Hochfrequenzmodellierung von elektrischen Maschinen und Kabeln mit Hilfe eines Impedanzanalysators
Seit Juli 2022 gehört ein Impedanzanalysator der Firma Keysight zur Messausrüstung im IsoLab am IEM. Das Gerät wird zur Messung des Impedanzspektrums von Kabeln und elektrischen Maschinen bis zu 100 MHz verwendet, sodass die Hochfrequenzmodelle von Kabeln und elektrischen Maschinen parametrisiert und validiert werden kann.
Stromrichter auf der Grundlage von Bauelementen mit breitem Bandabstand, darunter Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), sind für die Herstellung von Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge attraktiv. Im Vergleich zu Standard-Siliziumbauteilen können SiC-Schalter bei höheren elektrischen Feldstärken und Temperaturen arbeiten. Darüber hinaus können Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz aufgrund der extrem kurzen Ein- und Ausschaltzeiten (10-20 ns) realisiert werden. Diese Eigenschaften ermöglichen es, elektrische Maschinen mit höheren Spannungen und Modulationsfrequenzen zu betreiben und so hohe Leistungsdichten zu erreichen. Diese Vorteile sind jedoch mit Kosten verbunden. Die Wechselwirkungen zwischen Stromrichtern und Motoren erhöhen die elektrische Belastung auf das Isoliersystem der elektrischen Maschine. Die Spannungsimpulse des Umrichters werden an den Motorklemmen reflektiert, da der Wellenwiderstand des Kabels nicht an den des Stators angepasst ist. Im schlimmsten Fall kann die Spannung an den Motorklemmen das Doppelte der Zwischenkreisspannung betragen. Noch wichtiger ist, dass dies zu einer ungleichmäßigen Verteilung des elektrischen Potenzials entlang der Wicklung führt. Eine genaue Abschätzung der maximalen Spannungsdifferenz zwischen den Windungen ist entscheidend für die Auslegung der Isolierschichtdicke und die Maximierung des Kupferfüllfaktors.
Mit Hilfe des Impedanzanalysators können Hochfrequenzmodelle von elektrischen Maschinen und Kabeln parametrisiert und validiert werden. Der Einfluss von Materialien, Umgebungsfaktoren, Regelalgorithmen und der Konstruktion elektrischer Antriebe auf die Spannungsverteilung und das Überschwingverhalten der Spannung kann genau untersucht werden.