Advertisement

e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

, Volume 136, Issue 2, pp 175–183 | Cite as

Lebensdauerabschätzung von Wicklungsisolierstoffsystemen in SiC-betriebenen elektrischen Niederspannungsmaschinen

  • Florian Pauli
  • Liguo Yang
  • Michael SchröderEmail author
  • Kay Hameyer
Originalarbeit
  • 115 Downloads

Zusammenfassung

Das Wicklungssystem von umrichtergespeisten elektrischen Maschinen ist besonderen elektrischen Belastungen ausgesetzt, welche aus dem Überschwingverhalten und der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Spannung resultieren. Durch kürzer werdende Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten (\(\mathrm{d}u/\mathrm{d}t\)), wie sie beim Einsatz von SiC-Umrichtern auftreten können, nimmt die Spannungsbelastung der Wicklung zu. Gleichzeitig werden in elektrischen Fahrzeugen immer höhere Zwischenkreisspannungen verwendet. Durch diese steigenden Anforderungen kann es auch in herkömmlichen Wicklungssystemen von Niederspannungsmaschinen zu Teilentladungen kommen, und das elektrische Isoliersystem kann innerhalb kurzer Zeit ausfallen. Es existieren zwei Möglichkeiten, diese Art von Frühausfällen zu vermeiden. Durch höhere Isolierschichtdicken einerseits bleibt die Wicklung auch bei höheren Spannungen teilentladungsfrei, allerdings reduziert sich dadurch der Kupferfüllfaktor. Eine andere Möglichkeit ist das Verwenden von Materialien, die Teilentladungen länger standhalten können. Um das Potential dieser teilentladungsresistenten Materialien abzuschätzen, werden in diesem Beitrag die Einflüsse der Umrichterspannung auf das Teilentladungsverhalten und die Lebensdauer der Isolierung identifiziert.

Schlüsselwörter

Elektrische Maschine Teilentladungen Isoliersystem SiC-Umrichter 

Life time estimation of winding insulation systems in sic operated low voltage electrical machines

Abstract

The winding system of inverter-fed electrical machines is exposed to high electric loads resulting from the overshoot behavior and the finite propagation speed of the voltage. The electrical load on the winding increases as a result of shorter voltage slew rates (\(\mathrm{d}u/\mathrm{d}t\)) that occur due to SiC-converters. At the same time, increasing DC-link voltages are being used in electric vehicles. With these increased requirements, conventional winding systems of low voltage electrical machines are no longer free of partial discharge and can fail within a short time. There are two ways to avoid this type of failure. Due to thicker insulating layers, and thus a reduced slot space for the conductors, the winding is partial discharge-free at higher voltages. Another possibility is to use materials that can withstand partial discharges longer. In order to estimate the potential of these resistant materials, the influences of the inverter voltage on the partial discharge behavior and the life time of the insulation are identified below.

Keywords

electrical machine partial discharge insulation system SiC-inverter 

Notes

Literatur

  1. 1.
    Merkert, A., Krone, T., Mertens, A. (2014): Characterization and scalable modeling of power semiconductors for optimized design of traction inverters with Si- and SiC-devices. IEEE Trans. Power Electron., 29(5), 2238–2245. CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Jung, C. (2017): Power up with 800-V systems: the benefits of upgrading voltage power for battery-electric passenger vehicles. IEEE Electr. Mag., 5(1), 53–58. CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Ruf, A., Pauli, F., Schröder, M., Hameyer, K. (2018): Lebensdauermodellierung von nicht-teilentladungsresistenten Isoliersystemen elektrischer Maschinen in dynamischen Lastkollektiven. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 135(2), 131–144. CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Ruf, A. (2018): Thermische Ausnutzung von elektrischen Maschinen unter Berücksichtigung der Lebensdauer am Beispiel eines Traktionsantriebs. Aachen: Shaker. Dissertation IEM RWTH Aachen. Google Scholar
  5. 5.
    Küchler, A. (2017): Hochspannungstechnik Grundlagen – Technologie – Anwendungen. 4. Aufl. Berlin: Springer. Google Scholar
  6. 6.
    Lusuardi, L., Cavallini, A., Mancinelli, P., De La Calle Manuel, G., Martínez-Tarifa, J. M., Robles, G. (2016): Design criteria for inverter-fed type 1 motors. In IEEE international conference on dielectrics (ICD), Montpellier (S. 605–608). Google Scholar
  7. 7.
    Fabiani, D., Montanari, G. C., Contin, A. (2001): Aging acceleration of insulating materials for electrical machine windings supplied by PWM in the presence and in the absence of partial discharges. In IEEE 7th international conference on solid dielectrics, Eindhoven, Netherlands (S. 283–286). Google Scholar
  8. 8.
    Kaufhold, M., Borner, G., Eberhardt, M., Speck, J. (1996): Failure mechnism of low voltage electric machines fed by pulse-controlled inverters. IEEE Electr. Insul. Mag., 12(5), 9–15. CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Mahdavi, S., Hameyer, K. (2012): High frequency equivalent circuit model of the stator winding in electrical machines. In XXth international conference on electrical machines (ICEM). Google Scholar
  10. 10.
    Ruf, A., Paustenbach, J., Franck, D., Hameyer, K. (2017): A methodology to identify electrical ageing of winding insulation systems. In International electric machines and drives conference (IEMDC), Miami, Florida, USA. Google Scholar
  11. 11.
    Wang, L., Ho, C., Camnales, F., Jatskevich, J. (2010): High frequency cable and motor modeling of long-cable-fed induction motor drive systems. In IEEE energy conversion congress and exposition, Atlanta (S. 846–852). CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Kerkman, R., Leggate, D., Skibinski, G. (1996): Interaction of drive modulation and cable parameters on AC motor transients. In IAS ’96. Conference record of the 1996 IEEE industry applications conference thirty-first IAS annual meeting, San Diego, CA, USA (Vol. 1, S. 143–152). CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    DIN EN 60034-18-41:2014-11: Drehende elektrische Maschinen – Teil 18-41: Qualifizierung und Qualitätsprüfungen für teilentladungsfreie elektrische Isoliersysteme (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden. IEC 60034-18-41:2014, Deutsche Fassung EN 60034-18-41:2014. Google Scholar
  14. 14.
    Kaufhold, M. (1995): Elektrisches Verhalten der Windungsisolierung von Niederspannungsmaschinen bei Speisung durch Pulsumrichter. VDI-Verlag Reihe 21. Elektrotechnik (Vol. 172). Düsseldorf: VDI-Verlag. Google Scholar
  15. 15.
    Cygan, P., Laghari, J. R. (1990): Models for insulation aging under electrical and thermal multistress. IEEE Trans. Electr. Insul., 25(5), 923–934. CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    DIN EN 60172:2016-02: Prüfverfahren zur Bestimmung des Temperaturindex von Lackdrähten und bandumwickelten Drähten. IEC 60172:2015, Deutsche Fassung EN 60172:2015. Google Scholar
  17. 17.
    KTK GmbH (2018): Material characteristics/Technical data Data sheet 521-2 Product: Polyamidimid PAI Torlon 5530 brown, 22.11.2018. Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Austria, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Florian Pauli
    • 1
  • Liguo Yang
    • 1
  • Michael Schröder
    • 1
    Email author
  • Kay Hameyer
    • 1
  1. 1.Institut für Elektrische Maschinen (IEM)RWTH Aachen UniversityAachenDeutschland

Personalised recommendations