A&D Bericht Frequenzumrichterleitung

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1 A&D Bericht Frequenzumrichterleitung 1. Effiziente Motorsteuerung durch Frequenzumrichter Frequenzumrichter müssen Motoren für bewegliche Maschinenbestandteile untereinander auf den Punkt steuern, Geschwindigkeiten verändern - aber im Besonderen: durch exakte Leistungsauslastung effizient regeln. Wo früher Asynchronmaschinen mittels Schützsteuerung von 0% auf 100% ihrer Leistung geschaltet wurden, wird heute durch effizientes Energiemanagement der Verbrauch genau abgestimmt. So zum Beispiel verbraucht ein Motor mit einer um 10% reduzierten Geschwindigkeit ganze 25% weniger Energie. Energieverbrauch in % Energieverbrauch im Verhältnis zur Motorgeschwindigkeit % 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Motorgeschwindigkeit in % Den Trend zu energiesparenden Schalt- und Maschinenanlagen unterstützt die Friedrich Lütze GmbH durch Ihre Unternehmensphilosophie SkyBLUE: Nachhaltig wirtschaften und vorausschauend denken. Um diesem Leitsatz gerecht zu werden, stellt die LÜTZE noch eine andere Stellschraube vor, die erhebliche Auswirkung auf die Effizienz und Nachhaltigkeit von Motor- Regelsystemen haben kann: Die kapazitätsarme Frequenzumrichter- Motorleitung. 2. Welche Probleme treten durch den Motorbetrieb mit Frequenzumrichtern auf? Leitungen, die Motoren über Frequenzumrichter steuern, unterliegen einem besonderen elektrischen Stress. Das ist auch der Grund, weshalb Steuerleitungen mit konventioneller Isolationsdicke und der daraus resultierenden Nennspannung U 0 /U=300V/500V, für Applikationen dieser Art nicht mehr ausreichend sind. Die richtige Motorleitung überzeugt mit einem langen Lebenszyklus und spart die Energie ein, die für die Bewegungsenergie am Motorende benötigt wird. Sie schirmt Störfrequenzen von außen und innen ab und reduziert die allgemeine Temperatur in Kabelkanälen und trassen. Motorleitungen können sogar Motorlager vor frühzeitiger Abnutzung schützen und den Einsatz von eigens dafür eingesetzten Filterelementen überflüssig machen.

2 Diese Vorteile bieten Servo- und Motorleitungen von LÜTZE, die speziell für diese Anforderungen konzipiert wurden. 3. Was genau bewirkt diese Probleme beim Motorbetrieb mit Frequenzumrichtern? Ladestrom & Wärmeenergie Durch den binären, hochfrequenten Schaltprozess und den damit verbundenen schnellen Spannungsanstieg an der Ausgangsseite des Frequenzumrichters, spielt die Länge der Motorleitung eine wichtige Rolle. Der Raum und das Material (hauptsächlich die Isolation) zwischen den Leistungsadern verhalten sich wie ein Kondensator. So kann sich selbst bei Isolationsmaterialen mit niedriger Kapazität ein Ladestrom von 0,6 Ampere pro Meter ergeben. Bei einer 25 Meter langen Leitung ergäbe dies bereits 15 Ampere Ladestrom mit der die Leitung erst geladen werden muss, bevor der Motor Leistung aufnehmen kann. Abgeschirmte Leitungen sind davon besonders betroffen, da zwischen Adern und Schirm zusätzlich kapazitive Energie anliegt. Ein weiterer Energieverlust wird deutlich, wenn man die Temperatur im Leistungsteil der Kabelkanäle prüft. Der schnelle Anstieg der Polarität erzeugt eine hohe Wärmeenergie. Diese Wärmeentwicklung ist dadurch also in erster Linie Frequenzabhängig. Hauptausschlaggebend ist aber auch hier, die dielektrische Konstante (auch: Permittivität) des eingesetzten Isolationsmaterials. Lösung: Das verwendete Isolationsmaterial ist für die Höhe der Permittivität verantwortlich und demnach für die Kapazität. Setzt man ein niederkapazitives Isolationsmaterial ein, verringert man das überflüssige aufladen der Leitung und die Verlustleistung durch Wärmeenergie. Reflektierende Wellen Sowohl der Motor, als auch das angeschlossene Kabel haben häufig einen unterschiedlichen Impedanzwert. So ist die Impedanz des Motors höher, als die des Kabels. Dieser Unterschied kann eine sogenannte stehende Welle erzeugen, die aus zwei sich überlagernden Spannungswellen besteht. Eine Spannungswelle, verursacht durch den Anstieg des Signals Richtung Motor, ausgehend vom Frequenzumrichter und eine reflektierende Spannungswelle von Richtung des Motors kommend (ein Rückstau durch den unterschiedlichen Wechselstromwiderstand). Dies kann die Spannungshöhe in kurzen Momenten um das doppelte erhöhen und damit die Isolation stark beanspruchen. Bei

3 langfristigen Ermüdungserscheinungen der Isolation, kann diese Belastung zu einem Kurzschluss führen. Die Länge der Leitung ist hier ebenso ausschlaggebend für das Auftreten dieses Phänomens wie auch die Isolation. Je näher der Impedanzwert der Leitung an der des Motors liegt, umso geringer die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer reflektierende Welle. Lösung: Ein niederkapazitives Isolationsmaterial wie z.b. XLPE reduziert das Delta zwischen Motoren- und Leitungsimpedanz. Zudem sind durch das geringere Delta längere Leitungslängen möglich. Koronaeffekt Die hohen Spannungslevel können ein elektrisches Feld erzeugen, welches die Luft zwischen Mantel und Isolation ionisieren kann. Erreicht diese Spannung eine gewisse Höhe (elektrische Feldstärke), wird eine Koronaentladung hervorgerufgen. Die Höhe wird durch die Koronaanfangsspannung definiert. Koronaentladungen erzeugen neben ultraviolettem Licht auch Ozon, welches die Isolation schwächt. Wird dieser Alterungsprozess dauerhaft fortgeführt, werden durch die Alterung der Isolation weitere Gase freigesetzt, die die Leitung ebenfalls schwächen. Dieser Prozess beschleunigt sich weiter, bis die Leitung schlussendlich versagt. Die Wandstärke und Art der Isolation kann die Koronaanfangsspannung erhöhen und somit das Auftreten vermeiden.

4 Lösung: Isolationsmaterial wie z.b. XLPE hat im Vergleich zu PVC eine 25-40% höhere Koronaanfangsspannung. Stärker abnutzende Motolager Insbesondere bei größeren Motoren können Spannungen in die Motorwelle oder das Motorengehäuse induziert werden. Diese Spannungen entladen sich über die Lager des Motors und beschleunigen den Abnutzungsprozess. Abhilfe schafft hier ein symmetrischer Aufbau des Schutzleiters. Durch die gleichmäßige Verteilung und Aufteilung in drei magnetische Felder. Lösung: Motorleitungen mit symmetrischem Aufbau (gedrittelter Schutzleiter) erzeugen ein gleichmäßigeres magnetisches Feld um die Leitung, so wird die Induktionswahrscheinlichkeit reduziert und die Lager der Motoren werden weniger belastet. 4. Empfehlungen zur Vermeidung dieser Faktoren Achten Sie bei Einsatz von Leitungen für frequenzumrichter- gesteuerte Motor- und Servoanwendungen auf folgende Eigenschaften: - Spannungsklasse U 0 /U 0,6/1kV - Geflechtschirm (besonders für kleinere Motoren unter 10kW ) - Isolationsmaterial mit geringer Kapazität - Symmetrische Verteilung der Erde (gedrittelter Schutzleiter) - möglichst kurze Distanz zwischen Frequenzumrichter und Motor

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