Weicker, Martin (2021)
Gleichtakteffekte bei umrichtergespeisten Elektromotoren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019145
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit sind die verschiedenen Elektromotorenvarianten a) doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit einer Bemessungsleistung von 14 kW, b) zwei permanentmagneterregte Synchronmotoren mit je einer Bemessungsleistung von 90 kW sowie c) in Summe vier Lüfter- und Kleinantriebe hinsichtlich umrichterbedingter Lagerströme theoretisch berechnet und messtechnisch untersucht worden. Die Lagerströme der verschiedenen Maschinen sind von den parasitären Maschinenkapazitäten abhängig, die im Wesentlichen durch die geometrische Konstruktion der jeweiligen Elektromotoren beeinflusst wird. Eine analytische und numerische Berechnung der parasitären Maschinenkapazitäten zeigt eine Möglichkeit zur Abschätzung der zu erwartenden Lagerstromart. Auf Basis umfangreicher Lagerstrommessungen ist ein Simulationsmodell verifiziert, das ausschließlich auf wesentliche Komponenten reduziert ist, die Einfluss auf umrichterbedingte Lagerströme im Elektromotor haben und mit dem qualitativ Entlade- und Rotor-Erd-Lagerströme simuliert werden können. Anschließend liegt der Fokus auf der Wälzlagerimpedanz, die hauptsächlich auf den mechanischen, tribologischen Eigenschaften des Wälzlagers sowie auf den elektrischen Eigenschaften des Schmierfetts beruht. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die sich derzeit verändernden Antriebssysteme durch schnell schaltende Silizium-Carbid-Umrichter mit einer Spannungsanstiegsrate von ca. 40 kV pro Mikrosekunde und höheren Zwischenkreisspannungen bis 800 V in Bezug auf Lagerströme ab.

Als Ergebnis sind die charakteristischen Lagerströme der Elektromotorenvarianten durch geeignete Ersatzschaltbilder berechenbar und nachvollziehbar. Bei der doppelt gespeisten Asynchronmaschine treten aufgrund der Umrichterspeisung der Rotorwicklung mit jeder Schaltflanke hohe Lagerströme auf. Das Lagerstromverhalten von permanentmagneterregten Synchronmaschinen als Innenläufer ist vergleichbar mit dem Lagerstromverhalten bei Asynchronmaschinen. Jedoch sind durch die konstruktiven Unterschiede dieser Motorenvarianten an den Stirnseiten des Rotors und durch den größeren Luftspalt im Vergleich zu einer luftgekühlten Standard-Norm-Asynchronmaschine gleicher Bemessungsleistung die Lagerstromamplituden der Zirkular-Lagerströme bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen nur ca. 1/3 so groß. In kleinen Lüftermotoren sind hauptsächlich Entladeströme messtechnisch nachgewiesen worden.

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