Das Berechnungstool taid von Block ermöglicht die Entwicklung und EMV-konforme Auslegung allpoliger Sinusfilter für den effizienten Einsatz in mittels Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen.
Michael Owzareck ist Mitarbeiter der Grundlagenforschung bei Block Transformatoren-Elektronik GmbH in Verden
Kommunikativ vernetzte elektrische Anlagen und Systeme nach Industrie-4.0-Standard werden mit ihrem Ausbau immer anfälliger für Gleich- und Gegentaktstörungen. Hervorgerufen werden diese vor allem durch Schaltvorgänge der Gleich- und Wechselrichterbrücken. Zusätzlich erfordern die nach EN 50598 festgelegten Ökodesign-Anforderungen ein höheres Maß an effizienten Techniken und Topologien bei der Filterung von Störanteilen in vernetzten Antriebssystemen und Anlagen. Mit zunehmender Systemkomplexität steigt deshalb der Aufwand der optimierten Auslegung des Gesamtsystems mit reduzierten hochfrequenten Störungen, die als Gleich- und Gegentakt-Störungen die Funktion beeinflussen. Mit der Hilfe von taid entwickeln die Ingenieure bei Block ideale Komponenten für die EMV-konforme Auslegung eines mittels Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystems.
Allpoliges Sinusfilter mit verbesserter EMV
Sind hohe Frequenzen der Ströme zu erwarten, empfiehlt sich der Einsatz einer 4-Schenkel-Drossel mit Kapazitäten in einer Filteranwendung als allpoliges Sinusfilter. Basis für derartige Filterlösungen bei Block ist der allpolige Sinusfilter SF4. Die allpolige Sinusfiltertechnik reduziert Gegentakt- bzw. Differential- und Gleichtaktstörungen (Common Mode) am Frequenzumrichterausgang und ermöglicht lange Motorleitungen. Dank Minimierung hochfrequenter Stör- und Lagerströme können EMV-Probleme im System eliminiert werden.
Für das Gesamtsystem ergeben sich mit einer Wirkungsgradverbesserung durch eingesetzte allpolige Sinusfilter deutliche Effizienzsteigerungen insbesondere im Teillastbereich um bis zu 24 %, beziehungsweise beim Einsatz langer Motorleitungen von über 50 m um 5 % bei Nennlast. Gleichzeitig kann durch die Erweiterung des Einsatzbereiches auf ≥4 kHz Taktfrequenz bei 500 V Ausgangsspannung und einer Drehfrequenz bis 150 Hz der gesamte Frequenzbereich ausgenutzt werden. Für Frequenzumrichter gesteuerte Antriebssysteme wird dadurch eine wesentlich effizientere und platzsparende Lösung geschaffen.
Software taid zur Berechnung von 4-Schenkel-Drosseln
Für den vierten Schenkel der von Block empfohlenen 4-Schenkel-Drossel als allpoliges Sinusfilter verwendet der Hersteller ein alternatives Kernmaterial, da Gleichtaktstörungen höherfrequentierte Störanteile aufweisen. Damit sind übliche Kalkulationssoftwarelösungen für die Auslegung dieser Filterlösung ungeeignet. Die im Markt dafür eingesetzte Finite-Elemente-Methode liefert ein weitbekannt zuverlässiges Ergebnis mit Berechnungszeiten von bis zu 3 Stunden pro Induktivität. Block setzt für die optimale kundenspezifische Auslegung die eigens entwickelte Software taid ein.
Anwendungsspezifisch berechnet das Tool für ein optimiertes Design das Sättigungsverhalten der Kernmaterialien sowie die magnetische Auslegung bei nichtlinearen Eigenschaften. Sowohl im Gleichtakt- als auch im Gegentaktbereich erzielt taid eine erhebliche Reduzierung der Berechnungszeiten auf wenige Sekunden. Bei der effektiven Auslegung von Induktivitäten im Gleichtakt- und Gegentaktbereich liegen die kalkulierten taid-Werte im Vergleich zu den Werten anderer Software-Lösungen näher an den realen Messergebnissen. Im Anwendungsfall können basierend auf einer Standardlösung somit in kürzester Zeit mehrere kundenspezifische Varianten berechnet werden, um die ideale Auslegung für das Gesamtsystem zu finden. Während die Berechnungszeiten für differentielle Induktivitäten bei Gegentaktstörungen mittels FEM-Simulation etwa 2,5 Stunden betragen, kommt die Software taid in etwa 3 s zu einem Ergebnis. (ge)
