Ketjutetun tasajännitevälipiirijärjestelmän oikosulkumallinnus vaativimman oikosulkutilanteen selvittämiseksi

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan yhteisellä välipiirillä varustetussa taajuusmuuttajajärjestelmässä tapahtuvan tasajännitevälipiirin napojen välisen oikosulun aiheuttamia vikavirtoja piirin eri osissa. Työssä muodostetaan simulaatio, jonka avulla selvitetään useista erilaisista piirikokoonpanoista pahin skenaario, jonka katsotaan olevan se, jossa mitataan piirin valituissa osissa suurimmat virran i²t-arvot. Skenaarioiden muuttujia ovat syöttöverkon jännite, syöttävän taajuusmuuttajan verkonpuoleinen kuristin, kaksi eri kokoista DC-sulaketta sekä vaihtoehto, jossa piiri on kokonaan ilman DC-sulaketta, kolme erilaista kuormalaitekokoonpanoa, sekä vian sijainti. Kaikista muuttujista muodostuu yhteensä 132 eri skenaariota, jotka simuloidaan pahimman skenaarion selvittämiseksi.

Simulaatiomallin muodostusta varten työssä suoritetaan myös impedanssimittauksia eri komponenteille. Näiden avulla määritetään simulaatiossa käytettyjen komponenttien sähköisiä parametreja. Mallilla suoritetaan lisäksi vertailusimulaatiot, joiden tuloksia verrataan IEC 61660 -standardissa esitetyn oikosulkulaskennan metodin avulla saatuihin tuloksiin.

Tulosten perusteella tunnistetaan pahimmat skenaariot, mutta erot pahimpien skenaarioiden välillä ovat pieniä, jolloin yhtä selvästi muita pahempaa skenaariota ei ilmene. Tuloksista saadaan kuitenkin selville, että suurempi syöttöverkon jännite, sekä käytössä ollut syöttöverkonpuoleinen kuristin nostavat muuttujista merkittävimmin piirissä mitattuja virran i²t-arvoja. DC-sulakkeen eri vaihtoehtojen merkitys mitattuihin virran i²t-arvoihin on pieni, paitsi skenaarioissa, jossa vika tapahtuu syöttöyksikössä, jolloin käytössä ollut DC-sulake suojaa tehokkaasti vian ulkopuolelle jääviä kuormalaitteita. Vian sijainnin ei työssä havaita vaikuttavan merkittävästi piirissä mitattuihin virran i²t-arvoihin edellä mainittuja kuormalaitteita suojanneita skenaarioita lukuun ottamatta.

This thesis studies short circuit currents occurring in a frequency converter system with a common DC-link when a fault happens between the poles of the DC-link. A simulation model is formed to analyze various circuit configurations and to determine the worst-case scenario. It is considered that the worst-case scenario is the one where the highest current i²t values are measured in the circuit. The circuit variables include the supply voltage, the AC-choke of the supply unit, two different sizes of DC-fuses as well as no DC-fuse option, three different load device configurations and different fault locations. In total 132 different scenarios are formed based on the variables and simulated to determine the worst-case scenario.

To build the simulation model, impedance measurements are carried out for various components. These measurements help define the electrical parameters of the components used in the simulation. In addition, comparative simulations are conducted, and the results are compared with those obtained using the short-circuit calculation method presented in IEC 61660 -standard.

According to results, the worst-cases are identified but the differences between highest-value-scenarios are minimal, meaning that no single scenario is significantly worse than the others. The results however reveal that a higher supply voltage and an AC-choke in the circuit before supply unit are the most significant factors affecting the measured i²t values in the circuit. The impact of different DC-fuse options on the measured i²t values is small, except in cases where the fault occurs in the supply unit where the DC-fuse protects the load devices. The fault location does not appear to significantly affect the measured i²t values except for the scenarios where the DC fuse protected the load devices.