Frequenzumrichter erzeugen aus einer Wechselspannung mit fester Netzfrequenz eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung, um elektrische Antriebssysteme direkt zu versorgen. Sie erzeugen pulsweitenmodulierte Ausgangsspannungen, deren Impulsbreite eine Sinuskurve nachbildet. Dabei liegen die industrieüblichen Taktfrequenzen der schaltenden Halbleiter zwischen 1,5 und 16kHz. Die erzeugte Ausgangsspannung lässt sich in eine Gegen- und eine Gleichtaktspannung zerlegen.
Leistung und Lebensdauer in Gefahr
Im FFT-Spektrum (Fast Fourier Transformation) enthalten beide Spannungsarten neben Grundfrequenz und dritter Oberschwingung auch unerwünschte Taktfrequenzamplituden und deren Vielfache sowie extrem hochfrequente Spannungsanteile. Letztere werden durch steile einzelne Schaltimpulse (du/dt) verursacht. Diese unangenehmen Anteile wirken sich negativ auf Leistung und Lebensdauer der Antriebssysteme aus.Im Fall der Gegentaktspannung führen die Taktfrequenzanteile zu einem Ripple im Motorstrom, der die Eisenverluste des Antriebs erhöht und den Frequenzumrichter stärker belastet. Je nach Steilheit des Schaltimpulses und der Leitungslänge und -art erzeugen Reflexionen auf der Leitung Überspannungen am Motor. Dabei können die Amplituden der Überspannungen die doppelte Zwischenkreisspannung erreichen, was die Lebensdauer der Motorisolation deutlich reduziert. Außerdem belasten hohe Stromspitzen die Halbleiter der Wechselrichter extrem. Sie entstehen, weil parasitäre Kapazitäten von Leitung und Motor umgeladen werden und begrenzen die zulässige Leistungslänge der Umrichter.
Maßnahmen gegen Gegentaktstörungen
Um Gegentaktstörungen zu unterdrücken, können wahlweise spezielle Sinusfilter oder Motordrosseln eingesetzt werden. Ausgangsdrosseln wie das Modell MR3 von Block für Motornennleistungen von 0,75 bis 30kW induzieren einen einfachen Gegentakt. Dabei entsteht ein LC-Tiefpass der Induktivität mit parasitärer Leitungskapazität. Die Lage der Resonanzfrequenz - sie bestimmt die Filterwirkung - ist abhängig von der Größe der Leitungskapazität und liegt deutlich über der Taktfrequenz des Umrichters. Motordrosseln begrenzen das du/dt-Verhältnis und reduzieren in Abhängigkeit von der ohmschen Dämpfung durch den Drosselverlust den Spannungs-Peak am Motor. So wirken sie lebensverlängernd für den Antrieb. Zudem verringern Motordrosseln die Ausgangsstromspitzen des Frequenzumrichters. Sie entlasten damit die Halbleiter und ermöglichen es, die Leitungslänge zu erhöhen. Bei leistungsstärkeren Motoren mit Nennleistungen zwischen 1,5 und 250kW kommen Sinusfilter wie der Block zum Einsatz, um die unerwünschten Spannungsanteile zu unterdrücken. Diese Ausgangsfilter mit Kondensator erzeugen einen LC-Tiefpass, bei dem die Resonanzfrequenz zwischen Grund- und Taktfrequenz liegt. Dadurch werden sämtliche leitungs- und feldgebundene Störungen des Gegentaktsystems gefiltert. Was bleibt, ist eine nahezu reine sinusförmige Leiter-Leiterspannung. Sie reduziert Motorverluste, schont den Motor und trägt maßgeblich zur längeren Lebensdauer bei. Auch der Wechselrichter wird deutlich weniger belastet, so dass die Leitungen verlängert werden können. Die Gleichtaktspannung besitzt ebenfalls unerwünschte Nebenwirkungen. Sie induziert eine Wellenerdspannung, die zu Lagerströmen und damit häufig zur Zerstörung der Lager führt. Gleichzeitig erzeugt sie auf der Netzseite hohe Ableitströme, die über die parasitären Kapazitäten der Leitung und des Motors gegen Erde (PE) abfließen. Diese Ströme sind oft so hoch, dass sie netzseitige Fehlerstromschutzschalter (RCD) auslösen. Zudem lassen sich leitungsgeführte Störungen maßgeblich auf motorseitige Gleichtaktströme zurückführen.
Filter für Gleichtaktstörungen
Zu den Filtern gegen Beeinträchtigungen durch Gleichtaktspannungen zählt der SFA 400 von Block. Der allpolige Sinusfilter unterdrückt sowohl Gegen- als auch Gleichtaktkomponenten und ist damit ein optimaler Filter für Motornennleistungen von 1,5 bis 30 kW. Er beinhaltet für beide Taktanteile einen LC-Tiefpass mit einer Resonanzfrequenz, die zwischen Grund- und Taktfrequenz liegt. Dadurch ergeben sich sinusförmige Leiter/Leiter- und Leiter/PE-Spannungen. Mit Filter bewegt sich die Belastung der Motorisolation in den niedrigen Bereichen eines direkten Netzbetriebs ohne Wechselrichter. Sämtliche Gleichtaktstörungen des Motors sind extrem gedämpft, wodurch wechselrichterbedingte Lagerströme vollständig unterdrückt werden. Der Ableitstroms wird auf ein Minimum reduziert und verhindert, dass fälschlicherweise RCD ausgelöst wird. Die Anzahl leitungs- wie feldgebundener Störaussendungen wird verringert. So ist es möglich, auf geschirmte Leitungen zu verzichten.
