Petermann, Andre: Schutzauslegung von IGCT-Antriebsstromrichtern in Parellelschaltung für Leistungen >10MVA

Abstract in German:

In dieser Arbeit wird ein Schutzkonzept für den Spannungszwischenkreis-Umrichter SINAMICS SM150 der Siemens AG erstellt. Dabei wird das Fehlerverhalten mit den daraus resultierenden Auswirkungen nach einem halbseitigen Zwischenkreiskurzschluss analysiert. Zur Einführung in die Bachelorarbeit wird der Aufbau eines Dreipunkt-Wechselrichters erklärt und die daraus folgenden Vorteile aufgezeigt. Als steuerbare Leistungshalbleiter kommen in dieser Ausführung des Mittelspannungsumrichters IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristor) zum Einsatz, die ebenfalls genauer beschrieben werden. Die Schutzauslegung wurde mit Hilfe des von ANSYS entwickelten Netzwerksimulators SIMPLORER aufgebaut. Dabei galt es, den SINAMICS SM150 in ein übersicht-liches Modell ohne Vektorregelung zu überführen. Ein weiterer Aspekt, der beim Aufbau des Schutzkonzepts berücksichtigt werden sollte, war die Nachbildung der Synchronmaschine in einem für die Simulation geeignetem Ersatzschaltbild. Als Grundlage dient das Ersatzschaltbild der Synchronmaschine mit transienten und subtransienten Impedanzen. Diese überarbeitete Nachbildung wurde simulativ gegenüber dem komplexen Modell der Siemens AG verglichen und es stellten sich dabei nur geringe Abweichungen ein. Zur Erhöhung der Ausgangsleistung wird der Mittelspannungsumrichter in die Parallelschaltung überführt. Dabei werden die Ausgänge des SINAMICS SM150 auf galvanisch getrennte Wicklungssysteme der Synchronmaschine geschaltet. Durch das Versagen eines IGCTs beim Abschalten und durch die nachfolgenden Schaltzustände wird im Umrichter eine Zwischenkreishälfte kurzgeschlossen. Daraufhin werden diese leitenden IGCTs aufgrund des halbseitigen Zwischenkreiskurzschlusses zerstört. Das auftretende Fehlerereignis zieht je nach Schaltungsvariante des Mittelspannungsumrichters Fehlerströme im hohen zweistelligen kA-Bereich nach sich. Sowohl für die IGCTs als auch für die Freilaufdioden gibt es Grenzwerte für Stoßströme und Strom-Grenzlastintegrale (I2t-Werte), die nicht überschritten werden dürfen, um eine Schädigung des Bauelements ausschließen zu können. Aufgrund dieser Tatsache musste anhand der Kurzschlussströme und den daraus resultierenden I²t-Integralen entschieden werden, in wieweit die Schutzmaßnahmen gewählt werden müssen, sodass es zu keinen weiteren Schäden anderer Leistungshalbleiter kommt. So ist es möglich, durch das gleichzeitige Durchzünden aller IGCTs nach einer einstellbaren Verzugszeit ab Fehlerauftritt den Kurzschlussstrom auf alle Ventile zu verteilen und somit die Belastungen der Freilaufdioden zu minimieren. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, das Durchzünden auf einen Teilstromrichter zu reduzieren. Mit den entwickelten Modellen wurden in der Arbeit zwei Synchronmaschinen in der Einfach- bzw. Zweifach-Parallel-Schaltung simuliert und daraufhin die Schutzmaßnahmen so ausgelegt, dass der Schaden auf die durch den halbseitigen Zwischenkreiskurzschluss zerstörten Elemente reduziert wurde. Mit Hilfe dieses entworfenen Modells kann die Siemens AG Kundenanfragen hinsichtlich machbarer Antriebskonfigurationen spezifisch dem Fehlerverhalten der Halbleiter zügiger und effizienter bearbeiten, da dieses Modell von der Simulationszeit gegenüber existierenden Modellen wesentlich minimiert werden konnte. Ebenfalls können durch die verbesserte Dynamik der Simulation Personalkosten eingespart werden.