Frequenzumrichter. Emission über Leitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Einleitung
1.1.1 Motivation
1.1.2 Problemstellung und Themenkreis
1.2 Grundlagen und Begriffe aus dem Bereich EMV
1.2.1 Elektromagnetische Verträglichkeit
1.2.2 Definition wichtiger Begriffe
1.2.3 Arten elektromagnetischer Beeinflussung
1.3 Grundlagen der Leistungselektronik
1.3.1 Leistungselektronische Schaltungen
1.3.2 Fremd- und selbstgeführte Stromrichter
1.3.3 Frequenzumrichter

2 störquelle frequenzumrichter
2.1 Von Frequenzumrichern verursachte Störungen
2.1.1 Leitungsgebundene Störungen über die Netzrückwirkungen
2.1.2 Störabstrahlung durch schnelle Schaltvorgänge
2.2 Fourierbetrachtung der Schwingungen
2.3 EMV-gerechter Einsatz
2.3.1 10 Richtlinien für den EMV gerechten Einsatz von Frequenzumrichtern
2.3.2 Gesetzliche Bestimmungen

3 Massnahmen gegen Störungen
3.1 Räumliche Anordnung
3.2 Reduktion durch Filter
3.2.1 Funkentstörfilter
3.2.2 Entstörglieder
3.3 Schirmung
3.3.1 Gehäuseschirmung
3.3.2 Leitungsschirmung
3.4 Leitungsverlegung
3.4.1 Verkabelung
3.4.2 Sicherung des Erdpotentials

4 Zusammenfassung

5 Anhang
5.1 Weitere Informationen
5.1.1 Thyristoren
5.1.2 Abschätzung von Schirmdämpfungswerten für Öffnungen in geschlossenen Gehäusen
5.1.3 Ergänzende Informationen aus dem Bereich Leistungselektronik
5.1.4 Anwendungsgebiete für Frequenzumrichter
5.2 Index und Verzeichnisse
5.2.1 Abkürzungsverzeichnis
5.2.2 Abbildungsverzeichnis
5.2.3 Literaturverzeichnis:

1 Einführung

1.1 Einleitung

1.1.1 Motivation

In der modernen Technik ist der Einsatz drehzahlsteuerbarer Elektromotoren bei Prozesssteuerung eine Notwendigkeit. Die heute überwiegend durch Rechner gesteuerten Prozesse erfordern eine genaue Drehzahleinstellung der Antriebselemente wie Vorschubspindeln, Förderbände und Zahnräder. Zu diesem Zweck werden häufig von Frequenzumrichtern gespeiste Asynchronmaschinen oder permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Durch die Steuerung der Amplitude, der Frequenz und der Phasenlage der Spannung an der Maschine ist man in der Lage, Drehmoment und Drehzahl der Maschine einzustellen.

Im Laufe dieser Prozedur treten in Frequenzumrichtern prinzipbedingt periodisch steile Schaltflanken mit hoher Wiederholfrequenz und hoher Energie auf. Dadurch werden harmonische Wellen erzeugt, die die Verbraucher der Umgebung stören können. Netzrückwirkungen können andere Netzteilnehmer beeinflussen, obwohl durch den Gleichrichter und den nachgeschalteten Wechselrichter die Ausgangsspannung galvanisch vom Netz getrennt ist. Die Störungen treten also als leitungsgebundene und als gestrahlte Störungen auf. Diese Beeinflussungen müssen durch geeignete Maßnahmen vermieden bzw. gedämpft werden.

1.1.2 Problemstellung und Themenkreis

In dieser Arbeit erfolgt als Einführung ein Überblick über die Leistungselektronik inkl. Beschreibung von Aufbau und Funktion von Frequenzumrichtern. Zusätzliche, detailliertere Informationen sind im Anhang zu finden. Weiters werden wichtige Begriffe aus dem Bereich Elektromagnetische Verträglichkeit definiert und näher erläutert.

Speziell werden die von Frequenzumrichtern erzeugten Störungen durch Netzrückwirkung und die Störabstrahlung behandelt. Der Darstellung der Oberwellen nach Fourrier ist ein eigenes Unterkapitel gewidmet. Auf gesetzliche Bestimmungen, die die Rahmenbedingungen für den EMV gerechten Einsatz darstellen, soll hier nicht im Detail eingegangen werden. Die Normen können in entsprechenden Handbüchern nachgeschlagen werden. Betrachtet werden allerdings Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Reduktion von Störbeeinflussungen die notwendig sind, um diesen Vorschriften gerecht zu werden.

1.2 Grundlagen und Begriffe aus dem Bereich EMV

1.2.1 Elektromagnetische Verträglichkeit

Elektromagnetische Verträglichkeit ist definitionsgemäß die Fähigkeit einer Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen.

Eine elektrische Einrichtung gilt demnach als verträglich, wenn sie in ihrer Eigenschaft als Sender tolerierbare Emissionen, in ihrer Eigenschaft als Empfänger tolerierbare Empfänglichkeit für Immissionen aufweist. Die Toleranz gegenüber Immissionen heißt Immunität oder Störfestigkeit, das Aussenden von tolerierbaren Emissionen heißt Störvermögen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2-1: Störquelle und Störsenke

Als Empfänger meint man hier Stromkreise, Geräte, Systeme aber auch Lebewesen, die der Einwirkung elektromagnetischer Größen ausgesetzt sind.

Wann Sender und Empfänger als elektromagnetisch verträglich bezeichnet werden, hängt wesentlich von der Art des Senders und Empfängers und vom Abstand ab. Je nach Ausbreitungsmedium und Entfernung zwischen Quelle und Senke gelangen Störgrößen über unterschiedliche Wege zum Empfängerstromkreis. Störquelle und Störsenke können unterschiedlich gekoppelt sein (vgl. Abbildung 1.2-3: Galvanische Kopplung [Sch96]).

In dieser Arbeit wird versucht die Probleme, die in Frequenzumrichtern durch leitungsgebundene und elektromagentische Störemissionen entstehen, einzudämmen.

1.2.2 Definition wichtiger Begriffe

a) Störfestigkeit und Störvermögen

Die Eigenstörfestigkeit behandelt die Problematik, die von einzelnen Bauteilen eines Geräts ausgehenden, geräteinternen elektromagnetischen Beeinflussungen so zu beherrschen, dass sie die innerhalb des Geräts befindlichen anderen Funktionsbaugruppen in ihrer Wirkung nicht beeinträchtigen. Die Eigenstörfestigkeit ist somit unabhängig von äußeren Umgebungsbedienungen. Sie ist ein wichtiges Kriterium für die Qualität und Betriebsstabilität eines elektrischen bzw. elektronischen Geräts.

Die Fremdstörfestigkeit ist ein charakteristisches Kennzeichen für die Fähigkeit eines Geräts ohne Funktionsbeeinträchtigung weiterzuarbeiten, auch wenn von außen elektromagnetische Einflussgrößen auf das Gerät einwirken. Diese von außen auf das Gerät einwirkenden elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Störungen beeinflussen die Gerätefunktion entweder über die Netzanschlüsse, über die Informationseingänge und

-ausgänge oder über das Gehäuse.

Immunität bedeutet, dass die Funktion einer Einrichtung bei elektrischer Beeinflussung keinen Schaden nimmt. Sie ist eine Größe die für den Empfänger definiert ist.

Störvermögen (die Störaussendung) charakterisiert die von einer elektrischen Anlage ausgehenden elektrischen bzw. elektromagnetischen Störungen.

b) Funktionsstörungen und Gefährdungen

Zu den reversiblen Funktionsstörungen zählen Funktionsminderungen (z.B. Verminderung der Übertragungsgeschwindigkeit infolge einer kurzzeitigen Störsignaleinwirkung) und Fehlfunktionen, die nach Beendigung der Störeinwirkung wieder enden sowie sogar Funktionsausfälle, die über die Dauer der Beeinflussung hinaus eine bleibende Veränderung bewirken, aber bei einem neuerlichem Start des Systems keine Folgeschäden bemerken lassen.

Irreversible Funktionsstörungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetisch beeinflussten Geräte oder Teile der Anlage oder eines Systems zerstört werden. Das Gerät kann danach nur durch den Ersatz einzelner Bauteile oder Baugruppen wieder in einen betriebsfähigen Zustand zurückversetzt werden.

Sachgefährdungen entstehen durch Beschädigungen von Leitungen und Endeinrichtungen infolge Durchschlag der Isolation oder in selteneren Fällen durch Wärmewirkung des elektrischen Stromes, wodurch z.B. Brände entstehen können. Personengefährdungen können durch solche Brände verursacht werden oder z.B. durch Knallgeräusche infolge Überspannungen oder auch unmittelbar durch Kurzschlussvorgänge.

1.2.3 Arten elektromagnetischer Beeinflussung

Die von elektrischen Stromkreisen, elektrischen Geräten, Anlagen oder Systemen auf andere elektrische Stromkreise und Einrichtungen auf verschiedene Art und Weise ausgeübten Einwirkungen werden allgemein als elektrische Beeinflussung bezeichnet. Im Fachbereich der elektrischen Beeinflussungstechnik werden die Ursachen solcher Phänomene analysiert, Messverfahren zu ihrer quantitativen Beurteilung entwickelt und Möglichkeiten zu ihrer Behebung oder Verringerung untersucht.

Je nach Art der Verkettung, der sich beeinflussenden Elemente werden getrennte Phänomene unterschieden. Elektrische Beeinflussungen wirken in unterschiedlicher Gewichtung gleichzeitig auf die elektrischen/elektronischen Systeme bzw. gehen von diesen aus. Es ist daher wichtig, die Störgrenzen so zu dimensionieren, dass die Geräte selbst und die in ihrer Umgebung zufrieden stellend arbeiten. Ist dieser Zustand erreicht, spricht man von elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2-2: Arten der elektrischen Beeinflussung

a) Galvanische Kopplung (= leitungsgebundene Kopplung)

Galvanische Kopplung tritt immer dann auf, wenn zwei Stromkreise eine gemeinsame Impedanz besitzen. Diese Impedanz kann auch bereits durch ein einfaches gemeinsames Leitungsstück gegeben sein. Leitungsgebundene Störungen treten bei integrierten Schaltkreisen und anderen Verbrauchern über die Impedanzen gemeinsamer Stromversorgungsleitungen auf. Probleme wie Brummen, Kabelmantel- und Gehäusestromprobleme können auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2-3: Galvanische Kopplung [Sch96]

b) Elektrische Kopplung (= kapazitive Kopplung)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2-4: kapazitive Kopplung (Feldmodell und Netzwerkmodell) [Sch96]

Kapazitive Kopplung tritt zwischen zwei Stromkreisen auf, deren Leiter sich auf verschiedenen Potentialen befinden. Die beiden Leitungen wirken dann wie die zwei Leiterplatten eines Kondensators; es wird ein elektrisches Feld (E-Feld) erzeugt.

Die kapazitive Kopplung wird in einem Ersatzschaltbild durch die Annahme von Streukapazitäten nachgebildet. Man kann erkennen, dass damit ein Stromkreis erzeugt wird und es zu einem Spannungsabfall kommt, der sich dem Nutzsignal als Störspannung überlagert.

c) Magnetische Kopplung (= induktive Kopplung)

Magnetische oder induktive Kopplung tritt zwischen zwei oder mehreren stromdurchflossenen Leiterschleifen auf. Als Ursache gilt die induktive Beeinflussung durch die Ströme der beeinflussenden Leitungen. Durch die von ihnen erzeugten leitungsgebundenen magnetischen Felder entstehen Auswirkungen auf die Stromkreise oder Leiter im Nahbereich. Ströme in anderen Leitern werden durch zeitlich veränderbare Ströme induziert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2-5: induktive Kopplung (Feldmodell und Netzwerkmodell) [Sch96]

Der Strom ist mit einem veränderlichen Magnetfeld verknüpft, das im gestörten Stromkreis eine Spannung induziert, die sich dem Nutzsignal überlagert. Die Wirkung des Magnetfeldes wird im Netzwerkersatzschaltbild durch eine Gegeninduktivität M dargestellt.

d) Strahlungskopplung (= elektromagnetische Kopplung)

Solange die Wellenlänge groß gegenüber den Abmessungen des Störers ist, breiten sich elektromagnetische Beeinflussungen vorwiegend leitungsgebunden oder durch elektrische bzw. magnetische Kopplung aus. Liegen Wellenlänge und Abmessungen in vergleichbarer Größenordnung, setzt die Abstrahlung ein. Die Grenze ist fließend, liegt aber in der Praxis bei einer Größenordnung einer Wellenlänge von rund 10 m, was einer Frequenz von 30 MHz entspricht.

Strahlungskopplung liegt vor, wenn sich der Empfänger in einem Strahlungsfeld befindet, in dem elektrische und magnetische Kopplung gleichzeitig auftreten. Das elektrische Feld (E) und das magnetische Feld (H) sind über den Wellenwiderstand des freien Raumes miteinander verknüpft. Der Empfänger wirkt hier wie eine Antenne.

Unter Strahlungskopplung versteht man die Beeinflussung von Leiterstrukturen durch elektromagnetische Wellenfelder. Elektrische und magnetische Wechselfelder treten im Fernfeld mit gegenseitiger Kopplung auf.

1.3 Grundlagen der Leistungselektronik

1.3.1 Leistungselektronische Schaltungen

Die grundlegende Aufgabe von leistungselektronischen Schaltungen ist die Umformung von elektrischer Energie einer Form in eine andere Form bei gleichzeitiger Steuerung des Energieflusses. Die Spannungen und Ströme können dabei als Wechselgrößen einer bestimmten Frequenz (AC- Größen; bei vielen Anwendungen wird die Energie bei einer anderen festen oder einer variablen Frequenz benötigt) oder als Gleichgrößen (DC- Größen) vorliegen. Die sich ergebenden Varianten der Umformung sind schematisch in Abbildung 1.3-1 dargestellt. Als Hauptklassen können die AC-AC-Wandler sowie die DC-DC-Wandler betrachtet werden. Der Begriff Stromrichter stellt den Oberbegriff für all diese Schaltungsvarianten dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3-1: Varianten leistungselektronischer Schaltungen

AC-DC-Wandler werden abhängig von der hauptsächlichen Energieflussrichtung auch als Gleich- oder Wechselrichter bezeichnet: findet sie von AC nach DC statt, so spricht man von einem Gleichrichter, während bei umgekehrtem Energiefluss von einem Wechselrichter gesprochen wird.

Werden ausschließlich Dioden als Ventile in Stromrichterschaltungen verwendet, so besteht keine Möglichkeit den Energiefluss zu steuern. Derartige Schaltungen werden als ungesteuert bezeichnet. Ersetzt man die Dioden durch Thyristoren oder andere steuerbare Ventile, so ergibt sich eine vollgesteuerte Stromrichterschaltung. Darüber hinaus können bei Brückenschaltungen die Ventile einer Brückenhälfte als Thyristoren, die der anderen Hälfte als Dioden ausgeführt sein. Entsprechend dem Aufbau bezeichnet man diese Schaltungen als halbgesteuert. Detaillierte Informationen über Ventile sind im Anhang, Kapitel 5.1.1 zu finden.

Als Kommutierung bezeichnet man den Übergang des Stromes von einem Schaltungszweig zum nachfolgend stromführenden, wobei kurzzeitig beide Zweige Strom führen (Überlappung). Die Kommutierung vollzieht sich wegen der stets vorhandenen Induktivitäten nicht sprunghaft, sondern in einer bestimmten Zeit (Kommutierungszeit). Die Spannung, unter deren Wirkung die Kommutierung abläuft, heißt Kommutierungsspannung. Stromrichterschaltungen können nach der Herkunft der Kommutierungsspannung wie folgt in fremd- und selbstgeführte Stromrichter eingeteilt werden.

1.3.2 Fremd- und selbstgeführte Stromrichter

a) Fremdgeführter Stromrichter

Fremdgeführte Stromrichter benötigen eine fremde, nicht zum Stromrichter gehörende Wechselspannungsquelle, die ihnen die Kommutierungsspannung zur Verfügung stellt. D.h. der Stromübergang (Kommutierung) zwischen zwei nacheinander stromführenden Schaltungszweigen erfolgt unter der Wirkung einer äußeren Spannung. Der Kommutierungsvorgang wird bei gesteuerten Stromrichtern durch geeignete Wahl des Zündzeitpunkts der jeweils in der Stromführung folgenden Ventilzweige eingeleitet.

Man unterscheidet zwei Arten fremdgeführter Stromrichter: netzgeführte (netzgelöschte) Stromrichter, wo das speisende Wechselspannungsnetz als Spannungsquelle für die Kommutierung dient und lastgeführte (lastgelöschte) Stromrichter, wo dies durch eine dem Lastkreis entnommene Wechselspannung bewirkt wird. Dieser fremdgeführte Betrieb ist nicht möglich, wenn entweder ein Wechselstromnetz nicht zur Verfügung steht oder eine von der Frequenz des speisenden Netzes unabhängige, freizügige Zündung und Löschung von Ventilzweigen erforderlich ist (siehe Anhang 5.1.3).

b) Selbstgeführte Stromrichter

Selbstgeführte Stromrichter benötigen keine fremde Wechselspannungsquelle zur Kommutierung. Während der Kommutierung wird eine Spannung wirksam, die von einem zum Stromrichter gehörenden (meist kapazitiven) Energiespeicher oder durch Widerstandserhöhung des löschenden Ventils über dessen Steuerung gebildet wird.

Nichtkommutierende Stromrichter besitzen nur einen Ventilzweig oder die Zweigströme haben ohne Steuereingriff natürliche Nulldurchgänge, wobei der Strom kurzzeitig unterbrochen ist (z.B. Wechselstromsteller). Der Stromflusswinkel (die Leitdauer) ist die Zeit, während der ein oder mehrere Ventile einen Durchlassstrom führen. Der Stromflusswinkel wird im allgemeinen in Grad angegeben.

Zum Löschen der im Bereich großer Leistungen noch vorherrschenden konventionellen Thyristoren ist jedoch eine spezielle Schaltungstechnik erforderlich, bei der die Kommutierungsspannung innerhalb der Stromrichterschaltung selbst zur Verfügung stehen muss. Hieraus ergibt sich die Bezeichnung „selbstgeführt“. Man zählt zu dieser Kategorie auch alle Stromrichter mit abschaltbaren Ventilbauelementen.

Bei funktionsgleichen Schaltungen selbstgeführter Stromrichter bieten abschaltbare Ventile gegenüber Thyristoren mit Löscheinrichtung entscheidende Vorteile. Sie folgen zunächst aus dem verringerten Aufwand, also auch reduzierten Kosten, gleichzeitig aber erhöhter Zuverlässigkeit. Hinzu kommen jedoch auch viel weiter gehende Freiheitsgrade in der Betriebsweise, insbesondere durch Pulsbetrieb mit hohen Frequenzen.

1.3.3 Frequenzumrichter

Frequenzumrichter sind wichtige Elemente aus der Leistungselektronik. Sie dienen dazu eine Wechselspannung einer definierten Höhe und Frequenz in eine Wechselspannung anderer oder gleicher Spannungshöhe und Frequenz umzuwandeln. Frequenzumrichter werden für die Drehzahlstellung bei Wechselstrom- und Drehstromantrieben verwendet. Durch die Steuerung der Amplitude, der Frequenz und der Phasenlage der Spannung an der Maschine ist man in der Lage, Drehmoment und Drehzahl der Maschine einzustellen. Eine detaillierte Auflistung und Erklärung der wichtigsten und interessantesten Anwendungsbereiche ist im Anhang zu finden (Kapitel 5.1.4).

Die Frequenzumrichter sind aus einem Gleich- und einem Wechselrichter aufgebaut und nehmen eine Wandlung von AC über DC wieder zu AC vor. Ihre wichtige Rolle in der Praxis führt dazu, dass sie als eigener Wandlertyp betrachtet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3-2: Aufbau eines Frequenzumrichers

Ein Frequenzumrichter besteht wie Abbildung 1.3-2 zeigt aus 3 Grundbausteinen: einem Gleichrichter, einem Wechselrichter und dem Zwischenkreis. Die vom Wechselstromnetz gelieferte Spannung wird zuerst durch den netzseitigen Gleichrichter gleichgerichtet, im Zwischenkreis geglättet und durch den maschinenseitigen Wechselrichter in die Spannung mit der gewünschten Phasenzahl, Frequenz und Amplitude umgeformt.

Der netzseitige Stromrichter stellt dabei das Bindeglied zwischen dem speisenden Netz und dem Zwischenkreis dar (AC- DC). Er ist je nach Ausführung der Schaltung auch ein Stellglied zur Steuerung des Energieflusses. Der AC-DC-Wandler wird mit einem fremdgeführten Stromrichter (Gleichrichter) realisiert. Der lastseitige Stromrichter stellt die von der Last geforderten Betriebsverhältnisse ein, d.h. Frequenz, Spannung und Strom. Auch er repräsentiert ein Stellglied für den Energiefluss. Dieser DC-AC-Wandler, kann nur mit einem selbstgeführten Stromrichter implementiert werden (vgl. 1.3.2 Fremd- und selbstgeführte Stromrichter).

Der Zwischenkreis ist für die Zwischenspeicherung der Energie verantwortlich. Dies geschieht entweder als Gleichspannung (Spannungszwischenkreis- bzw. U-Umrichter) oder als Gleichstrom (Stromzwischenkreis bzw. I-Umrichter). Als Speicher kann eine Kapazität oder eine Induktivität dienen. Diese sind so bemessen, dass die Spannung Ud beim U- Umrichter bzw. der Strom Id beim I- Umrichter stark geglättet sind und als Gleichgrößen betrachtet werden können. Dadurch werden die beiden Stromrichter soweit entkoppelt, dass sie sich unabhängig voneinander steuern lassen.

Abbildung 1.3-3 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines Frequenzumrichters mit Spannungszwischenkreis. Dieser Aufbau wird in der Praxis am häufigsten verwendet.

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