Elektromagnetische Verträglichkeit beim Einsatz von Frequenzumrichtern

Elektromagnetische Verträglichkeit beim Einsatz von FrequenzumrichternElektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Dies ist die Fähigkeit elektrischer oder elektronischer Geräte, in Gegenwart elektromagnetischer Felder normal zu funktionieren. Gleichzeitig darf das Gerät den Betrieb anderer Geräte oder Systeme in der Nähe nicht beeinträchtigen.

Die EMV-Richtlinie der Internationalen Energiekommission (IEC) legt Immunitäts- und Emissionsanforderungen für elektrische Geräte fest, die im Europäischen Wirtschaftsraum verwendet werden. Die EMV-Norm EN 61800-3 deckt die Anforderungen an Frequenzumrichter ab.

Der Frequenzumrichter entnimmt der Quelle nur dann Strom, wenn der Momentanwert der Sinuswelle der Stromquelle höher ist als die Zwischenkreisspannung, d. h. im Bereich der Spitzenquellenspannung. Dadurch fließt der Strom nicht kontinuierlich, sondern intermittierend mit sehr hohen Spitzenwerten.

Diese Art von Stromverlauf enthält neben den Grundfrequenzkomponenten einen mehr oder weniger hohen Anteil harmonischer Komponenten (Versorgungsharmonische).

Bei dreiphasigen Frequenzumrichtern bestehen sie hauptsächlich aus der 5., 7., 11. und 13. Harmonischen. Diese Ströme verursachen eine Verzerrung des Spannungsverlaufs der Versorgungsspannung, die sich auf andere elektrische Verbraucher im gleichen Netz auswirkt.

Auch Wechselströme verursachen Schwankungen Leistungsfaktorkorrekturschaltungen Unter bestimmten kritischen Bedingungen kann es zu Überspannungen kommen.

Die Bedingungen sind kritisch, wenn:

  • mindestens 10 - 20 % der Leistung der Anlage werden vom Wechselrichter und dem ungeregelten Gleichrichter des Frequenzumrichters erzeugt;

  • die Kompensationsschaltung arbeitet unterbrechungsfrei;

  • Die unterste Kompensationsstufe erzeugt zusammen mit dem Versorgungstransformator einen Resonanzkreis und eine Resonanzfrequenz nahe der 5. oder 7. Harmonischen von 50 Hz, d. h. etwa 250 oder 350 Hz.

Aufgrund des sehr schnellen Schaltens der Wechselrichtertransistoren bei Pulsweitenmodulation Es werden akustische Effekte beobachtet, die sich negativ auf das Stromnetz und den Elektromotor auswirken.

Durch das schnelle Schalten der Transistorschalter des Wechselrichters entsteht ein breitbandiges Störsignal, das über die Motorkabel auf die Umgebung einwirkt. Die durch die PWM- und DTC-Steuerspannungsintervalle verursachten kontinuierlichen Änderungen der Induktivität führen zu geringfügigen Längenänderungen der Motorkernbleche (Magnetostriktion), was zu einem charakteristischen modulierten Rauschen im Motorstatorblechpaket führt.

Die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters ist hochfrequent rechteckige Impulsfolge mit unterschiedlicher Polarität und Dauer bei gleicher Amplitude.Die Steilheit der Front des Spannungsimpulses wird durch die Schaltgeschwindigkeit der Leistungsschalter des Wechselrichters bestimmt und ist bei Verwendung verschiedener Halbleiterbauelemente unterschiedlich (z. B.: z IGBT-Transistoren das sind 0,05 – 0,1 μs).

Der Durchgang eines Impulssignals mit steiler Front verursacht Wellenprozesse im Kabel und führt zu Überspannungen an den Motorklemmen.

Die Länge des Motorkabels hängt von der Länge der sich durch das Motorkabel ausbreitenden Hochfrequenzwelle (Impulsfront) ab. Entscheidend ist eine Kabellänge gleich der halben Wellenlänge, mit der Spannungsimpulse an die Wicklungen des Induktionsmotors angelegt werden in der Größenordnung etwa dem Doppelten der Zwischenkreisspannung entspricht.

Bei elektrischen Antrieben der Spannungsklasse 0,4 kV kann die Überspannung bis zu 1000 V betragen. Dieses Problem wird als Langkabelproblem bezeichnet.

Blockschaltbild des Frequenzumrichters

Blockschaltbild eines Frequenzumrichters mit Eingangs- und Ausgangsfiltern

Um den Anforderungen der EMV-Normen gerecht zu werden, werden in Frequenzumrichterantrieben Netzdrosseln und EMV-Filter eingesetzt.

EMV-Filter reduzieren die akustischen Geräusche des Wandlers und sind bei den meisten Wandlertypen werkseitig in das Sondengehäuse eingebaut. Netzdrosseln sollen hohe Einschaltströme und damit Oberschwingungen des Netzstroms reduzieren und den Überspannungsschutz des Frequenzumrichters verbessern.

Die Lösung des Problems der „langen Kabel“ besteht in der Notwendigkeit, technische Lösungen zur Begrenzung von Überspannungen und Einschaltströmen an den Anschlüssen des Elektromotors anzuwenden. Dazu gehört der Einbau von Ausgangsdrosseln, Filtern und Sinusfiltern.

Anschlussplan des Frequenzumrichters

Anschlussplan des Frequenzumrichters

Ausgangsdrosseln dienen in erster Linie dazu, die in langen Motorkabeln durch Überladung der Kabelsteckdosen auftretenden Stromspitzen zu begrenzen und den Spannungsanstieg an den Motorklemmen geringfügig zu reduzieren, sie reduzieren jedoch nicht die Spannungsspitzen an den Motorklemmen.

Lineardrossel

Lineardrossel

Die Filter schützen die Motorisolation, indem sie den Spannungsanstieg begrenzen und die Spannungsspitzen an den Motorklemmen auf unkritische Werte reduzieren, während die Filter die Stromspitzen reduzieren, die beim periodischen Aufladen der Kabelcontainer auftreten.

EMV-Filter

EMV-Filter

Sinusfilter sorgen für eine nahezu sinusförmige Spannung am Ausgang des Wandlers.

Darüber hinaus reduzieren Sinusfilter die Anstiegsgeschwindigkeit der Motorklemmenspannung auf einen bestimmten Wert, beseitigen Spannungsspitzen, reduzieren zusätzliche Verluste im Motor und reduzieren Motorgeräusche.

Bei langen Motorkabeln reduzieren Sinusfilter die Stromspitzen, die durch periodisches Nachladen der Kabelbehälter entstehen.

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden zur Begrenzung von Überspannungen in den Klemmen des Elektromotors sind zwei wirksame Möglichkeiten zur Lösung des Problems eines langen Kabels zu nennen, die keine großen Investitionen erfordern und direkt vom Benutzer durchgeführt werden können:

1. Installation eines Serien-LC-Filters am Ausgang des Frequenzumrichters, um die Steilheit der Vorderflanke der Ausgangsspannungsimpulse des Wechselrichters zu reduzieren;

2.Installieren eines parallelen RC-Filters direkt an den Motorklemmen, um die Wellenimpedanz des Kabels anzupassen.

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit ist zu beachten, dass für die Verbindung des Frequenzumrichters und des Elektromotors geschirmte Kabel verwendet werden müssen. Zur wirksamen Unterdrückung abgestrahlter hochfrequenter Störungen sollte die Leitfähigkeit der Abschirmung mindestens 1/10 der Leitfähigkeit des Phasenleiters betragen.

Einer der Parameter, mit denen sich die Leitfähigkeit des Schirms beurteilen lässt, ist seine Induktivität, die klein sein und möglichst wenig von der Frequenz abhängen sollte. Mit einer Abschirmung (Panzerung) aus Kupfer oder Aluminium können diese Anforderungen problemlos erfüllt werden.

Die Abschirmungen des Kabels, das den Frequenzumrichter mit dem Motor verbindet, müssen an beiden Enden geerdet werden. Je besser und dichter die Abschirmung ist, desto geringer ist der Strahlungspegel und die Stromstärke in den Motorlagern.

Schirm des Motorkabels für den Frequenzumrichter

Schirm des Motorkabels für den Frequenzumrichter

Die Abschirmung besteht aus einer konzentrischen Schicht Kupferdrähten und einem gewickelten Kupferband.

Normalerweise wird die Abschirmung des Steuerkabels direkt am Frequenzumrichter geerdet. Das andere Ende der Abschirmung bleibt ungeerdet oder ist über einen Hochspannungs-Hochfrequenzkondensator von einigen nF mit der Erde verbunden.

Es wird empfohlen, für den Anschluss analoger Signale ein Twisted-Pair-Kabel mit zwei Abschirmungen zu verwenden. Auch für den Anschluss von Signalen eines Impulsgeschwindigkeitssensors empfiehlt sich die Verwendung eines solchen Kabels. Für jedes Signal sollte ein Kabel mit separater Abschirmung verwendet werden.

Für digitale Niederspannungssignale empfiehlt sich ebenfalls die Verwendung eines doppelt geschirmten Twisted-Pair-Kabels, es können jedoch auch mehrere Twisted-Pair-Kabel mit einer gemeinsamen Abschirmung verwendet werden.

Doppelt geschirmtes Twisted-Pair-Kabel (a) und Kabel mit mehreren Twisted-Pairs und einem gemeinsamen Schirm (b)

Doppelt geschirmtes Twisted-Pair-Kabel (a) und Kabel mit mehreren Twisted-Pairs und einem gemeinsamen Schirm (b)

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