MA – Parametrierung und Validierung eines Simulationsmodells zur Zwischenkreisauslegung
Entwicklung, Parametrierung und Validierung eines Simulationsmodells zur Zwischenkreisauslegung und Bestimmung der systemwirkungsgradoptimalen Umrichterschaltfrequenz
Kurzzusammenfassung
Die Spannungs- und Stromrippel auf dem Zwischenkreis und Hochvolt-Bordnetz von Traktionsantrieben sind entscheidende Größen, die vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten dürfen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das diese Rippel für ein gegebenes Antriebssystem mit guter Genauigkeit simulieren kann. Hierzu wurde eine permanentmagneterregte Synchronmaschine frei parametrierbar im elektromagnetischen Verhalten abgebildet. Dies umfasst unter anderem auch die Oberwellenanteile im magnetischen Fluss. Es wurde ebenso untersucht, welchen Einfluss die Zwischenkreisspannung und Zwischenkreiskapazität auf die Rippel haben. Zusätzlich ist die Auswirkung der alterungsbedingten Reduktion der Zwischenkreiskapazität analysiert worden.
Die Untersuchungen wurden anhand von Prüfstandsmessungen und Simulationsergebnissen für das Modulationsverfahren Sinus-Dreieck-Modulation mit Injektion einer 3. Harmonischen durchgeführt. Dabei wurden die Frequenzspektren auf dem Zwischenkreis untersucht und der Einfluss der Antriebsregelung aufgezeigt. Je nach Betriebspunkt ist es möglich, die Taktfrequenz des Antriebsumrichters zu variieren. Welche Taktfrequenzen über Drehzahl und Drehmoment zulässig sind, bevor vorgegebene Rippelkriterien des HV-Bordnetzes verletzt werden, wurde simulativ untersucht. Durch Absenkung der Schaltfrequenz werden im Antriebsumrichter Schaltverluste reduziert, während in der elektrischen Maschine Verlustanteile steigen. Welches energetische Potential durch Variation der Taktfrequenz im vorliegenden Antriebssystem entsteht, wird im Rahmen dieser Arbeit abschließend aufgezeigt.
Abstract
The voltage and current ripples on the intermediate circuit and high-voltage on-board power supply of traction drives are decisive variables that must not exceed specified limits. In this work, a simulation model has been developed that can simulate this ripple for a given drive system with good accuracy. For this purpose, a permanent-magnet synchronous machine was freely configured in the electromagnetic behavior, this includes, among other things, the harmonic fractions in the magnetic flux. It was also investigated what influence the intermediate circuit voltage and intermediate circuit capacity have on the ripples. In addition, the effect of the age-related reduction of the intermediate circuit capacity has been analyzed.
The tests were carried out based on test bench measurements and simulation results for the modulation method sine-triangle modulation with injection of a 3rd harmonic. The frequency spectra on the intermediate circuit were examined and the influence of the drive control was shown. Depending on the operating point, it is possible to vary the switching frequency of the drive inverter. Which switching frequencies are permissible via speed and torque before predetermined ripple criteria of the high-voltage electrical system are violated was examined simulatively. By lowering the switching frequency, switching losses are reduced in the drive inverter, while power losses in the electric machine increase. The energetic potential created by variation of the switching frequency in the present drive system is finally shown in the context of this work.
Bearbeiter: Felix Leser
Betreuer: Michael Fitzke (ZF Friedrichshafen AG)
Für Studienfächer: EEI, Mechatronik
Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März