Common-mode current reduction technologies in four-wire inverter-fed motors

Abstract

Elektrische Antriebssysteme mit immer besserer Antriebsleistung und niedrigeren Kosten sind eine Notwendigkeit, um die Elektrifizierung des Verkehrs voranzutreiben, was derzeit als der bedeutendste Trend in Forschung und Entwicklung angesehen werden kann. Da die höhere Antriebsleistung jedoch auf den immer schnelleren Schaltvorgängen der getakteten Umrichter beruht, die zu elektromagnetischen Störungen (EMI) des Elektromotors und der umliegenden Geräte führt, wird auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Antriebes betroffen sein. Unter allen Arten von EMV-Problemen ist der Gleichtaktstrom die bedeutendste EMI des Antriebssystems. Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der Einführung zweier Technologien zur Gleichtaktstromunterdrückung für einen neuartigen Antriebssystem-Typ, dreiphasiger Vierleiter-Antriebssysteme, welche die Anwendung einer sensorlosen Steuerung und eines fehlertoleranten Betriebs ermöglichen. Anstatt empirische Formeln für die Analyse des durch den Motor fließenden Gleichtaktstrom zu verwenden, wurde eine theoretische Analysemethode vorgeschlagen, die auf der Übertragungsfunktion zwischen der Kabeleingangsoder Neutralleiterspannung und der ursprünglichen Phasenspannung basiert. Darauf aufbauend werden die Optimierung des Pulsweitenmodulation-Algorithmus (PWM) sowie der Entwurf von Filtertopologien als die beiden wichtigsten Technologien zur Gleichtaktunterdrückung vorgeschlagen. Für die PWM-Optimierung wird eine hybride Phasenverschiebungs-PWM vorgeschlagen, um den Gleichtaktstrom durch Entfernen der Nullsequenz in den Schaltzyklen zu reduzieren. Anders als herkömmliche Ansätze, werden damit die transienten bei den Sektorübergänge vermieden, und somit ein sanfter verlauf erreicht. Außerdem ist die variable Schaltfrequenz- PWM die zusätzlich zur hybriden Phasenschieber-PWM angewendet wird, um die Spitzen des Gleichtaktstromes bei ganzzahligen Vielfachen der Schaltfrequenz zu benachbarten Frequenzen weitgehend abzuschwächen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung dieser beiden PWM-Techniken zu einem neuartigen PWM-Algorithmus führt, der viel weniger Rechenaufwand erfordert, den Gleichtaktstrom stärker unterdrückt und somit besser die Standard-EMV-Prüfungen zu bestehen ermöglicht. Für den Filterentwurf von Vierleiter-Antriebssysteme führt die Analyse der Übertragungsfunktion zu dem Ergebnis, dass ungefilterte Vierleiter-Topologie bereits ein Filternetzwerk bildet, das den Gleichtaktstrom reduzieren kann. Die Filterwirkung dieses Netzwerks wird auch durch die Impedanz des Motors beeinflusst. Darauf aufbauend wird ein neuartiges Auslegungeverfahren für Vierleiter-Antriebssysteme vorgeschlagen, bei dem nicht nur die Entwurfparameter wie Verlustleistung, Filtereffizienz, und Resonanz, sondern auch die Impedanz von Elektromotoren berücksichtigt werden. Die vorgeschlagene Filtertopologie hat bessere Filtereffekte, weniger Leistungsverluste sowie eine geringere Größe und geringeres Gewicht als die konventionelle Dreileiter-Topologie zur Folge. Die Auswirkungen der Reduzierung des Gleichtaktstromes durch beide Technologien zur Gleichtaktunterdrückung wurden experimentell in einem praktischen Antriebssystem validiert. Darüber hinaus werden diese beiden Ansätze auch gemeinsam in einem Antrieb eingesetzt, das für die Traktion von Elektrofahrzeugen ausgelegt ist. Die Ergebnisse zeigten, dass eine einfache Kombination der beiden Ansätze nicht zu einem zusätzlichen Effekt der Gleichtaktstromunterdrückung führt, und weitere Forschungsarbeit notwendig ist, um eine Strategie zu entwickeln, welche die positiven Effekte bei einer kombinierten Anwendung optimal ausnutzt.

Electric drive systems (EDS) with increasingly better drive performance and lower cost have been a necessity of boosting the transportation electrification, which currently has been regarded as the most significant trend of research and development. However, as the better drive performance always relies on the increasingly faster transition of the switch-mode inverters, which leads to a serie of electromagnetic interference (EMI) to the electrical motor and the surrounding equipments, the electromagnetic compatibility (EMC) of the EDSs must also be concerned. Among all types of EMC problems, the common-mode (CM) current is the most significant EMI to EDSs. The primary focus of this dissertation is to introduce two kinds of CM current reduction technologies (CMCRTs) for a novel type of EDS, three-phase four-wire drive systems, which enables the application of sensorless control and fault-tolerant operation. Instead of using empirical formulas for the analysis of CM current flowing across the EDS, a theoretical analysis method has been proposed based on the transfer function between the cable input or neutral voltage and the original phase voltage. Based on this, optimization of pulse-width modulation (PWM) algorithm, as well as the design of filter topologies, are proposed as the two main CMCRTs. For the PWM optimization, hybrid phase-shift PWM, which can implement the phaseshift more smoothly than conventional phase-shift approaches, is proposed to reduce the CM current through removing the zero sequence in switching cycles. Besides, variable switching frequency PWM is applied in addition to the hybrid phase-shift PWM to largely attenuate the peaks of CM current at integral multiples of the switching frequency to adjacent frequencies. In summary, utilizing these two PWM techniques results in a novel PWM algorithm requiring much less computational efforts, EDS with much less CM current and higher possibility of passing the standard EMC tests. For the filter design of four-wire EDSs, the analysis of transfer function leads to a finding that unfiltered four-wire EDSs already consists of a filter network that can reduce the flowing CM current. The filtering effect of filter network is also influenced by the impedance of the motor. Based on this, a novel design procedure is proposed for four-wire EDSs with consideration of not only the design parameters like power loss, filtering efficiency, resonance, but also the impedance of electrical motors. Finally, the proposed filter topology results in better filtering effects, less power losses, as well as smaller size and weight than the conventional three-wire filter topology. The effects of reducing CM current by both CMCRTs have been validated experimentally in practical EDSs. In addition, these two CMCRTs are also applied together in a EDS designed for the traction of electric vehicles. It is concluded that simply combining effective CMCRTs will not result in an added effect of CM current reduction, which provides hints of an more appropriate application strategy for the combined utilization of CMCRTs.