Untersuchungen zu einem möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Antriebe

In der heutigen Zeit werden immer mehr elektrische Maschinen durch einen Umrichter angetrieben. Moderne Umrichter beziehen ihre Spannung aus einem Gleichspannungs-zwischenkreis, weswegen sie nahezu unabhängig von der Netzfrequenz betrieben werden. Die Taktfrequenz der vom Umrichter erzeugten Impulse liegt im Kilohertzbereich mit Anstiegszeiten von weit unter einer Mikrosekunde. Da Umrichter und Maschine häufig räumlich voneinander getrennt betrieben werden, sind Zuleitungen notwendig, deren Länge hundert Meter überschreiten können. Aufgrund dieser Länge und der kurzen Anstiegszeiten treten Wanderwelleneffekte auf der Verbindungsleitung zwischen Umrichter und den Maschinenklemmen auf. Durch den unangepassten Eingangswiderstand der Maschine kommt es zu Reflexionen der Wanderwellen an den Maschinenklemmen. Im ungünstigsten Fall führen diese Reflexionen zu einer Verdoppelung der Spannung an den Maschinenklemmen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz von Metalloxid-Varistoren (MO Varistoren) an den Eingangsklemmen der Maschine diese Überspannungen begrenzen kann. Nun stellt sich die Frage, ob Mikrovaristoren in der Isolation der Maschine die gleichen positiven Effekten haben. Mikrovaristoren bestehen wie MO Varistoren aus dotiertem und gesintertem Zinkoxid und haben eine Korngröße von 10 µm…200 µm. Weiterhin besitzen sie eine nichtlineare Spannung-Strom-Kennlinie und eine hohe relative Permittivität (r = 300…1000). Der Vorteil von Mikrovaristoren ist, dass sie ihre elektrischen Eigenschaften an den Isolierstoff, dem sie beigemischt werden, weitergeben. Vermutlich werden durch den Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation von umrichtergespeisten Maschinen die Überspannungen, welche durch die Wanderwelleneffekte entstehen, auf ein akzeptables Maß begrenzt. Weiterhin könnten die Anstiegszeiten durch die hohe relative Permittivität der Mikrovaristoren verlängert werden. Um den möglichen Einsatz von Mikrovaristoren in der Isolation umrichtergespeister Maschinen untersuchen zu können, wird zunächst in dieser Arbeit das mikrovaristor-gefüllte Material anhand von Messungen von U-I-Kennlinien an verschiedenen mikrovaristorgefüllten Prüflingen elektrisch charakterisiert. Dabei werden auch andere Frequenzen als 50 Hz und höhere Temperaturen betrachtet. Des Weiteren wird ein mathematisches Modell entwickelt, um die nichtlineare E-J-Kennlinie der mikrovaristorgefüllten Isolation beschreiben zu können. Dieses Modell wird in dieser Arbeit benötigt, um die Auswirkungen verschiedener Kennlinien auf die Spannungsverteilung innerhalb der Statorwicklung untersuchen zu können. Dafür wird anhand von Messwerten ein elektrisches Ersatzschaltbild, bestehend aus passiven Elementen einer Statorwicklung aufgebaut und mit dem ermittelten Ersatzschaltbild für die mikrovaristorgefüllte Isolation ergänzt. Es stellt sich heraus, dass das vielfach in der Literatur erwähnte vereinfachte Ersatzschaltbild, bestehend aus einer Parallelschaltung von einem nichtlinearen Widerstand und einer Kapazität, zu einfach ist, um einen Stromfluss durch das mikrovaristorgefüllte Material voraussagen zu können. Neben einer resistiven und einer kapazitiven Komponente treten auch Hysterese-Effekte in der Stromdichte auf. Des Weiteren führt eine Änderung der Frequenz und der Temperatur zu einer Änderung der nichtlinearen resistiven E-J-Kennlinie. Hier kann ein Modell gefunden werden, welches diese Effekte berücksichtigt. In dieser Arbeit kann durch Simulation am Beispiel einer Niederspannungsmaschine gezeigt werden, dass die erhöhte relative Permittivität nur einen geringen Einfluss auf die Spannung an den Maschinenklemmen hat. Erst durch Berücksichtigung der nichtlinearen Kennlinie kann diese Spannung reduziert werden. Allerdings entstehen durch das halbleitende Material zusätzliche Verluste, die beachtet werden müssen. Schließlich kann in dieser Arbeit eine Kennlinie gezeigt werden, mit der die zusätzlichen Verluste akzeptable Werte erreichen und die Überspannungen auf ein gewisses Maß begrenzt werden. Abschließend wird in dieser Arbeit der Einfluss einer mikrovaristorgefüllten Isolation auf eine 240 kW-Maschine untersucht. Es stellt sich dabei heraus, dass alleine der Einfluss der erhöhten relativen Permittivität durch die mikrovaristorgefüllte Isolation die Überspannungen auf ein akzeptables Maß beschränkt