Forschung

Lagerströme

Um einen drehzahlvariablen Betrieb von elektrischen Maschinen zu ermöglichen, werden diese über Frequenzumrichter gespeist. Dieser wandelt eine Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung mit variabler Frequenz um. Er besteht aus Halbleiterschaltern, welche die Dreiphasenwechselspannung über geeignete Pulsmuster nachbilden. Die Wicklungsinduktivitäten der elektrischen Maschinen sorgen für eine Glättung des Phasenstroms, welcher für die Feldbildung im Luftspalt zwischen Rotor und Stator verantwortlich ist. Da die Summer der drei Phasenspannungen, anders als bei netzgeführten Maschinen, bei Umrichterbetrieb nicht Null ist, entstehen Gleichtaktstörungen, welche die Ursache für umrichterinduzierte Lagerströme darstellen.

Thema

Lagerströme lassen sich in unterschiedliche Kategorien einteilen. Dabei unterscheidet man zwischen denen, die durch den Spannungswert der Gleichtaktspannung entstehen und denen, welche durch den Gradienten der Gleichtaktspannung entstehen, weshalb die Betriebsparameter sowie die Schalteigenschaften des Frequenzumrichters einen großen Einfluss auf Lagerströme haben können. Der maximale Spannungswert der Gleichtaktspannung verursacht, durch kapazitive Kopplungen im Motor, eine Wellenspannung, welche zwischen dem Außen- und dem Innenring des Kugellagers anliegt. Überschreitet diese die Schwellspannung der Schmierfilmkapazität des Kugellagers, kommt es zu einem Durchschlag, einem "Electrical Discharge Machining" (EDM) Strompuls im Lager.
Der Gradient der Gleichtaktspannung kann in vielerlei Hinsicht zu Lagerströmen führen. Die Spannungsänderung treibt dabei einen Strom durch die Kapazitäten der Maschine. Dabei fließen Gleichtaktströme direkt durch das Lager oder es kommt zu zirkulären Strömen, welche induktiv vom Erdstrom induziert werden. Ebenso kann ein Strom über die Welle der Maschine zu einer geerdeten Last hin abfließen.

Kompetenzen

Messtechnische Erfassung von Lagerströmen in elektrischen Maschinen
Ermitteln von Zusammenhängen zwischen Frequenzumrichtern und Lagerströmen
Modellierung von Lagerströmen
Konzeptentwicklung zur Reduktion von Lagerströmen

Zu sehen ist der Aufbau eines Frequnzumrichters, welcher aus sechs Schaltern besteht. Die Angesteuerte Maschine ist ebenfalls gezeigt, an welcher die Gleichtaktspannung im Sternpunkt eingezeichnet ist. — Die Ansteuerung in einem drehzahlvariablen Betrieb erfolgt über einen Frequenzumrichter, bestehend aus sechs Leistungs-MOSFETs. Der Frequenzumrichter verursacht eine Gleichtaktspannung, welche im Sternpunkt der Maschine gemessen werden kann.

Gezeigt ist ein schematischer Motor mit den dazugehörigen Kapazitäten und der Gleichtaktspannung am Eingang. — Die Gleichtaktspannung liegt zwischen den Motoranschlüssen und dem geerdeten Gehäuse an. Der Gleichtaktstrom fließt durch die Kapazitäten des Motors.

Es ist die Gleichtaktspannung, die Lagerspannung und der Lagerstrom zu erkennen. Die Gleichtaktspannung wird an einem künstlichen, hochohmigen Sternpunkt gemessen. Es ist zu erkennen, dass der Gradient der Gleichspannung einen Puls in der Messung des Lagerstroms hervorruft. Der EDM Strompuls entsteht durch das Zusammenbrechen der Lagerspannung, was auch auf dem Bild zu erkennen ist. — Es ist die Gleichtaktspannung, die Lagerspannung und der Lagerstrom zu erkennen. Die Gleichtaktspannung wird an einem künstlichen, hochohmigen Sternpunkt gemessen. Es ist zu erkennen, dass der Gradient der Gleichspannung einen Puls in der Messung des Lagerstroms hervorruft. Der EDM Strompuls entsteht durch das Zusammenbrechen der Lagerspannung.

Hier ist zu sehen, dass eine vergrößerte Totzeit kapazitive Lagerströme rudizieren kann, wenn der Phasenstrom das entsprechende Vorzeichen aufweist, hier gezeigt durch den Phasenwinkel. Der Grund ist, dass in diesem Bereich die Möglichkeit von weichem Schalten besteht, was für einen geringeren Gradienten der Gleichtaktspannung sorgt. Es sind Unterschiedliche Kurven für verschiedene Totzeiten dargestellt, wobei der Zusammenhang zwischen Totzeit und kapazitiven Lagerströmen zu erkennen ist. — Hier ist zu sehen, dass eine vergrößerte Totzeit kapazitive Lagerströme reduzieren kann, wenn der Phasenstrom das entsprechende Vorzeichen aufweist, hier gezeigt durch den Phasenwinkel. Der Grund ist, dass in diesem Bereich die Möglichkeit von weichem Schalten besteht, was für einen kleineren Gradienten der Gleichtaktspannung sorgt.

Zu sehen ist der Einfluss der Zwischenkreisspannung auf die Amplitude der kapazitiven Lagerströme bei einer 2.2 kW Asynchronmaschine. Auf der X-Achse ist der Phasenwinkel des Phasenstroms, welcher das Schaltverhalten des Frequnzumrichters beeinflusst und sich somit auch auf die kapazitiven Lagerströme auswirkt. Die Y-Achse zeigt den maximalen Lagerstrom im Moment des Schaltvorgangs. Es ist zu sehen, dass eine höhere Gleichtaktspannung zu höheren maximalwerten der Lagerströme führt. — Zu sehen ist der Einfluss der Zwischenkreisspannung auf die Amplitude der kapazitiven Lagerströme bei einer 2.2 kW Asynchronmaschine. Auf der x-Achse ist der Phasenwinkel des Phasenstroms, welcher das Schaltverhalten des Frequenzumrichters beeinflusst und sich somit auch auf die kapazitiven Lagerströme auswirkt. Die y-Achse zeigt den maximalen Lagerstrom im Moment des Schaltvorgangs.

Kontakt

Publikationen

Schulte, F.; Pfost, M.: Experimental Investigation of the Impact of Soft Switching on Capacitive Bearing Currents in SiC-Based Motor Drives, 2023 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), San Francisco, CA, USA , 05.2023, DOI: 10.1109/IEMDC55163.2023.10239030

Schulte, F.; Seidel, M.; Pfost, M.: A High Bandwidth and Multilevel Counter Circuit for Bearing Current Evaluation, PCIM Europe 2024; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 11-13 June 2024, DOI: 10.30420/566262473

Mit dem Auto

Mit Bus und Bahn

Die H-Bahn

Mit dem Flugzeug