Störungsfreier Umrichterausgang

EMV-Probleme treten bei Frequenzumrichtern nicht nur am Eingang sondern auch am Ausgang auf. TDK bietet ein breites Spektrum an EPCOS Filtern und Drosseln, mit denen sich die unterschiedlichsten Störungen beseitigen lassen.

Frequenzumrichter werden für die stufenlose Drehzahlreglung von Asynchron-Motoren eingesetzt. Bei Applikationen, in denen Umrichter und Motor über eine längere Leitung miteinander verbunden sind, treten parasitäre Kapazitäten zwischen den Leitern und gegen Erde auf. Hinzu kommt, dass die Anstiegszeit der Rechteckimpulse der Umrichter-Ausgangsspannung im Bereich 5 bis 10 kV/µs liegt, was bei jedem Schaltvorgang zu hochfrequenten Strömen in der Leitung führt. Diese haben eine ganze Reihe von ungünstigen Auswirkungen:

• Die Überlagerung der Leitung mit hochfrequenten Strömen verringert den zur Verfügung stehenden Strom für den Betrieb des Motors. Zum Ausgleich muss der Umrichter größer dimensioniert werden.
• Störströme können bei langen Leitungen so groß werden, dass die Überstromschutzschaltung des Umrichters anspricht.
• Hochfrequente Ströme verursachen mit ihrem hohen Schaltfrequenzgehalt Verluste in der Leitung wie auch im Motor.
• Da ein Teil der hochfrequenten Ströme gegen Erde fließt, verursachen sie asymmetrische Störungen. Bei Verwendung ungeschirmter Motorleitungen würden dadurch unzulässig hohe Störfelder erzeugt, weshalb in der Regel kostspielige geschirmte Motorleitungen verwendet werden.
• Die hohe Flankensteilheit der Umrichterspannung regt außerdem parasitäre Schwingkreise an, die aus Kabel- und Motorkapazitäten sowie Leitungsinduktivitäten bestehen. Deren Ausschwingvorgänge überlagern sich der Umrichterspannung. Dies führt vor allem auf der Motorseite zu kurzzeitigen Spannungsüberhöhungen, welche die Motor-Nennspannung weit überschreiten können (Abbildung 1) und durch Teilentladungen die Motorisolation belasten, was wiederum zu einem Motorausfall führen kann.

Abbildung 1:

Spannungsüberhöhung durch die Motorleitung

Lange Motorleitungen weisen eine relativ hohe Induktivität auf, und verursachen bei steilen Schaltflanken große Spannungsüberhöhungen.

In Summe ergeben sich daraus am Umrichterausgang folgende Probleme:

• Große hochfrequente Blindströme in der Motorleitung
• EMV-Probleme
• Überspannung am Motor durch die hohe Spannungssteilheit und die lange Motorleitung
• Beschädigung der Motorisolation
• Lagerschäden durch Ableitströme über die Motorlager
• Motorgeräusche

Ausgangsfilter ermöglichen wirksame Entstörung

Für eine effektive Entstörung sind im Wesentlichen Faktoren wie Leitungslänge, Spektrum der Störfrequenz, Motortyp oder auch die Leistung entscheidend. Welcher Aufwand bei der Entstörung der Umrichterausgänge tatsächlich erforderlich und sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden.

du/dt-Drosseln

EPCOS du/dt-Drosseln, auch als Motordrosseln bezeichnet, sind typische Bauelemente mit denen sich Störungen unterdrücken lassen, die durch lange Motorleitungen entstehen. Durch diese Längsdrosseln fließt der gesamte Motorstrom. Steile Strom- und Spannungsflanken am Ausgang des Frequenzumrichters werden durch die Induktivität abgeflacht und die parasitären Kapazitäten der Motorkabel werden weniger stark ge- und entladen. Motordrosseln werden hauptsächlich zum Schutz der Motorwicklungen vor Spannungsspitzen eingesetzt.

Die Bauelemente der Serie B86301U* (Abbildung 2) sind für eine Bemessungsspannung von 520 V AC ausgelegt. Je nach Typ betragen die Stromtragfähigkeiten 8 A bis 1500 A. Sie eignen sich für Motorleitungen mit einer Länge von bis zu etwa 100 m bei Motorfrequenzen von 0 bis 400 Hz. Die kleineren Typen sind für eine maximale Taktfrequenz von 16 kHz ausgelegt, bei Varianten mit Stromtragfähigkeiten >500 A liegt diese bei 2,5 kHz. Das Design der Drosseln entspricht der Norm IEC 60076-6. Alle Typen dieser Serie werden mit dem UL-approbierten Isolationssystem T-EIS-CF1 gefertigt.

Abbildung 2:

Motordrosseln unterdrücken Spannungsspitzen

Das umfangreiche Spektrum an EPCOS Motordrosseln deckt ein Stromspektrum von 8 A bis 1500 A ab. Spannungsspitzen in den Motorwicklungen werden somit vermieden, wodurch die Lebensdauer der Motoren steigt.

Sinusfilter

Werden höhere Anforderungen an die Entstörung gestellt, empfehlen sich Sinusfilter. Auch sie sind als LC-Filter aufgebaut, ihre Grenzfrequenz liegt aber im Gegensatz zu den Motordrosseln zwischen der Ausgangsfrequenz und Umrichter-Taktfrequenz.

Da das Sinusfilter hauptsächlich auf symmetrische Störungen zwischen den Leitungen wirkt, werden Störungen gegen den Schutzleiter kaum verringert. Daher muss die Motorleitung weiterhin geschirmt ausgeführt werden. Sinusfilter reduzieren Motorgeräusche und Wirbelstromverluste und erlauben die Verwendung von Motorleitungen von deutlich mehr als 100 m Länge.

Typische Sinusfilter sind die Bauelemente der EPCOS Serie B84143V*R227, R229 oder R230. Sie sind für Dauerströme von 4 A bis 320 A bei Nennspannungen zwischen 520 V und 690 V ausgelegt. Die zulässige Taktfrequenz der Umrichter liegt je nach Typ zwischen 1,8 kHz und 16 kHz.

SineFormer^®

Motordrosseln und Sinusfilter reduzieren Spannungsspitzen auf den Motorleitungen, zeigen aber bei Störungen gegen Schutzleiter kaum Wirkung. Auch Motorlagerströme werden nur wenig bedämpft. Außerdem sind nach wie vor geschirmte Motorleitungen erforderlich.

Um die asymmetrischen Störungen auf der Motorleitung soweit zu reduzieren, dass auf die Schirmung der Motorleitung verzichtet werden kann, muss ein EMV-Sinusfilter verwendet werden. Dieses besteht aus einem Sinusfilter, das durch eine stromkompensierte Drossel mit Kondensatoren gegen Masse ergänzt ist. Diese Schaltungstechnik kommt beim EPCOS SineFormer zum Einsatz (Abbildung 3).

Abbildung 3:

Prinzipschaltbild EPCOS SineFormer

Der SineFormer bedämpft symmetrische wie asymmetrische Störungen. Dadurch kann auf kostspielige geschirmte Leitungen verzichtet werden, und der Motor wird geschont.

Abhänging von Querschnitt und Länge der Leitung ist der Einsatz von SineFormer in Kombination mit ungeschirmten Leitungen meist kostengünstiger als die Verwendung geschirmter Leitungen. Häufig sind die Mehrkosten für SineFormer bereits ab einer Leitungslänge von rund 100 m bei Verwendung eines ungeschirmten Kabels kompensiert. Werden allein die Preise des SineFormer und der ungeschirmten Leitungen mit den Kosten eines Sinusfilters und geschirmter Leitungen verglichen, kann der Break-even bereits bei Leitungslängen von weniger als 50 m erreicht werden. Dabei ist noch nicht einmal der höhere Montageaufwand für geschirmte Leitungen berücksichtigt.

Abbildung 4 zeigt die Wirkungsweise der SineFormer-Technologie. Selbst bei gekreuzter Verlegung von Netzleitung und ungeschirmter Motorleitung werden die Grenzwerte sicher eingehalten (hier nach EN 55011, Klasse A – Gruppe 1 beziehungsweise EN 61800-3 Kategorie C2). Dass so gut wie keine Kopplungen auftreten, zeigt eindeutig die sehr gute Wirkung dieser Filtertechnologie. In Summe lassen sich die Systemkosten senken und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen.

Abbildung 4:

Störspannungsmessung an EPCOS SineFormer

Trotz ungeschirmter Kabel werden die zulässigen Grenzwerte eingehalten.

SineFormer B84143V*R127 eignen sich auch zur Anlagennachrüstung, nämlich dann, wenn erst bei der Inbetriebnahme durch die Motorleitung verursachte EMV-Probleme auftreten. Auf die geeignete Auslegung des netzseitigen EMV-Filters ist selbstverständlich in jedem Fall auch weiterhin zu achten, etwa mit Hilfe der neuen, kompakten Netzfilterreihe B84243A*. Hier sind in Kombination mit SineFormer und bis zu 300 m ungeschirmter Leitung die Grenzwertklassen C2 nach EN 61800-3 erreichbar.

Tabelle: Technische Parameter des EPCOS SineFormer

Vorteile im Überblick

Technische Vorteile des EMV-Konzepts mit SineFormer:

• Verringerung des du/dt auf <500 V/μs
• Reduzierung der Geräuschentwicklung des Motors
• Deutliche Verminderung der Wirbelstromverluste
• Wesentliche Verringerung der Lagerströme
• Vermeidung von Kopplungen der Störungen von der Motorleitung zu anderen Netz- und Signalleitungen
• Bessere EMV-Performance als geschirmte Leitungen
• Funkstörstrahlung innerhalb der normativen Limits
• Bestmögliche Reduzierung der Störungen (leitungsgebunden und abgestrahlt) im Vergleich zu anderen Ausgangsfilterlösungen
• Keine Rückführung zum Umrichterzwischenkreis notwendig

Wirtschaftliche Vorteile des EMV-Konzepts mit SineFormer:

• Ungeschirmte Motorleitungen können eingesetzt werden, wodurch sich der Montageaufwand verringert, die Motorlebensdauer deutlich erhöht und Kabelanschaffungskosten minimiert werden
• Motorgröße kann reduziert werden
• Längere Motorkabel sind möglich (bis 1000 m ungeschirmt gemessen)
• Kein Wartungsaufwand, da die SineFormer ohne Zwangskühlung aufgebaut sind
• Kompaktfilter (kein Baukastensystem), dadurch geringeres Volumen und Gewicht
• Die Anforderungen an das Netzfilter können reduziert werden
• Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit
• Auch als Nachrüstsatz geeignet