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antriebstechnik 11/2018

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UMRICHTERTECHNIK Kann

UMRICHTERTECHNIK Kann das funktionieren? Drehzahlgeregelte Antriebe und Überspannungsschutz In vielen Anlagen müssen Frequenzumrichter nicht nur eingangsseitig, sondern auch ausgangsseitig vor Überspannungen geschützt werden. Aber „einfach“ ein Standard-Überspannungs schutzgerät zu installieren – das funktioniert aufgrund der Leistungselektronik in Stromrichtern oftmals nicht. Speziell für diese Anwendung entwickelte Überspannungsschutzgeräte lösen das Problem. Frequenzumrichter nutzen Leistungselektronik, um aus der sinusförmigen Eingangsspannung eine sinusförmige Ausgangsspannung anderer Frequenz zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird die Eingangsspannung erst gleichgerichtet, um anschließend wieder in eine sinusförmige Spannung umgewandelt zu werden. Die Leistungselektronik wird dazu in einer bestimmten zeit lichen Abfolge ein- und ausgeschaltet, sodass ein sinusförmiger Spannungsverlauf entsteht. Aufgrund dieser Taktung ist die Ausgangsspannung jedoch mit Spannungsspitzen überlagert. Die Eingangsspannung kann, abhängig von der Art der Gleichrichtung, ebenfalls mit Spannungsspitzen überlagert sein. Dieser Effekt fällt in den Bereich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Dipl.-Wirt.-Ing. Julian Saele ist Product Manager Überspannungsschutz bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg Normative Situation Elektrische und elektronische Geräte, die in Europa vertrieben oder nach Europa eingeführt werden, müssen die Vorgaben der EMV-Richtlinie (2014/30/EU) erfüllen. Diese Richtlinie schreibt vor, dass diese Geräte n robust gegen eingehende Störungen sein müssen (Störfestigkeit) und n Störungen nur in einem begrenzten Maße verursachen dürfen (Störaussendung). Damit soll eine ungeplante, gegenseitige Beeinflussung verhindert werden. In der EMV-Richtlinie ist die EMV-Norm für drehzahlveränderbare elektrische Antriebe [1] als harmonisierte Norm enthalten. Darin werden Grenzwerte für Störaussendungen in Abhängigkeit der Frequenz angegeben. Zum einen begrenzt sie Störungen mit Frequenzen größer 150 kHz. Zum anderen verweist sie auf die EMV-Normenreihe EN 61000-3, die auch in der EMV-Richtlinie enthalten ist. Darin werden Grenzwerte für Störaussendungen mit Frequenzen bis 2 kHz angegeben. Der Frequenzbereich 2 – 150 kHz wird folglich nicht berücksichtigt. Die Taktfrequenzen von Frequenzumrichtern liegen jedoch im „Wilden Westen der EMV“ – im einstelligen und unteren zweistelligen kHz-Bereich. Folglich unterliegen Störaussendungen, die durch die Taktung der Leistungselektronik hervorgerufen werden, keiner normativen Beschränkung. Hinzu kommt, dass die genannten Normen nur die Eingangsseite von Frequenzumrichtern betreffen, die an das Stromversorgungssystem angeschlossen sind. Sie berücksichtigen nicht die Ausgangsseite von Frequenzumrichtern, sodass hier über das ganze Frequenzband Störungen auftreten können. Auswirkungen auf Überspannungsschutzgeräte Es muss also damit gerechnet werden, dass Störungen in Form von Überspannungen vorkommen können. Sie sind schaltungsbedingt zwischen aktiven Leitern und Schutzleiter/Erde deutlich höher als zwischen aktiven Leitern. Je nach Topologie des Frequenzumrichters, der Art der Gleichrichtung und Wechselrichtung, der Filtertypen usw. können sie Amplituden von 1 000 V und mehr erreichen. Überspannungsschutzgeräte – nachfolgend auch SPD (Surge Protective Device) genannt – begrenzen solche Überspannungen. Die Geräte sind darauf aus- 32 antriebstechnik 11/2018

gelegt, hohe transiente Überspannungen mit einer Dauer von bis zu einer Millisekunde zu begrenzen. Dies können sie jedoch nicht permanent: Sie erwärmen sich bei jedem Begrenzungsvorgang und müssen danach wieder abkühlen. Wird nun ein Standard-SPD auf Varistorbasis den beschriebenen repetierenden Spannungsspitzen ausgesetzt, begrenzt er sie unentwegt, wodurch er nicht mehr ausreichend abkühlen kann. Die Folge ist eine schnelle Alterung und ein möglicher Ausfall des SPD innerhalb von Tagen bis Monaten anstelle von vielen Jahren. Damit ein SPD an einem Frequenzumrichter betrieben werden kann, muss er also diesen repetierenden Spannungsspitzen standhalten. Im Fall einer eingekoppelten Überspannung jedoch muss er die Spannung auf ein Niveau begrenzen, das die zu schützenden Geräte nicht beschädigt. Diesen Spagat bewältigen zwei SPDs von Phoenix Contact – beide sind so aufgebaut, dass sie erst ab einer gewissen Spannung ansprechen. Diese dynamischen Ansprechspannungen sind so gewählt, dass die SPDs bei den typischerweise auftretenden Spannungsspitzen bei gegebener Nennspannung isolierend wirken. Es tritt demnach keine Erwärmung und keine vorzeitige Alterung der SPDs ein. Bei eingekoppelten Überspannungen aber leiten die SPDs ab – und begrenzen die Spannung auf ein anlagenverträgliches Niveau. Anwendungsspezifische Eigenheiten Maßgeschneiderter Überspannungsschutz – Wieso ist das sinnvoll? Der Einsatz von spezialisiertem Überspannungsschutz am Frequenzumrichter n bietet zuverlässigen, langfristigen Schutz, n reduziert außerplanmäßige Wartungen, n senkt das Ausfallrisiko, n reduziert Verluste und n spart nachhaltig Kosten im Betrieb. Werden Frequenzumrichter und Motor in unterschiedlichen Blitzschutzzonen [2] oder weit entfernt voneinander installiert, ist es ratsam, SPDs auch am Ausgang des Frequenzumrichters einzusetzen. Ein Beispiel sind klimatechnische Anlagen, in denen der Frequenzumrichter in einem Gebäude, der angeschlossene Motor jedoch außerhalb des Gebäudes installiert ist. In diesem Fall befindet sich der Frequenzumrichter in Blitzschutzzone 1 oder 2, der Motor jedoch in Blitzschutzzone 0, in der auch Blitz(teil)ströme fließen können. Durch diese können Überspannungen induktiv in Leitungen einkoppeln – u. a. in die zwischen dem Motor und dem Frequenzumrichter. Außerdem können in diesem Fall Überspannungen in der relativ langen Leitung durch Reflexion am Leitungsende verstärkt, bei Totalreflexion sogar verdoppelt werden. Dieser Effekt tritt bei einem hochohmigen Abschluss der Leitung auf, und je nach Schaltzustand der Leistungselektronik kommt genau das vor. Diese Störgröße überlagert dann die sinusförmige Ausgangsspannung. In einer 230/400-V-Anwendung kann der Spitzenwert der Spannung dadurch 1 000 V oder mehr betragen, BEWEGUNG! FRIZLEN Brems- undAnlasswiderständesorgenweltweit für Dynamik bei Hub- und Fahrantriebenin Krananlagen, im Logistikbereich sowiebei mobilen Systemen im Hafenbereichund Offshore. Leistungen von10Wbis 500kW BisIP67,mit UL /CE FRIZLEN Leistungswiderstände Belastbar Zuverlässig Made in Germany 01 Der Gleichrichter macht aus der sinusförmigen Eingangsspannung (grün) eine Gleich spannung. Diese wird im Zwischenkreis geglättet (dunkelgrau) und dann vom Wechselrichter in eine getaktete Spannung mit gleicher Amplitude (grau) umgewandelt. Durch eine weitere Glättung entsteht dann der sinusförmige Verlauf (blau) Tel. +49 7144 8100-0 www.frizlen.com

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