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Die perfekte Welle

Allpolige Sinusfilter lösen EMV-Probleme an Frequenzumrichtern
Die perfekte Welle

Die in der EN 50598 festgelegten Ökodesign-Anforderungen an elektrische Antriebssysteme erfordern auch effiziente Techniken und Topologien in der Filterung der durch diese Systeme hervorgerufenen Störanteile. Gerade mit der zunehmenden Anlagenvernetzung und im Hinblick auf Industrie 4.0 bedeuten hochfrequente Störimpulse eine stete Gefahr für die Kommunikation im gesamten Produktionsprozess. Die neue allpolige Sinusfilterserie SFA 500 von Block löst nicht nur eine Vielzahl dieser EMV-Probleme sondern steigert auch die Effizienz von Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen.

Malte Heuermann ist Produktmanager EMV bei der Block Transformatoren-Elektronik GmbH in Verden

In der bestehenden Sinusfilterserie SFA 400 von Block wird bereits erfolgreich die allpolige Sinusfiltertechnik zur Reduktion von Gegentakt- (Differential mode) und Gleichtaktstörungen (Common mode) am Frequenzumrichterausgang angewandt, die den Einsatz theoretisch unendlich langer Motorleitungslängen ermöglicht. Diese Technik wurde nun konsequent zur neuen Baureihe SFA 500 weiterentwickelt. Die Erweiterung des Einsatzbereiches auf 4 kHz Taktfrequenz stellt ein absolutes Novum im Bereich der allpoligen Sinusfiltertechnik dar, wodurch eine Ausnutzung des gesamten Leistungsbereiches des Frequenzumrichters erzielt wird. Gleichzeitig konnte durch die neue innovative Filtertopologie der Spannungsbereich bis 500 V und der Drehzahlbereich bis 150 Hz erweitert sowie im größeren Leistungsbereich eine um bis zu 40-%ige Bauraumreduzierung gegenüber Vergleichsprodukten erzielt werden. So ist eine effizientere und platzsparende Auslegung in der Projektierung von Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen möglich.
Frequenzumrichter als Störquelle
Der Frequenzumrichter ist eine Quelle von Gegentaktstörungen (Symmetrische Störungen/Differential mode) und Gleichtaktstörungen (Asymmetrische Störungen/Common mode). Gegentaktstörströme fließen in gleicher Richtung wie die Nutzsignalströme, haben also im Hin- und Rückleiter eine entgegengesetzte Richtung. Diese Störungsform kann durch Einsatz von Gegentaktfiltern wie Motordrossel, du/dt-Filter und Sinusfilter je nach Anwendungsfall effektiv gefiltert werden. Gleichtaktströme, die in allen Leitern in gleicher Richtung zum Motor fließen, koppeln sich über die Streukapazitäten des Motorkabels und des Motors auf das Massesystem ein. Um wieder zur Quelle, dem Zwischenkreis des Frequenzumrichters, zurück zu fließen, sind gezielt geschaltete Filterkapazitäten in Frequenzumrichtern oder Netzfiltern erforderlich. Sind diese nicht vorhanden oder ungenügend ausgelegt, können sich die Störströme über den gemeinsamen Massebezug im gesamten Anlagenbereich z.B. über Feldbuskabel und Geberleitungen sowie auf den Leitungswegen der Spannungsversorgung und dem Potenzialausgleich ausbreiten. Diese galvanische Kopplung ist eine der Hauptursachen für EMV-Probleme in elektrischen Anlagen. In der Praxis äußert sich das sowohl in gestörten/fehlerbehafteten Kommunikationssignalen in der Datenübertragung, die zu undefinierten Anlagenzuständen und -ausfällen führen, als auch in der Beeinflussung und Schädigung von Steuerungs- und Elektronikkomponenten.
Optimale Filterwirkung
Viele Frequenzumrichter stellen eine direkte Schnittstelle zum Zwischenkreis des Frequenzumrichters (Uz+/Uz-) zur Verfügung. Diese Möglichkeit greift das SFA-Konzept von Block auf. Da über das SFA eine Verbindung zum Zwischenkreis des Frequenzumrichters geschaffen wird, können Gleichtaktströme direkt zur Quelle zurück fließen. Eine Ausbreitung dieser hochfrequenten Störströme über das Potenzialausgleichssystem und somit die Gefahr der galvanischen Kopplung wird deutlich reduziert. Ein Vergleich der Strom- und Spannungsformen am Frequenzumrichter verdeutlicht die optimale Filterwirkung der SFA-Technologie.
Durch die gleichzeitige Dämpfung leitungsgeführter (Frequenzbereich 150 kHz bis 30 MHz) und gestrahlter Störaussendungen (Frequenzbereich 30 MHz bis 1 GHz) bei Installation eines SFA eröffnen sich Ratio-Potenziale bei den einzusetzenden Filterkomponenten und Leitungen. Die geschirmte Motorleitung kann durch eine günstige ungeschirmte ersetzt werden. Eine Verringerung der in Funkentstörfiltern gegen Masse geschalteten Ableitkapazität Cy ermöglicht den Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern Typ B 30 mA auch bei extrem langen Leitungslängen. Die Wahrscheinlichkeit eines ungewollten Auslösens des Fehlerstromschutzes wird vermieden.
Verbesserung des Systemwirkungsgrades
Untersuchungen hinsichtlich des Wirkungsgrades von elektrischen Antriebssystemen bei Installation eines SFA 500 ergaben signifikante Wirkungsgradverbesserungen am Frequenzumrichter um bis zu 4,8 %, über die Motorleitung bis zu 24,1 % und am Motor um bis zu 40 % bei Teillast und kurzer Motorleitungslänge (10 m). Bei Nennlast und einer geschirmten Motorleitungslänge von 150 m wurden folgende Werte erreicht: Frequenzumrichter 23,2 %; Motorleitung 11 %; Motor 3,7 %. Trotz der zusätzlichen Eigenverluste des SFA 500 erreicht das gesamte elektrische Antriebssystem insbesondere im Teillastbereich um bis zu 24 % beziehungsweise bei Einsatz langer Motorleitungslängen 50 m um bis zu 5 % bei Nennlast eine deutliche Effizienzsteigerung. Eine effizientere Auslegung der Einzelkomponenten und des gesamten Antriebssystems wird somit möglich.
Eliminierung von Lagerströmen am Motor
Umrichterbedingte Lagerströme werden durch die Gleichtaktspannung hervorgerufen, die zwischen dem Sternpunkt der Motorwicklungen und dem Erdpotenzial messbar sind. Ein Teil der Gleichtaktspannung liegt über kapazitive Kopplungen auch über dem Schmierspalt der Lager an, und kann dort, abhängig von der Höhe der Spannung und der drehzahl- und temperaturabhängigen Dicke des Schmierfilms, zu stochastischen Durchschlägen führen. Je häufiger und je heftiger diese Schmierfilmdurchschläge sind, desto stärker ist die Schädigung der Lager durch Materialabtrag. Die Lebensdauer des Motors wird erheblich reduziert. Um diese Lagerströme zu reduzieren wird hier oftmals eine Gleichtaktinduktivität in Form einer stromkompensierten Ringkerndrossel (SRD) mit geringer Windungszahl verwendet. An Beispielen wird deutlich, dass durch diese Maßnahme die Anzahl der Durchschläge am Motorlager zwar etwas verringert wird, aber eine wirkliche Lösung des Problems stellt nur das SFA dar. Hochfrequente Gleichtaktspannungsanteile und somit die Lagerströme werden nahezu vollständig eliminiert.
Geräte in vier Leistungsklassen
Das allpolige Sinusfilter SFA 500 sorgt mit seinem innovativen Konzept für den optimalen Einsatz Frequenzumrichter gesteuerter Antriebssysteme in anspruchsvollen technologischen Umgebungen. Die SFA-500-Serie umfasst vier Leistungsklassen 2,2 kW, 5,5 kW, 11 kW und 22 kW. Geräte größerer Leistung befinden sich aktuell im Entwicklungsstadium. Mit seinen unter anderem speziell auf elektrische Antriebssysteme zugeschnittenen Filterprodukten beweist Block seit nun mehr über 75 Jahren seine Kompetenz im Bereich der Spannungs- und Netzqualität. ge

Kontakt

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Block Transformatoren-Elektronik GmbH
Verden, Tel. +49 4231 678-0
www.block.eu
SPS IPC Drives: 4-311
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