21E Schaltgeräte in Kombination mit Frequenzumrichtern. Niederspannungs-Schaltgeräte in Kombination mit Frequenzumrichtern Hinweis:

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1 Niederspannungs-Schaltgeräte in Kombination mit Frequenzumrichtern Hinweis: Generell gilt: Frequenzumrichter beinhalten Zwischenkreiskondensatoren, die hohe Einschaltstromspitzen verursachen, sofern keine umrichterinternen Bedämpfungsmaßnahmen mit Drosseln oder Vorladewiderständen getroffen wurden. Der ungedämpfte Ladestrom bedeutet fast einen Kurzschluss und somit eine starke Belastung der Schaltstücke. Schütze ( z. B. Sirius 3RT ) Einsatz auf der Primärseite des FU: Wenn diese Stromspitzen höher sind als das Einschaltvermögen der Schütze, so können Schützkontakte abheben (prellen). Durch die hierbei entstehenden Lichtbögen verflüssigt sich das Kontaktmaterial mit anschließender Kontaktverklebung bzw. -verschweißung. Da die Höhe der tatsächlichen Stromspitzen an der Einbaustelle des Frequenzumrichters im Wesentlichen von der Vorimpedanz des Netzes und vom Einschaltzeitpunkt abhängt, ist zur Auswahl eines geeigneten Schützes Nachfolgendes zu beachten: 1. Umrichter ohne Vorladewiderstände a) bei Kenntnis des Stromspitzen-Werts: Auswahl des Schützes 3RT10 gemäß dessen Einschaltvermögen (10 x Ie AC-3). Dieses Einschaltvermögen darf nicht geringer sein als die Stromspitzen. b) bei Unkenntnis des Stromspitzenwerts: Verwendung eines Kondensatorschützes 3RT16. Kondensatorschütze 3RT16 enthalten Vorladewiderstände. Hierdurch werden Einschaltstromspitzen auf unkritische Werte gedämpft. Aufgrund der vergleichsweise geringen Einschaltgeschwindigkeit von DC-Magnetsystemen sind Kondensatorschütze 3RT16 nur mit AC-Betätigung verfügbar. Folgende Kondensatorschütze 3RT16 eignen sich zum Einsatz auf der Primärseite von Frequenzumrichtern: - 3RT1617: Geeignet für Leistungsbereich bis 5,5 kw / 400 V - 3RT1627: Geeignet für Leistungsbereich von 7,5 kw bis 11 kw / 400 V - 3RT1647: Geeignet für Leistungsbereich von 22 kw bis 45 kw / 400 V 21E 1

2 2. Umrichter mit Vorladewiderständen Siemens Umrichter (SINAMICS/Masterdrive) besitzen Vorladewiderstände, deshalb wird der Ladestrom auf den Nennstrom des Umrichters begrenzt. Aus diesem Grund kann das Schütz selbst nach der Gebrauchskategorie AC-1 (ohmsche Last) ausgelegt werden. Beispielsweise finden Sie im Katalog DA /2004 auf Seite 3/47 die empfohlene Systemkomponenten - unter anderem auch der Leistungsschütze für die Masterdrives Umrichter. Letztlich verbleibt die Verantwortung zur Nennung von Kriterien zur Schützauswahl beim Hersteller des Frequenzumrichters, da nur dieser das Betriebsverhalten seines Produktes so genau kennt, dass er verantwortlich Produktempfehlungen oder Produktanforderungen für Schütze treffen kann. Einsatz auf der Sekundärseite des FU: Ein Ausgangsschütz ist in der Regel primär nicht erforderlich. Nur wenn vom Kunden ausdrücklich gewünscht, sollte ein Ausgangsschütz vorgesehen werden. Ein Ausgangsschütz ist beispielsweise erforderlich, - wenn eine Bypass-Schaltung vorgesehen ist, - wenn der Motor bei NOT-AUS spannungsfrei geschaltet werden soll, oder - wenn ein Umrichter für mehrere Motoren vorgesehen ist, die wahlweise zugeschaltet werden sollen. Auf der Ausgangsseite von Frequenzumrichtern (FU) werden Schütze üblicherweise nach Gebrauchskategorie AC-3 entsprechend des Motor-Bemessungsstroms und der dazugehörigen Spannung (wie bei Direktstart) ausgelegt. Da bei FU Spannung und Frequenz praktisch immer proportional sind, ist auch das Ausschalten der Last bei niedrigen Frequenzen für das Schütz unkritisch. Beispiel: Bezogen auf ein Netz 400 V, 50 Hz würde bei 5 Hz nur ein Spannungswert von 40 V zutreffen. Dieser wird von einem nach AC-3 bemessenen Schütz während des Ausschaltvorgangs problemlos beherrscht. Beachte: Die o.g. Aussagen gelten nicht für Vakuumschütze, die zum Schalten von niedrigen Frequenzen nicht geeignet sind. Vorgehensweise beim Abschalten von Siemens Umrichtern: 1. Not-Aus (Antrieb schnellstmöglich spannungsfrei schalten) Bevor das Schütz geöffnet wird, muss der Umrichter über die Wechselrichter- Freigabe / Impulssperre abgeschaltet werden (Befehl Aus 2). 2. Not-Halt (Antrieb geregelt herunterfahren) Soll ein Schnellhalt erfolgen, so wird der Antrieb nach einer Rampe heruntergefahren (Befehl Aus 3). Vor dem Öffnen des Schützes sollte die Impulssperre erfolgen (Befehl Aus 2). 21E 2

3 Leistungsschalter (z. B. 3RV) Primärseite eines Frequenzumrichters Situation: Die Zuleitung des FU wird entweder durch Sicherungen oder durch Leistungsschalter gegen Kurzschluss und Überlast abgesichert. Hierfür sind die Schutzorgane Kurzschluss und Überlast getrennt zu betrachten: Unverzögerte Kurzschlussauslöser (n-auslöser) 1. Umrichter ohne Vorladewiderstände Wenn die Stromspitzen beim Einschalten größer sind als der Ansprechwert der Kurzschlussauslöser, wird der Leistungsschalter unverzögert abschalten. Der Leistungsschalter ist für den Einschaltstrom zu dimensionieren. Leistungsschalter für den Motorschutz beherrschen in der Regel den 11-fachen Nennstrom. 2. Umrichter mit Vorladewiderständen Auswahl des Leistungsschalters nach dem Nennstrom des FU. Thermisch verzögerte Überlastauslöser (a-auslöser) (gilt sowohl für FU mit und ohne Vorladewiderstände) Frequenzumrichter generieren Oberwellen, die mehr oder weniger gut gefiltert auch auf die Primärseite rückwirken können. Diese Oberwellen überlagern die Netzfrequenz und führen zu erhöhter thermischer Belastung der Überlastauslöser und Leitungen. Relevant ist der Effektivwert des Stroms. Dieser lässt sich mit Messwerkzeugen ermitteln, die für hohe Wechsel- oder Mischströme, deren Kurvenformen vom Sinus-Wechselstrom abweichen, geeignet sind (z. B. Dreheisen- Messwerke, die unabhängig von Kurvenform und Frequenz arbeiten). TIPP: Deshalb sollte sich der FU-Nennstrom im unteren Teil des Einstellbereichs befinden, so dass bei der Inbetriebnahme noch Einstellkorrekturen nach oben vorgenommen werden können. Sekundärseite eines Frequenzumrichters Beschreibung des Auslöseverhaltens bei unterschiedlichen Frequenzen von 0 Hz bis 400 Hz: Unverzögerte Kurzschlussauslöser (n-auslöser) Unterschiedliche Frequenzen bewirken unterschiedliche Energiemengen in den Halbwellen. Deshalb ändert sich der Ansprechwert der unverzögerten n-auslöser wie folgt: - bei f =50/60 Hz: siehe technische Daten bzw. Auswahl- und Bestelldaten - bei f = 5 Hz: - 9 % - bei f = 25 Hz: Standard-Ansprechwert - 5 % - bei f = 100 Hz: Standard-Ansprechwert + 10 % - bei f = 200 Hz: Standard-Ansprechwert + 20 % - bei f = 300 Hz: Standard-Ansprechwert + 30 % - bei f = 400 Hz: Standard-Ansprechwert + 40 % - bei DC: Standard-Ansprechwert + 30 % (da bei DC nur der Effektivwert vorhanden ist). 21E 3

4 Hinweis: Diese Veränderungen der Ansprechwerte sind jedoch in der Praxis nicht relevant, da der n-auslöser erst beim 11-fachen Nennstrom anspricht. Thermisch verzögerte Überlastauslöser (a-auslöser) Das Auslöseverhalten ändert sich nicht in nennenswertem Umfang. Da in Frequenzumrichterkreisen Oberschwingungen vorhanden sind, die den tatsächlichen Strom-Effektivwert erhöhen, und weil erhöhte Erwärmung bedingt durch eine hohe Taktfrequenz auftritt, sollten Leistungsschalter so ausgewählt werden, dass sich der einzustellende Motor-Bemessungsstrom im unteren Bereich der Einstellskala befindet. Hierdurch werden Korrekturen während der Inbetriebnahme ohne Austausch des Leistungsschalters in den nächst höheren Einstellbereich ermöglicht. Thermische Überlastrelais (z. B. 3RU) Primärseite eines Frequenzumrichters Die Zuleitung des FU wird entweder durch Sicherungen oder durch Leistungsschalter gegen Kurzschluss und Überlast abgesichert. Da Überlastrelais die angeschlossene Leitung / den Verbraucher nur gegen Überlast und nicht gegen Kurzschluss schützen, sind sie hierfür nicht geeignet. Sekundärseite eines Frequenzumrichters Einsatz: Wird pro Umrichter nur ein Motor angeschlossen, so wird dieser durch den FU gegen Kurzschluss und Überlast geschützt. Werden mehrere Motoren von einem Umrichter angesteuert, so muss jeder Motor einzeln gegen Überlastung geschützt sein. Hierfür sind Überlastrelais einzusetzen. Situation: Die thermisch verzögerten Überlastrelais 3RU1 können für Frequenzen bis 400 Hz eingesetzt werden. Es muss jedoch bei der Planung beachtet werden, dass durch den Umrichter erzeugte Oberwellen den tatsächlichen Strom-Effektivwert erhöhen. TIPP: Deshalb sollte sich der Motor-Bemessungsstrom im unteren Teil des Einstellbereichs befinden, so dass bei der Inbetriebnahme noch Einstellkorrekturen nach oben vorgenommen werden können. Elektronische Überlastrelais können wegen der internen Stromwandler von 50 / 60 Hz abweichende Frequenzen nicht genau erfassen und sind somit ungeeignet. Wichtige Maßnahmen gegen das ungewollte Auslösen von Leistungsschaltern und Überlastrelais Bei Einsatz von thermischen Motorschutzgeräten hinter Frequenzumrichtern/Wechselrichtern bei gepulster Spannung ergeben sich Einflüsse auf die Schaltgeräte, die zu ungewolltem Auslösen dieser Geräte führen können. Im Folgenden werden praktische Projektierungshinweise für solche Anwendungsfälle gegeben. 21E 4

5 Einflüsse hochfrequenter Ströme auf den thermischen Überlastauslöser von Leistungsschaltern (3RV, 3VU) und Überlastrelais (3RU, 3UA) Der thermische Überlastauslöser von Leistungsschaltern und Überlastrelais besteht in der Regel aus einem Bimetall und einer Heizwicklung, die vom Motorstrom durchflossen und somit erwärmt werden. Bei zu großer Auslenkung des Bimetalls (zu hoher Motorstrom) erfolgt die Abschaltung des Motorstroms. Justiert werden derartige Auslöser mit einem 50 Hz Wechselstrom. Somit liegt der Auslösepunkt auch nur für Ströme, deren Wärmewirkung (Effektivwert) gleich oder ähnlich diesem Justierstrom ist, im geforderten Normbereich. Dies ist für Wechselströme von 0 bis 400 Hz und für Gleichströme der Fall. Bei hochfrequenten Strömen, wie sie hinter Umrichtern auftreten, wird das Bimetall zusätzlich erwärmt. Dies ist zum einen auf die durch Oberwellen induzierten Wirbelströme und zum anderen auf den Skineffekt in der Heizwicklung zurückzuführen. Beides führt zu einem Ansprechen des Überlastauslösers auch bei kleineren Strömen (ungewollte Frühauslösung!). Die Einflüsse sind von der Frequenz des Stromes abhängig. Je höher die Frequenz des Umrichters und je kleiner der Einstellbereich/Nennstrom, desto größer die Absenkung des Auslösestromes. Damit die Auslösegrenzen wieder im Normbereich liegen, muss die Einstellung des Überlastauslösers korrigiert werden. Die folgende Tabelle zeigt die Einstellkorrekturfaktoren für die unterschiedlichen Einstellbereiche in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz des Umrichters. Einstellbereich/ Nennstrom Pulsfrequenz (khz) ,2-50 A 1,00 1,07 1,12 1,16 1,18 1,19 1,21 1,22 1,23 0,5-2,5 A 1,00 1,08 1,13 1,17 1,21 1,24 1,26 1,28 1,29 0,32-0,4 A 1,00 1,09 1,15 1,21 1,25 1,29 1,33 1,35 1,37 0,16-0,25 A 1,00 1,10 1,17 1,24 1,28 1,33 1,38 1,42 1,46 Einsatzbeispiel: Leistungsschalter mit Einstellbereich 1,1-1,6 A hinter einem Frequenzumrichter mit Pulsfrequenz von 8 khz und Effektivwert des Motorstromes bei Nennlast: 1,2 A. Einstellung auf: 1,2 A x 1,21 = 1,45 A Damit sind die Einflüsse der hochfrequenten Ströme ausgeglichen. 21E 5