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Sinusfilter sorgen für mehr Effizienz bei Antriebslösungen

Sinusfilter lösen EMV-Probleme an Frequenzumrichtern
Mehr Effizienz bei Antrieben

Die in der EN 50598 festgelegten Ökodesign-Anforderungen an elektrische Antriebssysteme erfordern auch effiziente Techniken und Topologien zur Filterung der durch diese Systeme hervorgerufenen Störungen. Gerade mit der zunehmenden Anlagenvernetzung und im Hinblick auf Industrie 4.0 bedeuten hochfrequente Störimpulse eine stete Gefahr für die Kommunikation im gesamten Produktionsprozess.

 

Karsten Kornau ist Produktmanager EMV bei der Block Transformatoren-Elektronik GmbH in Verden

Die allpolige Sinusfilterserie SF4 von Block löst nicht nur eine Vielzahl dieser EMV-Probleme, sondern steigert auch die Effizienz von Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen. Die Filterserie nutzt die allpolige Sinusfiltertechnik zur Reduktion von Gegentakt- und Gleichtaktstörungen am Frequenzumrichterausgang, sodass der Einsatz langer Motorleitungen möglich ist. Mit dem Einsatzbereich ab 4 kHz Taktfrequenz ist die Ausnutzung des gesamten Leistungsbereiches des Frequenzumrichters möglich. Die innovative Filtertopologie bietet einen Spannungsbereich bis 500 V und einen Drehzahlbereich bis 150 Hz. Damit ist eine effiziente und platzsparende Auslegung in der Projektierung von mittels Frequenzumrichtern 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 Motordrosseln, 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, zurückzufließen, 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 denen der Potenzialausgleichssysteme ausbreiten. Dieser Effekt wird als galvanische Kopplung bezeichnet und ist eine der Hauptursachen für EMV-Probleme in elektrischen Anlagen. In der Praxis äußert sich das sowohl in gestörten 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 SF4-Konzept von Block auf. Indem über das SF4 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.

Durch die gleichzeitige Dämpfung leitungsgeführter (Frequenzbereich 150 kHz bis 30 MHz) und gestrahlter Störaussendungen (Frequenzbereich 30 MHz bis 1 GHz) bei Installation eines SF4 eröffnen sich Rationalisierungs-Potenziale bei den einzusetzenden Filterkomponenten und Leitungen. Die teure geschirmte Motorleitung kann durch eine günstige ungeschirmte weitestgehend ersetzt werden. Eine Verringerung der in Funkentstörfiltern gegen Masse geschalteten Ableitkapazität ermöglicht den Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern Typ B 30 mA auch bei extrem langen Leitungslängen. Die Wahrscheinlichkeit eines ungewollten Auslösens des Fehlerstromschutzes wird vermieden.

Sinusfilter verbessern den Systemwirkungsgrad

Untersuchungen hinsichtlich des Wirkungsgrades von elektrischen Antriebssystemen bei Installation eines SF4 ergaben 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 SF4 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 als auch des gesamten Antriebssystems wird somit möglich.

Sinusfilter eliminieren Lagerströme 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.

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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 SF4 dar. Hochfrequente Gleichtaktspannungsanteile und somit die Lagerströme werden nahezu vollständig eliminiert. Das allpolige Sinusfilter SF4 ist in verschiedenen Leistungsklassen (6 bis 165 A) verfügbar.

www.block.eu

Weitere Details zu den Sinusfiltern:
http://hier.pro/FnglK

 


Kontakt

Block Transformatoren-Elektronik GmbH
Max-Planck-Straße 36-46
27283 Verden
Tel: +494231 678-0
info@block.eu
www.block.eu

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