Power Quality für Industrie 4.0: zuverlässige, störungsfreie und effiziente Antriebssysteme.

Die Antriebstechnik ist die größte Teilbranche des Maschinenbaus. Dass Antriebstechnik „Made in Germany“ stark nachgefragt ist und sich auf dem Weltmarkt trotz hohen Kostendrucks behauptet, liegt am Zusammenspiel von höchster Qualität, intelligentem Design und Effizienz.

◼︎ Breites Standardportfolio mit umfassenden Bauformen

◼︎ Applikationsspezifische EMV-Konzepte und Filterauslegung im BLOCK Testlab oder vor Ort

◼︎ Flexible Fertigung und Entwicklung von Sonderlösungen

◼︎ Hohe Fertigungstiefe und geprüfter Qualitätsstandard

◼︎ Abdeckung aller international gebräuchlichen Normen

Die Integration von leistungselektronischen Systemen in der Antriebstechnik und somit im Produktionsprozess und in der Gebäudetechnik ist überproportional gestiegen. Anwendungen dieser Art sind besonders energieeffizient und flexibel. Um die klimapolitischen Ziele der Bundesregierung zu erreichen, ist es beispielsweise notwendig, in Zukunft verstärkt Frequenzumrichter-gesteuerte Antriebssysteme einzusetzen.

Auch die Anforderungen und die Komplexität moderner Systeme und Anlagen mit einem zunehmenden Anteil an Leistungs- und Mikroelektronik sind gestiegen. BLOCK verfügt über ein umfangreiches Portfolio an Drosseln und Filtern, die gewährleisten, dass die Antriebstechnik auch im Rahmen von Industrie 4.0 zuverlässig, störungsfrei und effizient arbeitet.

Elektromagnetische Verträglichkeit – Störungsfreiheit nach Norm

Ein leistungselektronisches Antriebssystem besteht aus mehr als Frequenzumrichter, Motorleitung und Motor. Um einen sicheren und störungsfreien Betrieb der maschinellen Anlage sicherzustellen, müssen zusätzliche Power Quality-Komponenten in das System integriert werden. Denn System- und Anlagenhersteller müssen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Antriebssystems und der gesamten Anlage garantieren und durch die CE-Kennzeichnung bescheinigen.

„EMV“ bezeichnet dabei die Fähigkeit, andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Geräte und Systeme gestört zu werden. Tritt dies dennoch auf, wird oft von EMV-Problemen gesprochen.

Frequenzumrichter können die Quelle für verschiedene EMV-Effekte sein. Durch Umformung der Netzfrequenz und der Netzwechselspannung, zunächst in Gleichspannung und dann in eine Pulsweiten-modulierte Spannung (PWM), wird ein Großteil der Gesamtleistung der Anlage auf einen Motor (in den meisten Fällen einen Elektromotor) übertragen.

Standardprodukte für die Antriebstechnik

Wie Oberschwingungen und leitungsgeführte Störaussendungen die Qualität des Netzes und die Effizienz des Systems beeinträchtigen

Frequenzumrichter bestehen aus einer Eingangsgleichrichterschaltung, die die Netzwechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Die nachgeschaltete Zwischenkreiskapazität glättet die Gleichspannung weiter und dient auch als Energiespeicher. Über die Gleichrichterschaltung (1~ B2-/3~ B6-Brückengleichrichtung) wird die Zwischenkreiskapazität kurzzeitig geladen. Hierdurch entstehen Spitzen im netzseitigen Stromsignal. Sie besitzen neben der Grundfrequenz des Netzes auch überlagerte Frequenzanteile und werden „Oberschwingungen“ oder „Harmonische Schwingungen“ genannt. Über eine Fourier-Transformation können Oberschwingungen in einem Betragsspektrum dargestellt und ausgewertet werden. Diese Oberschwingungen führen an den Impedanzen des vorgelagerten Netzes zu nichtlinearen Spannungsabfällen und somit zu Spannungsverzerrungen des vom gleichen Transformator gespeisten Netzbereichs. Solche Netzrückwirkungen verursachen Schäden oder beeinträchtigen den Betrieb des Transformators sowie weiterer Verbraucher. Ein hoher Grad an Oberschwingungsströmen bedeutet gleichzeitig eine hohe zusätzliche Blindleistung, auch Verzerrungsblindleistung genannt. Diese Blindleistung muss vom Energieversorger bereitgestellt werden und kann abgerechnet werden. In den einschlägigen Normen wie IEC 61000-3-2 / -3-12 oder IEEE 519 sind Grenzwerte für Oberschwingungsströme festgelegt.

Netzdrosseln und Harmonic Filter: Passive Lösungskonzepte ermöglichen die Einhaltung der Grenzwerte für Oberschwingungsströme und reduzieren den Blindleistungsanteil

Netzdrosseln

Netzdrosseln reduzieren niederfrequente Störungen (Oberschwingungen) und entlasten das Versorgungsnetz, indem sie die Verzerrungsblindleistung kompensieren. Die Begrenzung des Anlaufsstroms schont die angeschlossenen Verbraucher und erhöht damit auch ihre Lebensdauer. Das Standard-Produktportfolio umfasst Baureihen mit den Kurzschlussspannungen 3%, 4% und 5%.

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Passive Harmonic Filter

Passive Harmonic Filter von BLOCK reduzieren Oberschwingungsströme und somit auch die Verzerrungsblindleistung, weil sie exakt auf die hauptsächlichen Oberschwingungsfrequenzen abgestimmt sind. Die Qualität des Stromsignals wird prozentual mit dem THDi-Wert (Total Harmonic Distortion) angegeben. Wird mit einer Netzdrossel in Standard-Industrieanwendungen ein THDi von 30 – 40 % erreicht, so können BLOCK Harmonic Filter den THDi auf <= 7% reduzieren. Somit tragen BLOCK Harmonic Filter neben der Verbesserung der Power Quality auch zur Netzstabilisierung bei.

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Hochfrequente Schaltvorgänge beeinflussen durch Funkstörungen die Netzqualität

Ströme und Spannungen abweichend von der Sinusform haben Anteile mit höheren Frequenzen. Im Frequenzbereich von 0-2000 Hz werden sie Oberschwingungen genannt, im Frequenzbereich von mehr als 150 kHz Funkstörungen. Funkstörungen werden unterteilt in leitungsgeführte Störaussendungen (150 kHz bis 30 MHz) und gestrahlte Störaussendungen (größer 30 MHz). Hochfrequente Schalthandlungen (Taktfrequenzen) mit hohen Flankensteilheiten im kHz-Bereich am Ausgang des Frequenzumrichters verursachen solche Funkstörungen. Je höher die Frequenz und je steiler die Anstiegsflanke ist (hartes Schalten), desto größer ist das Potenzial für Funkstörungen. Es gibt Normen und Grenzwerte, die einzuhalten sind und sich auf die Einsatzumgebung des Geräts, beziehungsweise der Anlage im Wohn- oder Industriebereich beziehen. Funkstörungen lassen sich nur durch Funkentstörfiltermaßnahmen effektiv reduzieren.

EMV-Filter

Passive EMV-Filter werden zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen zwischen Netz und Frequenzumrichter im Frequenzbereich zwischen 150 kHz und 30 MHz eingesetzt. Sie dienen der Einhaltung normativ geforderter Grenzwerte für den Wohn- und Industriebereich. Wir bieten ein umfangreiches Filter-Portfolio sowie Messungen vor Ort oder im eigenen, akkreditierten EMV-Labor an. In der Ausführungsform Netzfilter, kann das passive EMV-Filter auch mit einer Netzdrossel kombiniert werden. Hierdurch werden auch niederfrequente Störungen (Oberschwingungen) reduziert.

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Funktionsbedingte Ableitströme können zu Stillstandzeiten führen

Ableitströme können durch eine beschädigte Isolation entstehen (Fehlerstrom). Sie fließen dann über das Potenzialausgleichssystem (Masse). Ein vorgeschalteter Fehlerstrom-Schutzschalter kann diese Ableitströme sicher abschalten. Dieses Sicherheitssystem dient dem Personen- und Brandschutz. Andererseits entstehen Ableitströme auch durch gegen Masse geschaltete Kapazitäten zur Funkentstörung sowie durch unerwünschte/parasitäre Kapazitäten im System. Sogenannte funktionsbedingte Ableitströme führen zu Stillstandszeiten von Anlagen, indem Sie die vorgelagerten Schutzsysteme (FI-Schutzschalter) auslösen. Bei Frequenzumrichter-gesteuerten Antriebssystemen erzeugen parasitäre Kapazitäten über die Motorleitung sowie am Motor taktfrequenzbehaftete Ableitströme im Kilohertz-Bereich. Die Zwischenkreiskapazität ist dabei die Quelle. Funkentstörkapazitäten im EMV-Filter und Frequenzumrichter erzeugen niederfrequente Ableitströme mit dem Netz als Quelle. BLOCK hat Experten mit speziellem Know-how, die Probleme durch zu hohe Ableitströme oder häufige Fehlauslösungen von FI-Schutzschaltern lösen. Sie führen Messungen auch vor Ort oder im eigenen akkreditierten EMV-Labor durch.

Motordrosseln schützen den Antrieb vor hohen Spannungsspitzen und ermöglichen einen sicheren Betrieb

Frequenzumrichter, die für den Antrieb von Drehstrommotoren eingesetzt werden, sind eine Quelle von Gegentaktstörungen (Symmetrische Störungen/Differential mode) und Gleichtaktstörungen (Asymmetrische Störungen/Common mode). Die Steuerung des angeschlossenen Motors in Bezug auf Drehfeldfrequenz, Drehmoment sowie Anlauf und Bremsverhalten gelingt durch die Variation der Impuls- und Pausenzeiten der Pulsweiten-modulierten Spannung am Ausgang des Frequenzumrichters. Über die kapazitätsbehaftete Motorleitung schwingt sich dieses Spannungssignal auf. Dies kann die Motorisolation schädigen und dadurch die Motorlebensdauer reduzieren. Längere Motorleitungen erschweren insbesondere den Betrieb großer Antriebssysteme. Denn Ableitströme, Lagerströme und EMV-Probleme beeinträchtigen die Betriebssicherheit des Antriebssystems.

Motordrosseln

Motordrosseln bieten dem Motor Schutz gegen eine hohe Flankensteilheit der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung. Eine hohe Flankensteilheit am Motor entsteht durch das Aufschwingen der Pulsweiten-modulierten Spannung am Ausgang des Frequenzumrichters über den Kapazitätsbelag der angeschlossenen Motorleitung. Je länger die Motorleitung ist, desto höher ist auch der Kapazitätsbelag – und somit die zu erwartende Flankensteilheit am Motor. Dies wird als du/dt angegeben und führt zu einem allmählichen Spannungsanstieg. Ohne jegliche Filtermaßnahmen wird nicht selten ein du/dt >2 kV/µS erreicht. Gerade bei älteren Motoren oder bei Motoren mit Effizienzklasse IE1 und IE2 können hierdurch Isolationsschäden bis hin zum Totalausfall entstehen. Motordrosseln reduzieren das du/dt auf bis zu <500V/µs für Motorleitungslängen bis zu 100 Metern. Bei Einsatz eines du/dt-Filters mit zusätzlichen Filterkomponenten wie kleinen Kapazitäten und Widerständen ist ein du/dt <250V/µs auch bei langen Leitungslängen >100 m realisierbar.

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Sinusfilter

Sinusfilter erzeugen aus der getakteten Frequenzumrichter-Ausgangsspannung eine Sinusspannung mit nur noch geringem Verzerrungsgehalt. Das Sinusfilter erzielt eine sehr hohe Filterwirkung durch eine präzise Tiefpassabstimmung auf die Taktfrequenz des Frequenzumrichters. Das Nutzsignal (die Motorbetriebsfrequenz) passiert mit einem nur geringen wirksamen Spannungsabfall das Sinusfilter, während die Taktfrequenz bereits um ca. 90 % reduziert wird. Oberschwingungen der Taktfrequenz werden fast vollständig ausgefiltert. Der Einsatz von Sinusfiltern ermöglicht lange geschirmte Motorzuleitungen und einen geräuschärmeren Motorbetrieb.

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Motordrosseln stellen die ursprüngliche Lebensdauererwartung des Motors wieder her. Sie reduzieren den hochfrequenten Oberschwingungsanteil und verbessern damit die elektromagnetische Verträglichkeit zu anderen Systemkomponenten.

Gleichtaktspannungen beeinflussen die Funktion Ihres Antriebssystem der Industrie 4.0

Sensorik und Prozessdatenerfassung sind seit langem Teil von vernetzten Anlagen- und Antriebssystemen. Schnittstellen im Umrichter ermöglichen die Kommunikation über Feldbussysteme für die Zustandsüberwachung und Anlagensteuerung. Durch Gleichtaktspannungen verursachte Lagerströme, Ableitströme und EMV-Probleme beeinträchtigen die Betriebssicherheit eines Antriebssystems. Hochfrequente Störströme dieser Art koppeln sich über die Streukapazitäten des Motorkabels und des Motors auf das Massesystem ein. Über Feldbuskabel und Geberleitungen sowie auf den Leitungswegen der Spannungsversorgung und dem Potenzialausgleich können sie sich im gesamten Anlagenbereich ausbreiten. Die galvanische Kopplung der Störungen ist eine der Hauptursachen für EMV-Probleme in elektrischen Anlagen. Gestörte Kommunikationssignale in der Datenübertragung können zu undefinierten Anlagenzuständen und -ausfällen führen. Im System verbaute Steuerungs- und Elektronikkomponenten können außerdem geschädigt werden. Allpolige Sinusfilter von BLOCK bieten eine umfassende Lösung, um die Betriebssicherheit im Produktionsprozess in der Anlagenvernetzung nach Industrie 4.0 sicherzustellen.

 

Allpolige Sinusfilter

Allpolige Sinusfilter vereinen die Vorteile eines normalen Sinusfilters mit der zusätzlichen Filterung der Gleichtaktkomponenten, die Lagerströme am Motor, zu hohe Ableitströme oder EMV-Probleme in der Anlage verursachen. Das BLOCK Konzept der allpoligen Sinusfilter sieht einen zusätzlichen Anschluss an den Zwischenkreis des Frequenzumrichters vor. Dadurch werden Gleichtaktströme auf direktem Wege wieder zur Quelle – dem Zwischenkreis des Frequenzumrichters – zurück geführt. Sie bieten zusätzliche Vorteile:

◼︎  Reduzierung von Lagerströmen
◼︎  Einsatz sehr langer, ungeschirmter Motorleitungen
◼︎  Optimierung der EMV
◼︎  Reduzierung netzseitiger Filterkomponenten
◼︎  Reduzierung von Ableitströmen
◼︎  Einwandfreier Betrieb an FI-Schutzschaltern

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BLOCK Future Winding-Produkte

BLOCK Drosseln und Filter für EMV-gerechte Power Quality an Netz, FI, Umrichter und Motor

BLOCK: Langjähriger Entwicklungspartner für mehr Power Quality in der Industrie

Als einer der weltweit führenden Hersteller von induktiven Wickelgütern hat BLOCK sich der Thematik EMV von Frequenzumrichter-gesteuerten Antriebssystemen schon früh angenommen. Zusammen mit Herstellern von Antriebssystemen und Maschinenbauern haben wir in den letzten 40 Jahren diese Entwicklung innovativ begleitet. Unsere EMV-Lösungen sind auf diese Antriebssysteme abgestimmt. Die umfassende Fertigungstiefe und das Know-how in der Filterung Frequenzumrichter-gesteuerter Antriebssysteme durch unser eigenes Entwicklungszentrum garantieren Kunden die Best Practice EMV-Lösung für ihre Anwendung. Neben EMV-Prüfungen und Tests auf widrigste Umweltbedingungen führen wir Schock- und Vibrationstests im eigenen Labor durch.

Wenn Kunden besonders herausfordernde Projekte planen, entwickeln wir bei BLOCK eine eng abgestimmte Lösung. Dabei profitieren wir von unserer langjährigen Erfahrung und gewinnen immer wieder innovative Ideen aus den Anforderungen unterschiedlichster Branchen wie der Bahntechnik oder der Windenergie. So entwickeln wir die perfekte Spannung für die Produkte unserer Kunden.