EMV bei Frequenzumrichtern. Fredy Erb Control Techniques

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1 EMV bei Frequenzumrichtern Fredy Erb Control Techniques

2 Agenda Control Techniques Einsatzgebiete und Funktionsweise des Frequenzumrichter Störungsquelle Frequenzumrichter Installation des Frequenzumrichter

3 Control Techniques Hauptsitz in Wales, UK Gründung 1973 Emerson Zugehörigkeit seit 1996 Personalbestand : Mitarbeiter Wachstum von 2002 bis 2007: - Umsatzwachstum x 2.1 (+15% pro Jahr) - Produktion von AC Drives x 3.3 (+27% pro Jahr) Die aktuelle Produktion beträgt Umsatz in Mio$ $279 $259 $234 $206 $335 $ Drives pro Jahr '02 '03 '04 '05 '06 '07

4 Control Techniques Produktesortiment Digitax ST Servo-Drive A 200 & 400 Volts Commander SK Frequenzumrichter für f Asynchronmotoren kW 100, 200, 400, 575 & 690 Volts Unidrive SP Universeller Frequenzumrichter für f Asynchron- und Servomotoren 0.37kW 1.9MW 200, 400, 575 & 690 Volts

5 Einsatzgebiete des Frequenzumrichter Was ist überhaupt ein Frequenzumrichter? Stellglied in der elektrischen Antriebstechnik für drehzahl-, drehmoment- oder positionsgeregelte Elektromotoren. Einsatz in Industrie, Maschinenbau, Gebäudetechnik, Haushalt Also überall dort, wo Elektromotoren eingesetzt werden.

6 Funktionsweise des Frequenzumrichter Komponenten in einem Frequenzumrichter + SMPS M - EINGANGSGLEICHRICHTER Ein- oder Dreiphasengleichrichterbrücke Eingangsgleichrichter wird für die Gleichrichtung der Eingangs- Wechselspannung benötigt

7 Funktionsweise des Frequenzumrichter Komponenten in einem Frequenzumrichter + SMPS M - ZWISCHENKREIS SPANNUNG Die Drosselspule und der Kondensatoren glätten die gleichgerichtete DC-Zwischenkreisspannung und wirken als Energiepuffer DC-Spannung = AC-Eingangsspannung x 2 = 400V x 2 = 565V

8 Funktionsweise des Frequenzumrichter Komponenten in einem Frequenzumrichter + SMPS M - SMPS - INTERNE SPANNUNGSVERSORGUNG Schaltnetzteil erzeugt alle intern benötigten Spannungen für Prozessor, Encoder, I/O BREMSCHOPPER Bremschopperschaltung für die Schaltung des externen Bremswiderstand

9 Funktionsweise des Frequenzumrichter Komponenten in einem Frequenzumrichter + SMPS M - FREQUENZUMRICHTERAUSGANG Einsatz von IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) als sehr schnell schaltendes Schaltelement Verlustleistung durch hohe Schaltfrequenz = Wärme

10 Funktionsweise des Frequenzumrichter Schaltung der IBGT PULSBREITEN MODULATION ( Pulse Width Modulation = PWM ) Zwischenkreisspannung wird durch IGBT in Impulse verschiedener Breite zerhackt Schaltfrequenz ist wählbar Impulshöhe = Zwischenkreisspannung Durch Impulse verschiedener Breite wird Ausgangs-Spannung für Motor definiert Durch Induktivität von Motor fliesst sinusförmiger Strom Referenz - Signal Schaltfrequenz +VDC (565V) Ausgangsspannung Ausgangsstrom

11 Störungsquelle Frequenzumrichter Entstehung von Störungen Die Störungen vom Frequenzumrichter entstehen durch: Eingangsgleichrichter > Netzrückwirkungen durch Harmonische Oberwellen > Einschalt- und Spitzenströme DC-Zwischenkreis / Bremschopper > Hochfrequente Störgrössen durch pulsierende Schaltung von Bremschopper (hohes du/dt) Frequenzumrichterausgang > Hochfrequente Störgrössen durch pulsierende Schaltung von IGBT (hohes du/dt) > Parasitäre Erdströme > Akustische Störgeräuschpegel bei tiefen Taktfrequenzen

12 Störungsquelle Frequenzumrichter Ausbreitung von Störsignalen Die Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen erfolgt durch: Galvanische Kopplung > Leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.b. durch gemeinsame Spannungs- oder Erdverbindungen Induktive Kopplung > Nicht leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.b. durch Kabelschleifen Kapazitive Kopplung > Nicht leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.b. durch parallel geführte Leitungen

13 Störungsquelle Frequenzumrichter Auswirkungen der Störungen Die Störungen vom Frequenzumrichter können k sich auswirken auf: Umgebung > Beeinflussung von empfindlichen Signalleitungen durch leitungsgebundene und nicht leitungsgebundene Störungen Beeinträchtigung der Spannungsversorgung / EW > Harmonische Oberwellen > Einschalt- und Spitzenströme Motorschäden > Wirbelstromverluste / Erwärmung > Defekt Isolation bei alten Motoren > Parasitäre Erdströme

14 Installation des Frequenzumrichter Massnahmen zur Reduktion der Störeinfl reinflüsse durch entsprechendes Erdungs- und EMV-Konzept Schrankaufbau und Leitungsverlegung mit Ordnungstrennung der Signalkabel / Leistungskabel Leitungen auf Filtereingang / Filterausgang getrennt verlegen Reserveschlaufen vermeiden Geringste Kopplung bei 90 -Kreuzung Zentrale Erdschiene / Potentialausgleich Grossflächige Erdverbindungen / Lackierte Grundplatte vermeiden Geschirmtes Kabel für Motorleitung / Bremswiderstand > Grossflächige beidseitige Schirmauflage > Abschirmung direkt bis zu FU / Motor führen Skin-Effekt bei Hochfrequenzen > Erdung durch Litze oder geflochtenes Kupferband

15 Installation des Frequenzumrichter Ordnungstrennung Kopplung Filterein- /Filterausgang

16 Installation des Frequenzumrichter Lackierte Grundplatte vermeiden Grossflächige Erdverbindungen Erdung durch geflochtenes Kupferband

17 Installation des Frequenzumrichter Geschirmte Motorleitung direkt bis zu FU Keine Pigtails / Schirmschwänzchen Grossflächige beidseitige Schirmauflage EMV-Kabelverschraubung mit Schirmabgriff

18 Installation des Frequenzumrichter Geschirmtes Kabel auch für Bremswiderstand Grossflächige Schirmauflage

19 Installation des Frequenzumrichter Analogleitung abgeschirmt > Abschirmung auf 0V Thermistorleitung abgeschirmt > Abschirmung auf Erdpotential

20 Installation des Frequenzumrichter Eingangs- und Ausgangskomponenten Standard Systemaufbau mit Eingangsfilter Motor Eingangsfilter Frequenzumrichter Motor Reduktion der leitungsgebundenen Störgrösse durch Eingangsfilter Eingangsfilter erzeugt Erdableitstrom (ca. 3 30mA) durch Kapazitäten zwischen Phase-Erde

21 Installation des Frequenzumrichter Eingangs- und Ausgangskomponenten Zusätzliche Eingangsdrossel Motor Eingangsdrossel Eingangsfilter Frequenzumrichter Motor Reduktion der Netzrückwirkungen durch harmonische Oberwellen

22 Installation des Frequenzumrichter Eingangs- und Ausgangskomponenten Zusätzliches du/dt-filter Motor Eingangsfilter Frequenzumrichter du/dt-filter Motor du/dt-begrenzung > Einsatz bei alten nicht frequenzumrichtertauglichen Motoren Verringerung der Überspannung Reduktion der elektromagnetischen Beeinflussungen Reduktion der zusätzlichen Umrichterverluste bei längeren Motorleitungen durch parasitäre Kabel- bzw. Erdströme

23 Installation des Frequenzumrichter Eingangs- und Ausgangskomponenten Zusätzliches Sinus-Filter Motor Eingangsfilter Frequenzumrichter Sinus-Filter du/dt-begrenzung > Einsatz bei sehr alten nicht frequenzumrichtertauglichen Motoren > Einsatz bei nicht abgeschirmten Motorkabel Verringerung der Überspannung Reduktion der elektromagnetischen Beeinflussungen Motor Reduktion der zusätzlichen Umrichterverluste bei längeren Motorleitungen durch parasitäre Kabel- bzw. Erdströme

24 Installation des Frequenzumrichter Eingangs- und Ausgangskomponenten Auswirkung Sinus-Filter FU Motor

25 Zusammenfassung Achten Sie bei der Planung und Installation von Frequenzumrichter immer auf die drei Punkte Erdung / Potentialausgleich Schirmung Filterung Schlusswort