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• W2163655096 abstract "Der Einsatz umrichtergespeister Antriebe hat sich in den letzten Jahren auf alle Leistungs- und Spannungsebenen ausgedehnt und erlaubt eine dynamische und gleichzeitig energieeffiziente Nutzung von elektrischen Antrieben. Nachteilig wirken sich allerdings die hoherfrequenten Parasitareffekte in umrichtergespeisten Antrieben wie die Ausbildung von Lagerstromen oder das Entstehen von Wanderwelleneffekten auf der Maschinenzuleitung aus. Letzteres bewirkt eine Spannungsuberhohung an der Maschine bis zum doppelten Wert (in Extremfallen sogar noch hoher) der Zwischenkreisspannung, so dass die Wicklungsisolation durch die mit der Pulsfrequenz des Umrichters auftretenden repetierenden Uberspannungen sehr stark belastet wird. Ferner fuhren die hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Umrichterimpulse zu einer stark nichtlinearen Spannungsverteilung in der Maschinenwicklung, woraus ebenfalls eine starke Belastung fur die Wicklungsisolation resultiert. Bei unzureichender Auslegung des Isoliersystems konnen einsetzende Teilentladungen zu Schaden und schlieslich zum Ausfall des Antriebssystems fuhren. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie sich mit Metalloxid-(MO)-Varistoren die Uberspannungen an der Maschine reduzieren lassen bei gleichzeitiger Verlangerung der Spannungsanstiegzeiten, was zu einer linearisierten Spannungsverteilung in der Maschine fuhrt. Hierbei werden die Varistoren direkt an der Maschine parallel zwischen Phase und Erde angeschlossen. Der stark nichtlineare Zusammenhang eines Varistors zwischen Spannung und Strom bewirkt bei richtiger Auslegung, dass die Leiter-Erde-Spannung an der Maschine den Schutzpegel des Varistors nicht uberschreitet unabhangig vom Betriebszustand des Antriebs. Zur Realisierung vergleichsweise niedriger Schutzpegel bei den auftretenden Stromen mussen die verwendeten Varistoren wenige Millimeter hoch sein bei sehr grosen Durchmessern von einigen Zentimetern. Durch die verwendete Geometrie ergibt sich auf Grund der grosen relativen Permittivitat von r = 300...1000 fur das Varistormaterial eine vergleichsweise grose elektrische Kapazitat von einigen Nanofarad. Wegen der bipolaren Umrichterspannung muss diese Kapazitat mit jedem Spannungsimpuls erneut aufgeladen werden, so dass sich uber den Wellenwiderstand des Kabels eine Aufladezeitkonstante von einigen hundert Nanosekunden ergibt. Dadurch verlangert sich die Anstiegszeit der Spannung an der Maschine signifikant, und die Spannungsverteilung in der Maschine wird linearisiert. In der beschriebenen Anwendung treten die Uberspannungen nun aber nicht wie bei konventionellem Betrieb eines Uberspannungsableiters nur wenige Male im Jahr auf, sondern entsprechend der Pulsfrequenz des Umrichters einige Tausend Mal pro Sekunde, so dass grundsatzlich andere Dimensionierungsregeln formuliert werden mussen. Auserdem ist wegen der permanent auftretenden Uberspannungen eine klare Unterscheidung zwischen Dauerbetriebsspannung und Uberspannung in dieser Anwendung nicht mehr moglich. Durch die „unkonventionelle“ Betriebsweise der Varistoren ergibt sich ein vollig neues, bisher noch nicht untersuchtes Alterungsverhalten. Es muss daher auch ein neues beschleunigtes Alterungsprufverfahren entwickelt werden, um das Varistormaterial fur die Anwendung zu qualifizieren und zu optimieren. Als Ergebnis dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Dimensionierungsansatze formuliert, nach denen die Varistoren entweder permanent uberspannungsbegrenzend wirken oder so ausgelegt werden, dass sie nur im Falle einer z. B. durch Bremsbetrieb der Maschine erhohten Zwischenkreisspannung spannungsbegrenzend arbeiten. Wahrend sich fur beide genannten Falle unterschiedliche Schutzpegel ergeben, bewirkt die Varistorkapazitat aber auf jeden Fall eine linearere Spannungsverteilung in der Maschinenwicklung. Es wird ein eigens entwickeltes Verfahren zur beschleunigten Alterungsprufung der Varistoren in der neuen Anwendung vorgestellt und das Alterungsverhalten verschiedener Varistormaterialien unterschiedlicher Hersteller beispielhaft gezeigt und bewertet. Dabei stellt sich heraus, dass es sowohl alterungsbestandiges als auch alterungsunbestandiges Material gibt, was sich durch das neue Verfahren innerhalb weniger hundert Stunden Versuchszeit feststellen lasst. Auserdem kann durch Vergleich der Alterungsverhalten bei „konventioneller und der neuen Beanspruchung gezeigt werden, dass sich Materialien grundsatzlich unterschiedlich bei den unterschiedlichen Beanspruchungen verhalten konnen und somit keine Schlussfolgerungen vom Alterungsverhalten bei „konventioneller Beanspruchung auf das bei Umrichterbetrieb gezogen werden durfen. Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass bei Wahl des richtigen Varistormaterials und bei richtiger Dimensionierung der Betrieb von Varistoren bei permanent auftretenden hochfrequenten Uberspannungen unkritisch in Bezug auf thermisch stabilen Betrieb und Alterungsbestandigkeit ist. Ein Wert der Uberspannung an der Maschine von weniger als 140 % der Zwischenkreisspannung wird mit Varistoren allerdings schwer realisierbar sein. Trotzdem wird durch den Einsatz von Varistoren eine deutliche Reduzierung der dielektrischen Beanspruchung der Maschinenisolation erzielt. Daruber hinaus wird wegen der geringeren vorliegenden Pulsfrequenzen der Betrieb an leistungsstarken Antriebssystemen als grundsatzlich unkritischer eingestuft. Die neue Applikation ist damit insbesondere fur solche Systeme pradestiniert und kann dort eine weitere Starke ausspielen: Die Losung des Uberspannungsschutzes mit Varistoren im Gegensatz zu einigen existierenden Filterlosungen ist leistungsunabhangig, da der Betriebsstrom nicht uber das Schutzelement fliest, und somit sinkt der relative Anschaffungspreis der Varistorlosung mit groserer Antriebsleistung." @default.
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