Wechselwirkungen
Bestimmung der Eigenresonanz des Zwischenkreis-Kondensators der kleineren Leistungs-Elektronik LE2
Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus der Kapazität des Kondensators C1 und der Induktivität der Zuleitungen L3 bis L6
Die Spannungsquelle auf der rechten Seite simuliert die Rippelspannung aus dem großen Inverter
Der Innenwiderstand eines großen Inverters in Bezug auf die erzeugte Rippelspannung kann mit wenigen Milli-Ohm angenommen werden - hier dargestellt durch R_out (die für Spice notwendige Verbindung zu GND wird durch den hochomigen Widerstand R_Spice realisiert)
Die Leistungsaufnahme der kleineren Leistungs-Elektronik LE2 wird durch den Widerstand R_LE2 repräsentiert: 100 Ohm = 1.6 KW an 400 V
Die Batterie-Seite wird zunächst noch als offenes Ende betrachtet
Der Verlauf des Kondensatorstroms über Frequenz im logarithmischen Diagramm links und im linearen Diagramm rechts
Simulation des Kondensator-Stroms mit zusätzlichem einfachem Batterie-Modell
Aus dem Kurvenverlauf wird sehr deutlich, wie extrem der Strom im Zwischenkreis-Kondensator bei der Resonanzfrequenz überhöht werden kann
In unserem Beispiel genügt eine Spannung von 1 Volt um im Resonanzpunkt einen Strom von über 90 A durch den Kondensator zu treiben
Zu beachten: alle Induktivitäten hier weisen einen Serien-Widerstand von 0 Ohm auf
Der Verlauf des Kondensatorstroms über Frequenz im logarithmischen Diagramm links und im linearen Diagramm rechts
Simulation mit zu den Induktivitäten äquivalenten Leitungen
Anstelle der Induktivitäten sind äquivalente Leitungen eingesetzt. Eine Induktivität von 1 uH entspricht dabei ziemlich genau einer Leitung mit einer Länge von 90 cm und einem Wellenwiderstand von 333 Ohm. Die Länge ist hier die elektrische Länge der Leitung. Die elektrische Länge wird durch das Dielektrikum der Leitung um Wurzel(Epsilon r) verlängert. Bei typischen geschirmten HV-Leitungen wäre die mechanische Länge etwa die Hälfte, also ca 45 cm.
Die Schirmung einer Leitung hat einen sehr wesentlichen Einfluss auf den Wellenwiderstand und damit die äquivalente Induktivität und die Resonanzfrequenz der angschlossenen Elektroniken. Dies ist bei der Auslegung von Bordnetzen zu beachten
Mit den äquivalenten Leitungen ergeben sich identische Stromkurven zu der Simulation mit Induktivitäten
Mit geschirmten Leitungen (Wellenwiderstand 12 Ohm) verschiebt sich die Resonanzfrequenz von 10 kHz auf > 50 kHz bei gleicher Länge
Durch den Einfluss des Batterie-Modells ergibt sich eine leichte Verschiebung der Resonanzfrequenz und eine deutliche Reduzierung des maximalen Stroms in der Resonanzstelle - von über 90 auf etwa 25 A
Wegen der leichteren Handhabung und der besseren Übersichtlichkeit werden in den folgenden Simulationen wieder Induktivitäten anstelle von Leitungen verwendet
Wie die obigen Beispiele gezeigt haben, bestehen in dem betrachteten Frequenzbereich keine signifikanten Unterschiede
Rippelspannungs-Test mit Bordnetz-Nachbildung (BNN)
Die Bordnetz-Nachbildung entkoppelt den dämfenden Einfluss der Batterie
Umso wichtiger wird der Innenwiderstand des Prüfgenerators, wie in den nachfolgenden Diagrammen zu sehen ist (natürlich sind die Leitungslängen bei einer realen Prüfung andere, in unserem Beispiel aber nicht, um die Auswirkungen leichter vergleichen zu können)
Kondensatorstrom mit Bordnetz-Nachbildung (BNN) bei 10 mOhm Generator-Widerstand (logarithmisch links, linear rechts)
Kondensatorstrom mit Bordnetz-Nachbildung (BNN) bei 100 mOhm Generator-Widerstand (logarithmisch links, linear rechts)
Mit 100 mOhm statt 10 mOhm Ausgangswiderstand des Generators reduziert sich der maximale Kondensatorstrom von über 90 A auf ca 10 A
Simulation im Zeitbereich: Rippelspannung vom realen Inverter mit 10 kHz Takt, bei 100% Modulation und 200 Hz Drehfrequenz
L1 bis L4 zusammen mit C1 in Resonanz bei der Taktfrequenz
Rippelspannung (Blau: V(HV-DC)), der Rippelstrom durch C1 (Rot: I(C1)) mit ESR = 1 mOhm und der Phasenstrom (Grün: I(L_U))
RMS von I(C1) = 162 A
Rippelspannung (Blau: V(HV-DC)), der Rippelstrom durch C1 (Rot: I(C1)) mit ESR = 10 mOhm und der Phasenstrom (Grün: I(L_U))
RMS von I(C1) = 136 A
Simulation im Zeitbereich: Rippelspannung vom realen Inverter mit 10 kHz Takt, bei 100% Modulation und 200 Hz Drehfrequenz
L1 bis L4 100 nH statt 1 uH nicht in Resonanz mit C1 bei der Taktfrequenz
Rippelspannung (Blau: V(HV-DC)), der Rippelstrom durch C1 (Rot: I(C1)) mit ESR = 1 mOhm und der Phasenstrom (Grün: I(L_U))
RMS von I(C1) = 50 A
Wie schon angemerkt, weisen ungeschirmte Leitungen eine wesentlich höhere Induktivität auf, als geschirmte Leitungen. Der Übergang zum ungeschirmten Bordnetz könnte damit die Induktivität der Leitungen von einigen 100 nH in den Bereich von mehreren Mikro-Henry schieben und damit die Zwischenkreise von kleineren Leistungs-Elektroniken in den hier gezeigten Resonanzbereich.
Türkis: V(N001, N002) Rippelspannung am Zwischenkreis von LE2 (an C1) im Resonanzfall mit 4 x 1 uH und mit ESR = 1 mOhm
Eventuell auch problematisch:
Die Rippelspannung am Zwischenkreis der LE2 ist um den Faktor 4 höher als am Inverter-Port, V(HV-DC), 160 V statt 40 V
Türkis: V(N001, N002) Rippelspannung am Zwischenkreis von LE2 (an C1) kein Resonanzfall mit 4 x 100 nH und mit ESR = 1 mOhm
Unproblematisch: Die Rippelspannung am Zwischenkreis der LE2 ist nur wenig höher als am Inverter-Port, V(HV-DC)
Gegenprobe mit verschobener Taktfrequenz: 7 kHz statt 10 kHz und anschließend 13 kHz statt 10 kHz
Taktfrequenz: 7 kHz RMS von I(C1) = 51 A
Taktfrequenz: 10 kHz RMS von I(C1) = 162 A
Taktfrequenz: 13 kHz RMS von I(C1) = 46 A
Analog zu den Simulationen im Frequenzbereich, ergibt sich auch bei der Simulation im Zeitbereich mit komplettem Inverter eine drastische Überhöhung, wenn der Takt auf 10 kHz steht und mit einer Drehfrequenz von 200 Hz die höchsten Spektrallininien bei 9.4 und 10.6 kHz stehen -
und damit sehr nah bei der Zwischenkreis-Resonanz der LE2
Selbst bei 7 kHz Takt ist der Effektiv-Strom durch den Zwischenkreis-Kondensator C1 auf unter ein Drittel gesunken, obwohl sich durch den niedrigeren Takt die Rippelspannung erhöht hat
Im Unterschied zu den Simulationen im Frequenzbereich, nähert sich der Kondensator-Strom auch weitab der Resonanz aber niemals 0, das verhindern die zahlreichen Nebenlininien die zu jeder Zeit existent sind (siehe Spektrum)
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