesamtantriebs z. B. mittels der Methode der Finiten Elemente ist nicht möglich und auch nicht wünschenswert. Eine effiziente und zuverlässige Simulation des Gesamtsystems erfordert hybride und gekoppelte Simulationstechniken. Je nach betrachtetem Frequenzbereich sollte es möglich sein, Teile des Gesamtproblems durch Ersatzschaltbilder oder räumlich/zeitlich diskretisierte Modelle (z. B. auf Basis der Methode der Finiten Elemente oder der Finiten Integrationstechnik) aufzulösen. Die Entwicklung und Benutzung solcher flexibler Modellierungstechniken sind heutzutage Gegenstand der Forschung. Für die Modellierung eines gesamten Antriebs sind vor allem Feld-Netzwerk gekoppelte Berechnungsverfahren gefragt. Dabei wird zwischen iterativen und monolytischen Verknüpfungen unterschieden. Bei iterativen Verknüpfungen wird ein räumlich aufgelöstes Modell (z.B. mittels Finiter Elemente) als Netzwerkelement eingebracht. Während der Lösung des Netzwerks erfolgt eine Auswertung dieses Modells in jedem Iterationsschritt. Bei einer monolytischen Verknüpfung werden die Netzwerkmodelle und die räumlich aufgelösten Modelle in ein algebraisches Gleichungssystem gebracht und gemeinsam gelöst. Monolytische Kopplungsverfahren sind von der Zusammensetzung aufwendiger, erlauben aber im allgemeinen eine schnellere Lösung. Der Einsatz von iterativen und monolytischen Feld-Netzwerk gekoppelten Verfahren für Antriebssysteme bedarf einer weiteren Steigerung der Modellierungsflexibilität und der Effizienz der gekoppelten Lösungsverfahren.
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