Frequenzumrichter - Emission über Leitung

Frequenzumrichter – Emission über Leitung

K URZFASSUNG

Frequenzumrichter gehören in die Familie der Leistungselektronik. Sie haben die Aufgabe z.B. eine Wechselspannung und deren Frequenz, in eine Wechselspannung anderer Höhe und /oder anderer Frequenz, umzuwandeln. Damit ist eine stufenlose Drehzahlregulierung von Drehstrommotoren möglich. Das umwandeln von Spannungen und Frequenzen erzeugt durch die schnellen Schaltvorgänge im Leistungsteil, und durch das Takten des Prozessors Störungen, die über das Netz oder durch das elektromagnetische Feld übertragen werden. Daraus können Fehlfunktionen von Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen, Datenverarbeitungsanlagen usw. hervorgerufen werden. Ebenso sind Helligkeitsschwankungen bei Beleuchtungsanlagen möglich, die beim Menschen auf Dauer physiologische Probleme hervorrufen können.

Andererseits muss der Umrichter gegen die Störeinflüsse weiterer Geräte geschützt werden, um fehlerfrei arbeiten zu können. Daher müssen die Bestimmungen für die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bei allen elektrischen Betriebsmitteln eingehalten werden. Dies kann mit aktiven Maßnahmen, wie die Anordnung der Komponenten oder passiven Maßnahmen wie Filter oder Schirmung, realisiert werden. Aufgrund der immer größer werdenden Anwendungsgebiete für Frequenzumrichter kommt diesen Themenbereich ein große Bedeutung zu.

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  Frequenzumrichter Emission über Leitung  

  I NHALTSVERZEICHNIS  

1  EINFÜHRUNG  4

1.1  Einleitung  4

1.1.1  Motivation 4  

1.1.2  Problemstellung und Themenkreis 4  

1.2  Grundlagen und Begriffe aus dem Bereich EMV  5

1.2.1  Elektromagnetische Verträglichkeit 5  

1.2.2  Definition wichtiger Begriffe 6  

1.2.3  Arten elektromagnetischer Beeinflussung 7  

1.3  Grundlagen der Leistungselektronik 10  

1.3.1  Leistungselektronische Schaltungen 10  

1.3.2  Fremd - und selbstgeführte Stromrichter 11  

1.3.3  Frequenzumrichter 12  

2  STÖRQUELLE FREQUENZUMRICHTER 14  

2.1  Von Frequenzumrichern verursachte Störungen 15  

2.1.1  Leitungsgebundene Störungen über die Netzrückwirkungen 16  

2.1.2  Störabstrahlung durch schnelle Schaltvorgänge 16  

2.2  Fourierbetrachtung der Schwingungen 17  

2.3  EMV-gerechter Einsatz 19  

2.3.1  10 Richtlinien für den EMV gerechten Einsatz von Frequenzumrichtern 19  

2.3.2  Gesetzliche Bestimmungen 20  

3  MASSNAHMEN GEGEN STÖRUNGEN 21  

3.1  Räumliche Anordnung 22  

3.2  Reduktion durch Filter 22  

3.2.1  Funkentstörfilter 22  

3.2.2  Entstörglieder 23  

3.3  Schirmung 24  

3.3.1  Gehäuseschirmung 24  

3.3.2  Leitungsschirmung 25  

3.4  Leitungsverlegung 25  

3.4.1  Verkabelung 25  Verkabelung.........................................................................................................................................................25

3.4.2  Sicherung des Erdpotentials 26  

4  ZUSAMMENFASSUNG 27  

5  ANHANG 28  

5.1  Weitere Infor mationen 28  

5.1.1  Thyristoren 28  

5.1.2  Abschätzung von Schirmdämpfungswerten für Öffnungen in geschlossenen Gehäusen 29  

5.1.3  Ergänzende Informationen aus dem Bereich Leistungselektronik 31  

5.1.4  Anwendungsgebiete für Frequenzumrichter 36  

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  Frequenzumrichter Emission über Leitung  

5.2  Index und  Verzeichnisse......................................................................................................................................39

5.2.1  Abkürzungsverzeichnis 39  

5.2.2  Abbildungsverzeichnis 39  

5.2.3  Literaturverzeichnis: 40  

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Frequenzumrichter – Emission über Leitung

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 Freque nzumrichtern. 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.

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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 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.

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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 beme rken 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.

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1.2.3 Arten elektromagnetischer Beeinflussung

Die vo n 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 1.2-2: Arten der elektrischen Beeinflussung

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