Im Zusammenhang mit Frequenzumrichter geregelten Motoren, gibt es Punkte wie Isolations-, Lager- sowie thermische Beanspruchung zu beachten. Bei der Isolationsbeanspruchung muss bedacht werden, dass der Betrieb eines Motors mit Frequenzregelung die Motorwicklung stärker belastet als bei reinem Netzbetrieb. Dazu tragen vor allem die hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt sowie das Motorkabel in Abhängigkeit von Länge, Typ, Verlegung etc. bei. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten verursachen die schnell schaltenden Halbleiter im Wechselrichter von Frequenzumrichtern. Diese takten mit einer hohen Frequenz im Bereich von 2 bis 20 kHz und sehr kurzen Schaltzeiten, um einen sinusförmigen Stromverlauf nachzubilden.
Am Motor ist die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit in Verbindung mit dem Motorkabel für folgende Dinge verantwortlich:
Hohe Impulsspannungen ÛLL an den Motorklemmen belasten die Phasenisolierung stärker.
Höhere Impulsspannungen zwischen Wicklung und Blechpaket ÛLE beanspruchen die Nutisolierung stärker.
Die höhere Spannungsbelastung zwischen den Windungen ÛWdg beansprucht die Drahtisolierung der Wicklung wesentlich stärker.
Lagerbeanspruchung
Unter ungünstigen Umständen kann es vorkommen, dass frequenzgeregelte Motoren mit Lagerschäden durch Lagerströme ausfallen. Ein Lagerstrom fliesst dann, wenn am Lagerschmierspalt eine Spannung anliegt, die hoch genug ist, um die Isolierung des Schmiermittels zu durchschlagen. Tritt dieser Fall ein, so kündigen steigende Lagergeräusche den bevorstehenden Ausfall an. Zu den Arten von Lagerströmen zählen hochfrequente Zirkularströme, Erdströme und EMD-Ströme (Funkenerosion). Welche dieser Ströme zu Lagerschäden führen können, ist von folgenden Einflussfaktoren abhängig:
Netzspannung am Eingang des Frequenzumrichters,
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt,
Art des Motorkabels,
elektrische Schirmung,
Erdung der Anlage,
Baugrösse des Motors,
Erdungssystem von Motorgehäuse und -welle.
Lagerströme lassen sich durch folgende Massnahmen reduzieren:
Einsatz von Ausgangsfiltern (Sinusfilter, etc.),
Einsatz von stromisolierten Lagern,
gute Erdverbindung mit niederer Impedanz aller metallenen Anlagenteile,
geschirmte Motorkabel,
Einsatz eines Gleichspannungs-unterdrückungsfilters.
Thermische Beanspruchung
Der Betrieb am Frequenzumrichter ruft im Motor zusätzliche Verluste hervor. Durch die zusätzliche Oberschwingungsbelastung entstehen Eisen- und Stromwärmeverluste im Ständer und Rotor. Die Höhe der Verluste hängt von der Amplitude und Frequenz der Oberschwingungen der Strangfrequenz ab. Die zusätzlichen Stromwärmeverluste im Läufer sind von der Nutgeometrie abhängig. Eisen- und Stromwärmeverluste im Motor sind lastunabhängig. Die zusätzlichen Verluste im Motor führen zu einer höheren thermischen Beanspruchung der Wicklungsisolation. Allerdings liegt bei modernen Frequenzumrichtern die zusätzliche Erwärmung von Normmotoren im Bereich der Zusatzerwärmung durch Netztoleranzen und ist somit vernachlässigbar. Bei Transnormmotoren schreiben Hersteller teilweise eine Leistungsreduzierung vor.
Ist der Umrichter nicht in der Lage, die volle Netzspannung bei der Netznennfrequenz zu erzeugen, empfiehlt sich die Ausführung der Motorisolation in der Wärmeklasse F. Die Motortemperatur wird bei niedriger Motorspannung im Vergleich zum reinen Netzbetrieb um bis zu 10 K grösser.
In jedem Fall gilt: Lassen Sie sich vom Motorhersteller bestätigen, dass der Motor für den Betrieb an einem Frequenzumrichter ausgelegt ist und in welchem Drehzahlbereich er betrieben werden darf.
Nennspannungsklasse
Im Motorkabel treten Spannungsspitzen bis zum dreifachen der DC-Zwischenkreisspannung des Frequenzumrichters auf. Diese belasten das Motorkabel und die Isolation des Motors stark. Die Belastung ist grösser, wenn keine du/dt- oder Sinusfilter am Ausgang des Frequenzumrichters installiert sind.
Aus diesem Grunde sollten Motorkabel eine Nennspannungsklasse von mindestens U0/U = 0,6/1 kV aufweisen. Kabel dieser Klasse werden in der Regel mit einer Hochspannungsprüfung von mindestens 3500 V AC, meist 4000 V AC geprüft, und haben sich in der Praxis als durchschlagfest erwiesen.
Kabeldimensionierung
Der notwendige Querschnitt der Motorkabel ergibt sich aus dem Ausgangsstrom des Frequenzumrichters, der Umgebungstemperatur und der Art der Kabelverlegung. Eine Überdimensionierung des Kabelquerschnitts aufgrund von Oberwellen ist nicht notwendig. Zur Auswahl und Dimensionierung von Kabel und Leitungen gelten die NIN (Strombelastbarkeit).
Länge des Motorkabels
Lange Motorkabel sind häufig in wasser- und abwassertechnischen Anlagen anzutreffen. Oft sind Pumpen und Frequenzumrichter mehr als 100 m voneinander entfernt installiert. Bei der Projektierung ist hier der Spannungsabfall über die Kabellänge zu berücksichtigen.
Planen Sie die Anlage so, dass auch bei langen Motorkabeln die volle Ausgangsspannung am Motor ankommt. Die durchschnittliche Länge des an marktübliche Frequenzumrichter anschliessbaren Motorkabels liegt zwischen 50 und 100 m. Und selbst bei diesen Kabellängen steht bei einigen Herstellern nicht mehr die volle Ausgangsspannung zur Verfügung. Benötigen Anwender Kabellängen von über 100 m, so gibt es wenige Hersteller, die diese Anforderung serienmässig erfüllen. Falls dies nicht der Fall ist, müssen Sie zusätzliche Motordrosseln oder Ausgangsfilter vorsehen. Geschirmte Kabel sollten mindestens eine Schirmabdeckung von 80 % haben.
Energiesparen
Der Spannungsabfall und die (Wärme-)Verlustleistung eines Kabels sind annähernd proportional zu seiner Länge und zudem frequenzabhängig. Halten Sie deshalb die Kabelwege so kurz wie möglich und dimensionieren Sie die Kabelquerschnitte nicht grösser als elektrisch notwendig.
Erdungsmassnahmen
Erdungsmassnahmen sind generell zwingend erforderlich, um die gesetzlichen Vorschriften der EMV- und Niederspannungsrichtlinie zu erfüllen. Sie sind Voraussetzung für den wirkungsvollen Einsatz weiterer Massnahmen wie Schirmung oder Filter. Ohne gute Erdungsmassnahmen erübrigen sich weitere Schritte. Daher ist auch bei der Nachrüstung von Schirmen und Filtern sowie bei der Fehlersuche zuerst die EMV-gerechte Erdung zu prüfen und sicherzustellen.
Leitfähige Materialien
Betreiber müssen darauf achten, metallische Flächen niederimpedant mit Masse zu verbinden. Für EMV-Massnahmen ist dabei nicht der Querschnitt der Leitung massgebend, sondern die Oberfläche, auf der hochfrequente Ströme (Skin-Effekt) abfliessen. Denn die Stelle mit der geringsten Leiteroberfläche begrenzt das Ableitvermögen. Geerdete Flächen wirken als Schirmmassnahmen und reduzieren im Umfeld elektromagnetische Felder.
Sternförmiges Erdungssystem
Alle geerdeten Punkte und Komponenten sind möglichst auf direktem Weg mit dem zentralen Erdungspunkt, beispielsweise einer Potenzialausgleichsschiene, zu verbinden. Es entsteht dadurch ein Erdungssystem, das alle Anschlussstellen sternförmig mit dem Erdungspunkt verbindet. Dieser zentrale Erdungspunkt ist eindeutig zu definieren.
Kontaktstellen
Kontaktstellen sind, von Farbe und Korrosion befreit, grossflächig anzuschliessen. Kratzscheiben sind dabei besser geeignet als Unterlegscheiben. Die Verwendung von verzinnten, verzinkten oder kadmierten Elementen ist lackierten Bauteilen vorzuziehen. In Steckern sind mehrere Kontakte für die Schirmverbindung vorzusehen.
Leiteroberfläche
Grosse Leiteroberflächen zum Ableiten von hochfrequenten Strömen können durch eine feindrahtige Leitung, beispielsweise eine hochflexible Messleitung oder durch spezielle Erdungsbänder oder -kabel, erreicht werden. In der Praxis kommen heute häufig geflochtene Erdungsbänder zum Einsatz, die die starren Leitungen von früher ersetzen. Diese Bänder haben bei selbem Querschnitt eine wesentlich grössere Oberfläche.
Schirmungsmassnahmen
Massnahmen zur Abschirmung dienen der Reduzierung der abgestrahlten Störenergie, sowie der Verbesserung der Störfestigkeit eines Geräts selbst. Nachträglich sind sie nur mit erhöhtem Kostenaufwand (z. B. Kabelaustausch) umzusetzen. Zur Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte geben in der Regel bereits die Hersteller von Frequenzumrichtern entsprechende Informationen, die auch Angaben über zusätzlich notwendige Massnahmen beinhalten. Frequenzumrichter erzeugen an ihrem Ausgang Impulse mit grosser Flankensteilheit. Diese enthalten hochfrequente Anteile (bis GHz-Bereich), die zu einer unerwünschten Abstrahlung über die Motorleitung führen. Deshalb sind als Motorleitung geschirmte Kabel einzusetzen. Der Schirm hat die Aufgabe, die hochfrequenten HF-Anteile «einzufangen» und zur Störquelle, in diesem Fall zum Frequenzumrichter, zurückzuführen.
Geschirmte Kabel und Leitungen
Auch eine gute Schirmung, die die Grenzwerte einhält, eliminiert die Abstrahlung nicht völlig. Im Nahbereich ist mit elektromagnetischen Feldern zu rechnen, die im Umfeld platzierten Komponenten und Anlagenteile ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion aushalten müssen. Die Norm verlangt hierbei die Einhaltung der Grenzwerte in einer vorgegebenen Entfernung. Bei der Höhe der erlaubten Grenzwerte unterscheidet die Norm zwischen einem Einsatz Wohn- oder Industriebereich.
Schirmanschluss
Eine wirksame Kabelschirmung lässt sich nur mit Rundumkontaktierung des Schirmes erreichen. Dazu werden EMV- oder Erdungsverschraubungen sowie Erdungsschellen verwendet, die den Schirm ganz umfassen und grossflächig mit Masse verbinden. Der Schirm selbst muss zum Erdungspunkt geführt und grossflächig untergeklemmt sein, an den Leitungsenden ist er möglichst kurz zu halten. Alle anderen Kontaktierungsmassnahmen führen zu einer Verschlechterung der Wirksamkeit des Schirmes. Häufig drehen Anwender die Kabelschirme am Ende zusammen und verbinden sie über Klemmen mit Masse. Diese Art der Verbindung stellt für die hochfrequenten Anteile einen hohen Übergangswiderstand dar und führt Störungen nicht nur schlechter zur Quelle zurück, sondern strahlt sie vom Schirm wieder ab. Die Schirmwirkung wird dadurch um bis zu 90 % verringert! Schirmunterbrechungen z. B. bei Schaltern, sind möglichst niederimpedant und grossflächig zu überbrücken.
Masseverbindung
Die Masseverbindung einer Schirmung hat einen wesentlichen Einfluss auf deren Wirkung. Daher sind bei der Montage von Gehäusen unter den Schrauben Kratzscheiben oder Federringe zu verwenden und lackierte Flächen freizukratzen, um einen niederimpedanten Übergang zu erreichen. Eloxierte Aluminiumgehäuse erreichen beispielsweise bei Verwendung von Unterlegscheiben unter den Befestigungsschrauben nur eine ungenügende Masseverbindung. Erd- und Massekabel sollten Sie mit möglichst grossen Querschnitten, besser noch mit Masselitzen oder feindrahtigem Kabel herstellen. Kommen bei niedrigen Motorleistungen Kabelquerschnitte < 10 mm2 zum Einsatz, ist ein separater PE-Leiter mit mindestens 10 mm2 vom Umrichter zum Motor zu führen.
Um die Funkstörgrenzwerte einzuhalten, sind Motorleitungen zwischen Frequenzumrichter und Motor je nach Herstellerangabe geschirmt zu verlegen und der Schirm beidseitig aufzulegen. Der Abstand Motorleitung zu Signalleitung sollte mehr als 20 cm betragen, und Netz- und Motorleitung sollten möglichst nicht parallel verlegt sein. Mit zunehmenden Abständen verringert sich die Störbeeinflussung deutlich. Bei kleineren Abständen sind zusätzliche Massnahmen unbedingt erforderlich (Trennstege). Es können sonst Störungen eingekoppelt oder übertragen werden. Steuerkabel sollten wie die Motorkabel beidseitig aufgelegt werden. In der Praxis kann in Ausnahmefällen eine einseitige Auflage in Betracht gezogen werden. Sie ist aber nicht zu empfehlen.
Schirmarten
Für die Schirmung der Leitung zwischen Frequenzumrichter und Motor empfehlen Hersteller von Frequenzumrichtern geschirmte Kabel. Für die Auswahl sind zwei Kriterien wichtig: die Schirmabdeckung und die Art der Abschirmung.
Die Schirmabdeckung, d. h. die durch den Schirm abgedeckte Fläche des Kabels, sollte mind. 80 % betragen. Als Art der Abschirmung hat sich ein einlagiges Kupfergeflecht als äusserst wirksam herausgestellt. Wichtig dabei ist, dass der Schirm geflochten ausgeführt ist. Ein Schirm aus gewundenem Kupferdraht dagegen lässt lange Schlitzlängen unbedeckt, aus denen HF-Anteile ungehindert entweichen können. Ausserdem ist die Oberfläche für den Ableitstrom deutlich geringer.
Für eine Nachrüstung gibt es Schirmgeflecht als Meterware, das dann – über das Kabel gezogen – die Schirmung übernimmt. Für kurze Verbindungen dienen alternativ Metallschläuche oder -rohre. Kabelkanäle können nur unter bestimmten Bedingungen eine Schirmung ersetzen.
Kabel mit Doppelschirmung verbessern die Bedämpfung der Störaussendung und der Störeinstrahlung weiter. Der Anschluss erfolgt beim inneren Schirm einseitig und beim äusseren zweiseitig. Verdrillte Leitungen reduzieren magnetische Felder. Signalleitungen lassen sich mit Doppelschirm und verdrillt einsetzen. Die Dämpfung steigt dabei bei magnetischen Feldern von etwa 30 dB bei Einfachschirmung auf 60 dB bei Doppelschirmung und auf ca. 75 dB bei zusätzlichem Verdrillen.
Bei der Nutzung eines Schirmes als Masseleiter verliert er seine Schirmwirkung. Bei EMV-Problemen kann der Hersteller deshalb auf mangelnde Schirmung hinweisen.
