Optimierung von Filtern für die Elektromagnetische Verträglichkeit von Hoch-Volt Traktionsnetzen in Elektro-Fahrzeugen

Autor: Radner, Franz Michael
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2022.76126
Popis: In allen Bereichen der individuellen Mobilität, vom Fahrrad bis zum Lastkraftwagen, kommen zunehmend elektrische Antriebe zum Einsatz. Der Drehstrom für den Antriebsmotor wird mit einem Inverter aus dem Gleichspannungstraktionsnetz des Fahrzeuges erzeugt. Die Gleichspannung kann bis zu 1000V, der Motorstrom bis zu 900A betragen. Zur Erzeugung von möglichst sinusförmigen Strömen für den Motor wird die dreiphasige Transistorvollbrücke des Inverters mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz getaktet. Um eine elektromagnetische Beeinflussung anderer Komponenten durch diese Schaltvorgänge mit ihren hohen Spannungs- und Stromtransienten zu verhindern, sind geeignete Maßnahmen zur elektromagnetischen Verträglichkeit umzusetzen. Zur Unterdrückung von Störungen für die Frequenzbereiche der Lang- und Mittelwelle bis in den UKW Bereich kommt ein Filter zwischen dem Gleichspannungstraktionsnetz und der Transistorvollbrücke des Inverters zum Einsatz. Im Zuge der Masterarbeit soll eine Designmethodik zur Optimierung solcher Filter erarbeitet werden. Durch ausreichende Gleichtakt- wie auch Gegentaktdämpfung sollen die Grenzwerte der Emission sicher eingehalten werden. Neben mechanischen, elektrischen und thermischen Randbedingungen sind noch weitere bezüglich Zuverlässigkeit von Bauteilen und Kosten zu berücksichtigen. Entsprechend dieser Dämpfungszielgrößen und Bedingungen erfolgt die Filteroptimierung. Freiheitsgrade liegen in der Wahl der Schaltungstopologie, der Auswahl der elektrischen Komponenten, der mechanischen Konstruktion, der Anordnung der Komponenten, den Schirmungsmaßnahmen sowie der Auslegung der magnetischen Filterelemente. In diesem Sinne handelt es sich bei der Optimierung nicht um ein klassisches, rein mathematisch formulierbares, sondern um ein smartes, robustes Design unter Berücksichtigung vielfältiger Randbedingungen. Für Analyse und Design kommen dabei neben Messungen vor allem elektromagnetische Simulationen zum Einsatz. Messungen dienen dabei der Modellierung zum Beispiel von magnetischen Materialien oder elektronischen Bauteilen wie auch zur Validierung der Filtermodelle. Verwendet wird dazu im Zuge der Masterarbeit CST Microwave Studio, das sowohl Lösungen der vollständigen Maxwellgleichungen wie auch quasistationäre Lösungen ermöglicht. Beide Löser haben Vor- und Nachteile. Quasistationäre Verfahren sind zum Beispiel geeignet, um damit Sättigungseffekte abzubilden. Durch Vergleich dieser Simulationen mit den Messungen soll evaluiert werden, welche physikalischen Phänomene in welchen Frequenz- und Leistungsbereichen signifikant und somit auch in vereinfachten Designmodellen zu berücksichtigen sind. Beispiele dafür sind magnetische Sättigung, frequenzabhängige magnetische Permeabilität sowie magnetische Verluste oder der Skineffekt. Diese Evaluierung der quantitativen Einflussfaktoren soll einerseits direkt aus den Daten andererseits auch über vereinfachte Modelle rasche Designentscheidungen für die Filterauslegungen ermöglichen. Der auf Basis dieser Entscheidungen erfolgte Entwurf wird mittels Simulation optimiert.
Electric drives are increasingly being used in all areas of individual mobility, from bicycles to trucks. Their three-phase current for the drive motor is generated via an inverter from the DC traction network of the vehicle. The DC voltage can be up to 1000V and the motor current up to 900A. For the generation of the most sinusoidal currents possible for the motor the three-phase transistor full bridge of the inverter is clocked with a frequency of several kilohertz. In order to prevent other components being influenced by electromagnetic disturbances from these switching processes, with their high voltage and current transients, suitable measures for electromagnetic compatibility must be taken. To suppress interference for the frequency ranges of the long and medium radio waves, up to and including the VHF range, a filter between the DC traction network and the transistor full bridge of the inverter is used. In the course of this master's thesis, a design methodology for the optimization of such filters will be developed. The emission limit values should be adhered to with sufficient common-mode and differential-mode attenuation. In addition to mechanical, electrical and thermal boundary conditions, there are other factors to consider with regard to component reliability and costs. The filter optimization takes place in accordance with these attenuation target values and conditions. There are degrees of freedom in the choice of the circuit topology, the selection of the electrical components, the mechanical construction, the arrangement of the components, the shielding measures and the design of the magnetic filter elements. In this sense, the optimization is not a standardized, purely mathematically formulable prescription, but a smart, robust design taking into account a variety of boundary conditions. In addition to measurements, electromagnetic simulations are used for analysis and design. Measurements are used to model, for example, magnetic materials or electronic components, as well as to validate the filter models. CST Microwave Studio is used for this in the course of the master's thesis, as this tool enables both solutions to the complete Maxwell equations and quasi-stationary solutions. Both solvers have advantages and disadvantages. Quasi-stationary methods are suitable, for example, for mapping saturation effects. By comparing these simulations with the measurements, it is intended to evaluate which physical phenomena are significant in which frequency and power ranges, and thus also have to be taken into account in simplified design models. Examples of these are magnetic saturation, frequency-dependent magnetic permeability, as well as magnetic losses, or skin effect. This evaluation of the quantitative influencing factors should enable quick design decisions for the filter layout on one hand directly from the data, on the other hand also via simplified models. The draft made on the basis of these decisions is optimized by means of simulation.
Databáze: OpenAIRE
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