Sinusfilter, dU/dt-Filter, Motordrosseln, EMV-Filter

  • Grundsätzliches
  • Netzdrossel
  • du/dt Filter
  • Sinus Filter
  • Glättungsdrosseln

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GRUNDSÄTZLICHES

Werden zwischen Frequenzumrichter und Motor längere Kabel verwendet, so ergeben sich an den Motorklemmen kurzzeitige Spannungsüberhöhungen, die Werte bis zum 1,9fachen der Zwischenkreisspannung erreichen können. Das führt zu manchmal unerwünschten Spannungsbeanspruchungen des Motors. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß die Zwischenkreisspannung durch gewisse Übergangsvorgänge, wie beim Bremsen oder am Ende von Beschleunigungen, selber höhere Werte annehmen kann. So können die Spannungsüberhöhungen bei 3 x 400 V Netzspannung auf knapp 1500 V ansteigen.

Die Ursache für die Spannungsüberhöhungen liegt in der Spannungssteilheit ( du/dt ) der getakteten Umrichterausgangsspannung und den nicht angepaßten Wellenwiderständen von Umrichter, Kabel und Motor. Auf die Kabellänge bezogen tritt die maximale Spannungsüberhöhung als Folge einer Totalreflexion auf, wenn die Anstiegszeit des Spannungsblocks kleiner ist als die Laufzeit der Spannungsfront auf dem Kabel. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Kabel von ca. 150 m/ms und einer Anstiegszeit von 0,1 ms bei den heute verwendeten IGBT tritt die volle Spannungserhöhung bereits bei Kabellängen von 15 m auf.

Abhilfe kann mit geeigneten Filtern am Umrichterausgang geschaffen werden.

Hinweis:
Alle Ausgangsfilter bewirken eine Reduzierung der Umrichterausgangsspannung.
Ausgangsfilter mit reduziertem Ableitstrom auf Anfrage (Serie R009).

3-phasige Sinus- oder dU/dt-Filter 1-phasig belasten
bei den Sinus- und dU/dt Filter handelt es sich um Filterkreise, die eine fest definierte Resonanzfrequenz besitzen. Schließt man nun ein dreiphasiges Filter an nur zwei Phasen an, verschiebt sich der Resonanzpunkt und somit die Abstimmung des Filters. Aus diesem Grund ist es nicht zulässig ein dreiphasiges Filter einphasig zu belasten.


Netzdrossel



Netzdrosseln verringern die vom Frequenzumrichter erzeugten und ins Netz zurückgespeisten Oberschwingungsströme ("Netzrückwirkungen"). Bei Einsatz der Netzdrosseln verringert sich der aufgenommene Netzstrom des Frequenzumrichters auf einen Wert, der im allgemeinen ca. 110% des Umrichter-Ausgangsstroms entspricht. Durch die Reduzierung des Netzstroms kann die Dimensionierung der vorgeschalteten Bauelemente (Sicherungen, Motorschutzschalter, Schütze, Funkenstörfilter) und Zuleitungen kostengünstiger erfolgen. Netzdrosseln dämpfen Netzstörungen zum Umrichter ab. Um den Netztransientenschutz nach DIN 0160 zu gewährleisten, ist der Einsatz von Netzdrosseln unbedingt notwendig. Netzrückwirkungen, die durch die Kommutierungen hervorgerufen werden, erfahren eine Begrenzung durch die in den Netzzuleitungen vorhandenen Induktivitäten. Reichen die vorhandenen Netzzuleitungsinduktivitäten alleine nicht aus, so ist der Frequenzumrichter über eine Netzdrossel, die die Gesamtinduktivität erhöht, an das Netz anzuschließen. Die Netzzuleitungsinduktivitäten können als ausreichend angesehen werden, wenn die Kurzschlußleistung des Netzes das 20 bis 40fache der Umrichternennleistung beträgt. Ist die Netzkurzschlußleistung größer, verwendet man bis zur 500fachen Umrichternennleistung eine Netzdrossel mit 2 % uk und darüber eine mit 4 % uk. Wird der Anschluß mehrerer Umrichter betrachtet, ist die Summe der Nennleistungen anzusetzen. Darüber hinaus hat die Netzdrossel auch eine Filterwirkung für vom Frequenzumrichter ins vorgelagerte Netz abgegebene niederfrequente leitungsgebundene Funkstörspannungen (bis etwa 10 kHz). Ein alleiniger Einsatz von Netzdrosseln zur Funkentstörung unter Einhaltung von EN 55011 (Grad A und B) ist jedoch nicht ausreichend. Im Normalfall ist grundsätzlich keine Netzdrossel erforderlich. Wenn Sie einen benötigen, fragen Sie diesen bei uns eigenständig an.

Da in der Praxis sehr oft nicht bekannt ist, mit welcher Netzkurzschlußleistung man es an der Anschlußstelle des Umrichters zu tun hat, empfehlen wir durchweg Netzdrosseln mit 4 % uk. Die relative Kurzschlußspannung 4 % uk gibt den Prozentsatz der Nennspannung an, bei der im Kurzschlußfall ein Strom in Höhe des Nennstroms fließt. Maßgeblich für die Auslegung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln ist in Deutschland die Vorschrift DIN VDE 0160, ferner EN 60 555. In Kanada/USA ist die Norm IEEE 519 zu beachten.


du/dt FILTER

Durch die Halbleiter/Schaltflanken eines Frequenzumrichters werden die Leitung und der Motor schnellen Spannungsanstiegen ausgesetzt. Die Spannungsspitzen, die durch die schnellen Schaltzeiten der IGBTs (Taktfrequenzen von bis zu 16 kHz oder mehr) hervorgerufen werden, können im ungünstigen Fall du/dt-Werte von 12 kV/μs erreichen (nach VDE 0530 sind je nach Motortyp 500-1000 V/μs zulässig). Dieser Wert ist von Faktoren wie dem Ausgangssignal des Umrichters, der Leitungslänge und Verlegung sowie vom Kabeltyp abhängig. Die hohen Spannungsanstiegszeiten können zur Schädigung der Motorisolation und somit zur vorzeitigen Alterung der Motoren führen. Die Lebensdauer der Isolation wird verkürzt. Durch den Einsatz von du/dt-Filters wird im Schaltmoment eine Spannungsanstiegsbegrenzung durchgeführt. Verluste, Erwärmung und Ableitstrom wird gesenkt. Zusätzliche Entstörung speziell auch im IT-Netz. Das ideale Bindeglied durch hohe Induktivität, geringe Gesamtverluste und minimales Streufeld. Der du/dt-Filter wird zwischen Umrichterausgang und Motor geschaltet und direkt am Umrichter plaziert. Es reduziert die Spannungssteilheit du/dt an den Motorklemmen auf Werte kleiner 500V/µs (nach DIN VDE0530, Beiblatt 2) und begrenzt die max. Amplitude der transienten Spannungsspitzen an den Motorklemmen auf einen typischen Wert von Û<=1250V. Des weiteren werden Ladestromspitzen bei langen Motorleitungen reduziert. Die Auslegung des du/dt-Filters ist jeweils für bestimmte Taktfrequenzen des Umrichters erfolgt. Die maximal am Umrichter einzustellende Taktfrequenz ist aus der Übersicht der Filter zu ersehen.Beim Einsatz eines du/dt-Filters ist derzeit der Betrieb des Umrichters mit Feldorientierung nicht möglich. Die du/dt-Drossel wird bevorzugt bei kurzen Motorleitungslängen eingesetzt. Bei längeren Motorleitungen empfiehlt sich aus wirtschaftlicher Sicht der Einsatz eines Sinusausgangsfilters.

Der Einsatz von einer Motordrossel im Ausgang des Umrichters verbessert nachstehende Punkte:

  • Spannungsspitzen: Problematik der Spannungsspitzen durch zu große Spannungssteilheiten (du/dt < 500 V/µs) werden vermieden.
  • Motorgeräusche: Reduzierung der Motorgeräusche
  • Motorerwärmung: Verringerung der zusätzlichen Motorerwärmung
  • Dämpfung von Störemissionen der Motorleitung
  • Wirksam gegen symmetrische Störgrößen
  • Preisgünstiger als ein Sinusausgangsfilter

Gleichzeitig werden durch Motordrosseln unzulässige Überspannungen und Störströme über parasitäre Leitungskapazitäten vermieden. Im Normalfall ist grundsätzlich keine Motordrossel erforderlich.

Nachteile:

  • Geringe Wirksamkeit gegen asymmetrische Störgrößen
  • Keine sinusformenden Eigenschaften
  • Bei längeren Motorleitungslängen größere Bauformen notwendig
  • Kaum Reduzierung von Ableit- und Lagerströmen

 


Sinusfilter

Der Einsatz von Sinusfilter im Ausgang des Umrichters verbessert nachstehende Punkte:

  • Ausgangsspannung wird sinusförmig (schont den Motor)
  • Motorkabel: Verlängerung ab 50 m bis auf max. 250 m
  • Hohe Dämpfung von Störemissionen der Leitungen
  • Auf geschirmte Motorleitung kann u. U. verzichtet werden (Kosteneinsparung)
  • Motorgeräusche: Bedeutende Reduzierung der Motorgeräusche durch sinusförmige Spannungsverläufe zwischen den Phasen
  • Motorerwärmung: Verringerung der zusätzlichen Motorerwärmung
  • Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird erhöht
  • Spannungsspitzen: Problematik der Spannungsspitzen durch zu große Spannungssteilheiten (du/dt < 500 V/µs) werden bedeutend verringert.
  • Regelungsarten: durch weitgehende Kompensation der Phasenlage von Strom und Spannung: Ermöglichung des Betriebs aller Regelungsarten.

Das Sinusfilter wird zwischen Umrichterausgang und Motor geschaltet und direkt am Umrichter plaziert. Die Verschaltung der Induktivität mit den Kondensatoren bildet einen hochwirksamen Tiefpass. Das Sinusfilter erzeugt aus den rechteckförmigen Spannungspulsen am Umrichterausgang eine weitgehend sinusförmige Ausgangsspannung. Damit wird der Oberwellenanteil auf dem Motorstrom wesentlich kleiner. Das Filter reduziert die Spannungssteilheit du/dt und verhindert transiente Spannungsspitzen an den Motorklemmen. Des weiteren werden die Ladestromspitzen bei langen Leitungen, Zusatzverluste und Geräusche im Motor verringert und kapazitive Ausgleichsströme reduziert. Die Auslegung des Sinusfilters ist jeweils für bestimmte Taktfrequenzen des Umrichters erfolgt. Die minimal am Umrichter einzustellende Taktfrequenz ist vom Filter abhängig einzustellen, geberlose Feldorientierung nicht möglich. Sinusfilter werden in der Bauform etwas größer als du/dt-Drosseln, da die relative Kurzschlussspannung [uk] der verwendeten Induktivitäten höher liegt. Die Resonanzfrequenz des Sinusausgangsfilters ist 2,5-mal kleiner als die Taktfrequenz des Umrichters. Das Sinusausgangsfilter hat dadurch auch eine verbesserte Wirkung gegenüber einer du/dt-Drossel oder einem du/dt-Filter. Der hochfrequente Anteil der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters verschwindet fast völlig.

Zur Verhinderung von Gegentaktstörungen, Überkopplung von der Motorleitung oder dem Motorgehäuse auf benachbarte Leitungen oder Baugruppen, ist eine spezielle Auslegung des Sinusfilters erforderlich. Beim Einsatz eines Sinusfilters ist derzeit der Betrieb des Umrichters mit Feldorientierung nicht möglich. Im Normalfall ist grundsätzlich kein Sinusfilter erforderlich.

Der Sinusfilter bedämpft hauptsächlich symmetrische Störungen zwischen den Leitungen. Die Störungen auf dem Schutzleiter werden dabei kaum verringert. Um die asymmetrischen Störungen auf der Motorleitung zu reduzieren, kann das Sinusfilter durch stromkompensierte Drosseln und Kondensatoren zwischen den Leitungen und Erde ergänzt werden. Dieses Sinusfilter reduziert sowohl die Störspannungen zwischen den Leitern, als auch die Störspannungen gegen den Erdleiter.

 


Glättungsdrosseln

für Stromrichter u.a

Für Geräte L43/Classic C1, C2, P1, Q1, Q2
bei C1, C2, Q1 je eine, bei Q2 je zwei und bei Q1-k je vier Drosseln sind pro Gerät nötig !

Bestell-Nr.Steuerung Strom [A]Drossel Strom [A]Induktivität [mH]Gewicht [kg]Abmessung a/b/c [mm]Preis [EUR]
J081/EI78A-2,522,59666/60/1001,4a.A.
J081/EI78A-4443366/60/1001,4a.A.
J081/EI120A-88851102/102/1304,3a.A.
J081/EI135A-1210...121249115/120/1457a.A.
J081/EI135A-16151633115/120/1457a.A.
J081/EI135B-2420...252416115/130/1458,2a.A.
J081/EI150A-4030...40407128/115/1858,5a.A.


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