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antriebstechnik 12/2020

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antriebstechnik 12/2020

UMRICHTERTECHNIK Carsten

UMRICHTERTECHNIK Carsten Schwanke ist Produktmanager Schütze bei der Schaltbau GmbH in München SCHÜTZE SICHERE ELEKTRISCHE ANTRIEBE DURCH FLEXIBLE SCHALTGERÄTE Schaltlichtbögen sind für permanenterregte Synchronmotoren eine potentielle Schadensursache. Eine spezielle Schütz-Technik für das Schalten großer elektrischer Leistungen dämmt die gefährlichen Plasmagase auch bei hochfrequenten Motoren sicher ein. Der Elektromotor als zentrales Element der elektrischen Antriebstechnik arbeitet mit einem Wirkungsgrad von rund 95 %. Damit ist der Elektromotor deutlich effizienter als ein Verbrennungsmotor, dabei gleichzeitig leiser und wirtschaftlicher. In Bezug auf die Effizienz gibt es noch einen weiteren Vorteil: Durch Rekuperation kann ein Teil der Bewegungsenergie beim Bremsvorgang wieder zurückgewonnen werden. Dies kann aber auch zu Problemen führen. Speziell bei Synchronmotoren setzt die generatorische Wirkung sofort ein, falls das Drehfeld durch einen Fehler ausfallen sollte. PERMANENTERREGTE SYNCHRONMOTOREN ALS DIREKTANTRIEB In Hochgeschwindigkeitszügen der 1. Generation wurden Käfigläufer-Asynchronmotoren in Verbindung mit Getrieben als Antriebe eingesetzt. Diese Kombination aus Motor und Getriebe hat den Nachteil einer hohen Schallemission des Fahrmotors aufgrund der notwendigen Fremdbelüftung. Außerdem führt das Getriebe zu hohen Anschaffungs- und Wartungskosten sowie erhöhtem Platzbedarf und Gewicht. Mit der Verwendung von permanenterregten Synchronmotoren (PSM) als Direktantrieb kann auf Getriebe verzichtet werden. In der Folge sinken Lärmemission, Gewicht und Wartungsaufwand deutlich. Bei dieser Antriebsvariante wird die Geschwindigkeit direkt über die Frequenz der speisenden Umrichter geregelt. Permanenterregte Synchronmotoren haben aber auch einen entscheidenden Nachteil: Bei Ausfall des Drehfeldes, z. B. durch eine Störung des Umrichters, fungiert der Antrieb sofort als Generator, der die Energie ungeregelt in das Versorgungssystem zurückspeist. Dies muss im Fehlerfall unter allen Umständen verhindert werden. Dazu muss die elektrische Verbindung zwischen Umrichter und Motor durch Schütze unterbrochen werden. SCHALTTECHNIK FÜR HOHE STRÖME UND SPANNUNGEN Schütze sind elektrisch oder elektromagnetisch (in Sonderanwendungen auch pneumatisch) betätigte Schalter für große elektrische Leistungen. Schütze wurden entwickelt, um große Verbraucher aus der Ferne über Steuerleitungen mit relativ kleinem Querschnitt zu schalten. Beim Anlegen einer Steuerspannung an die Spule des Schützes zieht das Magnetfeld eine elektrische Brücke in einen aktiven Zustand – die Hauptkontakte schließen sich. Ohne Steuerspannung stellen Federn den Ausgangszustand wieder her – die Kontaktstrecke ist wieder offen. Bei größeren Strömen und hohen Spannungen kann durch die hohe Stromdichte am Kontaktpunkt im Moment des Schaltvorgangs die Ionisationsschwelle der Luft überschritten werden. Es entsteht ein Plasma – ein Gas aus ionisierten Luftmolekülen und freien Elektronen – zwischen den Kontaktpunkten. Die Entstehung solcher Schaltlichtbögen hat zwei wesentliche Folgen: Erstens fließt trotz geöffneter Kontakte weiterhin Strom, da das Plasma eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zweitens treten sehr hohe Temperaturen bis zu 20 000 K auf, die Schäden an den Kontakten des Schützes sowie an umliegenden Anlagenteilen verursachen können. Durch den Nulldurchgang der Spannung, der bei einer Netz­ 26 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

UMRICHTERTECHNIK frequenz von 50 Hz spätestens nach 20 ms eintritt, kann der Lichtbogen vergleichsweise einfach gelöscht werden. Problematisch ist dabei das Schalten von induktiven Lasten, da Spannung und Stromverlauf hier phasenverschoben sind. Bei energiereichen Lichtbögen, wenn Spannungen und Ströme relativ hoch sind, kann trotzdem eine Schädigung des Schützes bzw. der gesamten Anlage eintreten. Deswegen sind verschiedene Maßnahmen vorzusehen, um dem entgegenzuwirken. SCHLEIFENWIRKUNG LÖSCHT LICHTBÖGEN AUCH BEI HOHEN FREQUENZEN Konventionell aufgebaute Schütze arbeiten mit Permanentmagneten oder elektromagnetischen Blasspulen, um den Lichtbogen schnell aus dem Kontaktbereich in die Löscheinrichtung zu treiben. Bei einer Frequenz von 50 Hz verbleiben 20 ms, um den Lichtbogen auf die Leitstücke kommutieren zu lassen, die Blasspulen zu aktivieren und den Lichtbogen in die Löschkammer zu treiben. Da PSM-Antriebe mit höheren Frequenzen arbeiten, ändern sich hier die Voraussetzungen. Bei 400 Hz beträgt das Zeitfenster nur noch 1,5 ms – dies ist für viele Schütze zu kurz, um den Lichtbogen kommutieren zu lassen. Außerdem ergeben sich noch weitere Effekte, die berücksichtigt werden müssen. Zum einen entsteht durch das häufigere Ummagnetisieren bei 400 Hz Wärme, die vor allem die metallischen Zusatzbauteile eines konventionellen Schützes, wie Polplatten und Magnetkerne stark erhitzen. Die vorhandenen Induktivitäten ergeben zusätzliche Zeitkonstanten, die einen Versatz von Spannung und Strom beim Nulldurchgang hervorrufen. Dadurch kann beim Nulldurchgang der Spannung der Strom noch so hoch sein, dass es sofort zu einem Wiederzünden des Lichtbogens kommt. Konventionell aufgebaute Schütze eignen sich daher nicht zum Schalten von höheren Frequenzen. Mit den neuen Schütze der Baureihe CF ist es möglich, durch Umrichter gespeiste Wechselstromantriebe (PSM) mit höheren Frequenzen sicher zu schalten. Das hohe Ausschaltvermögen resultiert unter anderem aus der doppelten Kontaktunterbrechung pro Schaltkammer. Des Weiteren verfügt das CF über ein hohes Kurzschluss-Einschaltvermögen von 4 kA und eine hohe Kurzzeitstromtragfähigkeit von bis zu 5 kA. Für die Lichtbogenlöschung in dieser Schütze-Baureihe verwendet Schaltbau das Prinzip der Schleifenwirkung. Stromdurchflossene Leiter bilden ein Magnetfeld, und auch der Schaltlichtbogen bildet während der Brenndauer ein Magnetfeld aus. In Verbindung mit einer speziellen Geometrie der Festkontakte und der Kontaktbrücke entsteht so eine Blaswirkung, die den Lichtbogen weg von der Kontaktzone in Richtung der Löschkammer treibt. Von den ferromagnetischen Löschblechen – den Splitter Plates – wird er dann angezogen. Der Schaltlichtbogen kommutiert auf die Löschbleche Die Schütze verfügen über Löschkammern, mit denen sich Schaltlichtbögen auch bei höheren Frequenzen sicher eindämmen lassen und wird dann gelängt, gekühlt und zum Erlöschen gebracht, ohne das Schütz zu verlassen. Die neu entwickelten Schaltkammern können als Schließer, Öffner oder in Kombination als Umschalter konfiguriert werden. Verschiedene Löschkammerelemente aus Kunststoff, Stahl oder Keramik stehen zur Verfügung. Dadurch kann das Schütz exakt auf die Schaltanforderungen der Applikation ausgelegt werden kann. MODULARER BAUKASTEN FÜR IDEALE SCHÜTZELÖSUNG Um eine große Bandbreite in Bezug auf Strom und Spannung abzudecken und gleichzeitig eine spezifische Schützelösung für spezielle Anwendungen zu bieten, ist die Baureihe CF als modularer Baukasten ausgelegt. Ein- bis sechspolige Varianten für unidirektionalen Gleichstrom, bidirektionalen Gleichstrom und Wechselstrom bis zu mehreren hundert Hz sind modular konfigurierbar – das Schütz kann somit optimal an die Kundenapplikation angepasst werden. Die Baureihe führt Ströme bis zu 400 A pro Schaltelement (in Parallelschaltung bis zu 1 800 A) bei Wechselspannungen oder Gleichspannungen bis 3 000 V. Der Anwender hat die Möglichkeit, sich ein Schütz genau für seine Applikation zu konfigurieren und kann damit seine Anwendung sowohl elektrisch, als auch hinsichtlich Bauvolumen und Kosten optimieren. Die Schütze der Baureihe CF erfüllen alle Normen und Regelwerke für den Einsatz im Bahnbereich (u. a. EN 60077) und im Industriebereich (u. a. EN 60947). Fotos: Aufmacher: Papichev Aleksandr –stock.adobe.com; 01- 02: Schaltbau GmbH www.schaltbau.com DIE IDEE „Schaltlichtbögen sind ein im Prinzip gut untersuchtes Phänomen in der Elektrotechnik. Moderne Antriebe mit permanenterregten Synchronmaschinen, die mit Umrichtern bei Frequenzen von teilweise deutlich über 50 Hz betrieben werden, stellen aber eine neue Herausforderung für die Schalttechnik dar. Diese Herausforderung haben wir mit der Entwicklung unserer CF-Schütze angenommen und können jetzt eine leistungsfähige Lösung für diese Anwendungen anbieten.“ Carsten Schwanke, Produktmanager Schütze, Fa. Schaltbau GmbH in München www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 27

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