September 2007

EMV-Filter als Kostenbremse und Motorschutz

Nie wieder geschirmte Leitungen

Mit SineFormer™ bietet EPCOS ein Ausgangsfilter, das den Motor schont und die Schirmung der Motorleitung überflüssig macht. Damit lassen sich bei besserer Performance die Kosten senken.

Asynchronmotoren sollen häufig stufenlos drehzahlgeregelt betrieben werden können. Pulsweitenmodulierte Frequenzumrichter mit ungesteuertem Eingangsgleichrichter formen die Gleichspannung aus dem Zwischenkreis durch geeignete Ansteuerung der ausgangsseitigen Halbleiter (meist IGBTs) um. Das Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.

 ABBILDUNG 1: BLOCKSCHALTBILD EINES FREQUENZUMRICHTERS
Der Wechselrichter formt aus der Zwischenkreisspannung eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung mit steilen Flanken
a: sinusförmige Eingangsspannung
b: Gleichspannung im Zwischenkreis
c: pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung (Leiter-Leiter-Spannung)

Wie Abbildung 1 zeigt, ist die am Umrichterausgang anliegende Spannung alles andere als ideal sinusförmig. Die rechteckförmigen Pulsverläufe typischer Umrichterausgangsspannungen haben eine Flankensteilheit von 5 bis 10 kV/µs, was wiederum hochfrequente Ströme in der Motorleitung bewirkt. Auch die Spannung zwischen Leiter und Masse, die wegen parasitärer Kapazitäten der Umrichtertopologie anliegt, weist eine ähnlich hohe Flankensteilheit auf. Aufgrund parasitärer Kapazitäten des Motors kommen sehr hohe Lagerströme zustande, die die Lebensdauer des Motors verringern.

Asymmetrische Störanteile erfordern Leitungsschirmung

Gerade lange Motorleitungen weisen weitere hohe parasitäre Kapazitäten gegen Masse auf, die näherungsweise proportional zur Leitungslänge sind und wesentlich die Auslegung des Netzfilters mitbestimmen. Um die weitere elektromagnetische Ausbreitung der Störungen auf der Motorleitung durch Kopplung oder Strahlung zu reduzieren, muss diese geschirmt ausgeführt sein, sofern nicht wirksame Filtermaßnahmen auf der Motorseite des Umrichters ergriffen werden.

Die Schirmung ist umso wichtiger, je höher der betrachtete Frequenzbereich liegt. Bereits im Frequenzbereich der leitungsgebundenen Störaussendungsmessung von < 30 MHz ist sie unverzichtbar. Wie die Abbildungen 2 und 3 verdeutlichen, können selbst bei nahezu idealer Leitungslage mit einem Abstand von mehr als 50 cm zwischen Netz- und Motorleitung die Grenzwerte mit ungeschirmter Motorleitung in der Regel nicht eingehalten werden. Meist lassen die Installationsvorschriften in der Praxis zumindest rechtwinklige Kreuzungen von Motorleitung und Netzleitung zu. Aufgrund der stärkeren kapazitiven Verkopplung breiten sich die Störungen jedoch im Vergleich zu entfernter Leitungslage in noch größerem Maße auch auf die Netzleitung aus und führen zu deutlich höheren Grenzwertüberschreitungen (Abbildung 3). Doch nicht nur die Einhaltung von EMV-Grenzwerten an der Netzleitung ist von Bedeutung. Bei Aufkopplung auf Daten- und Sensorleitungen führen die hochfrequenten Störanteile zu Signalverfälschungen und gefährden damit die Systemfunktionalität.

 ABBILDUNG 2: LEITUNGSKONFIGURATIONEN AN UMRICHTERN
Aufbau eines Umrichters mit Netzfilter und ungeschirmter Motorleitung ohne Ausgangsfilter
Links: Netz- und Motorleitung durch Abstand voneinander getrennt
Rechts: mit rechtwinklig gekreuzter Leitungslage

 ABBILDUNG 3: STÖRSPANNUNGSMESSUNG MIT UNGESCHIRMTER LEITUNG
Netzseitige Störspannungsmessung an einem Frequenzumrichter mit EMV-Netzfilter und 100 m ungeschirmter Motorleitung ohne Ausgangsfilter: Abhängigkeit der Messergebnisse von der Lage der Motorleitung, Bezug auf Grenzwerte nach EN 55011 Klasse A (Gruppe 1) beziehungsweise EN 61800-3 Kategorie C2

Wird derselbe Messaufbau aus Netzfilter, Umrichter und Motor hingegen mit einer geeigneten geschirmten Motorleitung gleicher Länge betrieben, können die geforderten Industriegrenzwerte erwartungsgemäß eingehalten werden (Abbildung 4). Darüber hinaus lässt sich die Aufkopplung der Störungen von der Motorleitung auf Daten- und Sensorleitungen verhindern oder zumindest deutlich reduzieren, wodurch Funktionsausfälle vermieden werden können.

 ABBILDUNG 4: STÖRSPANNUNGSMESSUNG MIT GESCHIRMTER LEITUNG
Störspannungsmessung (netzseitig) an einem Frequenzumrichter mit Netzfilter und 100 m geschirmter Motorleitung ohne Ausgangsfilter. Die geforderten Grenzwerte werden eingehalten.

Neben der EMV-Problematik muss sich der Anwender zudem mit Lagerströmen im Motor auseinandersetzen. Denn die hohe Flankensteilheit der Umrichterausgangsspannung regt parasitäre Schwingkreise bestehend aus Motor- und Leitungskapazitäten sowie Induktivitätsbelägen an, deren Ein- und Ausschwingvorgänge die Umrichterausgangsspannung überlagern.

Dadurch ergeben sich motorseitig Spannungsüberhöhungen, vielfach mit Amplitudenspitzen, für die der Motor auf lange Sicht nicht ausgelegt ist (Abbildung 5). Hohe Lagerströme führen zu vorzeitigem Verschleiß der Lager und beanspruchen die Isolation der Motorwicklung, wodurch sich die Lebensdauer des Motors verringert.

 ABBILDUNG 5: SPANNUNGSÜBERHÖHUNG DURCH LEITUNGSBELÄGE
Spannungsüberhöhungen führen zu Durchschlägen in der Motorisolation.

Zur Entschärfung dieses Problems kommen grundsätzlich drei verschiedene Filterkonzepte infrage:

     • du/dt-Filter

     • Sinusfilter

     • Sinus-EMV-Filter (SineFormer)

Die vermeintlich preisgünstigste Lösung ist das du/dt-Filter. Das als LC-Tiefpass zwischen den Motorphasen (symmetrische Wirkung, das heißt Differential Mode) ausgelegte Filter verringert die Steilheit der Spannungsimpulse, und die Spannungsspitzen an der Motorwicklung werden abgesenkt. Da jedoch insbesondere die höher frequenten Anteile des asymmetrischen Störstroms gegen Masse nicht unterdrückt werden, darf auf eine Schirmung der Motorleitung nicht verzichtet werden. Typischerweise sind Leitungslängen bis zu etwa 100 m möglich. Darüber hinaus kann es zu Resonanzen und nicht mehr zulässigen Erwärmungen des du/dt-Filters kommen, die bis hin zur Zerstörung der Drossel führen können.

Das Sinus-Filter ist ähnlich aufgebaut wie das du/dt-Filter. Einziger, aber dafür signifikanter Unterschied: Die Grenzfrequenz des LC-Tiefpasses wird zwischen die maximal zulässige Drehfeldfrequenz und die untere zulässige Schaltfrequenz des Umrichters gelegt. Der Vorteil: Das Sinus-Filter hat eine bessere Wirkung als das du/dt-Filter, die schaltfrequenten Anteile der (symmetrischen) Leiter-Leiter-Spannung verschwinden fast vollständig, und es entsteht eine sinusförmige Ausgangspannung. Die LC-Schaltung des Sinus-Filters wirkt aber nur symmetrisch, sodass die Spannung eines jeden Leiters gegen Masse immer noch deutlich höher frequente Anteile aufweist. Es sind zwar damit Motorleitungen von weit mehr als 100 m möglich, und der Motorschutz konnte deutlich verbessert werden, aber aufgrund der mangelhaften asymmetrischen Filterwirkung kann trotz allem immer noch nicht auf die Schirmung des Motorkabels verzichtet werden.

SineFormer entstören optimal und senken Systemkosten

Um dieses Problem zu lösen, hat EPCOS den SineFormer entwickelt. Er bietet optimierten Motorschutz und senkt gleichzeitig die Systemkosten. Die SineFormer-Technologie formt nicht nur einen Sinus zwischen den Leitern, sondern reduziert die asymmetrischen Störungen zwischen den Leitern und der Masse signifikant. SineFormer bestehen aus einer symmetrisch wirksamen Induktivität und Kondensatoren, die eine sinusförmige Spannung zwischen den Leitern formen. Hinzu kommen eine stromkompensierte Drossel sowie asymmetrisch wirksame Kondensatoren, um die asymmetrischen Störanteile auf der Motorleitung deutlich zu reduzieren. Abbildung 6 zeigt das Prinzipschaltbild des SineFormer.

 ABBILDUNG 6: SCHALTUNG DES SINEFORMER
Der SineFormer bedämpft symmetrische wie asymmetrische Störungen. Dadurch kann auf kostspielige geschirmte Leitungen verzichtet werden, und der Motor wird geschont.

Das EMV-Konzept mit SineFormer zeichnet sich durch eine Vielzahl technischer und wirtschaftlicher Vorteile aus.

SINEFORMER 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 Lebensdauer erhöht und niedrigere Kabelkosten entstehen
Motorgröße kann reduziert werden
Motorlebensdauer kann deutlich erhöht 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
Reduzierte Anforderungen an Netzfilter
Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit
Auch als Nachrüstsatz geeignet

Gerade der mögliche Verzicht auf geschirmte Leitungen hat einen besonderen Vorteil, denn – abhänging von Querschnitt und Länge der Leitung – ist der Einsatz der SineFormer kostengünstiger als die Verwendung geschirmter Leitungen. Häufig sind die Kosten für das Filter bereits ab einer Leitungslänge von rund 100 m mit der Verwendung eines ungeschirmten Kabels kompensiert. Werden allein die Preise des SineFormer und der ungeschirmten Leitungen mit den Kosten eines Sinus-Filters und geschirmter Leitungen verglichen, kann der Break-even bereits bei Leitungslängen von weniger als 50 m erreicht werden, noch nicht einmal berücksichtigt wurde dabei der höhere Montageaufwand für geschirmte Leitungen.

Abbildung 7 zeigt im Vergleich zu Abbildung 3 eindrucksvoll 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 optimale Wirksamkeit der neuen Filtertechnologie. Durch die Verwendung von SineFormer-Filtern kann der Einsatz von geschirmten Leitungen endgültig der Vergangenheit angehören. Somit lassen sich die Systemkosten senken und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen.

 ABBILDUNG 7: STÖRSPANNUNGSMESSUNG AM SINEFORMER
Trotz ungeschirmter Kabel werden die zulässigen Grenzwerte eingehalten.

SineFormer eignen sich auch ideal 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 mithilfe der neuen Netzfilterreihe B84143D*R127 mit bis zu 300 m für die Klasse A und bis zu 200 m für die Klasse B (EN 55011).

Die neuen SineFormer zeichnen sich gegenüber derzeit auf dem Markt erhältlichen Sinus-Filtern durch weitere innovative Merkmale aus. So sind sie als Kompaktfilterlösung verfügbar. Aufwendige Montagekosten wie bei Baukastensystemen entfallen. Zudem ist keine Rückführung zum Zwischenkreis notwendig. Bei einer Rückführung zum Zwischenkreis muss diese Leitung geschirmt und der Schirm beidseitig aufgelegt werden. Allerdings ist dies für den Zwischenkreisanschluss am Umrichter oft gar nicht vorgesehen, wodurch dann die Gefahr hoher Störabstrahlung besteht.

Auch eine interne Zwangsbelüftung ist beim SineFormer nicht erforderlich. Somit ist der SineFormer wartungsfrei. Filter mit Lüftern haben hingegen den Nachteil, dass die Lebensdauer eines Lüfters abhängig von der Umgebungstemperatur ist. Bei handelsüblichen Lüftern sinkt mit wachsender Temperatur die Lebensdauer. Schlimmer noch: Da die Temperatur im Filter abhängig von der Belastung schwankt, kann der exakte Ausfall- oder Wartungszeitpunkt nicht bestimmt werden. Hinzu kommt, dass der Lüftertausch meist vom Filterhersteller vorgenommen werden muss und weitere Kosten verursacht.

Mit dem SineFormer hat EPCOS eine wegweisende Filtertechnologie entwickelt, die neben der überlegenen EMV-Performance auch durch wirtschaftliche Vorteile überzeugt.

 PRODUKTPROFIL: SINEFORMER

Bemessungsspannung:

     • 520 V bis 180 A beziehungsweise 600 V ab 320 A

Bemessungsstrom:

     • 11 A bis 320 A (600 A und 1000 A in Vorbereitung)

Umrichterpulsfrequenz:

     • 4 kHz bis 8 kHz bis 180 A und 2,5 kHz bis 3 kHz bei
       320 A

Approbationen:

     • UL/CSA bis 180 A

Autoren:

Carsten Juergens, Product Marketing Manager, EMC Filters

Christian Paulwitz, Manager EMC Laboratory

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