elektro automation, ausgabe 11/2015

11 2015
Roland Bent, Geschäftsführer Marketing
und Entwicklung, Phoenix Contact
„In Zukunft werden
Plug&Produce-Szenarien
zur täglichen Arbeit
gehören.“
Trendinterview Seite 42
wirautomatisierer.de
elektro
AUTOMATION
Konzepte • Systemlösungen • Komponenten
Titelstory Seite 64
Ihre Stimme ist gefragt:
SPS IPC Drives: 3-260
Gehäusekonfigurator für
138 Millionen Varianten
Automation Award Seite 18
Praxis Seite 107
Big Data mit
Multicore-Oszilloskop
im Griff
elektro AUTOMATION 11 2015 1
PRAXIS
STROMVERSORGUNG/ENERGIEVERTEILUNG
INFO
Kontakt
Block Transformatoren-Elektronik GmbH
Verden, Tel. +49 4231 678-0
www.block.eu
Bilder: Block
SPS IPC Drives: 4-311
Die aktuelle Entwicklung der SFA 500-Serie umfasst
vier Leistungsklassen
Allpolige Sinusfilter lösen EMV-Probleme an Frequenzumrichtern
Die perfekte Welle
Die in der EN 50598 festgelegten Ökodesign-Anforderungen an elektrische Antriebssysteme erfordern
auch effiziente Techniken und Topologien in der Filterung der durch diese Systeme hervorgerufenen
Störanteile. Gerade mit der zunehmenden Anlagenvernetzung und im Hinblick auf Industrie 4.0 bedeuten hochfrequente Störimpulse eine stete Gefahr für die Kommunikation im gesamten Produktionsprozess. Die neue allpolige Sinusfilterserie SFA 500 von Block löst nicht nur eine Vielzahl dieser EMV-Probleme sondern steigert auch die Effizienz von Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen.
I
n der bestehenden Sinusfilterserie SFA 400 von Block wird bereits erfolgreich die allpolige Sinusfiltertechnik zur Reduktion von
Gegentakt- (Differential mode) und Gleichtaktstörungen (Common
mode) am Frequenzumrichterausgang angewandt, die den Einsatz
theoretisch unendlich langer Motorleitungslängen ermöglicht. Diese
Technik wurde nun konsequent zur neuen Baureihe SFA 500 weiterentwickelt. Die Erweiterung des Einsatzbereiches auf 4 kHz Taktfrequenz stellt ein absolutes Novum im Bereich der allpoligen Sinusfiltertechnik dar, wodurch eine Ausnutzung des gesamten Leistungsbereiches des Frequenzumrichters erzielt wird. Gleichzeitig konnte
durch die neue innovative Filtertopologie der Spannungsbereich bis
500 V und der Drehzahlbereich bis 150 Hz erweitert sowie im größeren Leistungsbereich eine um bis zu 40-%ige Bauraumreduzierung gegenüber Vergleichsprodukten erzielt werden. So ist eine effizientere und platzsparende Auslegung in der Projektierung von Frequenzumrichter gesteuerten Antriebssystemen möglich.
Frequenzumrichter als Störquelle
Der Frequenzumrichter ist eine Quelle von Gegentaktstörungen
(Symmetrische Störungen/Differential mode) und Gleichtaktstörungen (Asymmetrische Störungen/Common mode). Gegentaktstörströme fließen in gleicher Richtung wie die Nutzsignalströme, haben also im Hin- und Rückleiter eine entgegengesetzte Richtung.
Diese Störungsform kann durch Einsatz von Gegentaktfiltern wie
Motordrossel, du/dt-Filter und Sinusfilter je nach Anwendungsfall
effektiv gefiltert werden. Gleichtaktströme, die in allen Leitern in
gleicher Richtung zum Motor fließen, koppeln sich über die Streukapazitäten des Motorkabels und des Motors auf das Massesystem
ein. Um wieder zur Quelle, dem Zwischenkreis des Frequenzum100 elektro AUTOMATION 11 2015
richters, zurück zu fließen, sind gezielt geschaltete Filterkapazitäten
in Frequenzumrichtern oder Netzfiltern erforderlich. Sind diese nicht
vorhanden oder ungenügend ausgelegt, können sich die Störströme
über den gemeinsamen Massebezug im gesamten Anlagenbereich
z.B. über Feldbuskabel und Geberleitungen sowie auf den Leitungswegen der Spannungsversorgung und dem Potenzialausgleich ausbreiten. Diese galvanische Kopplung ist eine der Hauptursachen für
EMV-Probleme in elektrischen Anlagen. In der Praxis äußert sich
das sowohl in gestörten/fehlerbehafteten Kommunikationssignalen
in der Datenübertragung, die zu undefinierten Anlagenzuständen
und -ausfällen führen, als auch in der Beeinflussung und Schädigung
von Steuerungs- und Elektronikkomponenten.
Optimale Filterwirkung
Viele Frequenzumrichter stellen eine direkte Schnittstelle zum Zwischenkreis des Frequenzumrichters (Uz+/Uz-) zur Verfügung. Diese
Möglichkeit greift das SFA-Konzept von Block auf. Da über das SFA
eine Verbindung zum Zwischenkreis des Frequenzumrichters geschaffen wird, können Gleichtaktströme direkt zur Quelle zurück fließen. Eine Ausbreitung dieser hochfrequenten Störströme über das
Potenzialausgleichssystem und somit die Gefahr der galvanischen
Kopplung wird deutlich reduziert. Ein Vergleich der Strom- und Spannungsformen am Frequenzumrichter verdeutlicht die optimale Filterwirkung der SFA-Technologie.
Durch die gleichzeitige Dämpfung leitungsgeführter (Frequenzbereich 150 kHz bis 30 MHz) und gestrahlter Störaussendungen (Frequenzbereich 30 MHz bis 1 GHz) bei Installation eines SFA eröffnen
sich Ratio-Potenziale bei den einzusetzenden Filterkomponenten
und Leitungen. Die geschirmte Motorleitung kann durch eine güns-
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Prinzipielle Darstellung der Gleichund Gegentaktsignale am Frequenzumrichter mit allpoligem Sinusfilter
SFA 500
Prinzipielle Darstellung der
Gleich- und Gegentaktsignale am
Frequenzumrichter
tige ungeschirmte ersetzt werden. Eine Verringerung der in Funkentstörfiltern gegen Masse geschalteten Ableitkapazität C ermögy
licht den Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern Typ B 30 mA auch
bei extrem langen Leitungslängen. Die Wahrscheinlichkeit eines ungewollten Auslösens des Fehlerstromschutzes wird vermieden.
Verbesserung des Systemwirkungsgrades
Untersuchungen hinsichtlich des Wirkungsgrades von elektrischen
Antriebssystemen bei Installation eines SFA 500 ergaben signifikante Wirkungsgradverbesserungen am Frequenzumrichter um bis zu
4,8 %, über die Motorleitung bis zu 24,1 % und am Motor um bis zu
40 % bei Teillast und kurzer Motorleitungslänge (10 m). Bei Nennlast
und einer geschirmten Motorleitungslänge von 150 m wurden folgende Werte erreicht: Frequenzumrichter 23,2 %; Motorleitung 11
%; Motor 3,7 %. Trotz der zusätzlichen Eigenverluste des SFA 500
erreicht das gesamte elektrische Antriebssystem insbesondere im
Teillastbereich um bis zu 24 % beziehungsweise bei Einsatz langer
Motorleitungslängen >50 m um bis zu 5 % bei Nennlast eine deutliche Effizienzsteigerung. Eine effizientere Auslegung der Einzelkomponenten und des gesamten Antriebssystems wird somit möglich.
Eliminierung von Lagerströmen am Motor
Umrichterbedingte Lagerströme werden durch die Gleichtaktspannung hervorgerufen, die zwischen dem Sternpunkt der Motorwicklungen und dem Erdpotenzial messbar sind. Ein Teil der Gleichtaktspannung liegt über kapazitive Kopplungen auch über dem Schmierspalt der Lager an, und kann dort, abhängig von der Höhe der Spannung und der drehzahl- und temperaturabhängigen Dicke des
Schmierfilms, zu stochastischen Durchschlägen führen. Je häufiger
Anzahl Durchschläge am Motorlager im Verhältnis zur Leitungslänge
(grün: ohne Filter, blau: mit SRD am Motor, violet: mit SRD am Umrichter;
rot: mit allpoligem Sinusfilter)
und je heftiger diese Schmierfilmdurchschläge sind, desto stärker
ist die Schädigung der Lager durch Materialabtrag. Die Lebensdauer
des Motors wird erheblich reduziert. Um diese Lagerströme zu reduzieren wird hier oftmals eine Gleichtaktinduktivität in Form einer
stromkompensierten Ringkerndrossel (SRD) mit geringer Windungszahl verwendet. An Beispielen wird deutlich, dass durch diese
Maßnahme die Anzahl der Durchschläge am Motorlager zwar etwas
verringert wird, aber eine wirkliche Lösung des Problems stellt nur
das SFA dar. Hochfrequente Gleichtaktspannungsanteile und somit
die Lagerströme werden nahezu vollständig eliminiert.
Geräte in vier Leistungsklassen
Das allpolige Sinusfilter SFA 500 sorgt mit seinem innovativen Konzept für den optimalen Einsatz Frequenzumrichter gesteuerter Antriebssysteme in anspruchsvollen technologischen Umgebungen.
Die SFA-500-Serie umfasst vier Leistungsklassen 2,2 kW, 5,5 kW,
11 kW und 22 kW. Geräte größerer Leistung befinden sich aktuell im
Entwicklungsstadium. Mit seinen unter anderem speziell auf elektrische Antriebssysteme zugeschnittenen Filterprodukten beweist
Block seit nun mehr über 75 Jahren seine Kompetenz im Bereich
der Spannungs- und Netzqualität.
ge
Malte Heuermann ist Produktmanager EMV bei der
Block Transformatoren-Elektronik GmbH in Verden
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