DE102005012656A1

DE102005012656A1 - Umrichtergespeiste Drehstrommaschine

Info

Publication number: DE102005012656A1
Application number: DE102005012656A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Blöcher; Hans Tischmacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine umrichtergespeiste Drehstrommaschine mit einem Spannungszwischenkreis-Umrichter (2) und einer Drehstrommaschine (4), die mittels eines Kabels (6) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, und mit einem Kern (44), der um eine Antriebswelle (12) der Drehstrommaschine (4) am antriebsseitigen Motorlager (20) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist im Innern der Drehstrommaschine (4) um die Antriebswelle (12) wenigstens ein weiterer Kern (46) angeordnet. Somit erhält man eine umrichtergespeiste Drehstrommaschine, bei der mit einfachen Mitteln mehrere umrichterbedingte Lagerstromanteile gezielt bedämpft werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine umrichtergespeiste Drehstrommaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Phänomen der Lagerströme ist schon seit langem bekannt. Man versteht darunter unterwünschte Ströme aufgrund von parasitären Effekten in der Maschine, die über die Laufbahn und Wälzkörper der Maschinenlager fließen und zu Lagerschäden führen können. Diese Lagerströme werden unterschieden in "Klassische Lagerströme" und "Umrichterbedingte Lagerströme". Die "Klassischen Lagerströme" treten aufgrund von magnetischen Unsymmetrien innerhalb der Maschine auf. Diese Unsymmetrien können konstruktiv bedingt sein als auch durch Fertigungstoleranzen verursacht sein. Diese magnetischen Unsymmetrien rufen Wellenspannungen hervor, die bei Überschreitung von typischen 500mV Scheitelwert zirkulare Lagerströme verursachen können. Zur Verhinderung dieser Lagerströme werden bei netzgespeisten Motoren Lagerisolationen eingesetzt. Dabei wird in der Regel das B-seitige Lager isoliert. Durch eine gute HF-Erdung des Motors wird ein Stromfluss in die angekoppelte Arbeitsmaschine vermieden.
Durch die schaltende Arbeitsweise eines Wechselrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters wird jede Ausgangsphase wechselweise mit dem positiven oder negativen Zwischenkreispotential verbunden. Während bei einem symmetrischen sinusförmigen Drehspannungssystem die Summe der drei Spannungen gegen Erde zu jeder Zeit Null ergibt, weist am Wechselrichter-Ausgang diese Summenspannung einen ähnlichen pulsförmigen Verlauf auf wie die verkettete Spannung. Diese Gleichtaktspannung gegen Erde, auch Commen-Mode-Spannung genannt, ist von der Ausprägung her abhängig vom Pulsmuster des jeweiligen Umrichterfabrikats und kann am Sternpunkt eines angeschlossenen Motors beobachtet werden. Sie ist verantwortlich für die zusätzlichen pulsumrichterbedingten Lagerbeanspruchungen. Ein wesentliches Kriterium stellt dabei die Steilheit (Anstiegszeit) der Pulsmuster der Gleichtaktspannung dar. Diese Gleichtaktspannung weist bei jeder Schalthandlung des Wechselrichters eine steile Spannungsflanke auf. Als Folge fließt jedes Mal bei einem solchen Vorgang ein kapazitiver Strom in die parasitären Kapazitäten des Motors. Im idealisierten Fall würde dieser Strom über den Schirm des angeschlossenen Motorkabels zum Umrichter zurückfließen und nach außen nicht in Erscheinung treten. In der Realität ist die Impedanz dieses Stromweges oftmals zu hoch, so dass ein großer Teil dieses Stromes als "vagabundierender Erdstrom" über den Weg Motorlager und Lager der angekoppelten Arbeitsmaschine abfließt.

In der Veröffentlichung mit dem Titel "Lagerströme bei umrichtergespeisten Drehstrommaschinen", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "antriebstechnik", Band 39 (2000), Nr. 11, Seiten 34, 37 bis 39, werden Einflussgrößen und Gegenmaßnahmen gegen kapazitive Erdströme aufgezeigt. Außerdem werden Einflussgrößen und Gegenmaßnahmen gegen umrichterbedingte zirkulierende Ströme aufgezeigt. Diese zirkulierende Ströme fließen im Gegensatz zu den Rotorerdströmen in den beiden Motorlagern gegensinnig. Sie werden getrieben durch eine induzierte Spannung längs der Welle und können sich auf dem Weg über die Lager und dem Ständergehäuse schließen.

Die Veröffentlichung "Schäden sicher verhindern – Abhilfemaßnahmen für umrichterbedingte Lagerströme in Industrieantrieben", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "antriebstechnik", Nr. 1, 2005, Seiten 36 bis 40, beschäftigt sich aufbauend auf den Wirkungsketten umrichterbedingter Lagerströme mit dem Einfluss unterschiedlicher Systemparameter auf die Lagerstromgröße im Rahmen eines Forschungsprojektes. Umrichterbedingte Lagerströme können schon bei kleineren Motoren auftreten, wenn die Umrichterzwischenkreisspannung und die Flankensteilheit der Ausgangsspannung eines IGBT-Umrichters ausreichend hoch sind, z.B. 560V für Umrichter mit 3 × 400V Eingangsspan nung und du/dt = 2 bis 10kV/μs. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter mit Pulsweitenmodulation oder Hystersebandregelung stellt eine Spannungsquelle im Nullspannungssystem dar. Diese hochfrequente Nullspannung lädt parasitäre Kapazitäten im Motor mit teilweisen hohen HF-Strömen um. Bei dieser Untersuchung werden vier unterschiedliche Typen von Lagerströmen unterschieden. Da die Bedeutung der unterschiedlichen Lagerstromarten mit unterschiedlicher Motorbaugröße und Erdungskonfiguration variieren, müssen folglich die Abhilfemaßnahmen zur Lagerstromverringerung oder -beseitigung individuell gemäß der in dieser Veröffentlichung gemachten Angaben ausgewählt werden.

Aus der JP 06-233 492 A ist eine weitere Maßnahme zur Bedämpfung von umrichterbedingten Lagerströmen bekannt. Diese weitere Maßnahme besteht darin, dass am A-seitigen Motorlager um die Antriebswelle außerhalb des Motors ein Kern, insbesondere ein ringförmiger Ferritkern, angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Kerns, kann dieser nur dämpfend auf den Rotorerdstrom, einer von vier Lagerstromanteilen, einwirken.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine umrichtergespeiste Drehstrommaschine anzugeben, bei der mehrere Lagerstromanteile gleichzeitig gezielt gedämpft werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass im Innern der umrichtergespeisten Drehstrommaschine wenigstens um die Antriebswellen ein weiterer Kern angeordnet ist, ist außerdem im Stromkreislauf des zirkularen Lagerstromes eine dämpfende Vorrichtung angeordnet. Somit weist die erfindungsgemäße umrichtergespeiste Drehstrommaschine für zwei Lagerstromtypen Vorrichtungen auf, mit denen diese Lagerstromtypen gezielt gedämpft werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der umrichtergespeisten Drehstrommaschine ist ein weiterer Kern im Klemmkasten der Drehstrommaschine um das Anschlusskabel vom Umrichter angeordnet. Dadurch wird der HF-Strom an den Motorklemmen, der für die Entstehung der Lagerstromanteile verantwortlich ist und von der Gleichtakt-Spannung getrieben wird, bedämpft. Dadurch fallen die Amplituden der Lagerstromanteile ebenfalls geringer aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der umrichtergespeisten Drehstrommaschine sind den Unteransprüchen 3 bis 5 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen umrichtergespeisten Drehstrommaschine schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt eine Grundkonfiguration einer bekannten umrichtergespeisten Drehstrommaschine, die
2 verdeutlicht die Zusammenhänge zur Bildung von Lagerströmen bei einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine, in der
3 ist eine erste Ausführungsform einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine nach der Erfindung dargestellt, die
4 zeigt die Ausführungsform nach 3 mit zwei auftretenden Lagerstromanteilen und in der
5 ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine nach der Erfindung veranschaulicht.
Eine bekannte umrichtergespeiste Drehstrommaschine weist nach 1 einen Spannungszwischenkreis-Umrichter 2, eine Drehstrommaschine 4 und ein Anschlusskabel 6 auf. Das Anschlusskabel 6 ist mittels eines Kabelschirms 8 geschirmt. Das Anschlusskabel 6 kann aber auch ohne Schirm 8 ausgeführt sein.
Mittels dieses dreiadrigen Anschlusskabels 6 ist die Drehstrommaschine 4 mit den Ausgängen des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 verbunden. An den Ausgängen des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 ist ein Dämpfungskern 10 um die Leitung des Anschlusskabels 6 angeordnet. Mit der Antriebswelle 12 der Drehstrommaschine 4 ist mittels einer Kupplung 14 eine Arbeitsmaschine 16 gekuppelt, wobei ein Tachogenerator an der B-Seite der Drehstrommaschine 4 isoliert angekuppelt wird, sofern dieser gewünscht wird. Bei der Kupplung 14 handelt es sich um eine unisolierte Kupplung. Die Antriebswelle 12 der Drehstrommaschine 4 ist beidseitig jeweils mittels eines Lagers 18 und 20 gelagert. Dabei bildet das Lager 18 das sogenannte B-seitige Lager und das Lager 20 das sogenannte A-seitige Lager. Dieses Lager 18 bzw. 20 bildet zusammen mit der stirnseitigen Abdeckung jeweils ein Lagerschild. Auf der Antriebswelle 12 ist der Rotor 22 der Drehstrommaschine 4 angeordnet, wogegen im Ständerblechpaket 24 eine Ständerwicklung 26 untergebracht ist. Umrichter 2, Drehstrommaschine 4 und Arbeitsmaschine 16 sind jeweils geerdet. Diese Anbindungen sind jeweils durch eine Impedanz 28, 30 und 32 veranschaulicht. Jede Impedanz 28, 30 und 32 ist mit Erdpotential 34 elektrisch leitend verbunden. Der Kabelschirm 8 des Anschlusskabels 6 ist einerseits mit dem Gehäuse 36 des Umrichters 2 und andererseits mit einem Klemmkasten 38 der Drehstrommaschine 4 elektrisch leitend verbunden. Auch diese Anbindungen sind jeweils mittels einer Impedanz 40 veranschaulicht.
Ein Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 der netzseitig wenigstens eine Diodeneinspeisung oder einen netzgeführten Stromichter oder einen selbstgeführten Stromrichter, der auch als Active Front End (AFE) bezeichnet wird, und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter aufweist, die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungszwischenkreises miteinander elektrisch leitend verbunden sind, erzeugt seine Ausgangsspannung durch geregeltes Schalten des Gleichspannungszwischenkreises auf den Ausgang. Durch einen Wechsel von positiven und negativen Potential in schneller Folge führt zu einem pulsweitmodulierten Spannungsverlauf an den Phasenausgängen des selbstgeführten Pulsstromrichters. Die Summe dieser drei Phasenspannungen ist ungleich Null und ergibt die sogenannte Gleichtaktspannung, die auch als Commen-Mode-Spannung bezeichnet wird. Jede steile Spannungs-Schalthandlung verursacht hochfrequente Anregungen mit daraus resultierenden Strömen, welche über parasitäre Pfade zur Quelle zurückfließen.
Da die im selbstgeführten Pulsstromrichter verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), immer schneller schalten, ist die Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit du/dt mittlerweile um den Faktor 10 angestiegen. Im Handel erhältliche IGBTs weisen einen du/dt von ca. 5kV/μs auf. Daraus ergeben sich höhere Hochfrequenzanteile im Spektrum der Motorspannung. Außerdem erstehen in den verwendeten abschaltbaren Halbleiterschaltern geringere Schaltverluste, so dass sich die Pulsfrequenz eines selbstgeführten Pulsstromrichters mittlerweile bei 3 bis 4kHz liegt. Die Folge daraus sind:

– Motorstrom ist wesentlich sinusförmiger, wodurch sich der Motor weniger erwärmt und einen guten Rundlauf aufweist.
– Isolierung des Motors wird wegen auftretender Überspannungen stärker belastet, so dass eine verstärkte Isolation verwendet werden muss.
– Es treten zusätzliche Lagerströme auf, die umrichterbedingt sind.

Anhand der Darstellung in der 2 wird die Entstehung von drei verschiedenen Lagerstromarten bei Umrichterspeisung näher erläutert. Die beschriebenen Spannungssprünge u_U am Umrichterausgang führen zu HF-Strömen i_MHF an den Motorklemmen, welche sich dann als parasitäre Ströme weiterverteilen. Der HF-Strom i_MHF fließt über die Kapazität Ständerwicklung 26 – Ständerblechpaket 24 in den Motorzahn. Diese Anteile bewirken einen magnetischen Ringfluss im Ständerblechpaket 24, welcher wiederum eine HF-Wellenspannung u_WHF im Rotor 22 induziert. Über der Stromschleife Antriebswelle 12, Lager 18, Lagerschild, Gehäuse, Lager 20 treibt diese Wellenspannung u_WHF einen Zirkularstrom i_Z. Dieser Kreisstrom i_Z, der durch beide Lager 18 und 20 fließt, hat den gleichen Betrag allerdings abhängig vom Lager 18 bzw. 20 unterschiedliche Richtungen. Die primäre Quelle für diesen Zirkularstrom i_Z ist zwar der Umrichter 2 mit seinem beschriebenen Schaltverhalten, die sekundäre Quelle des Zirkularstromes i_Z liegt über die induktive Kopplung allerdings innerhalb der Drehstrommaschine 4.
Die vom Umrichter 2 erzeugten und an den Motorklemmen fließenden HF-Ströme i_MHF wollen wieder zur Quelle, dem Spannungszwischenkreis des Umrichters 2, zurückfließen. Diese suchen sich dabei den Weg des geringsten HF-Widerstandes. Die das HF-Spannungspotential u_DHF des Motorgehäuses in Verbindung mit den möglichen Rückleitungswegen zum Umrichter 2 bestimmen die Höhe und die Aufteilung der parasitären Ströme. Ist die Drehstrommaschine 4 nicht direkt geerdet, fließt der parasitäre Strom über den Weg Antriebswelle 12 – Kupplung 14 – Arbeitsmaschine 16 – Erdpotential zum Umrichter 2 zurück. Dieser parasitäre Strom wird als HF-Rotorerdstrom i_RHF bezeichnet.
Die am Schmierspalt des Lagers 18 bzw. 20 anstehende Spannung u_SPL ist ein vollständiges Abbild der Gleichtakt-Spannung, jedoch betragsmäßig um eine sogenannte Bearing Voltage Ratio (BVR) kleiner. Der Schmierfilm des Lagers 18 bzw. 20 bildet eine Schmierfilmkapazität 42, die pulsförmig mittels eines Ladestromes i_CSL aufgeladen wird, wodurch die anstehende Lagerspannung u_SPL ansteigt. Übersteigt diese Lagerspannung u_SPL die Durchschlagsspannung des elektrischen Lagerschmierfilms, so kommt es zum elektrischen Durchschlags des Schmierfilms. Der dabei auftretende Entladestrom i_EPM wird als sogenannter EDM-Strom (Electrostatic Discharge Machining-Strom) bezeichnet. Die Entladung erfolgt lagerintern und führt zu Mikrokratern auf den Laufbahnen der Wälzlager.
Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine nach der Erfindung. Diese umrichtergespeiste Drehstrommaschine unterscheidet sich von einer bekannten umrichtergespeisten Drehstrommaschine gemäß 1 dadurch, dass um die Arbeitswelle 12 am antriebsseitigen Lager 20 ein Kern 44 und im Innern der Drehstrommaschine 4 wenigstens ein weiterer Kern 46 um die Antriebswelle 12 angeordnet sind. Als Kerne 44 und 46 werden ringförmige Kerne aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften wenigstens hoher Permeabilität verwendet. Ein Beispiel eines derartigen Kerns 44 bzw. 46 ist ein nanokristalliner Eisenkern.
Der 4 ist zu entnehmen, welcher Kern 44 oder 46 auf welchem Lagerstromanteil einwirkt. Gemäß dieser Darstellung wird der Kern 44, der außerhalb der Drehstrommaschine 4 am antriebsseitigen Lager 20 um die Antriebswelle 12 angeordnet ist, vom HF-Rotorerdstrom i_RHF durchflossen. Dagegen werden die Kerne 46 im Inneren der Drehstrommaschine 4 vom Zirkularstrom i_Z, der durch eine induzierte HF-Wellenspannung u_WHF getrieben wird, durchflossen. Durch diese in den beiden Stromkreisen angeordneten Kernen 44 und 46 wird gezielt dämpfend auf die in diesen Stromkreisen fließenden parasitären Ströme i_RHF und i_Z eingewirkt.
In der 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine nach der Erfindung dargestellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 dadurch, dass ein weiterer Kern 48 im Klemmkasten 38 der Drehstrommaschine 4 um das Anschlusskabel 6 angeordnet ist. Wie bereits erläutert, führen Spannungssprünge u_U am Umrichterausgang zu HF-Ströme i_MHF an den Motorklemmen, welche sich dann als parasitäre Ströme weiter verteilen. Mittels des weiteren Kerns 48 aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften wenigstens hoher Permeabilitättät, beispielsweise ein nanokristalliner Eisenkern, wird dieser HF-Strom i_MHF gezielt gedämpft. Somit fallen die Amplituden der durch diesen HF- Strom i_MHF verursachten Lagerströme i_RHF, i_Z und i_EDM ebenfalls geringer aus, so dass die zur Bedämpfung der Lagerströme i_RHF und i_Z verwendeten Kerne 44 und 46 kleiner ausfallen. Der weitere Kern 48 wird derart dimensioniert, dass die Summe der Ströme i_EDM und i_RHF und i_Z so klein ist, dass weniger Mikrokrater auf den Laufbahnen der Wälzlager 18 und 20 entstehen können. Durch diese Ausführungsform der umrichtergespeisten Drehstrommaschine werden alle Lagerstromanteile gezielt gedämpft.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine können unterschiedliche umrichterbedingte Lagerstromanteile gleichzeitig derart bedämpft werden, dass eine Beeinträchtigung der Lagerlebensdauer der verwendeten Lager 18 und 20 nicht mehr zu befürchten ist. Dabei werden keine hochwertigen Komponenten wie Ausgangsfilter, Pulsmodulationsverfahren ohne Nullzeiger oder Motor mit Lagerisolation benötigt. Um eine gezielte Dämpfung von umrichterbedingten Lagerstromanteilen zu erzielen, wird eine Kernanordnung gemäß der Erfindung für die Drehstrommaschine 4 vorgesehen.

Claims

Umrichtergespeiste Drehstrommaschine mit einem Spannungszwischenkreis-Umrichter (2) und einer Drehstrommaschine (4), die mittels eines Kabels (6) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, und mit einem Kern (44) der um eine Antriebswelle (12) der Drehstrommaschine (4) am antriebsseitigen Motorlager (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern der Drehstrommaschine (4) um die Antriebswelle (12) wenigstens ein weiterer Kern (46) angeordnet ist.
Umrichtergespeiste Drehstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Kern (48) im Klemmkasten (38) der Drehstrommaschine (4) um das Kabel (6) angeordnet ist.
Umrichtergespeiste Drehstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kern (46) im Innern der Drehstrommaschine (4) an einem Motorlager (18, 20) der Drehstrommaschine (4) angeordnet ist.
Umrichtergespeiste Drehstrommaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (44, 46, 48) aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften wenigstens hoher Permeabilität bestehen.
Umrichtergespeiste Drehstrommaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (44, 46, 48) ringförmig ausgebildet sind.