Aktive Dämpfung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen

Schmitt, Maximilian

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung und Wirkung von Gleichtaktstörungen in elektrischen Antriebssystemen. Parasitäre Gleichtaktimpedanzen bilden zusammen mit Gegentaktimpedanzen des Antriebssystems parasitäre Resonanzschwingkreise aus, welche von den Schalthandlungen der eingesetzten Umrichter im Antriebssystem zum Schwingen angeregt werden. Einer der beiden Schwerpunkte befasst sich mit der Entwicklung einer analytischen Berechnungsmethode, um die vorhandenen parasitären Gleichtaktpfade sowie deren Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Möglichkeit der aktiven Dämpfung von Gleichtaktstörungen. Hierzu analysiert ein Algorithmus jede einzelne Schaltflanke im Umrichter auf deren Wirkung im Gleichtaktsystem. Anschließend kann diese zeitlich derart verschoben werden, dass die Schaltflanke eine bestmögliche Dämpfung im Gleichtaktsystem erzielt. Einleitend werden die notwendigen Grundlagen zur Umrichtertechnik sowie der Ausbildung und Anregung von Resonanzschwingkreisen am Beispiel eines RLC-Reihenschwingkreises erklärt, der stellvertretend für das stark reduzierte Gleichtaktmodell eines modernen Antriebssystems steht. Die Literaturrecherche gibt einen detaillierten Einblick über aktuelle Methoden der Reduktion von Gleichtaktstörungen wieder. Viele wissenschaftliche Veröffentlichungen behandeln modifizierte Ansteuerverfahren für die eingesetzten Umrichter, welche gezielt die Gleichtaktspannungen eines jeden Spannungsraumzeigers ausnutzen. Die Theorie und Funktionsweise des neuen Steuerverfahrens HCad, wird mathematisch hergeleitet und anhand eines idealen Simulationsmodells untersucht. Die Auswertung der Simulationsergebnisse ermöglicht es bereits, die dämpfende Wirkung unter idealen Bedingungen zu quantifizieren. Die Umsetzung eines praxisnahen Laborprüfstands dient der Verifikation und dem Vergleich realer Messungen mit den in der Simulation gewonnen Erkenntnissen. Die durchgeführten Messreihen bestätigen die Möglichkeit, Gleichtaktstörungen mithilfe einer zeitlichen Flankenverschiebung im Umrichter zu bekämpfen. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Anwendung der aktiven Gleichtaktdämpfung neben der eigentlichen Aufgabe eines Steuerverfahrens in vollem Umfang und über den kompletten Modulationsbereich eines Umrichters möglich ist.

This thesis investigates the formation and effect of common mode oscillation in electric drive systems. Parasitic impedances are forming resonant circuits in combination with the impedances of the drive system. Each inverter switching operation is stimulating common mode oscillation in system resonant circuits. One focus is the development of an analytical calculation method to determine the existing parasitic common mode paths and their resonance frequencies. The other main focus is the possibility of an active damping method of common mode oscillation. For this purpose, an algorithm analyzes each individual switching edge of the inverter for its effect in the common mode system. Subsequently, the timing of the switching edge is optimized so that it achieves the best possible damping in the common mode system. As an introduction, the necessary fundamentals of inverter technology and their control algorithm are shown. As well as the formation and excitation of resonant circuits are explained using the example of an RLC series resonant circuit. The literature research provides a detailed insight into current methods of reducing common mode oscillation. Many scientific publications deal with modified control methods, which specifically exploit the common mode voltages of each space vector. The introduced new control algorithm among to the category of modified control methods, is based on a direct current control method. The theory and operation of the mentioned control method is first mathematically described and examined using an ideal simulation model. The evaluation of these signals already serves to quantify the damping effect of shifting the switching edge. A test bench is used to verify the active damping method in a practical application of an electrical drive system. Therefore, the measurement results confirm the possibility of damping common mode oscillation by slightly shifting each switching edge in the inverter. In addition, it is shown that it is fully possible to control the demanded current alongside the control algorithm of the active damping method.

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