Bewertung der Sensitivität eines hybriden Gleichtaktfilters für Traktionsinverter gegenüber Variationen der Betriebsparameter

In der Leistungselektronik wird für die Miniaturisierung von Baugruppen viel Aufwand betrieben. Neue Halbleitertechnologien wie Siliziumcarbid unterstützen diesen Trend. Um den benötigten Bauraum der Leistungselektronik weiter reduzieren zu können, stellen hybride EMV – Filter eine Möglichkeit zur Verkleinerung der Filterbaugruppen und damit des Gesamtvolumens der Komponente dar [1]. Durch die Kombination von konventionellen passiven Filtern mit aktiven Elementen zur Störreduzierung lässt sich deutlich an Bauraum bei induktiven Filterkomponenten einsparen. Die Filterdämpfung der aktiven Filter ist jedoch, ebenso wie bei konventionellen EMV – Filtern, von der Quell bzw. Senkenimpedanz abhängig [2]. Diese Impedanzen können sich im Betrieb sowohl durch verschiedene Einbausituationen als auch unterschiedliche Betriebspunkte verändern. Im Hinblick auf mögliche Anwendungen aktiver und hybrider EMV – Filter ist eine Sensitivitätsuntersuchung auf solche schwankenden Betriebsparameter bzw. Einflüsse durch unterschiedliche Einbausituationen notwendig. Deren Analyse wird an einem Traktionsinverter im CISPR 25 Komponententest durchgeführt. Ein eigens entwickeltes, hybrides Gleichtaktfilter fungiert dabei als Prüfling. Nach einer kurzen Vorstellung der entwickelten Hardware des Hybridfilters werden anschließend die Auswirkungen von unterschiedlichen Zuleitungslängen, Ausgangsströmen, Batteriespannungen und Schaltfrequenzen auf die Filterdämpfung des Hybridfilters gezeigt. Die Auswahl der betrachteten Parameter unterliegt dabei keinem Anspruch auf Vollständigkeit, sondern bildet lediglich einen Ausschnitt aus möglichen Variationen ab und soll eine Vorgehensweise zu deren Bewertung aufzeigen

Modellierung von Wireless Power Transfer (WPT) Systemen zur Analyse der magnetischen Feldemissionen

Die aktuellen Bemühungen einen internationalen Standard für eine induktive KFZ-Ladeschnittstelle zu schaffen, erfordern auch die Einführung von Grenzwerten für die elektrischen und magnetischen Störaussendungen dieser Systeme. Von Seiten der SAE bestehen bereits Vorgaben zum geometrischen Design der energieübertragenden Spulen sowie deren elektrischen Beschaltung [1]. Die bodenseitigen Komponenten des Ladesystems werden als Ground Assembly (GA) und die fahrzeugseitigen Komponenten als Vehicle Assembly (VA) bezeichnet. Diese werden im Folgenden als Referenzsysteme herangezogen. Eine flexible Möglichkeit zur Beurteilung der elektrischen und magnetischen Feldemissionen kann die 3D-Modellierung dieser WPT-Systeme sein. Mit den Modellen ist es beispielsweise möglich, Auswirkungen von Geometrie- und Materialvariationen auf die Emissionsspektren vorherzusagen, oder Feldstärkeverläufe an beliebigen Raumpunkten zu berechnen. In diesem Beitrag werden die Schritte hin zu einem WPT-Modell aufgezeigt, mit dem Aussagen zu dessen magnetischen Emissionsverhalten mit abschätzbarer Genauigkeit im Frequenzbereich von 9 kHz - 30 MHz möglich sind

Methoden zur Untersuchung von Einflussparametern im Messaufbau von gestrahlten Emissions-messungen im Komponententest nach CISPR 25

Seit der Einführung der Norm CISPR 25 im Jahr 1995 hat die Komplexität der Steuergeräte und Kabelbäume signifikant zugenommen. Gleichzeitig steigt die Vernetzung der Steuergeräte untereinander, wodurch oft mehrere gleiche oder unterschiedliche Bus-Systeme in ein und demselben Steuergerät vorhanden sind. Für die Messung der gestrahlten Emissionen einer Fahrzeugkomponente wird diese über eine Leitung (Prüfkabelbaum) mit einer Lastnachbildung verbunden [1]. Ein Steuergerät kann aber nur dann richtig getestet werden, wenn alle für den Betrieb notwendigen Informationen vorhanden sind. Bei Prüflingen mit Bus-System muss daher auch eine aktive Kommunikation auf dem Bus möglich sein. Da weder diese Busleitung beliebig verlängerbar ist, noch die komplette Peripherie in die Absorberkammer gestellt werden kann, muss mit optischen Übertragungsstrecken gearbeitet werden. Mit Hilfe der Übertragungsstrecke kann der Prüfling (DUT) im Inneren der Absorberkammer mit seiner Peripherie, welche sich außerhalb befindet, verbunden werden. Sollen nun die Emissionen eines Steuergerätes gemessen werden, wird für jedes zu prüfende Bus- System eine dieser Übertragungsstrecken benötigt. Dafür muss der Kabelbaum so angepasst werden, dass auf der Seite der Lastnachbildung alle benötigten Transceiver angeschlossen werden können. Dabei ist eine Vielzahl an möglichen Aufbauvarianten denkbar, welche potentiell mit unterschiedlichen Messergebnissen einhergehen, zusätzlich hat bei größeren Aufbauten auch die Positionierung der einzelnen Geräte einen teils unbekannten Einfluss. Durch Vergleichsmessungen sollen daher verschiedene Messaufbauten, in Bezug auf die gestrahlten Emissionen, untersucht werden

Einflussparameter und Grenzen der Gleichtaktauslöschung im gegenphasigen Inverterbetrieb

Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung verschiedener Komponenten, wie beispielsweise der Lenkung im Automobilbereich, muss in der Entwicklung ein wesentlich größerer Aufwand betrieben werden, um einen störungsfreien, EMV-gerechten Betrieb gewährleisten zu können. Insbesondere bei taktender Leistungselektronik ist mit erheblichen breitbandigen Störemissionen zu rechnen. Im klassischen EMV-Ansatz werden Emissionen mithilfe passiver Filter auf ein Grenzwert konformes Maß reduziert. Als mögliche Alternative wird in [1] eine neue Methode vorgestellt, bei der in mehrphasigen, redundant aufgebauten Invertern mithilfe einer geeigneten Ansteuerung der MOSFETs und einem optimierten, symmetrischen Schaltungsdesign eine Gleichtaktauslöschung ohne passive Filter und damit ohne zusätzlichen Bauteilaufwand erreicht werden kann. Eine Reduzierung der Gleichtaktstörungen von bis zu 40 dB bis in den Frequenzbereich der Mittelwelle ist damit möglich. In diesem Beitrag werden darauf aufbauend die kritischen Einflussparameter bewertet und die Grenzen der Methode aufgezeigt. Anhand einer Sensitivitätsbetrachtung wird evaluiert, welche Parameter durch geeignete Verfahren kompensiert werden können und welche beim Hardwarelayout des Inverters zwingend zu beachten sind. Zu nennen sind hier beispielsweise die Designanforderungen bzgl. des symmetrischen Aufbaus

Untersuchung von Gleichtaktströmen in induktiven Kfz-Ladesystemen und deren Auswirkungen auf Magnetfeldemissionen

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Suitability of ultra high frequency partial discharge measurement for quality assurance and testing of power transformers

Well known reasons for local failures in power transformers are caused by partial discharges (PD) in the electric insulation. Continuous deterioration over time increases the defect which finally can lead to a breakdown of the entire insulation. The importance of PD measurement is accommodated by standardized electrical measurement according to IEC 60270 [1] which is required for acceptance certificates at routine testing. Therefore, the apparent charge QIEC has become an important value for transformer quality. Since a couple of years, alternative measurement methods for PD are used. Originally developed for gas insulated systems [2], [3], ultra high frequency (UHF) measurement found its way into transformer diagnosis over the last years [4]. To become an accepted quality factor, UHF has to be proven a reliable testing method, which can bear up against electrical measurements. Therefore, the general physics of UHF PD has to be considered at first. Ultra-high-frequency antennas measure electromagnetic emissions of PD directly in-oil inside a transformer. It becomes apparent, that UHF measurement usually is advantageous concerning external disturbances. Compared to the electric measurement, the UHF method is robust against external signals [5], which makes it suitable for both, offsite measurement at routine testing under laboratory conditions with low ambient noise and onsite, e.g. after transportation and installation of transformers with usually high noise levels. These considerations make the UHF method interesting as supplement for transformer routine tests. Therefore, a sensor calibration or at least a validation of its sensitivity is required [6] comparable to the electrical measurement. To provide profound knowledge of the equipment, the antenna factor (AF) of the UHF sensor needs to be determined under inside-transformer conditions. This contribution shows the determination of the UHF sensor’s AF using a Gigahertz-Transversal-Electro-Magnetic Setup (GTEM cell). To meet inside-transformer conditions, an oil-filled GTEM cell is required for correct permittivity. Correction factors can then be introduced to minimize measurement errors and to establish better comparability of different UHF sensors. Hence, a standard test setup can be defined

Modellierung der Motor-Impedanz einer elektrisch erregten Synchronmaschine anhand von Messungen im aktiven und passiven Betrieb

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Bewertung verschiedener Verfahren zur Impedanzmessung von Batteriemodulen

In diesem Beitrag werden mögliche Vorgehensweisen zur Impedanzmessung von Batteriemodulen untersucht, die in Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen verwendet werden. Die Antriebsbatterie ist eine zentrale Komponente im Elektrofahrzeug und stellt für EMV Betrachtungen häufig eine Senke für hochfrequente Störströme dar. Daher bedarf es einer plausiblen Charakterisierung der Batterieimpedanzen für Gleich- und Gegentaktströme über einen möglichst großen Frequenzbereich. Die Herausforderung in der messtechnischen Umsetzung zur Impedanzbestimmung besteht durch die Batteriespannung und die hohe Batteriekapazität. Es bedarf daher Messverfahren, welche die Batterieimpedanz über einen großen Frequenzbereich messen können und gleichzeitig das Messequipment vor DC-Strömen und Kurzschlüssen der Batteriemodule schützen. In einem zweiten Schritt können mit den messtechnisch ermittelten Impedanzverläufen eines Moduls passive RLC-Ersatztopologien bestimmt werden, die als Lastnachbildung für EMV-Komponententests eingesetzt werden können

Motor-Impedanzmessungen im aktiven Betriebszustand anhand einer permanentmagneterregten Synchronmaschine

Aufgrund ihres Schaltverhaltens können Wechselrichter (WR) hohe elektromagnetische Emissionen erzeugen. Zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden deshalb u.a. Emissionsmessungen durchgeführt. Bei Emissionsmessungen von Kfz-Wechselrichtern nach CISPR 25 [1] wird der zugehörige Motor als Peripherie betrachtet. Aus diesem Grund kann stattdessen eine möglichst realistische Ersatzlast verwendet werden. Häufig wird hierzu eine passive Impedanznachbildung eingesetzt, welche zwar eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet, allerdings nicht den realen Lastbedingungen entspricht. Für möglichst reale Lastbedingungen bieten einige wenige EMV-Labore Emissionsmessungen mit einer externen Last am Motor (hydraulisch oder mithilfe einer zusätzlichen Lastmaschine) an. Nachteilig sind hierbei u.a. die erhöhten Sicherheitsanforderungen aufgrund rotierender Teile sowie hohe Anschaffungs- und Prüfkosten. Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, eine aktive elektrische Ersatzlast zu verwenden. Die aktive Impedanznachbildung soll sowohl das niederfrequente Funktionsverhalten als auch die hochfrequenten (HF) Koppelpfade einer belasteten elektrischen Maschine emulieren können. Für funktionale Prüfungen von Wechselrichtern werden bereits Systeme angeboten, welche das funktionale Verhalten abbilden und als elektrische Maschinenemulatoren bezeichnet werden (u.a. [2]). Bild 1 zeigt den zu prüfenden Wechselrichter (DUT, engl. device under test) sowie den über ein Koppelnetzwerk angeschlossenen Emulator. Um die Maschinenemulation auch bei EMV-Prüfungen verwenden zu können, muss diese die HF-Impedanz der belasteten Maschine ausreichend genau nachbilden, bei vernachlässigbar geringen Eigenemissionen. Eine genauere Ausführung zu diesem Ansatz und den Anforderungen sowie erste Messergebnisse werden in [3] präsentiert. Ziel dieses Papers ist die Untersuchung der Impedanzen für Gleichtakt (CM) und Gegentakt (DM) von elektrischen Maschinen im aktiven Betrieb. Die Ergebnisse sollen anschließend zur Nachbildung des HF-Verhaltens bei der elektrischen Maschinenemulation verwendet werden. Zunächst wird die verwendete Messmethode vorgestellt und validiert. Dann werden beispielhaft die CM- und DM-Impedanzen einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) bei verschiedenen Betriebsmodi analysiert. Abschließend werden Verhaltensmodelle zur Nachbildung der Motorimpedanz erstellt und die Werte der Streuparameter aus den Messkurven extrahiert

Kompensation von Asymmetrien im Aufbau beim gegenphasigen Inverterbetrieb zur Gleichtaktauslöschung

Um die elektromagnetische Verträglichkeit in der Automobilindustrie gewährleisten zu können, ist besonders bei leistungselektronischen Komponenten ein teurer und voluminöser Filter notwendig. In neuen Ansätzen mit aktiven Filtern sollen diese Nachteile kompensiert werden. Zur Gruppe der aktiven Filter zählen auch Verfahren zum gegenphasigen Inverterbetrieb, bei welchem durch synchrones Schalten von zwei geeigneten Halbleitern in einem sechsphasigen Wechselrichteraufbau das Gleichtaktspektrum durch destruktive Superposition reduziert werden kann. In einem prototypischen Aufbau können Dämpfungen von bis zu 40 dB bis in den Frequenzbereich der Mittelwelle (500 kHz – 2 MHz) erreicht werden [1]. In diesem Beitrag wird dargestellt, inwiefern Asymmetrien eines sechsphasigen Wechselrichters kompensiert werden können, welche unausweichlich zu einer Verschlechterung der Auslöschung führen [2]. Untersucht werden zeitliche Asymmetrien, also eine asynchrone Ansteuerung der Halbleiter oder ein ungleiches Schaltverhalten der Halbleiter selbst, aber auch bauteilabhängige und geometrisch bedingte Asymmetrien von Komponenten oder Streugrößen können zu zeitlichen Asymmetrien führen