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antriebstechnik 1-2/2023

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antriebstechnik 1-2/2023

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG UMRICHTER UMRICHTER OHNE NEBENWIRKUNGEN Der hier beschriebene Umrichter besteht aus einem oberschwingungsarmen aktiven Gleichrichter und einem oberschwingungsarmen Wechselrichter. Des Weiteren verfügt das Gerät über integrierte allpolig wirkende Sinusfilter auf der Netz- und Ausgangsseite. Durch den eingangs beschriebenen Aufbau erzeugt der Umrichter vernachlässigbar kleine Störungen auf der Netzseite. Es lässt sich trotz seiner hohen Leistung von etwa 60 kW an einem Fehlerstromschutzschalter betreiben. Das Ausgangsfilter vermeidet Störungen zur elektrischen Maschine hin, sodass keine vom Umrichter hervorgerufenen Lagerströme entstehen, die Wicklungsisolierung nicht durch Überspannungen und schnelle Spannungsanstiege belastet wird und nur vernachlässigbare umrichterbedingte Zusatzverluste auftreten. Dementsprechend werden die üblichen Nebenwirkungen eines Umrichters vermieden. Zusätzlich hat das Gerät weitere nützliche Eigenschaften: Es ist rückspeisefähig, sodass auch Generatoren hierüber am Netz arbeiten können. Die Zwischenkreisspannung ist unabhängig von der Netzspannung konstant, das heißt, die angeschlossene elektrische Maschine lässt sich auf die geregelte Zwischenkreisspannung hin optimieren. 1. LEITUNGSGEBUNDENE STÖRUNGEN BEI STANDARDUMRICHTERN 1.1 LEITUNGSGEBUNDENE NETZRÜCKWIRKUNGEN Verzerrte Netzströme: Bei Standardumrichtern sind die Ströme, auch wenn Kommutierungsdrosseln zur Reduktion des Oberschwingungsgehalts eingesetzt werden, sehr stark verzerrt (Bild 01). Neben der Grundschwingung treten Harmonische mit den ungeradzahligen Vielfachen der Netzfrequenz in Erscheinung. Die besonders stark ausgeprägten 5. und 7. Harmonischen lassen sich, auf Grund der niedrigen Frequenz, nur durch sehr große Filter reduzieren. Bei großen Leistungen wird dieses Problem eklatant. Einerseits werden sehr große und kostspielige Filter benötigt, zum anderen verursachen diese Filter zusätzliche Spannungsabfälle, sodass die Zwischenkreisspannung bei Belastung kleiner wird. Ströme im Schutzleiter: Bei Standardumrichtern fließen im Schutzleiter lebensgefährlich hohe Ströme. Dementsprechend lassen sich keine empfindlichen Fehlerstromschutzschalter (RCD) zur Gefahrenreduktion einsetzen. Die Sicherheit muss durch andere Maßnahmen wie redundante Leitungen erreicht werden. Auch wirken die Schutzleiterströme in vielfältiger Weise störend. Eine genaue Strombahn ist nicht mehr vorhersehbar, da der Strom in vielfältigen Pfaden fließen kann, zum Beispiel auf direktem Weg durch die PE-Leitung, durch Fundamenterder, durch Konstruktionsteile und Leitungsschirme anderer Stromkreise. In genau entgegengesetzter Richtung fließt dieser Strom in den Phasen des Umrichters zurück. Um dorthin zu gelangen, bieten sich mehrere Wege an: durch Y-Kondensatoren anderer, parallel am Netz arbeitender Geräte, durch parasitär wirksame Kapazitäten und durch den Einspeisetransformator. Da diese Ströme zum Teil andere Geräte durchfließen, ist eine direkte Störbeeinflussung möglich. Zudem kann der Abstand zwischen den Phasenströmen und dem Ableitstrom im Schutzleiter groß sein, sodass große magnetische Störflüsse erzeugt werden. 1.2 NACHTEILIGE WIRKUNGEN AUF DIE ELEKTRISCHE MASCHINE Gleichtaktspannungen: Gleichtaktspannungen wirken sich praktisch nicht auf die Wicklungsströme aus. Sie führen aber dazu, dass Ströme im Schutzleiter des Motors fließen. Verursacht werden diese durch kapazitive Kopplungen zwischen Wicklung, Stator und Rotor. Ein Teil des Stroms fließt dabei über die Lager der elektrischen Maschine, was in vielen Fällen zu einer nicht akzeptablen Verkürzung der Lebensdauer der Wälz- und Kugellager führt. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Konstrukteur spezielle, isolierte Lager und/oder zusätzliche Erdungsbürsten einsetzen. Außerdem verursacht der in das Erdungssystem fließende Gleichtaktstrom unzulässig große EMV-Probleme. Um diese Störungen zu vermeiden, müssen die Schutzleiter zwischen Maschine und 38 antriebstechnik 2023/01-02 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Umrichter niederimpedant miteinander verbunden werden. Nur so wird dieser unerwünschte Strom direkt in die Störquelle zurückgeführt und aus allen anderen Bereichen herausgehalten. Am besten geschieht dies mit durchgängig geschirmten Leitungen. Einseitig aufgelegte Schirme erfüllen diesen Zweck nicht. Problematisch sind Unterbrechungen in der geschirmten Leitung durch zum Beispiel Klemmstellen, Filter oder ähnliches. Oberschwingungsströme: Die Oberschwingungsanteile der Ausgangsspannung rufen Oberschwingungsströme und zusätzliche Verluste in der elektrischen Maschine hervor. Unter bestimmten Bedingungen regen diese Ströme auch unangenehme magnetische Geräusche in der elektrischen Maschine an. Besonders bei kompakten Maschinen mit hoher Drehzahl wird die dadurch erzeugte Rotorerwärmung zu groß, daher muss der Maschinenbauer zusätzliche Sinusfilter einsetzen. Wie bei den Oberschwingungsfiltern auf der Netzseite handelt es sich hier um Bauteile, deren Kosten und Größe häufig die des Umrichters übersteigen. Nachteilig wirken sich diese auf das Regelverhalten aus. Sie erzeugen häufig magnetische Geräusche und bringen zusätzliche Wärme in den Einbauort. Wanderwellen in den Motorleitungen und Wicklungssträngen: Die geschaltete Ausgangsspannung hat sehr hohe Änderungsgeschwindigkeiten (einige kV/µs), dadurch werden Wanderwellen auf den Motorleitungen angeregt, die hohe transiente Spannungen an den Klemmen bewirken. Dieser Umstand muss in der Wicklung durch zusätzliche Haupt- und Phasenisolierung berücksichtigt werden. Zusätzlich wird auch die transiente Spannungsverteilung in der Wicklung stark inhomogen, sodass die Windungsisolierung besonders bei den unmittelbar am Klemmbrett liegenden Windungen viel stärker beansprucht wird und ebenfalls dicker ausgelegt werden muss. 1.3 BESONDERHEITEN BEI RÜCKSPEISEFÄHIGEN UMRICHTERN Bei den bisher betrachteten Problemen wurde von einem Standardumrichter mit passivem Gleichrichter ausgegangen. Soll der Antrieb auch noch rückspeisefähig sein, somit im Generatorbetrieb dauerhaft Leistung ins Netz einspeisen, kommt noch ein weiteres Problem hinzu: Die Gleichtaktstörungen auf der Netzseite sind dann hochfrequent und treten mit deutlich größeren Stromstärken auf. Um diese Störströme und die Schwankungen der Zwischenkreisspannung gegen Erde zu unterdrücken, sind zusätzliche Gleichtaktfilter auf der Netzseite oder im Zwischenkreis erforderlich. 2. AUFBAU UND EIGENSCHAFTEN DES NEUEN UMRICHTERS In Bild 02 sehen Sie den Aufbau des Umrichters. Er enthält die typischen Baugruppen eines rückspeisefähigen Umrichters (aktiver Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter). Das Besondere ist, dass die beiden Stromrichter in 3-Level Technik mit hoher Schaltfrequenz ausgeführt sind. Außerdem enthält der Umrichter auf der Eingangs- und Ausgangsseite Filter und die Vorladeschaltung. Die Strommessungen sind, wie sonst auch üblich, direkt mit der Leistungselektronik verbunden. Diese Anordnung ist sehr gut dazu geeignet, Überströme in den Halbleitern zu detektieren. Der gemessene Strom entspricht aber nicht exakt dem Netzoder Maschinenstrom, da der Strom der Filterkondensatoren mitgemessen wird. Um die Regelungseigenschaften zu verbessern, wurde eine zusätzliche Spannungsmessung an den Filter­ 01 Typischer Netzstrom bei einem Umrichter mit passivem Gleichrichter und Kommutierungsdrossel: zeitlicher Verlauf (links) und Frequenzspektrum (rechts) 02 Prinzipieller Aufbau des neuen Umrichters Tabelle 01: Technische Daten des neuen Umrichters Netzseite Motorseite Netzspannung 380 V - 480 V max. Motorspannung 500 V Netzfrequenz 50 Hz / 60 Hz max. Drehfeldfrequenz 2200 Hz max. Dauerstrom 90 A max. Motorstrom 80 A Leistungsfaktor 1 max. Dauerleistung 58 kW THD im Strom < 5 % max. Kurzzeitleistung 64 kW Ableit- (Fehler) ströme < 5 mA (Betrieb mit RCD möglich) Betrieb ohne zusätzliche externe Komponenten wie EMV-Filter, Vorladung, 24 V Netzteil und Netzsynchronisation Abmessungen B x H x T Masse Kühlung max. Dauerscheinleistung 69 kVA Die max. Höhe der Motorspannung wird nicht durch die Höhe der Netzspannung beeinflusst. 384 mm x 458 mm x 261 mm (ohne Klemmen) 37 kg Wasserkühlung kondensatoren eingefügt. Diese Spannungen sind kontinuierlich und können gut zur Bestimmung der Filterströme und zur Bestimmung der Gesamtflussverkettung verwendet werden. Mit diesem Aufbau ist es dadurch möglich, hochwertige Regeleigenschaften bei sensorlosen Regelungen zu erreichen. Die weiteren Eigenschaften des Umrichters zeigt Tabelle 01. 3. STRUKTUR DER INTEGRIERTEN FILTER 3.1 FILTER AUF DER SEITE DER ELEKTRISCHEN MASCHINE 3.1.1. TYPISCHE LÖSUNGSANSÄTZE Beim Standardumrichter gibt es folgende Lösungsansätze: n Betrieb ohne Filterbauteile: Die Verkabelung muss zur Vermeidung von Störungen vollständig geschirmt sein, und der Motor www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2023/01-02 39