Schlüsselwörter
(Englisch)
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SST, SiC, Efficiency, Reliability, Battery-Storage
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Anwendung neuer, effizienter Siliziumkarbid-Module in der elektrischen Antriebstechnik verspricht einen besseren Gesamtwirkungsgrad, führt aber durch die Höhere Schaltfrequenz zu Problemen in der Wicklungsisolation und den Lagern des Motors. Durch eine detaillierte, theoretische Analyse der Energieeffizienz und der potentiellen Problemen sowie durch umfangreiche Messungen werden im Rahmen dieses Projekts entsprechende Erkenntnisse für Hersteller und Anwender von SiC-Antriebssystemen gewonnen und zusammengefasst.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The application of new efficient silicon-carbide modules in electrical drives aims to increase the system’s efficiency, but leads to problems in the winding insulation and bearings of the machine due to the higher switching frequency. Based on a detailed theoretical analysis of the energy efficiency and the aforementioned problems, as well as through extensive measurements, recommendations for manufacturers and users of SiC-drives shall be worked out and summarized in this project.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Dieses Projekt teilt sich in vier Phasen auf, welche nachfolgend kurz und prägnant zusammengefasst werden.
In der ersten Phase wurde anhand einer Literaturrecherche eine AC/DC/AC-Topologie identifiziert, welche für Standard-Antriebssystem zur Anwendung kommt. Diese Topologie besteht aus Eingangs EMV-Filter, Rückspeisedrossel, aktiver Pulsgleichrichter, Spannungszwischenkreiskondensatoren, aktivem Pulswechselrichter, einer Lade/Entladeschaltung für den Zwischenkreis, CM-Ableitkondensatoren und einem Brems-Chopper. Zudem wurde ein CDM (Complete Drive Module), bestehend aus Si (Silizium) Halbleitern, der Firma B&R Automation AG als Referenzantriebssystem festgelegt. Auf Seite des SiC (Siliziumkarbid) Antriebssystems sind die Hardwarekomponenten wie das Six-Pack SiC-Modul und das dazu passende Treiberboard festgelegt worden. Als Controller soll eine real-time Box (RT Box) dienen.
Die zweite Phase beinhaltete einerseits das Hardwaredesign der im Punkt Eins beschriebenen AC/DC/AC-Topologie und andererseits die Effizienzmessung des Si-CDM Referenzsystems nach der Norm IEC 61800-9-2:2017. In der Designphase ist insbesondere darauf geachtet worden, dass das PCB (Printed Circuit Board) Design des Eingangskreises (bestehend aus aktivem Gleichrichter, halber Zwischenkreiskapazität, Strom- und Spannungssensoren) und das PCB des Ausgangskreises (bestehend aus aktivem Pulswechselrichter, halber Zwischenkreiskapazität, Strom- und Spannungssensoren) identisch aufgebaut ist. Der Eingangsfilter, die Rückspeisedrosseln, die Lade/Entladeschaltung und der Brems-Chopper werden dabei extern an das jeweilige PCB verdrahtet. Zudem wurde eine Regelstrategie ausgearbeitet, welche einerseits eine stabile Zwischenkreisspannung gewährleistet, andererseits eine Leistungsfaktorkorrektur erlaubt und die EMV-Rückwirkungen minimiert.
In der dritten Phase wurden Eingangs- und Ausgangs PCB aufgebaut und während dem Aufbau einzelne Komponenten getestet. Anschliessend wurden die PLECS Modelle für den aktiven Gleich- und Wechselrichter vorbereitet und erste Systemtests am Gleichrichter durchgeführt. Zudem wurde die Drehzahl und Winkelauswertung mit Hilfe eines Encoders im PLECS Modell des aktiven Wechselrichters vorbereitet.
In der vierten und letzten Phase dieses Projekts sind die Inbetriebnahmen des aktiven Gleich- und Wechselrichters abgeschlossen worden. Zudem wurden Messungen des Gleichrichters in Kombination mit der DAB (Dual Active Bridge) von der FHNW bis 22 kW, sowie weitere Messungen des Gleichrichters mit rein resistiver Belastung bis 10 kW durchgeführt. Ausserdem wurden zwei Messsequenzen des Wechselrichters ausgeführt. Die erste Messequenz bis 10 kW und mit 60 kHz Schaltfrequenz erfolgte aufgrund des defekten Motorprüfstands nicht an der OST in Rapperswil, sondern an der BFH bei Prof. Dr. Andrea Vezzini. Anschliessend folgte eine zweite Messequenz bis 5 kW mit den Schaltfrequenzen 15, 30, 45 und 60 kHz an der OST.
Der kompakte SiC-Gleichrichter erreichte eine Effizienz von über 99 %, der SiC-Wechselrichter eine Effizienz von 95 %. Dies resultiert in einem Gesamtwirkungsgrad des SiC-Umrichters von 94 %.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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This project is divided into four phases, which are summarized below.
In the first phase, a literature review was conducted to identify an AC/DC/AC topology to be used for standard drive systems. This topology consists of an input EMI filter, regenerative reactor, active pulse rectifier, voltage link capacitors, active pulse inverter, a charge/discharge circuit for the DC link, CM leakage capacitors and a brake chopper. In addition, a CDM (Complete Drive Module) consisting of Si (silicon) semiconductors from B&R Automation AG was specified as the reference drive system. On the SiC (silicon carbide) drive system side, the hardware components such as the six-pack SiC module and the matching driver board have been specified. A real-time box (RT box) is to serve as the controller.
The second phase included the hardware design of the AC/DC/AC topology described in point one and, the efficiency measurement of the Si-CDM reference system according to the IEC 61800-9-2:2017 standard. During the design phase, particular attention has been paid to ensure that the PCB (Printed Circuit Board) design of the input circuit (consisting of active rectifier, half DC link capacitance, current and voltage sensors) and the PCB of the output circuit (consisting of active pulse inverter, half DC link capacitance, current and voltage sensors) are identical. The input filter, the regenerative chokes, the charge/discharge circuit and the brake chopper are wired externally to the respective PCB. In addition, a control strategy was worked out which ensures a stable DC link voltage and allows power factor correction and minimizes EMC feedback.
In the third phase, input and output PCBs were built, and individual components were tested during the build process. Subsequently, the PLECS models for the active rectifier and inverter were prepared and first system tests were performed on the rectifier. In addition, the speed and angle evaluation was prepared with the help of an encoder in the PLECS model of the active inverter.
In the fourth phase of this project, the commissioning of the active rectifier and inverter was completed. In addition, measurements of the rectifier in combination with the DAB (Dual Active Bridge) of the FHNW up to 22 kW, as well as further measurements of the rectifier with purely resistive load up to 10 kW were carried out. In addition, two measurement sequences of the inverter were conducted. The first measurement sequence up to 10 kW and with 60 kHz switching frequency was not performed at the OST in Rapperswil due to the defective motor test bench, but at the BFH under Prof. Dr. Andrea Vezzini. Subsequently, a second measuring sequence up to 5 kW with the switching frequencies 15, 30, 45 and 60 kHz could be carried out at the OST.
The compact SiC rectifier achieved an efficiency of over 99 %, and the SiC inverter an efficiency of 95 %. This results in an overall efficiency of 94 %.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Ce projet est divisé en quatre phases, qui sont brièvement résumées ci-dessous.
Dans la première phase, une étude documentaire a été menée pour identifier une topologie AC/DC/AC pouvant être utilisée pour les systèmes d'entraînement standard. Cette topologie se compose d'un filtre CEM d'entrée, d'une self régénérative, d'un redresseur à impulsions actif, de condensateurs de liaison de tension, d'un onduleur à impulsions actif, d'un circuit de charge/décharge pour la liaison CC, de condensateurs de fuite CM et d'un hacheur de freinage. En outre, un CDM (Complete Drive Module) composé de semi-conducteurs Si (silicium) de B&R Automation AG a été spécifié comme système d'entraînement de référence. Du côté du système d'entraînement SiC (carbure de silicium), les composants matériels tels que le module SiC à six modules et la carte d'entraînement correspondante ont été spécifiés. Un boîtier temps réel (boîtier RT) doit servir de contrôleur.
La deuxième phase comprenait d'une part la conception matérielle de la topologie AC/DC/AC décrite au point un et d'autre part la mesure de l'efficacité du système de référence Si-CDM selon la norme IEC 61800-9-2:2017. Pendant la phase de conception, un soin particulier a été apporté pour s'assurer que la conception du circuit imprimé du circuit d'entrée (composé d'un redresseur actif, d'une demi-capacité de liaison CC, de capteurs de courant et de tension) et le circuit imprimé du circuit de sortie (composé d'un inverseur d'impulsions actif, d'une demi-capacité de liaison CC, de capteurs de courant et de tension) sont identiques. Le filtre d'entrée, les selfs régénératives, le circuit de charge/décharge et le hacheur de freinage sont câblés à l'extérieur du circuit imprimé respectif. En outre, une stratégie de contrôle a été élaborée qui, d'une part, assure une tension de liaison continue stable et, d'autre part, permet la correction du facteur de puissance et minimise la rétroaction CEM.
Dans la troisième phase, les circuits imprimés d'entrée et de sortie ont été construits et les composants individuels ont été testés pendant le processus de construction. Ensuite, les modèles PLECS pour le redresseur actif et l'onduleur ont été préparés et les premiers tests du système ont été effectués sur le redresseur. En outre, l'évaluation de la vitesse et de l'angle a été préparée à l'aide d'un encodeur dans le modèle PLECS du convertisseur actif.
Dans la quatrième phase de ce projet, la mise en service du redresseur actif et de l'onduleur a été réalisée. En outre, des mesures du redresseur en combinaison avec le DAB (Dual Active Bridge) du FHNW jusqu'à 22 kW, ainsi que d'autres mesures du redresseur avec une charge purement résistive jusqu'à 10 kW ont été effectuées. En outre, deux séquences de mesure de l'onduleur ont été réalisées. La première séquence de mesure jusqu'à 10 kW et avec une fréquence de commutation de 60 kHz n'a pas été réalisée à l'OST de Rapperswil en raison du banc d'essai moteur défectueux, mais à la BFH sous la direction du Prof. Dr Andrea Vezzini. Ensuite, une deuxième séquence de mesure jusqu'à 5 kW avec des fréquences de commutation de 15, 30, 45 et 60 kHz a pu être effectuée à l'OST.
Le redresseur SiC compact a atteint un rendement de plus de 99 %, l'onduleur SiC un rendement de 95 %. Il en résulte une efficacité globale de 94 %.
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