Schutzmaßnahmen für geregelte Antriebe

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1 Schutzmaßnahmen für geregelte Antriebe H. Sellner, C. Lange, H. Muhm Drehzahlgeregelte Antriebe gehören im Maschinen- und Anlagenbau zu den Standardbetriebsmitteln und erledigen verschiedene Aufgaben. Gegenüber einem einfachen Motor erfordern die elektronischen Gleich- bzw. Umrichter einige Besonderheiten bei den notwendigen Schutzmaßnahmen für die elektrische Sicherheit. Je nach Anwendung kann der Einsatz einer Fehlerstromschutzeinrichtung, einer Differenzstromüberwachung oder einer Isolationsüberwachung mehr Sinn ergeben. Für die elektrische Sicherheit stellt die DIN VDE (VDE 0100 Teil 410): »Errichten von Starkstromanlagen bis 1000V«eine Grundnorm dar. Sie beschreibt sowohl die zulässigen Netzformen als auch die notwendigen Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme. Basierend auf dieser Norm legt die DIN EN (VDE 0160): »Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln«die bei geregelten Antrieben anzuwendenden Schutzmaßnahmen detaillierter dar. Sie fordert:»bei elektronischen Betriebsmitteln ist der Schutz von Personen gegen gefährliche Körperströme so vorzunehmen, dass ein Einzelfehler keine Gefahr verursacht.«geregelte Antriebe mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Die häufigste Netzform beim Betrieb geregelter Antrieb bildet das TN-S-System. Dies geschieht u.a. aus EMV-Gründen und zur Vermeidung vagabundierender Ströme. Als Schutzmaßnahme gegen gefährliche Körperströme können gemäß DIN VDE (VDE ): Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen (RCD) zum Einsatz kommen. Auch nach DIN VDE (VDE 0100 Teil 482): »Elektrische Anlagen von Gebäuden«müssen Kabel- und Leitungsanlagen in feuergefährdeten Betriebsstätten Schutz durch RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom 300 ma erhalten. Nach IEC unterscheiden sich RCD in der Art der Fehlerströme, die sie erfassen können (Bild 1). In Verbindung mit elektronischen Geräten können Ströme mit Gleichanteilen entstehen. Bild 1: Kategorien von Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen (RCD) nach IEC 60755; der Typ»AC«eignet sich nur für reine Wechselströme; der Typ»A«findet am häufigsten Verwendung, er eignet sich für Wechselund pulsierende Gleichströme, die Ausnahme bilden Fehlergleichströme, die nicht den Nullpunkt durchschreiten; der Typ»B«kann Wechselströme, pulsierende Gleichströme und glatte Fehlergleichströme erfassen

2 Differenzstromüberwachungsgeräte bei hohen Betriebsströmen Wenn in bestimmten Anwendungsfällen RCD nicht eingesetzt werden können, z.b. weil der Betriebsstrom des zu schützenden Stromkreises den Bemessungsstrom der Schutzeinrichtung übersteigt, kann man als Alternative Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCM) nach DIN EN (VDE 0663): in Kombination mit Schaltgeräten verwenden, z.b. Leistungsschalter (Bild 2). Im Gegensatz zu einem RCD schalten diese Geräte nicht zwangsläufig ab, sondern können entweder zur Meldung oder zur Abschaltung in Verbindung mit einem Schaltglied nach DIN EN dienen. RCM verfügen über einen einstellbaren Ansprechwert. Bild 2: Geregelter Antrieb mit einem allstromsensitiven Differenzstrom-Überwachungsgerät RCMA

3 Auswahl der richtigen Fehlerstrom-Schutzeinrichtung Bei Einphasen-Umrichtern kann ein möglicher Fehlerstrom sowohl Wechsel- als auch Gleichstromanteile enthalten (Bild 3). Aufgrund der verwendeten Gleichrichterschaltung erreichen bzw. durchschreiten die Fehlerströme jedoch den Nullpunkt, so dass sich RCD vom Typ»A«dort eignen. Der Typ»AC«verarbeitet nur reine Wechselströme und darf nicht eingebaut werden. Bild 3: Verschiedene Gleichrichterschaltungen; sie erzeugen Fehlergleichströme mit nur geringem Wechselanteil

4 Anders sieht es bei Drehstrom-Frequenzumrichtern aus. Die häufig eingesetzte Sechspuls-Mittelpunkt- Schaltung verursacht im Fehlerfall glatte Fehlergleichströme ohne Nulldurchgang. Diese können die Empfindlichkeit des Typ»A«herabsetzen. Aus diesem Grund muss man für geregelte Antriebe, die im Fehlerfall glatte Fehlergleichströme ohne Nulldurchgang erzeugen, den Typ»B«verwenden. Auf diese Möglichkeiten weist auch der Abschnitt der DIN EN (VDE 0160): hin. Dieser Abschnitt fordert die Überprüfung, ob sich das elektronische Betriebsmittel und die Fehlerstrom- Schutzeinrichtung vertragen (Bild 4). Bild 4: Prüfung der RCD-Verträglichkeit bei elektronischen Betriebsmitteln (EB) nach DIN EN (VDE 0160): Für die Projektierung und Errichtung elektrischer Anlagen mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen gilt Abschnitt der DIN EN (VDE 0160): Dieser fordert, einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung vom Typ»B«einen eigenen Stromkreis zuzuweisen (Bild 5). Bild 5: Installation von Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen (RCD) gemäß DIN EN (VDE 0160): mit einem eigenen Stromkreis

5 Drehzahlgeregelte Antriebe gehören im Maschinen- und Anlagenbau zu den Standardbetriebsmitteln und erledigen verschiedene Aufgaben. In ungeerdeten Systemen erweist sich eine Isolationsüberwachung als sinnvoll. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) eignen sich nur bedingt für den Einsatz bei geregelten Antrieben. In vielen Fällen bieten die Fehlerstrom-Überwachungen (RCMA) die besseren Eigenschaften. Geregelte Antriebe in ungeerdeten Stromversorgungen (IT-Systemen) In Fällen, in denen die angegebenen Planungs- und Errichtungsangaben nicht erfüllt werden können, muss man auf andere Schutzmaßnahmen ausweichen. Dies können z.b. sein Schutztrennung mit Trenntransformator für einen Verbraucher Schutz durch Abschaltung mit Überstrom-Schutzeinrichtung oder IT-System mit Isolationsüberwachung. In der Praxis hat sich hier die Anwendung des IT-Systems mit Isolationsüberwachung aus mehreren Gründen durchgesetzt: Bei einem ersten Isolationsfehler kommt es nicht zur Unterbrechung der Stromversorgung. Isolationsfehler werden frühzeitig gemeldet, so dass man entsprechende Maßnahmen rechtzeitig ergreifen kann. Die Isolationsüberwachung führt gleichzeitig zu einem erhöhten Sach- und Brandschutz. Die Vermeidung von Betriebsunterbrechungen und optimierte Instandhaltung reduzieren Kosten. Diese Schutzmaßnahme eignet sich auch bei Mittelspannungs-Umrichtern. Bild 6: Funktionsprinzip mit Isolations- Überwachungsgerät; der erkannte Fehler führt nicht zwangsläufig zur Abschaltung Die Basis für das IT-System bildet ein Trenntransformator. Dieser ist z.b. bei Mittelspannungsumrichtern von Hause aus bereits vorhanden. In IT-Systemen hat kein aktiver Leiter Verbindung mit Erde. Zur Überwachung des Systems dient nach DIN VDE (VDE 0100 Teil 410): ein Isolations- Überwachungsgerät. Dieses liegt zwischen den Netzleitern und der Erde und überlagert dem Netz eine Messspannung (Bilder 6 und 7). Tritt ein Isolationsfehler RF auf, so schließt sich der Messkreis und es fließt ein Messstrom Im, den das Isolations-Überwachungsgerät erfasst und auswertet. Unterschreitet der Isolationswiderstand RF den eingestellten Ansprechwert, meldet das Isolations-Überwachungsgerät diesen Zustand. Es erfolgt keine Abschaltung. Somit kann der Betreiber der Anlage selbst entscheiden, wann er den Isolationsfehler suchen und beseitigen möchte.

6 Bild 7: Geregelter Antrieb im IT-System mit Isolationsüberwachung Der Abschnitt der DIN EN (VDE 0160): beschreibt die Anforderungen an das Isolations- Überwachungsgerät:»Die zum Überprüfen des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten Netzes angebrachte Überwachungseinrichtung muss geeignet sein, das Unterschreiten eines Mindestwertes vom Isolationswiderstand zu erfassen. Die Isolationsüberwachung muss dieses Netz und alle an diesem Netz ohne galvanische Trennung betriebenen elektronischen Betriebsmittel einschließlich der an die elektronischen Betriebsmittel angeschlossenen Verbraucher erfassen«. Es folgt der Hinweis, dass Isolationsüberwachungsgeräte mit überlagerter Gleichspannung durch Fremdgleichspannung außer Funktion gesetzt werden können. Aus diesem Grund kommen bei geregelten Antrieben nur Isolations- Überwachungsgeräte mit getakteter Messspannung zum Einsatz, z.b. mit AMP-Messverfahren. Entstehung und Gefahrenpotenzial von Ableitströmen Frequenzumrichter können hohe Ableitströme verursachen, die bei Unterbrechung des Schutzleiters eine potenzielle Gefahrenquelle darstellen. Die Ursachen für hohe Ableitströme liegen z.b. in der umrichterinternen EMV-Beschaltung, im verwendeten Funkentstör- oder Netzfilter, in der Länge und dem Typ der Motorleitung (Kapazitätsbelag), in der Höhe der Netz- und Zwischenkreisspannung, in der Art des Wechselrichtermodulationsverfahrens, in der Höhe der Schaltfrequenz und Flankensteilheit du/dt der Ausgangsspannung, im Wicklungsaufbau des Motors und in den Erdungsbedingungen des Systems.

7 Eine exakte Berechnung dieser Ableitströme kann aufgrund der vielen Parameter nicht erfolgen. Die Größenordnung kann man nur per Messung bestimmen. Wenn dauernd eine höherer Ableitstrom als 3,5 ma AC oder 10 ma DC fließt, so muss man nach DIN EN (VDE 0160): Abschnitt folgende Maßnahmen ergreifen: Der Schutzleiterquerschnitt muss mindestens 10 mm 2 betragen, ein zweiter Schutzleiter muss elektrisch parallel zum ersten Schutzleiter liegen, über getrennte Klemmen führend, bei Unterbrechung des Schutzleiters muss eine selbsttätige Abschaltung der Stromversorgung erfolgen oder der Einbau eines Zweiwicklungs-Transformators in der Stromversorgung muss vorgesehen werden. Nebenbei sei bemerkt, dass die Höhe des Gesamtableitstromes die RCD auslösen kann (Bild 8). Bild 8: Ableitströme bei einem geregelten Antrieb; die Summe der Ableitströme kann ein RCD bereits zum Auslösen bringen Dipl.-Ing. Harald Sellner, Dipl.-Ing. Claus Lange, Dipl.-Ing. Helmut Muhm, Mitarbeiter bei Dipl.-Ing. W. Bender GmbH & Co. KG, Grünberg