System parameters and verification of overvoltage suppression filter design
Hyttinen, Topias (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023053049503
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023053049503
Tiivistelmä
The target of this thesis is to collect sufficient data on system high-frequency parameters to accurately simulate an electric drive system with and without an overvoltage suppression filter at the inverter output. The simulation model will later be used as a tool for filter design and system verification. Also, a method for calculating filter losses is investigated. This thesis is carried out for The Switch Engineering Oy.
A modern frequency converter typically utilizes IGBTs with short rise times at its inverter stage. High voltage amplitudes and voltage gradients (du/dt) are known to take place at the terminals of an electrical machine if it is supplied through a power cable longer than the critical cable length. Motor terminal voltage can reach twice the converter DC-link voltage and the du/dt value can reach even more than double compared to the inverter du/dt value. High voltage amplitudes and gradients are known to cause voltage stress for machine insulation and insulation failures. The phenomenon is explained with transmission line theory according to which the inverter voltage pulses travel as incident waves in the cable and voltage reflections take place at impedance mismatches of the transmission line.
The system model was built and a new model for an iron core inductor and electrical machine was proposed. Simulation results were compared to the measurement results and good agreement was found. The model is evaluated to be suitable for the filter design process tool. An iron core inductor was found to provide better filtering performance compared to an ideal inductor. The filter loss calculation method was verified with measurement results and good agreement was found. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää erään sähkökäytön suurtaajuusparametrit ja muodostaa niiden avulla simulointimalli, jolla systeemiä voi simuloida tarkasti ilman transienttiylijännitesuodinta sekä sen kanssa. Simulointimallia voidaan myöhemmin käyttää suotimen suunnitteluprosessin työkaluna. Myös suotimessa tapahtuvien häviöiden laskemiseen esitellään menetelmä. Tämä diplomityö on tehty yhteistyössä The Switch Engineering Oy:n kanssa.
Nykyaikaisen taajuusmuuttajan invertteri perustuu usein IGBT-tyypin tehopuolijohdekytkimiin, joiden jännitteiden nousunopeudet ovat korkeita. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että taajuusmuuttajakäytöissä, joissa käytetään kriittistä kaapelipituutta pidempää kaapelia, sähkökoneen terminaalijännitteen amplitudi voi saavuttaa kaksinkertaisen sekä jännitteen nousunopeus (du/dt) jopa yli kaksinkertaisen arvon verrattuna invertterin lähtöjännitteen vastaaviin arvoihin. Nämä aiheuttavat jänniterasitusta sähkökoneen staattorikäämien eristykselle ja voivat aiheuttaa konerikon. Ilmiö voidaan selittää siirtojohtoteorian avulla, jonka mukaan nopeareunaiset jännitepulssit etenevät kaapelilla aaltoina ja jotka heijastuvat siirtojohdon impedanssiepäsovituksista.
Tarkasteltavalle systeemille muodostettiin simulointimalli, jonka yhteydessä rautasydämiselle kuristimelle sekä sähkökoneelle esiteltiin sovelletut sijaiskytkennät. Simuloinnin tulokset ja mitatut arvot vastasivat hyvin toisiaan ja simulaatiomallin arvioitiin soveltuvan suodinsuunnittelun työkaluksi. Rautasydämisen kuristimen huomattiin tarjoavan ideaalista kuristinta paremman suorituskyvyn suotimessa. Suodinhäviöiden laskemiseen esitelty menetelmä varmistettiin mittauksilla ja menetelmä arvioidaan soveltuvaksi.
A modern frequency converter typically utilizes IGBTs with short rise times at its inverter stage. High voltage amplitudes and voltage gradients (du/dt) are known to take place at the terminals of an electrical machine if it is supplied through a power cable longer than the critical cable length. Motor terminal voltage can reach twice the converter DC-link voltage and the du/dt value can reach even more than double compared to the inverter du/dt value. High voltage amplitudes and gradients are known to cause voltage stress for machine insulation and insulation failures. The phenomenon is explained with transmission line theory according to which the inverter voltage pulses travel as incident waves in the cable and voltage reflections take place at impedance mismatches of the transmission line.
The system model was built and a new model for an iron core inductor and electrical machine was proposed. Simulation results were compared to the measurement results and good agreement was found. The model is evaluated to be suitable for the filter design process tool. An iron core inductor was found to provide better filtering performance compared to an ideal inductor. The filter loss calculation method was verified with measurement results and good agreement was found.
Nykyaikaisen taajuusmuuttajan invertteri perustuu usein IGBT-tyypin tehopuolijohdekytkimiin, joiden jännitteiden nousunopeudet ovat korkeita. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että taajuusmuuttajakäytöissä, joissa käytetään kriittistä kaapelipituutta pidempää kaapelia, sähkökoneen terminaalijännitteen amplitudi voi saavuttaa kaksinkertaisen sekä jännitteen nousunopeus (du/dt) jopa yli kaksinkertaisen arvon verrattuna invertterin lähtöjännitteen vastaaviin arvoihin. Nämä aiheuttavat jänniterasitusta sähkökoneen staattorikäämien eristykselle ja voivat aiheuttaa konerikon. Ilmiö voidaan selittää siirtojohtoteorian avulla, jonka mukaan nopeareunaiset jännitepulssit etenevät kaapelilla aaltoina ja jotka heijastuvat siirtojohdon impedanssiepäsovituksista.
Tarkasteltavalle systeemille muodostettiin simulointimalli, jonka yhteydessä rautasydämiselle kuristimelle sekä sähkökoneelle esiteltiin sovelletut sijaiskytkennät. Simuloinnin tulokset ja mitatut arvot vastasivat hyvin toisiaan ja simulaatiomallin arvioitiin soveltuvan suodinsuunnittelun työkaluksi. Rautasydämisen kuristimen huomattiin tarjoavan ideaalista kuristinta paremman suorituskyvyn suotimessa. Suodinhäviöiden laskemiseen esitelty menetelmä varmistettiin mittauksilla ja menetelmä arvioidaan soveltuvaksi.