FAQ zur Antriebstechnik

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1 FAQ zur Antriebstechnik Spannungsversorgungssysteme MICROMASTER 4 SINAMICS G120

2 Gewährleistung, Haftung und Support Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Beispiel beschriebenen Anwendungen, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z.b. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Copyright 2007 Siemens A&D. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Beispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens A&D zugestanden. Bei Anregungen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende E- Mail-Adresse an uns: Version-1 Ausgabe April /19

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Grundsätzliches Erläuterung der Begriffe Was bedeutet Erde? Sind Schutzerde (PE) und Gehäuseerde das Gleiche? Netzformen TN-Netze TN-S-Netz... 8 Hinweise zum Umrichterbetrieb TN-C-Netz... 9 Hinweise zum Umrichterbetrieb TN-C-S Hinweise zum Umrichterbetrieb TT-Netz Hinweise zum Umrichterbetrieb IT-Netz IT-Netze und Umrichter Anhang Weitere Begriffe im Zusammenhang mit der Spannungsversorgung Betriebserde R B PE - Schutzleiter PEN Leiter Schutz bei indirektem Berühren Begriffe rund um den Fi- Schutzschalter Kabelquerschnitte Internet-Link-Angaben Historie Dieser Beitrag stammt aus dem Internet der Siemens AG, Automation and Drives, Service & Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Version-1 Ausgabe April /19

4 1 Grundsätzliches IEC Die weltweit am verbreitetsten Spannungsversorgungen können in drei Kategorien eingeordnet werden. Diese Kategorien beziehen sich auf die internationalen Normen in IEC IEC unterscheidet zwischen den drei unterschiedlichen Erdungsmethoden TN, TT und IT. Kenngröße für Netzsysteme sind sowohl die Behandlung der Beziehung des Systems zur Erde, als auch die Behandlung der Beziehung der Körper der elektrischen Anlage zur Erde. 1.1 Erläuterung der Begriffe Die Kürzel TN, TT und IT sind in der Norm IEC genau erläutert und dienen zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Erdungsanordnungen. Der erste Buchstabe bezeichnet die Verbindung zwischen Erde und Stromversorgung: T I direkte Verbindung eines Punktes mit Erde kein Punkt ist mit Erde verbunden (isoliert), außer eventuell über eine hochohmigen Widerstand. Der zweite Buchstabe bezeichnet die Verbindung zwischen Erde und dem zu versorgenden elektrischen Gerät: T N direkte Verbindung zur Erde, unabhängig von jeder anderen Erdverbindung im Einspeisessystem. Erdverbindung über das Einspeisesystem. Der dritte und vierte Buchstabe bezeichnet die Anordnung der Erdverbindung: S C Nullleiter und Erdung sind getrennt (seperated) Nullleiter und Erde sind in einem Leiter geführt (combined) Version-1 Ausgabe April /19

5 1.2 Was bedeutet Erde? Vor der Betrachtung von Spannungsversorgungssystemen ist es wichtig, den Unterschied zwischen Schutzerde (PE) und Gehäuseerde zu verstehen. In einem allgemeinen elektrischen Versorgungssystem definiert Erde oder Masse das Potenzial des Leiters bezogen auf die leitfähige Verbindung zur Erde. Auf welche Weise die Erde an das Spannungsversorgungssystem angeschlossen wird, hat Auswirkungen auf Sicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Spannungsversorgung Sind Schutzerde (PE) und Gehäuseerde das Gleiche? Ja, grundsätzlich erfüllen PE* und Gehäuseerde (Betriebsmittelerde R A ) die gleiche Funktion; allerdings haben sie als Masseverbindung unterschiedliche Funktionen. Die Betriebsmittelerde R A obwohl sie auch Schutz gegen elektrischen Schlag bietet - erfüllt einen anderen Zweck. Die Betriebsmittelerde kann bei Betrieb des Geräts Strom führen. Bei Umrichtern werden die Chassis-Anschlüsse sowohl als PE als auch als Betriebsmittelerde verwendet. * Weitere Erläuterungen zu Abkürzungen finden Sie im Kapitel Anhang Version-1 Ausgabe April /19

6 2 Netzformen Für die verschiedenen Netzformen gibt es unterschiedliche Spannungsversorgungssysteme z.b. 1AC 230V, 3AC 230V, 3AC 400V, und für diese wiederum verschieden Abweichungen und Ausnahmen von der Norm. Da Umrichter überwiegend an 3AC 400V Netzen betrieben werden wird im weiteren Verlauf der Ausführungen ausschließlich auf diese Spannungsversorgung eingegangen. Für MICROMASTER 4 und SINAMICS G110 / G120 gilt: Grundsätzlich können Umrichter in allen drei Netzformen (TN, TT, IT) betrieben werden, näheres in der folgenden Beschreibung. Es sind nur fest verdrahtete Netzanschlüsse zulässig. Umrichter müssen immer geerdet sein, sowohl über die Kabel als auch über das Gehäuse. Jeder Umrichter ist separat abzusichern, die Sicherungen dienen hierbei als Leitungsschutz. Es dürfen nur FI-Schutzschalter vom Typ B verwendet werden (Ein Fi- Schutzschalter je Umrichter) Version-1 Ausgabe April /19

7 2.1 TN-Netze Im TN Netz müssen alle Körper elektrischer Betriebsmittel über einen PE mit dem PEN und mit dem geerdeten Punkt des speisenden Netzes (= Betriebserde z.b. Sternpunkt der Einspeisung des Transformators oder des Generators) verbunden werden. Der Sternpunkt von Transformator oder Generator muß geerdet sein. Der PE bzw. PEN muß entweder am Transformator (Generator) selbst oder in der Nähe geerdet werden. Das Potential des PE, bzw. PEN, sollte im Fehlerfall möglichst wenig vom Erdpotential abweichen. Als Schutzeinrichtungen dürfen, Überstromschutzeinrichtungen Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) dürfen nur in TN-S-Netzen verwendet werden. Bei Auftreten eines Fehlers mit vernachlässigbarer Impedanz (Kurzschluß) muß durch eine Schutzeinrichtung eine Abschaltung erfolgen. Innerhalb 0,2sec. bei Steckdosenkreisen (Orts veränderliche Betriebsmittel) bis 35A. Innerhalb 0,5 sec. bei allen anderen Betriebsmitteln (z.b. Umrichter) Es gilt folgende Abschaltbedingung (auch zur Ermittlung der maximalen Zuleitungslänge): Z S U D / I A = Impedanz der Fehlerschleife Z S U D = Außenleitererdspannung des Netzes I A Abschaltstrom (= Strom der das Abschalten der Schutzeinrichtung innerhalb der oben genannten Zeiten bewirkt. Bei Verwendung eines Fi- Schutzschalters entspricht I A dem Nennfehlerstrom I N ) Entsprechend der Anordnung von Neutral- und Schutzleiter sind drei Arten von TN-Netzen zu unterscheiden. TN-S-Netz; TN-C-Netz; TN-C-S-Netz Version-1 Ausgabe April /19

8 2.1.1 TN-S-Netz Für diese Netzform gilt folgendes: (siehe hierzu auch das Kapitel PE-Leiter ) Getrennte Neutral und Schutzleiter im gesamten Netz. PE und Nullleiter sind am Sternpunkt verbunden. Leitungsquerschnitte 6 mm² für Cu; 10 mm² für Al. Schutz durch Überstromschutzeinrichtungen L1 N L2 L3 PE Verbraucher Hinweise zum Umrichterbetrieb dieses System wird überwiegend für Haushalte eingesetzt, für Umrichter kommt es daher weniger in Betracht. Version-1 Ausgabe April /19

9 2.1.2 TN-C-Netz Für diese Netzform gilt folgendes: (siehe hierzu auch das Kapitel PEN-Leiter ) Neutralleiter- (N) und Schutzleiterfunktionen sind im gesamten Netz in einem einzigen Leiter, dem PEN, zusammengefasst. Bewegliche Außenleitungen müssen immer einen PE haben Im Fehlerfall kann daher in diesem Leiter Strom fließen, auch wenn kein Erdschluss vorliegt. Zudem müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden. Leitungsquerschnitte 10 mm² für Cu; 16 mm² für Al. Schutz durch Überstromschutzeinrichtungen Festverlegte Leitungen L1 L2 L3 PEN PEN PE Verbraucher Hinweise zum Umrichterbetrieb Umrichter werden in der Regel in diesem System (oder im TN-C-S- System) betrieben. Auf gute Erdverbindung von Umrichtergehäuse, Montageplatte, Kabelschirmen etc. ist zu achten. Version-1 Ausgabe April /19

10 2.2 TN-C-S In einem Teil des Netzes sind die Funktionen des Neutralleiters und des Schutzleiters zusammengefasst (PEN). Im anderen Teil des Netzes sind Schutz- und Neutralleiter (PE & N) als getrennte Leiter verlegt. Diese Netzform ist in der Praxis sehr verbreitet (im Bereich der großen Leiterquerschnitte TN-C, im Bereich der kleinen Leiterquerschnitte TN-S) Bezüglich der Aufteilung gilt folgendes: Hinter der Aufteilung des PEN-Leiters (in Richtung Verbraucher) dürfen N und PE nicht mehr miteinander verbunden werden. An der Aufteilungsstelle müssen getrennte Klemmen oder Schienen vorgesehen werden. PEN PEN PE L1 N L2 L3 PE Verbraucher Verbraucher TN-C TN-S TN-C-S Hinweise zum Umrichterbetrieb Umrichter werden in der Regel in diesem System (oder im TN-C- System) betrieben. Auf gute Erdverbindung von Umrichtergehäuse, Montageplatte, Kabelschirmen etc. ist zu achten. Version-1 Ausgabe April /19

11 2.3 TT-Netz Im TT-Netz muß der Schutzleiter nicht unbedingt mitgeführt werden. Die Körper werden einzeln, in Gruppen oder gemeinsam, unabhängig von der Sternpunkterde (R B ), B über Schutzleiter mit Erde (RA) verbunden. Alle Körper die durch eine gemeinsame Fehlerstrom- oder Überstrom- Schutzeinrichtung geschützt sind, müssen auch an einem gemeinsamen Erder angeschlossen sein. Gleiches gilt für gleichzeitig berührbare Körper. Der Sternpunkt von Transformator oder Generator muß geerdet sein. Wichtigstes technisches Merkmal im TT-System ist, das im Fehlerfall der Fehlerstrom über das Erdreich, ggf. auch über metallene Konstruktionsteile (Gehäuse, Montageplatte etc.) zur Stromquelle zurück fließt. Da der über das Erdreich fließende Fehlerstrom in der Regel erheblich kleiner als ein Kurzschlußstrom im TN-System ist, sind Abschaltungen mit Überstromschutzeinrichtungen immer mit Problemen verbunden. Als Schutzeinrichtungen dürfen, Überstromschutzeinrichtungen Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) verwendet werden. L1 N L2 L3 Verbraucher Hinweise zum Umrichterbetrieb In TT-Systemen können nur Umrichter ohne Filter eingesetzt werden. Auf gute Erdverbindung von Umrichtergehäuse, Montageplatte, Kabelschirmen etc. ist zu achten. Version-1 Ausgabe April /19

12 2.4 IT-Netz IT-Netze sind üblicherweise gegen Erde isoliert. Weder ein Außenleiter noch der Sternpunkt darf direkt geerdet werden. IT-Netze dürfen jedoch über eine ausreichend hohe Impedanz geerdet werden. Es gibt IT-Netze mit und ohne mitverlegtem Neutralleiter (N). IT-Netze werden überwiegend dort genutzt, wo es auf hohe Betriebs- Unfall- und Brandsicherheit ankommt. Während im TN- oder TT-Netz eine Automatische Abschaltung im Fehlerfall erfolgt, kann das IT-Netz im Fehlerfall noch einige Zeit weiter betrieben werden. Beim ersten Fehler nehmen in einem Drehstromsystem alle miteinander verbundenen Körper, Schutzleiter, Potentialausgleichsleiter, und Erder das Potential des fehlerhaften Außenleiters an. Die beiden nicht fehlerhaften Außenleiter nehmen gegen Erde die Außenleiterspannung an. Da alle Körper und fremde leitfähige Teile miteinander verbunden sind, entsteht keine zu hohe Berührungsspannung. Eine Abschaltung ist nicht erforderlich, es erfolgt lediglich eine optische und/oder akustische Meldung welche den Fehler anzeigt (der Fehler sollte aber bald möglichst behoben werden). Falls während des Betriebs mit dem ersten Fehler ein elektrisch ungünstig zum ersten Fehler liegender zweiter Fehler auftritt, muß eine automatische Abschaltung erfolgen. Im Fehlerfall, d.h. Erdschluss, bricht die Isolation zwischen dem Spannung führenden Leiter und der örtlichen Erde durch. Dies bedeutet letztendlich, dass die örtliche Geräteerde Spannung führt. Als Überwachungs- und Schutzeinrichtungen dürfen, Isolationsüberwachungseinrichtungen (IMD) Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche Überstromschutzeinrichtungen Fehlerstromschutzeinrichtungen (RCD) verwendet werden. Version-1 Ausgabe April /19

13 L1 L2 L3 Verbraucher IT-Netze und Umrichter Grundsätzlich gilt: Filter und Umrichter sind für den Betrieb in einem geerdeten Einspeisesystem ausgelegt. Der Einsatz für einen Betrieb in IT-Netzen ist in jedem Fall sorgfältig zu projektieren. Sowohl Filter als auch Umrichter sind Bauartbedingt Potentialbehaftet, d.h. es fließen Ableitströme gegen Erde. Diese Ableitströme beeinflussen Isolationsüberwachungseinrichtungen negativ. Des Weiteren können durch einen auftretenden Fehlerstrom unerwünschte Betriebszustände des Umrichters ausgelöst werden, z.b. führt ein Fehler (Erdschluß) im Umrichterausgang zur Abschaltung des Umrichters mit Fehler Überstrom. Deshalb gilt für einen Betrieb von Umrichtern in IT-Netzen: Sowohl Filter als auch Umrichter mit integriertem Filter dürfen in IT- Netzen nicht eingesetzt werden! Alle ungefilterten 400 V und 575 V MICROMASTER und SINAMICS G120-Umrichter können an IT-Netze angeschlossen werden, vorausgesetzt, die folgenden Maßnahmen werden getroffen: Version-1 Ausgabe April /19

14 Bei Anschluss eines MICROMASTER 4 an ein IT-Netz muss der Sternpunktkondensator (Y-Kondensator) entfernt werden Ausbauanweisungen finden Sie in der Betriebsanleitung. Beim G120 muss der Sternpunktkondensator nicht entfernt werden, da er nicht an PE angeschlossen ist. Bei Betrieb des Umrichters an einer IT-Einspeisung sollte eine Ausgangsdrossel eingebaut werden um hochfrequente Kreisströme zu begrenzen, die im Fall eines Erdschlusses fließen können. Dies ist notwendig, um die Ausgangskomponenten des Wechselrichters vor möglichem Schaden zu schützen. Anmerkungen zum SINAMICS G110 Für den SINAMICS G110 gilt ähnliches. Bei einigen SINAMICS G110 kann der Y-Kondensator nicht entfernt werden. Der Einsatz in IT-Netzen ist deshalb zwar möglich aber problematisch (Störung der Isolationsüberwachungseinrichtungen durch Ableitströme, Auslösung mit der Fehlermeldung Überstrom bei einem Erdschluß im Umrichterausgang). Informationen hierzu finden Sie in der Bedienungsanleitung Version-1 Ausgabe April /19

15 B Spannungsversorgungssysteme 3 Anhang 3.1 Weitere Begriffe im Zusammenhang mit der Spannungsversorgung. L1; L2; L3 Außenleiter / Spannungführende Leiter N Neutralleiter Betriebserde R B B Die Betriebserde R B Die Betriebserde, auch Sternpunkterde genannt, ist der Zentrale Erdungspunkt des speisenden Netzes am Transformator (Generator) an welchem die drei Außenleiter, der Neutralleiter und der Schutzleiter mit dem Erdpotential verbunden sind (der Gesammterdungswiderstand der Betreibserde R darf max. 2 Ohm BB betragen) PE - Schutzleiter PE = Protective Earth Schutzleiteranschlüsse abgehender Kabel und Leitungen müssen zugänglich, gegen Selbstlockern gesichert und einzeln lösbar sein. Anschlüsse für abgehende Schutzleiter müssen so angeordnet oder gekennzeichnet sein, daß ihre Zugehörigkeit zum jeweiligen Stromkreis erkennbar ist. Wird ein Schutzleiter für mehrere Stromkreise gemeinsam verwendet, so muß der Querschnitt dieses Schutzleiters mindestens dem Querschnitt des größten Außenleiters entsprechen. Version-1 Ausgabe April /19

16 Als Schutzleiter dürfen verwendet werden: Leiter in mehradrigen Leitern und Kabeln Isolierte und blanke Leiter in gemeinsamer Umhüllung (z.b. in Rohren oder elektrischen Installationskanälen) mit Außen- und Neutralleiter Fest verlegt blanke oder isolierte Leiter Metallische Umhüllungen wie Mäntel, Schirme und konzentrische Leiter bestimmter Kabel Metallrohre oder andere Metallumhüllungen für Leiter und Leitungen (als PEN nicht zulässig) Profilschienen, Hutschienen als AL, Cu, Stahl PEN Leiter PEN - Leiter vereinigen die Funktion des PE (Schutzleiters) und des N (Neutralleiters). PEN - Leiter sind nur in TN-C und TN-C-S Netzen möglich. Der PEN - Leiter muss, zur Vermeidung von Streuströmen, für die höchste zu erwartende Spannung isoliert sein; innerhalb von Schaltanlagen darf die Isolierung entfallen. Profilschienen dürfen als PEN - Leiter verwendet werden, wenn sie aus Cu oder Al bestehen und nur Klemmen aber keine Geräte tragen. An der PEN - Schiene dürfen PEN - Leiter, Neutralleiter und Schutzleiter in beliebiger Anzahl und Reihenfolge angeschlossen werden. PEN - Leiter dürfen nicht schaltbar sein (Schutzeinrichtungen im PEN sind nicht zulässig) Schutz bei indirektem Berühren Hierunter versteht man den Schutz von Personen und Nutztieren vor Gefahren, welche sich im Fehlerfall (Körperschluß) aus einer Berührung mit Körpern oder fremden leitfähigen Teilen ergeben können. Der Schutz bei indirektem Berühren ist unabhängig von der Höhe der Spannung bei allen elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln erforderlich. Dieser Schutz kann durch allgemein angewendete Maßnahmen, wie Schutz durch automatische Abschaltung (z.b. Sicherungen) erreicht werden. (Weitere Maßnahmen; Schutzisolierung, Schutzkleinspannung, Schutztrennung, Funktionskleinspannung; sind im allgemein auf besondere Anwendungsfälle begrenzt). Version-1 Ausgabe April /19

17 3.1.5 Begriffe rund um den Fi- Schutzschalter ELCB = Earth Lekage Current Braker RCCB = Residual Circuit Current Braker RCD = Residual Current protective Devices Für MICROMASTER 4 und SINAMICS G110 / G120 gilt: Sicherungen / Leistungsschalter Verwenden Sie geeignete Leistungsschalter / Sicherungen mit den in den Dokumenten angegebenen Bemessungsströmen. Fehlerstromschutzschalter Umrichter der Bauformen A bis F dürfen nur FI-Schutzschalter vom Typ B verwendet werden (Maschinen mit Dreiphasen-Stromversorgung, die mit EMV-Filtern ausgestattet sind, dürfen nicht über einen FI-Schutzschalter an das Netz angeschlossen werden). Ausnahme für SINMCS G110: Wenn der SINAMICS G110-Umrichter an Einphasennetzen mit geerdetem Nullleiter angeschlossen wird, ist auch der Typ RCD A zulässig. Fi - Schutzschalter = Fehlerstromschutzschalter Typ A 30mA Typ B 300mA Nähere Angaben finden Sie in den jeweiligen Bedienungsanleitungen. Version-1 Ausgabe April /19

18 3.2 Kabelquerschnitte IEC gibt eine Anleitung, wie Schutzleiter (PE) korrekt zu dimensionieren sind: Vereinfachte Methode Querschnitt des Phasenleiters Minimaler Querschnitt des Minimaler Querschnitt des PEN- Leiters (mm 2 ) (mm 2 ) PE-Leiters (mm 2 ) Kupfer Aluminium <16 mm 2 Siehe Bemerkung 1 Siehe Bemerkung 2 Siehe Bemerkung mm 2 16 mm 2 16 mm mm 2 25 mm mm 2 Phasenleiter Phasenleiter > 50 mm 2 Querschnitt /2 Querschnitt /2 Phasenleiter Querschnitt /2 Bemerkung: Diese vereinfachte Methode kann nur dann angewendet werden, wenn der PE/PEN-Leiter aus dem gleichen Material wie die Phasenleiter besteht. 1. Wenn der PE-Leiter aus anderem Material als dem der Phasenleiter besteht, müssen die unten aufgeführten Minimalwerte beachtet werden: 2.5 mm 2 wenn der PE-Leiter mechanisch geschützt ist 4 mm 2 wenn der PE-Leiter nicht mechanisch geschützt ist 2. aus mechanischen Gründen muss der PEN-Leiter einen Querschnitt nicht unter 10 mm 2 in Kupfer und 16 mm 2 in Aluminium aufweisen Beachten Sie dass, wie in der obenstehenden Tabelle angegeben, der PEN-Leiter (ein kombinierter PE- und Nullleiter), wenn aus Aluminium, einen stärkeren Querschnitt als ein Kupferkabel aufweisen muss. Der Grund hierfür ist, dass Kupfer ein wesentlich besserer Leiter als Aluminium ist. Version-1 Ausgabe April /19

19 3.3 Internet-Link-Angaben Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Themengebiet Titel \1\ FAQ ID: Betrieb mit ungeerdeten Netzen \2\ FAQ ID: Entfernen des Y-Kondensators FSD FSE \3\ Projektierungshandbuch [INTRANET] \4\ Internationale Spannungen und Frequenzen SINAMICS G130, G150, S120 Einbaugeräte, S120 Cabinet Modules, S150 "Electric Current Abroad" "World Electric Guide" 3.4 Historie Tabelle Historie Version Datum Änderung V1.0 April 2007 Erste Ausgabe Version-1 Ausgabe April /19