Schutz und Schirm

Redakteur: Brigitte Michel

Kernstück heutiger Produktionsanlagen sind drehzahlgeregelte elektrische Antriebe deren Drehzahl je nach Anwendungsfall stufenlos gesteuert werden kann. Bei diesen Servoantriebsystemen geschieht das Steuern und Regeln der Motordrehzahl des Drehstrommotors über einen Frequenzumrichter.

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Optimierte Motoranschlussleitungen kompensieren die Nachteile der Frequenzumrichtertechnik Bilder: Helukabel
Optimierte Motoranschlussleitungen kompensieren die Nachteile der Frequenzumrichtertechnik Bilder: Helukabel
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Frequenzumrichter mit Steuerkreis ist der wichtigste Teil des drehzahlgesteuerten Antriebs. Gesteuert und geregelt wird die Motordrehzahl (n) des Antriebes über die Frequenz (f) und die Motorspannung (u).

Aus zwei IGBT-Transistor gesteuerten Einheiten besteht der Frequenzumrichter: dem Gleichrichter, der an ein Drehstromversorgungsnetz angeschlossen ist und eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, sowie dem Wechselrichter, der die Gleichspannung in eine neue Wechselspannung mit variabler Frequenz umwandelt. Mit dieser Frequenz (f2) wird die Drehzahl des Motors über die Anschlussleitung präzise gesteuert.

Probleme beim Einsatz drehzahlgesteuerter elektrischer Antriebe

Die Frequenzumrichtertechnik bringt neben den großen Vorteilen auch Nachteile mit sich. Dies sind Emission starker elektromagnetischer Störfelder über die Motoranschlussleitung, hohe Überspannung in der Leitung und große Ableitströme und Störströme.

In Frequenzumrichtersystemen werden starke elektromagnetische Störfelder erzeugt. Die Ursache liegt in den extrem kurzen Ein- und Ausschaltzeiten der IGBT-Transistoren im Nano-Sekunden-Bereich und in der Taktfrequenz bis maximal 20 kHz der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung. Dies führt zu einem sehr hohen Oberwellenanteil der sinusförmigen Umrichterausgangsspannung.

Infolge der starken elektromagnetischen Emission vor allem an der Motorversorgungsleitung als Hauptstörquelle, kommt es zu erheblichen Störungen im Leitungsnetz, den Geräten und der Datenübertragung.

Für diesen Fall hat die europäische Norm EN 61 800-3 (Juli 2005), die Höhe des maximalen Störpegels des Antriebssystems festlegt, um die Störsicherheit der Signalübertragung zu gewährleisten.

In dieser Norm sind die Grenzwerte für den Störpegel der Funkstörspannung (0,15 bis 30 MHz) und der Elektromagnetischen Störstrahlung (30 MHz bis 1000 Mhz) jeweils für Kategorie C1: Bereich Wohnbezirke und für Kategorie C3: Industriebereich festgelegt.

Diese EMV-Grenzwerte müssen auf jeden Fall von den Antriebssystemen eingehalten werden. Unterschieden wird zwischen Systemen in Wohn- und Industriebereichen. Für den gleichen Frequenzumrichter gelten dann unterschiedliche EMV-Grenzwerte. So sind im Wohnbereich strengere Anforderungen nach C1 zu erfüllen als im Industriebetrieb nach C2.

Voraussetzung für eine Normerfüllung ist, dass auch die eingebauten Leitungen diese Norm erfüllen. Dies ist jedoch nur mit gut abgeschirmten Leitungen und oftmals durch den zusätzlichen Einbau von Netzfiltern möglich.

Beanspruchung durch Überspannungen

Die vom Frequenzumrichter an die Motorversorgungsleitung abgegebene Spannungsgrundwelle hat angenähert einen sinusförmigen Verlauf und die entsprechende Frequenz von 0 bis 400 Hz. Bei Änderung des Wellenwiderstandes am Anfang und Ende der Motorversorgungsleitung entstehen Stoßwellen, bei denen Überspannungen durch Reflexion der Oberwellen hervorgerufen werden. Dies tritt nur ein, wenn die Länge der Motoranschlussleitung größer als die Wellenlänge der Oberschwingung ist. Bei kurzen Leitungslängen, wenn die Leitungslänge kleiner als die Wellenlänge ist, kommt es zu Einschwingvorgängen am Frequenzumrichterausgang, der zur Folge hat, dass Spannungen vom zwei- bis dreifachen Werte der Motorspannung auftreten, die dann als Spannungspitzen regelmäßig die Isolierung der Motoranschlussleitung und die Spulenwindungen des Motors belasten.

Die Isolierung der Anschlussleitung muss deshalb so dimensioniert sein, dass diese Spannungsspitzen auftreten können.

Infolge der hohen Frequenzen am Umrichterausgang entstehen hohe kapazitive Ableitströme. Diese Ströme fließen über den Schirm und das Motorgehäuse zur Erde und bestimmen auch den Querschnitt der Abschirmgeflechte und der Schirmanschlüsse. Der Schirm muss so konstruiert sein, dass er vom durchfließenden Strom nicht übermäßig überhitzt wird.

Zudem kommt es als Folge von hohen Erdkapazitäten zu großen Blindströmen, die den Frequenzumrichter so belasten, dass infolge der Überstrombegrenzung des Wechselrichters die benötigte Wirkleistung nicht mehr zum Motor übertragen werden kann. Diese Ströme stehen dann der Drehmomentbildung am Motor nicht mehr zur Verfügung und fließen gleichzeitig als große Ableitströme über Schirm und Motorteile zur Erde. Diese Störströme können auch die Kugellager der Motorwelle durchfließen. Dadurch kann es zu erheblichen Beschädigungen der Kugellagerringe kommen.

Um die Nachteile der Frequenzumrichtertechnik zu kompensieren bietet HELUKABEL spezielle Motoranschlussleitungen an. Durch eine doppelte Abschirmung aus einer speziellen Aluminiumfolie und einem Schirmgeflecht aus verzinnten Cu-Drähten mit einem Bedeckungsgrad von etwa 80% werden die EMV-Anforderungen gemäß EN 61800-3 erfüllt. Die Aderisolierung der Anschlussleitung sollte aus elektrisch hochwertigen Polyethylen (PE) bestehen. Die Wanddicke der PE-Isolierung ist so ausgelegt, dass die permanenten Spannungsspitzen vom zweifachen Wert der Umrichter-Nennspannung ausgehalten werden.

Meist ist der Frequenzumrichterausgang noch zusätzlich mit einem elektrischen Filter versehen, der hochfrequente Oberwellen aussiebt und Spannungsspitzen glättet. (mi)

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