Titelaufnahme

Titel
Transiente Stromerfassung an Stromrichtern / von Reinhard Enne
VerfasserEnne, Reinhard
Begutachter / BegutachterinWolbank, Thomas
Erschienen2008
Umfangvii, 104 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)CDI / Rogowskispule / INFORM / Fehlererkennung / Stromanstiegssensor
Schlagwörter (EN)CDI / Rogowski coil / INFORM / faultdetection / current derivative sensor
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-24964 Persistent Identifier (URN)
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Transiente Stromerfassung an Stromrichtern [3.34 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Online-Reaktanzmessung der Statorwicklung in Drehfeldmaschinen eröffnet viele neue Möglichkeiten im Betrieb von umrichtergespeisten Antriebssystemen. Neben dem ursprünglichen INFORM-Verfahren, welches auf eine wellensensorlose Erfassung des Flussraumzeigers abzielt, lassen sich damit auch Fehler der Maschine erkennen und klassifzieren, wie z.B. Stabbruch im Rotor, mechanische Exzentrizität, Windungsschlüsse, etc. .

Der Zugang zu den Reaktanzen erfolgt in den meisten Verfahren über die Ermittlung der Stromanstiegsvektoren, bei einer sprungförmigen Spannungsanregung. Ein gängiges Verfahren hierfür ist die Bildung des Differenzenquotienten zweier zeitversetzter Strommessungen, welches sich aber in manchen Fällen auf Grund der benötigten Messdauer und wegen des systematischen Fehlers dieser Tangentennäherung als problematisch erweist.

Die direkte Messung des Stromanstiegs mittels CDI-Sensoren bringt eine Verbesserung dieser Problemstellung, da damit einerseits das Problem der Tangentennäherung eliminiert wird und andererseits die benötigte Messdauer erheblich verkürzt wird. Dieser Geschwindigkeitsvorteil ermöglicht die Verwendung kürzerer Testsequenzen, wodurch sich die Stromwelligkeit und die Geräuschbildung der Maschine verringert. Weitere Vorteile bestehen in der Robustheit der CDI, sowie der besseren digitalen Auflösung des Stromanstiegs, wodurch sich die SNR der Reaktanzmessung verbessert.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung der direkten Stromanstiegsmessung für die Verwendung in INFORM basierenden Messverfahren an Spannungszwischenkreisumrichtern. Als Basis der vorgestellten CDI-Sensoren dient das Prinzip der nichtintegrierenden Rogowskispule, dessen theoretische Abhandlung sich im ersten Kapitel wiederfindet. Die Wahl dieses Konzeptes ergibt sich aus sicherheitstechnischen Gründen, der unkomplizierten Einbindung in Leistungskreise, sowie EMV-technischen Überlegungen. Ein weiterer Vorteil besteht im einfachen Aufbau und der passiven Signalwandlung.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines schnellen, störungssicheren, dreiphasigen Messsystems, um damit die Mechanismen der störenden Einschwingvorgänge im Stromanstiegssignal zu untersuchen und um Ansätze zu überprüfen, welche auf die Dämpfung dieser durch Kompensationsschaltungen abzielen. Mit dem Wissen über die Dauer der schellst möglichen, sinnvollen Messung wird daran herangegangen, ein weiteres Messsystem aufzubauen, dessen Bandbreite und Übertragungsfaktor an die benötigte Grenzfrequenz angepasst ist. Die Verkleinerung und Vereinfachung des optimierten Systems führt auf die Verwendung von luftspaltbehafteten Ferritspulen sowie deren Vergleich mit einem eisenfreien CDI.

Abschließend werden die optimierten CDI-Systeme mit dem Tangentennäherungsverfahren anhand zweier unterschiedlicher Reaktanzmessverfahren verglichen. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von CDIs in beiden Fällen die Qualität der Reaktanzmessung verbessert.

Zusammenfassung (Englisch)

The online reactance measurement of the stator windings at inverter-fed AC machines establishes a lot of possibilities for handling of these drive systems.

Beside the former INFORM method, which aims the measurement of the flux orientation in AC machines, it was shown that the reactance measurement delivers also a way for the online fault detection and -classification, like mechanical eccentricities, interturn faults, rotor faults etc.

Most of these methods acquire the reactance by measuring the current derivation in the stator windings while the machine is excited by a voltage jump. A very simple way to get the current derivation is to calculate the differential quotient of two time shifted current measurements. In some cases this method is problematic because of the relatively long acquisition time which is needed to achieve a good SNR.

Furthermore there is the problematic of the tangent approximation which is delivered by the di$erential quotient method, because this causes measurement errors at non-constant current derivations. The direct measurement of the current derivation avoids all these drawbacks. On the first hand the tangent problem is eliminated because in the usage of current derivation sensors (CDI) there is only one data acquisition necessary to get the aimed variable, and on the other hand it is very simple to match the CDI's amplification factor to the appearing current alteration rates. So it is possible to reduce the quantization noise by exploiting the full acquisition range of the attached ADC.

This diploma thesis deals with the optimization of the direct current derivation measurement at voltage-inverter fed AC machines for the usage in INFORM based methods. As basis for the CDIs the principle of the Rogowskicoil was applied. The choice of this concept is based on the uncomplicated handling of such sensors as well as safety-related and EMC considerations. The first aim of this work is the construction of a fast, three-phase CDI system to observe the distracting parts in the switching transients at the machine terminals. With the aid of this equipment and a simple system model, some parasitic effects have been evaluated to find an optimal integration method for the CDI in the main circuit of the AC drives. The knowledge about the fastest reasonable derivation measurement has led to the construction of two further, slower three phase CDI systems. One active amplified high-linear system and another ferritebased passive system with the same frequency response. Summing up the matched CDI systems have been tested and compared with the differential quotient method in two applications.

It has been shown that the usage of the matched CDIs gives an improvement of the SNR while a better immunity against system-external disruptions has been achieved.