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antriebstechnik 1-2/2019

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ELEKTROMOTOREN Die

ELEKTROMOTOREN Die richtige Auswahl von Isoliersystemen für umrichtergespeiste Motoren Antriebssysteme aus einer Hand optimieren die Isolationsbeanspruchung elektrischer Maschinen D ie Integration von Umrichtertechnik ergibt eine Vielzahl neuer Freiheitsgrade in der Projektierung von Antriebssystemen. Durch eine konsequente Optimierung und Abstimmung der Systemkomponenten ist die VEM-Gruppe nun in der Lage, die optimale Antriebslösung für alle Kundenwünsche unter dem Namen VEMoDRIVE zu liefern. Die sich aus dem Zusammenspiel von Motor und Umrichter ergebenden Anforderungen an die Motorisolierung werden in dem folgenden Beitrag vorgestellt. Im Anschluss werden Lösungswege aufgezeigt, um herauszufinden, ob eine Isolierung den durch einen Dr.-Ing. Michael Sprenger ist Entwicklungs- und Projektingenieur Antriebssysteme und Dr.-Ing. Henri Arnold ist Leiter Technik Antriebssysteme und Dr.-Ing. Jörg Schützhold ist Entwicklungsund Projektingenieur Antriebssysteme, alle bei der VEM Sachsenwerk GmbH in Dresden Umrichter hervorgerufenen Anforderungen Stand hält. Dabei werden in diesem Artikel nur teilentladungsfreie Isoliersysteme betrachtet (Typ 1 nach DIN EN 60034-18-41). Einflussfaktoren auf die Impulsbelastung des Isoliersystems Betrachtet man die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters (FU), so fällt auf, dass die Spannung als Folge von Rechteckimpulsen mit einem bestimmten Spannungsanstieg ∆u/∆t, einem Endwert im eingeschwungenen Zustand U a und einer Wiederholrate (Pulsfrequenz) f P ausgegeben wird. Diese Spannungsform, wie in Bild 01 dargestellt, stellt andere Anforderungen an das Isoliersystem als eine rein sinusförmige Spannung. Im folgenden Abschnitt werden die Auswirkungen impulsförmiger Spannungen auf die Isolierung dargestellt. Aufbau des Isoliersystems Betrachtet man das Wicklungssystem einer Drehfeldmaschine unter Prüfbedingungen, ergibt sich das in Bild 02 gezeigte Ersatzschaltbild. Daraus resultieren auch die grundlegenden Isolierungen einer Wicklung: 1. Phasenisolierung / Wickelkopfisolierung (U PP ) 2. Isolierung Phase-Erde (U PE ) 3. Windungsisolierung (U W ) Der schematische Aufbau eines Isoliersystems ist in Bild 03 dargestellt. Diese Isolierungen werden, abhängig von der Spannungsform, unterschiedlich stark beansprucht. Einfluss des Spannungsanstieges Eine niederfrequente, sinusförmige Spannung U PE würde sich gleichmäßig über alle 24 antriebstechnik 1-2/2019

ELEKTROMOTOREN Die VEM-Gruppe konzipiert und produziert elektrische Antriebsysteme, Spezialmotoren und Sondermaschinen mit einem Leistungsspektrum von 60 Watt bis 60 Megawatt sowie Komponenten der Antriebstechnik und Energieerzeugung. Entsprechend ihrer Profilierung zum Systemanbieter bietet die VEM-Gruppe unter der Bezeichnung VEMoDRIVE komplette Antriebsysteme an. Kunden können damit Motor, Umrichter, Transformator sowie Anlagensteuerung aus einer Hand erhalten, und das alles „Made in Germany“. 01 Ausgangsspannung 02 U PP U a 0 –U a 0 Die gepulste Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters stellt andere Anforderungen an das Isoliersystem als rein sinusförmige Spannungen Δt Δu π Phasenwinkel U PE 1/f P Definitionen der Spannungen an einem dreiphasigen Wicklungssystem 2π U W Windungen n verteilen, sodass sich eine benötigte Spannungsfestigkeit der Windungsisolation von U W ≈ U PE /n ergäbe. Praktisch ist jedoch bei der im Normmotorenbereich üblichen Träufelwicklung mit lackisolierten Runddrähten von einer ungeordneten Lage der Leiter innerhalb der Nut auszugehen. Eingangs- und Ausgangswindung einer Spule können nebeneinander liegen, sodass hier nur von U W < U PE ausgegangen werden kann. Der konkrete Wert ist abhängig von der Wicklungsausführung, insbesondere von der Lochzahl q sowie der Anzahl in Reihe geschalteter Spulengruppen. Durch den schnellen Spannungsanstieg ∆u/∆t ergeben sich, im Vergleich zu einer sinusförmigen Spannung mit 50 Hz Grundfrequenz, sehr hochfrequente Anteile. Zur Bestimmung des Einflusses dieser Frequenzanteile wird das Hochfrequenzersatzschaltbild in Bild 04 betrachtet. Aufgrund der Permittivität des Isoliermaterials bilden sich Kapazitäten zwischen den Leitern und Erde bzw. zwischen den Leitern. Die stellen für hochfrequente Impulse einen Kurzschluss dar. Daraus ergibt sich, dass eine steile Spannungsflanke nahezu vollständig über den ersten Windungen abfällt und damit die Windungsisolierung stärker beansprucht als eine niederfrequente, sinusförmige Spannung. Im Extremfall ist die Spannung über der ersten Windung U W1 ≈ U PE . Eine Abschätzung der Spannungsverteilung gibt die Norm DIN EN 60034-18-41. Darin wird der Anteil des Impulses, der die Win dungsisolation beansprucht, in Abhängigkeit der Spannungsanstiegszeit ∆t ange geben. Bild 05 zeigt den beschriebenen Zusammenhang. Bei Einsatz moderner Frequenzumrichter mit Spannungsanstiegszeiten im Bereich von ca. 100 ns zeigt sich, dass die Win- 03 3 c Isoliersysteme elektrischer Maschinen a – Phasenisolierung b – Isolierung Phase-Erde c – Windungsisolierung 2 1 1 – Phase-Phase 2 – Phase-Erde 3 – Windung-Windung dungsisolation mit 80 % des Spitzenwertes eines Spannungssprungs beansprucht wird. Durch die Entwicklung hin zu schneller schaltenden Halbleiterbauelementen auf Basis von z. B. Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrit (GaN) werden diese Bean- antriebstechnik 1-2/2019 25 b a

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