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antriebstechnik 1-2/2019

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ELEKTROMOTOREN

ELEKTROMOTOREN spruchungen über alle Leistungsbereiche hinweg steigen, was bei der Isolationskoordination bzw. Filterdimensionierung umrichterbetriebener Motoren berücksichtigt werden muss. Einfluss der Kabel- und Motorimpedanzen Aufgrund verschiedener Impedanzen der Kabel und des Motors ergeben sich Re flexionen und, je nach Impedanzverhältnis, entsprechende Überspannungen. Diese lassen sich mithilfe der Leitungstheorie und deren Abbildung in IEC/TS 61800-8 berechnen. Zur Veranschaulichung dient Bild 06. An den Ausgangsklemmen des Umrichters werden die in Bild 01 gezeigten Spannungen angelegt. Diese Impulse breiten sich auf dem Kabel als Wanderwelle aus, bis sie schließlich am Motor ankommen. Mit der charakteristischen Induktivität L 0 und der charakteristischen Kapazität C 0 des Kabels lässt sich dessen Wellenwiderstand berechnen. Dieser Wert ist nur vom verwendeten Kabeltyp und dessen Verlegeart, nicht aber von dessen Länge abhängig. Trifft die Welle auf den Motor, kommt es je nach Impedanz des Motors Z m zu möglichen Reflexionen. Der Wellenanteil, welcher reflektiert wird, ergibt sich zu . Einfluss der Kabellänge Abhängig von Zeit des Spannungsanstieges Δt und der Ausbreitungsgeschwindigkeit Anstiegszeit ∆t 100 ns 2 000 ns Ausbreitungsgeschwindigkeit 200 000 km/s v Kritische Kabellänge l cr 10 m 200 m Tabelle 01: Kritische Kabellängen in Abhängigkeit der Spannungsanstiegszeit Nennleistung des Motors Reflexionsfaktor Γ P n in kW < 3,7 0,95 90 0,82 355 0,6 Tabelle 02: Reflexionsfakten für verschiedene Nennleistungen (IEC/TS 61800-8) der Welle auf der Leitung v ergibt sich eine kritische Kabellänge . Unterhalb dieser Länge wird nur ein Teil des Spannungsimpulses reflektiert und abhängig von der Kabellänge l k ergibt sich eine Überspannung an den Motorklemmen von . Ist das Kabel länger als die kritische Kabellänge, wird der Spannungsimpuls vollständig reflektiert, woraus sich eine Spannung an den Motorklemmen von ergibt. Oberhalb der kritischen Kabellänge ist die Überspannung an den Motorklemmen unabhängig von der Länge des Kabels. In Tabelle 01 sind zwei Beispiele für kritische Kabellängen angegeben. Dabei wird von einem ungefilterten und einem gefilterten Spannungsimpuls eines typischen IGBT-Stromrichters mit einer Anstiegszeit ∆t = 100 ns bzw. ∆t = 2 000 ns ausgegangen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird mit 2/3 der Lichtgeschwindigkeit angenommen. Es ist ersichtlich, dass bei ungefilterten Ausgangsspannungen nahezu immer von einer überkritischen Kabellänge und damit vollständiger Reflexion ausgegangen werden kann. Durch den Einsatz von Filtern, wie z. B. Drosseln oder du/dt-Filtern, kann die Kabellänge deutlich vergrößert werden, bevor es zu den maximalen Überspannungen an den Motorklemmen kommt. Berechnung der Isolationsfestigkeit bei Umrichterspeisung Bei netzgespeisten Motoren mit sinusförmiger Spannungsbelastung ergibt sich eine klare Strategie bezüglich der Isolationsprüfung. Vereinfacht betrachtet, wird die Wicklung mit einer höheren Spannung geprüft, als im regulären Betrieb auftritt. Wird die Prüfung bestanden, kann davon ausgegangen werden, dass die Wicklung der Prüfspannung abzüglich einiger Sicherheitsfaktoren, z. B. durch Erwärmung und Alterung, dauerhaft standhält. Im Gegensatz dazu gibt es bei gepulsten Umrichterausgangsspannungen eine Reihe Parameter, die nicht bekannt bzw. variabel sind. Wie bereits beschrieben, haben bei impulsförmiger Spannungsbelastung n die Zwischenkreisspannung, n die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, n das Ausgangsfilter, n die Kabelimpedanz, n die Motorimpedanz und n die Kabellänge einen Einfluss darauf, wie hoch die Spannungsbelastung im Betrieb wirklich ist. Diese Faktoren lassen sich bei der Auswahl eines Motors nur bedingt abschätzen. Eine Möglichkeit ist, eine Worst-case­ Abschätzung durchzuführen. Dies führt jedoch dazu, dass nur verstärkte und entsprechend teure Isoliersysteme eingesetzt werden könnten. Die Felderfahrung zeigt jedoch, dass auch Motoren mit einfacheren und günstigeren Isolierungen dem Umrichterbetrieb über Jahre standhalten. Um diese Erfahrungen auch quantitativ widerzuspiegeln und bei der Auswahl von Antriebssystemen anzuwenden, wurde bei VEM ein Berechnungsverfahren entwickelt, welches sich an den Normen für drehende elektrische Maschinen DIN EN 60034-18-41 und drehzahlvariable Antriebssysteme IEC/TS 61800-8 orientiert. Damit ist VEM in der Lage, auch bei schlecht bekannten Einsatzbedingungen die Isolationsfestigkeit der Motoren zu gewährleisten. Bestimmung der im Betrieb auftretenden Spannungsbelastung Wie oben beschrieben, hat eine impulsförmige Spannung hauptsächlich Einfluss auf die Windungsisolation. Bei einem Zweipunktstromrichter mit Spannungszwischenkreis ist der Spitzenwert der Ausgangsspannung gleich der Zwischenkreisspannung U ZK . Mit der verketteten Netzspannung U Netz (inklusive der positiven Spannungstoleranz) ergibt sich bei ungesteuerten Netzgleichrichtern und Antrieben ohne Bremsbetrieb Durch die unterschiedlichen Impedanzen von Kabel und Motor ergeben sich entsprechende Überspannungen durch Reflexion. Wie bereits gezeigt, tritt die vollständige Reflexion bei üblichen Umrichtern ohne Filter bereits bei Kabellängen ab 10 m auf. Daher wird im Folgenden von einer überkritischen Kabellänge ausgegangen. Um den Reflexionsfaktor Γ genau zu bestimmen, ist die Kenntnis der Kabel- und Motorimpedanz notwendig. Diese Parameter sind jedoch im Allgemeinen nicht bekannt. Die IEC/TS 61800-8 gibt hierfür jedoch die in Tabelle 02 aufgelisteten Reflexionsfaktoren in Abhängigkeit der Nennleistung des Motors. Damit ist es möglich, die Spannung an den 26 antriebstechnik 1-2/2019

ELEKTROMOTOREN Klemmen des Motors abzuschätzen. Um eine Vergleichbarkeit der tatsächlichen Spannungsbelastung mit der zulässigen Spannung am Motor sicherzustellen, werden beide Spannungen auf einen Ersatzimpuls mit 300 ns Anstiegszeit mittels des Verhältnisses in Bild 05 umgerechnet (Faktor 0,7). Diese Anstiegszeit resultiert aus den in DIN EN 60034-18-41 angegebenen Werten für Impulsprüfspannungen. Damit ergibt sich die auf 300 ns bezogene Spannungsbelastung . Mit diesem vereinfachten Vorgehen lässt sich die Spannungsbelastung (auf Prüfbedingung normiert) aus der Netzspannung U Netz , der Nennleistung des Motors P n und der Spannungsanstiegszeit Δt des Frequenzumrichters ermitteln. Bestimmung der zulässigen Spannungsbelastung im Betrieb Ausgangspunkt für die maximal zulässige Spannung ist die Teilentladungsprüfung mit Impulserregung nach DIN EN 60034-18-41 bzw. IEC/TS 61934. Hieraus ergibt sich eine Prüfspannung U Prüf . Diese gibt den Spitzenwert der impulsförmigen Spannung an, bei der Teilentladungen beginnen (engl.: partial discharge inception voltage (PDIV)). Diese Prüfung wird mit einem genormten Impuls (siehe DIN EN 60034-18-41 Anhang B) bei einer Spannungsanstiegszeit von ca. 300 ns durchgeführt. Ausgehend von diesem Messwert wird über Sicherheitsfaktoren, die auf Erfahrungswerten basieren, Rückschluss auf die dauerhaft zulässige Betriebsspannung gezogen. Dabei wird zunächst von der PDIV auf die Teilentladungsaussetzspannung (engl.: partial discharge extinction voltage (PDEV)) geschlossen. Die PDIV liegt dabei ca. 25 % über der PDEV. Unterhalb der PDEV wird davon ausgegangen, dass unter Prüfbedingungen keine Teilentladungen stattfinden. Mit dem Teilentladungssicherheitsfaktor F PD = 1,25 ergibt sich . Die Prüfung findet bei einer Temperatur von 25 °C statt. Im Betrieb wird die Isolierung aufgrund der Verluste der Maschine entsprechend warm. Dies führt zu einer Verminderung der Isolationsfestigkeit. Überschlägig wird davon ausgegangen, dass eine Erwärmung der Wicklungstemperatur ϑ W von 25 auf 155 °C eine Verringerung der PDIV und damit auch der PDEV um ca. 25 % zur Folge hat. Aus IEC/TS 60034-25 ergibt sich der Temperatur-Sicherheitsfaktor . Neben der unmittelbaren Verringerung der Isolationsfähigkeit erhöht sich durch die Erwärmung auch die Alterungsgeschwindigkeit. Dies führt zu einer zusätzlichen dauerhaften Verminderung der Spannungsfestigkeit. Aus DIN EN 60034-18-41 ergibt sich der Alterungs-Sicherheitsfaktor Fasst man diese Einzelfaktoren zu einem Gesamt-Sicherheitsfaktor zusammen, ergibt sich die zulässige Impulsspannung im Betrieb Fazit . Dieser Artikel liefert einen Beitrag zur Auswahl von Isoliersystemen für umrichtergespeiste Motoren, welche auf die tatsächlichen Anforderungen abgestimmt und damit kostenoptimal dimensioniert sind. Dabei wird anhand geltender Normen eine Berechnungsmethode vorgestellt, mit der auch bei unbekannten Anforderungen an das System eine Abschätzung getroffen werden kann, die deutlich günstiger ist, als der Worst-case. Besonders interessant ist, dass die Kabellänge einen relativ geringen Einfluss auf die Spannungsbelastung hat, da die kritische Kabellänge oft bereits ab 10 m erreicht wird. Somit kann beim Großteil der Antriebssysteme von überkritischer Kabellänge ausgegangen werden. Im Gegensatz dazu haben die Temperatur und damit auch die Alterung der Wicklungsisolierung im Betrieb einen sehr hohen Einfluss auf die Isolationsfestigkeit. Bereits eine geringe Absenkung der Wicklungstemperatur führt zu deutlich höherer Spannungsbelastbarkeit und geringerer Alterung. Es ist zu vermuten, dass die Luftfeuchte einen ähnlichen Effekt hat wie die Wicklungstemperatur. Dies deckt sich auch mit den praktischen Beobachtungen, dass Maschinen am Umrichter deutlich länger halten als vorher gesagt, da diese meist nicht dauerhaft zu 100 % ausgenutzt werden und damit die Wicklung entsprechend kühler ist. . 04 U PE U W1 U W2 U Wn 05 ΔU W / ΔU PE 06 1,00 0,50 Hochfrequenzersatzschaltbild des Wicklungssystems Beanspruchung der Windungsisolation bei schnellen Spannungsanstiegen (DIN EN 60034 18 41) 0,00 50 500 5000 Δt in ns Darstellung der unterschiedlichen Impedanzen Umrichter Filter Kabel L 0 C 0 Motor Z m Des Weiteren kann das Isoliersystem durch den Einsatz von n Ausgangsdrosseln, n einer Überspannungsrückführung oder n Sinusfiltern entlastet werden. Dadurch können auch Motoren mit günstigerem Isoliersystem oder ältere, bereits bestehende Motoren mit einem Umrichter ausgerüstet werden. Dabei ist die Überspannungsrückführung eine Besonderheit der VEMoDRIVE-Umrichter, welche eine flexible und kostengünstige Variante des du/dt-Filters darstellt. Die Antriebssysteme von VEM werden somit im gesamten Spannungs- und Leistungsbereich optimal aufeinander abgestimmt. Durch die Berechnung und Auswahl aller Komponenten des Antriebssystems aus einer Hand kann der Energieverbrauch auch bei Umrichterbetrieb bestimmt bzw. minimiert werden. Gleichzeitig wird auch das Isoliersystem an die tatsächliche Beanspruchung angepasst und optimal ausgelegt. Fotos: Aufmacher: René Jungnickel; sonst.: VEM Sachsenwerk www.vem-group.com antriebstechnik 1-2/2019 27

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