High-Performance-Lösungen für den Frequenzumrichterausgang

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Frequenzumrichter werden für die stufenlose Drehzahlreglung von AC-Motoren eingesetzt. Bei Applikationen, in denen Umrichter und Motor über eine längere Leitung miteinander verbunden sind, ist mit zunehmenden parasitären Kapazitäten zu rechnen. Anstiegsgeschwindigkeiten von typisch 5 bis 10 kV/µs des Ausgangsschaltsignals des Umrichters verursachen hochfrequente Ströme, deren Strompfad auch durch die parasitären Kapazitäten führt. Diese haben eine ganze Reihe von ungünstigen Auswirkungen, die mit Hilfe von EPCOS Produkten wie Motordrosseln (du/dt-Drosseln), Sinusfilter und SineFormer erheblich reduziert werden können. Zu den negativen Einflussfaktoren gehören:

  • 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.
  • Höherfrequente Stromanteile verursachen zusätzliche Motorverluste.
  • Ohne Ausgangsfilter sind in der Regel immer geschirmte Motorleitungen notwendig, die höhere Kosten verursachen. Über den Kabelschirm gegen Bezugsmasse fließen auf Grund der höheren parasitären Kapazität deutliche asymmetrische Störströme.
  • 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 und durch Teilentladungen die Motorisolation belasten, was wiederum zu einem Motorausfall führen kann.

In Summe ergeben sich daraus 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

TDK bietet ein umfangreiches Spektrum von EPCOS Lösungen mit schneller Verfügbarkeit an:
  • Motordrosseln (du/dt-Drosseln/-Filter)
  • Sinusfilter
  • SineFormer
Alle Drosseln werden mit einem UL-approbierten Isoliersystem gefertigt.

Im Vergleich verschiedener Konzepte für Ausgangsfilter ist der SineFormer sowohl technisch als auch wirtschaftlich die beste Lösung.

Konzept mit Motordrossel (du/dt-Drossel)

Schaltbild

Abb 1: Spannungsüberhöhung durch eine Leitung

Abb 2: Prinzipschaltbild du/dt-Drosseln

Vor- und Nachteile
  • Reduziert du/dt-Anstiegsgeschwindigkeit signifikant
  • Preisgünstige Lösung
  • Motorleitungen bis max 100 m möglich
  • Keine Geräuschverringerung des Motors
  • Geschirmte Motorleitung immer noch notwendig

Konzept mit Sinusfilter

Schaltbild

Abb 1: Spannungsüberhöhung durch eine Leitung

Abb 2: Prinzipschaltbild Sinus-Filter

Vor- und Nachteile
  • Reduziert du/dt-Peaks signifikant
  • Formt einen Sinus zwischen den Phasen
  • Reduzierung des Geräuschpegels
  • Weniger Wirbelstromverluste
  • Relativ teure Lösung, da weiterhin geschirmte Leitungen eingesetzt werden müssen

Konzept mit SineFormer

Schaltbild

Abb 1: Spannungsüberhöhung durch eine Leitung

Abb 2: Prinzipschaltbild SineFormer

Vorteile
  • Motorgröße lässt sich reduzieren
  • Motorlebensdauer kann deutlich erhöht werden
  • Ungeschirmte Motorleitungen können eingesetzt werden, wodurch sich der Montageaufwand verringert, die Motorlebensdauer steigt und niedrigere Kabelkosten entstehen.
  • Längere Motorkabel sind möglich (Applikation bis 1000 m im Labor gemessen)
  • Kein Wartungsaufwand, da SineFormer ohne Zwangskühlung aufgebaut ist
  • Kompaktfilter (kein Baukastensystem), dadurch geringeres Volumen und Gewicht
  • Geringere Anforderungen an Netzfilter
  • Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit
  • Auch als Nachrüstsatz geeignet

Vorteile einer Lösung mit SineFormer im Vergleich zu anderen Ausgangsfilterlösungen gezeigt an beispielhaften Messergebnissen

Frequenzumrichter ohne Ausgangsfilter

Schaltbild
Messergebnis

Hochfrequente Störungen erfordern eine geschirmte Motorleitung.

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 2: du/dt

Abb 2: du/dt

Abb 3: Asymmetrischer Störstrom

Abb 3: Asymmetrischer Störstrom

Link 1: Spannung Phase/Phase Link 2: du/dt Link 3: Asymmetrischer Störstrom

Frequenzumrichter mit Motordrossel (du/dt-Drossel)

Schaltbild
Messergebnis

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.

Abb 1: du/dt

Abb 1: du/dt

Frequenzumrichter mit Sinusfilter

Schaltbild
Messergebnis

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.

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 2: Spannung Phase/Erde

Abb 2: Spannung Phase/Erde

Link 1: Spannung Phase/Phase Link 2: Spannung Phase/Erde

Frequenzumrichter mit SineFormer

Schaltbild
Messergebnis

Durch die Verwendung einer Kombination aus Längsinduktivität und Gleichtaktdrossel werden die asymmetrischen Störungen soweit reduziert, dass auf die Verwendung von geschirmten Motorleitungen verzichtet werden kann.

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 1: Spannung Phase/Phase

Abb 2: Spannung Phase/Erde

Abb 2: Spannung Phase/Erde

Abb 3: Asymmetrischer Störstrom

Abb 3: Asymmetrischer Störstrom – Keine geschirmten Leitungen mehr notwendig

Abb 4: du/dt

Abb 4: du/dt – du/dt-Peaks deutlich auf unkritische Werte reduziert

Link 1: Spannung Phase/Phase Link 2: Spannung Phase/Erde Link 3: Asymmetrischer Störstrom Link 4: du/dt

Vergleich der Lagerströme in verschiedenen Ausgangsfilterkonzepten

Durch das Schaltverhalten der IGBTs werden hochfrequente Gleichtaktstörungen erzeugt, die sich über die Motorleitung ausbreiten und durch parasitäre Kapazitäten der Leitung und des Motors gegen Erde abfließen. Im Motor fließen die Ströme über das Motorlager und können zu einem erhöhten Verschleiß des Motorlagers führen und damit zu einen vorzeitigen Lagerschaden.

Lagerstrom ohne Ausgangsfilter

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Messergebnis

Die Messungen zeigen einen hochfrequenten asymmetrischen Lagerstrom.

Hohe Lagerströme im Motor sorgen für eine Reduzierung seiner Lebensdauer

Lagerstrom mit Sinusfilter

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Messergebnis

Die Längsinduktivität des Sinusfilters wirkt hauptsächlich symmetrisch und nur ansatzweise asymmetrisch. Daher fließen weiterhin die hochfrequenten Störungen auf der Motorleitung, so dass auf eine geschirmte Motorleitung nicht verzichtet werden kann. Ferner werden Lagerströme im Motor nur unwesentlich reduziert.

Sinus-Filter reduzieren die Lagerströme im Motor nur bediingt

Lagerstrom mit SineFormer

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Messergebnis

Durch die einzigartige Kombination aus Längsinduktivität und Gleichtaktdrossel lässt sich der hochfrequente asymmetrsiche Strom wirkungsvoll reduzieren. Dadurch sind geschirmte Motorleitungen unnötig. Lagerströme im Motor werden bestmöglich minimiert und die Motorlebensdauer deutlich erhöht.

Nur SineFormer reduzieren effizient die Lagerströme und erhöhen die Lebensdauer des Motors

Motordrosseln für Umrichter B86301U*R000/S000

Motordrosseln reduzieren die Spannungsspitzen am Motor und den du/dt‑Anstieg am Frequenzumrichterausgang

Kenndaten
  • 4 bis 1500 A / 520 V
  • 1% uk
  • Montagefreundlich
  • Geringes Gewicht
  • Kompaktes Design
  • Aufbau entsprechend IEC 60076-6
  • UL-zertifiziertes Isolationssystem

Sinus-Ausgangsfilter B84143V*R227/ R229/R230

Kenndaten
  • 4 A bis 720 A / 520 V (-R227/-R230)
  • 690 V Version: -R230-Serie bis 204 A
  • Ausgelegt für Motorleitungen bis zu 1000 m
  • Schmaler Aufbau ist einzigartig auf dem Markt
  • UL-zertifiziertes Isolationssystem

SineFormer®: Beste Ausgangsfilterlösung

  • Komplette Baureihe
    von 6 A bis 180 A / 520 V (-R127 Serie)
    von 95 A bis 320 A / 760 V (-R290 Serie)
  • Kommerzielle Vorteile
    Systemkostensenkung durch Verwendung ungeschirmter Motorleitungen
    -> Automatische Kostenersparnis ab einer Motorleitungslänge von 100 m
  • Technische Vorteile
    Verlängerte Motorlebensdauer, Motorgeräuschreduzierung, Deutliche Verringerung der Motorlagerströme, keine Zwangskühlung notwendig -> wartungsfrei
    Keine Rückführung zum Zwischenkreis -> zusätzliche Störquellen werden vermieden
  • Installationsvorteile
    Ungeschirmte Motorleitungen sind leichter und flexibler
    -> geringerer Installationsaufwand
  • Logistischer Vorteil
    Ungeschirmte Leitung ist Standardware