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antriebstechnik 1-2/2022

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antriebstechnik 1-2/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG [7, Kap. 7.6] oder zumindest die Impulsspannungsisolationsklasse IVIC der Wicklung für Leiter-Leiter- und Leiter-Erde- Spannungen. Ein Hinweis zur Isolationsqualität des Drahtes kann auch die Schichtdicke des Drahtes, z. B. Grad 3, oder zusätzliche Ummantelung z. B. mit Glimmerband geben. n Einige Hersteller geben in ihren Katalogen Hinweise über die nötige Isolationsausführung der Motoren bei Umrichterbetrieb in Abhängigkeit von der Netzspannung und der Kabellänge zwischen Umrichter und Motor an, d. h. im Vorfeld sollte man diese Werte eruieren [9]. n Auch die Anpassung der Netzkonfiguration (IT, TT) sowie passende Aufteilungen und Zusammenfassung der Antriebe kann hilfreich sein. Bei Mehrmotorenantrieben mit DC-Verbund und IT-Netzen sollte man die Summenspeisung von „großen“ und „kleinen“ Maschinen vermeiden, da diese zur Isolationsbelastung der kleinen Motoren führen kann, der außerdem isolationstechnisch zumeist noch benachteiligt ist. Manche Hersteller empfehlen bei IT-Netzen im Fehlerfall nur Kurzzeitbetrieb (< 2 h) zur Vermeidung von Schäden sowie TT-Netze mit Sternpunkt-Erdung [10, Kap. 4]. n Ein wesentlicher Gesichtspunkt für den Umrichterlieferanten neben zusätzlichen Filtereinrichtungen sollte die zeitliche Entkopplung der Zündimpulse der einzelnen Stromrichter so sein, dass die Überlagerungen von Einschwingvorgängen nicht oder nur selten vorkommen. Wichtig hierbei ist weniger die Höhe der entstehenden „Überspannungsspitzen“ sondern deren Häufigkeit, wie in der Literatur ausführlich beschrieben [6]. Diese Thematik ist bei einem Einzelmotoren-Antrieb mit AFE (Fall 7 + 10) noch relativ einfach beherrschbar. Bei ACund DC-Verbund und unterschiedlichen Arbeitspunkten gibt es Grenzüberschneidungen oder man benötigt eine übergeordnete Software mit Arbeitspunkt-abhängiger Zündimpuls- Strategie. Es ist einsichtig, dass dies nur in Zusammenarbeit mit den Lieferanten und einem Systemverantwortlichen möglich ist. 5. MESSUNGEN Anhand von zwei Messbeispielen wird aufgezeigt, wie sich die angesprochenen Überlagerungen von Spannungsspitzen in der Realität auswirken. 5.1 MESSBEISPIEL AUS DER LITERATUR Es wird ein Beispiel für AFE mit DC-Verbund und langen Verbindungsleitungen aufgezeigt, entweder Fall 8 oder Fall 11 [6]. Aus den Messprotokollen vor Maßnahmen sieht man „häufige“ Spitzenwerte (≈ 10 Hz) der Leiter-Erde-Spannung in Höhe von …2,5…2,7… = U LE /U DC [6, Bild 6 + 7], d. h. für ein 690 V–Netz mit AFE ergeben sich häufig Werte für Û LEmax bis zu 3 000 V. Daraus folgt, dass die in Kap. 5 aufgezeigten Worst-Case-Fälle von ca. 3 600 V annähernd auch in der Praxis vorkommen können [6, Bild 9]. Nach Modifikation der Software lagen die „häufigen“ Spannungsmaximalwerte bei < 1 900 V und damit unter typischen erreichbaren Teilentladungseinsetzspannungen von Drahtwicklungen. Bei den in der Veröffentlichung angesprochenen Modifikationen handelt es sich vermutlich um eine Entkoppelung der Zündimpulse für den AFE und die Wechselrichter. Dies wird allerdings nicht genau beschrieben. 5.2 WEITERES BEISPIEL AUS DER PRAXIS Bei diesem Beispiel handelt es sich ebenfalls um eine Anordnung mit AFE und DC-Verbund. Nach Ausfall eines Motors mit Erdschluss wurden die Spitzenspannungen der Leiter-Erde-Spannung gemessen. Die einzelnen Maximalwerte der Leiter-Erde- Spannung betrugen für ein 690 V–System bis zu 2 200 V (s. Bild 04), während die gemessenen „normalen“ Werte bei ca. IMPRESSUM erscheint 2022 im 61. Jahrgang, ISSN 0722-8546 / ISSN E-Paper: 2747-7991 REDAKTION Chefredakteur: Miles Meier (mm), Tel.: 06131/992-208, E-Mail: m.meier@vfmz.de (verantwortlich i.S.d. § 18 Abs. 2 MStV) Redakteur/Redakteurin: Peter Reinhardt (pr), Tel.: 06131/992-349, p.reinhardt@vfmz.de, Vanessa Weingärtner (wv), Tel.: 06131/992-352, E-Mail: v.weingaertner@vfmz.de Redaktionsassistenz: Melanie Lerch, Tel.: 06131/992-261, Petra Weidt, Tel.: 06131/992-371, Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347, E-Mail: redaktionsassistenz_vfv@vfmz.de, (Redaktionsadresse siehe Verlag) GESTALTUNG Anette Fröder, Sonja Daniel, Conny Grothe SALES Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262, E-Mail: o.jennen@vfmz.de Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206, E-Mail: a.zepig@vfmz.de Anzeigendisposition: Heike Rauschkolb, Tel.: 06131/992-241, E-Mail: h.rauschkolb@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 58: gültig ab 1. Oktober 2021 LESERSERVICE vertriebsunion meynen GmbH & Co. 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FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Fall Topologie möglicher Spannungssprung mit Worst-Case- Überlagerungsverursacher Û LEmax ) 1 Worst-Case- Spannungsspitze + max. Überschwingung für ein 690 V – Netz (gerundet) Bemerkungen 1 B6 TT EA - 1 × U DC 1500 V unkritisch 2 B6 IT EA - 2/3 × U DC 1200 V unkritisch 3 B6 TT MA-DC - 1 × U DC 1500 V unkritisch 4 B6 TT MA-AC - 1 × U DC 1500 V unkritisch 5 B6 IT MA-DC)² WR / WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 6 B6 IT MA-AC)² WR / WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 7 AFE TT EA AFE / WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 8 AFE TT MA-DC AFE / WR/WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 9 AFE TT MA-AC AFE / WR/WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 10 AFE IT EA AFE / WR 2/3 U DC 1200 V unkritisch 11 AFE IT MA-DC AFE / WR/WR 5/3 U DC 3600 V kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen 12 AFE IT MA-AC AFE / AFE / WR 3 U DC )³ 6480 V sehr kritisch: Sonderauslegung und/oder Maßnahmen ) 1 Theoretischer Maximalwert ohne Dämpfung )² Großer/kleiner Motor (siehe Kap. 3.2.2) )³ im Fall 12 ist wichtig, wie gut die jeweiligen AFE durch Filter voneinander entkoppelt sind. Hier Worst-Case-Annahme, d. h. keine Entkopplung durch Filter oder Dämpfungsnetzwerke Tabelle 02: Zusammenfassende Übersicht der kritischen Topologien von Umrichter-Antriebssystemen 1 200 V lagen. Gemessene Teilentladungs-einsetzspannungen der Motore lagen im Bereich 2 000 – 2 600 V, d. h. deutlich über dem in der Norm angesprochenen Impulsspannungs-Isolationsklasse Leiter-Erde-Wert C von 1450 V, d. h. der Motor „durfte“ ausfallen. Nach Abhilfe mit zusätzlichen Filtern und einer Zündimpulssynchronisation sind keine Ausfälle mehr aufgetreten. 6. ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegenden Ausführungen zeigen, dass es Topologien gibt, bei denen Spannungsspitzen der Leiter-Erde-Spannung über den zugehörigen Herstellergrenzwerten von Drahtwicklungen gemäß den Listen für Umrichtermotore [9], [10] oder den Normempfehlungen [7, Kap. 7.4] liegen können. Beispielmessungen zeigen, dass im Worst-Case-Fall die theoretisch ermittelten Maximalwerte durchaus in der Nähe von realen Werten liegen. Schädlich dabei ist, wenn solche Überschreitungen nicht „einmalig“ sondern „häufig“ vorkommen [6]. Tabelle 02 fasst die Worst-Case-Spannungsspitzen der Leiter- Erde-Spannungen für die behandelten Topologien gemäß Bild 02 zusammen und zeigt, bei welchen Konstellationen kritische Spannungswerte auftreten können. Anhand dieser Übersicht kann der Antriebs-Projekteur oder Systemverantwortliche das mögliche „häufige“ Auftreten (z. B. > 10 Hz) von überhohen Leiter-Erde-Spannungsspitzen überprüfen und gegebenenfalls Abhilfemaßnahmen treffen. Dabei ist vor allem auf die mögliche Vielfalt und die Besonderheiten von IT-Netzen und Mehr-Motorenantrieben zu achten. [3] IEC/TS 61800-8:2010: Adjustable speed electrical power drive systems - Part 8: Specification of voltage on the power interface, Edition 1.0, 2010-05 [4] Hentschel, E; Niedermeier, K; Schäfer, K: Beanspruchung der Wicklungsisolierung von Drehstrommaschinen, Elektrotechn. Zeitschrift etz Vol. 114, No. 7: 1074-1077, 1993 [5] Schörner, J; Hofbauer, K; Schwimmbeck, F: Von kurz bis sehr lang Spannungsbeanspruchung von umrichtergespeisten elektrischen Maschinen bei langen Versorgungsleitungen, Fachzeitschrift antriebstechnik 03 und 05, 2013 [6] Schemel, F; Bauer, K.; Kaufhold, M.: Reliability and Statistical Lifetime – Prognosis of Motor Winding Insulation in Low-Voltage Power Drive Systems, in IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol.25, No. 4, July/August 2009 [7] DIN VDE 0530-25, VDE 0530-25:2018-12: Drehende elektrische Maschinen Teil 25: Wechselstrommaschinen zur Verwendung in Antriebssystemen – Anwendungsleitfaden, 2018 [8] DIN EN 60034-18-41:2014-11, VDE 0530-18-41:2014-11: Drehende elektrische Maschinen - Teil 18-41: Qualifizierung und Qualitätsprüfungen für teilentladungsfreie elektrische Isoliersysteme (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden, 2014 [9] Siemens: TU-IK 002, lsolationskoordination Umrichter - Motor für Niederspannungs-Maschinen mit Runddrahtwicklungen bis Ux = 690 V von Siemens A&D LD, MC und SD, Kundeninformation zur Isolationstechnik, Ausgabe 10/04 [10] Siemens: Niederspannungsmotoren Katalog D81.1, Ausgabe 07/2019 DER AUTOR Literaturverzeichnis: [1] Koschnik, G; Sattler, B: Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben, ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V., Fachverband Automation, Fachbereich Elektrische Antriebe, 2017, Frankfurt am Main [2] Simon, K.-P: Gleichspannungsnetze in der industriellen Produktion, Forschungsprojekt DC-INDUSTRIE, c/o ZVEI - Zentralverband Elektrotechnikund Elektronikindustrie e. V., 2017, Frankfurt am Main Dr. Jochen Schörner, BJS Ingenieurbüro www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/01-02 43