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Störungsfreie Frequenzumrichter

Die Frequenzumrichter erzeugen eine sinusförmige Ausgangsspannung und belasten somit nicht das Netz mit Oberschwingungen

Aufgrund der pulsweitenmodulierten Ausgangsspannung erzeugen Frequenzumrichter EMV-Störungen, die zu Problemen im Netzwerk führen können. Um dies zu verhindern, werden neben den Zusatzkosten für Filter und geschirmte Leitungen auch Motorlagerschäden immer noch als unvermeidbar akzeptiert. Dabei bietet Igel Electric mit den Frequenzumrichtern ISA Drives Sinus eine Alternative.

Mit der Verbreitung der pulsweitenmodulierten Frequenzumrichter wurde es möglich variable Drehzahlen kosten- und projektierungsoptimiert zur Verfügung zu stellen. Allerdings kamen damit auch technische Probleme auf, die aber am Anfang nicht eindeutig den Umrichtern zugeschrieben werden konnten. Um die Probleme zu vermeiden, wurden immer höhere Standards bezüglich der Störaussendung und Störeinstrahlung festgelegt. Dementsprechend müssen alle Geräte im Schaltschrank einen relativ hohen Störeinstrahlungspegel aushalten. Viele kritische Bereiche werden inzwischen fast ausschließlich geschirmt ausgeführt. Motoren, Trafos oder Kompensationsanlagen sind meist so ausgeführt, dass selbst extreme Oberwellenanteile im Netz nicht zur Zerstörung der entsprechenden Komponente führen können. Trotzdem hat die Erkenntnis, dass die Frequenzumrichter maßgeblich an den Problemen beteiligt sind, nicht zur Vermeidung dieser Technologie geführt. Die prozesstechnischen Vorteile überwiegen die Risiken und Kosten im elektrotechnischen Bereich.
Die Analyse der Fehlerursachen und -auswirkungen ist auch heute noch nicht abgeschlossen. Noch immer treten Fehler in stark mit Oberwellen belasteten Netzen auf, die sich nicht eindeutig zuordnen lassen. Bei diesen Fehlern können kleine Veränderungen zum Beispiel am Schirmungskonzept ein komplett neues Anlagenverhalten verursachen. Hierbei spielt das Zusammenwirken von mehreren Störquellen und deren Überlagerung eine Rolle. Diese „Gleichung“ wird mit dem Einbau weiterer Frequenzumrichter immer komplizierter.

Pulsweitenmodulation beeinflusst die Netze
Praktisch kann man die Probleme der Frequenzumrichter auf die Pulsweitenmodulation (PWM) zurückführen. Dabei wird die Ausgangsfrequenz am Umrichter durch Rechteckimpulse mit variabler Impulslänge zusammengesetzt. Diese hochfrequente Technik benötigt man, um die Verluste in den Halbleitern zu minimieren.
Die größten Verluste werden beim Übergang der IGBT von „leitend zu sperrend“ oder umgekehrt erzeugt. Je schneller dieser Zustand durchfahren wird, desto geringer sind die Verluste. Die dabei entstehenden steilen Flanken der elektrischen Größen erzeugen Oberwellen in hohen Frequenzbereichen, die sich durch Harmonische darstellen lassen. Die überlagerten hohen Frequenzen können im Netz verschiedene Auswirkungen haben.
• So wird bei sehr hohen Frequenzen die Grenze der leitungsgebundenen Störungen überschritten. Es entstehen elektromagnetische Wellen die sich wie Funksignale über die Luft ausbreiten,
• Aber auch leitungsgebundene Störungen verursachen Probleme, da die hohen Frequenzen RC-Kombinationen in den entsprechenden Netzen in Hochpassfilter verwandeln. Dadurch führen diese normalerweise sehr hochohmigen Schaltkreise plötzlich große Ströme und werden zerstört. Auch im Bereich der Trafobleche beziehungsweise der Ständerpakete oder Motorkugellager führen hohe Remanenzverluste zur Überhitzung oder im Laufe der Zeit zur Zerstörung der Komponenten.

Sinusspannung eliminiert Oberschwingungen
Will man also die Probleme der Frequenzumrichter beseitigen, sind die Oberschwingungen zu eliminieren. Das geht am besten mit einer aus einem rotierenden System generierten Sinusspannung, die keine sprunghaften Spannungsanstiege aufweist. Mit dem Einsatz einer wirklichen Sinusspannung lässt sich die gesamte Kette an Fehlerursachen und Auswirkungen auflösen.
Ohne Oberschwingungen im System fällt auch die Analyse im Frequenzbereich entsprechend positiv aus, da keine leitungsungebundenen bzw. leitungsgebundenen Störungen entstehen. Aufgrund der fehlenden leitungsungebundenen Störausstrahlung sind keine geschirmten Leitungen mehr erforderlich. Das Fehlen der leitungsgebundenen Störungen macht den Einsatz von speziellen Motoren, Trafos und Drosseleinheiten überflüssig. Messsignale kommen wieder ungestört an und die Datenkommunikation funktioniert auch ohne teure LWL-Technik.
Genau dieses Szenario ergibt sich beim Einsatz der Frequenzumrichter der Baureihe ISA Drive Sinus von Igel Electric. Dessen patentgeschützte Technologie erzeugt eine rein sinusförmige Ausgangsspannung, mit der ein Motor störungsfrei geregelt werden kann. Der Anwender muss keine Filter installieren und kann die vorhandenen Leitungen weiter verwenden. Die ISA Drives Sinus erzeugen zudem nicht die für Frequenzumrichter typischen Geräusche und erfüllen die Anforderungen der EMV-Richtline. Dadurch eignen sie sich für Einsätze in Umgebungen, die eine geringe Störtoleranz besitzen, wie Krankenhäuser, Labore oder Wohnhäuser. Zudem funktionieren die Frequenzumrichter mit allen 30-mA-Fehlerstromschutzschaltern.

Patentierte Lösung
Ermöglicht wird diese Lösung durch die Umsetzung zweier Patente:
• Das Schalten eines Halbleiters im Nulldurchgang bei konstanter Ausgangsspannung sowie
• eine natürliche Feldorientierung.
So entsteht durch die Beschaltung einer Mosfet-Ausgangsbrücke mit einer Induktivität und einer Kapazität ein System, welches das Einschalten der Halbleiter im Nulldurchgang ermöglicht. Das minimiert die Verluste und produziert keine Oberwellen.
Letztendlich wird dadurch die veränderliche Ausgangsfrequenz nicht durch ein PWM-Signal zusammengesetzt, sondern direkt als Sinus ausgegeben. Daraus ergeben sich gleich mehrere Vorteile:
• keine elektromagnetischen Störungen
• Ein- bzw. Ausgangsfilter sind genausowenig notwendig wie Drosseln, geschirmte Schränke, Durchführungen, Klemmen und Leitungen
• keine Begrenzung der Kabellängen
• keine Probleme mit Erdströmen (30mA FI)
• keine Lagerströme im Motor
• keine FU-Geräusche mehr am Motor
• keine Isolationsprobleme durch Überspannungen
• keine Überdimensionierung der Umrichter notwendig
• volles Drehmoment im gesamten Drehzahlbereich
• Es lassen sich mehrere, unterschiedliche Motoren an den gleichen Frequenzumrichter anschließen
• kein Drehzahlsensor notwendig
• hohe Dynamik im Vergleich zu Standardumrichtern

Kein Aufwand beim Einbau
Somit kann der ISA Drive Sinus seine Vorteile immer dann ausspielen, wenn bereits ein System mit Trafos, Kabelwegen und Installationen vorhanden ist. Nach dem Einbau des Frequenzumrichters muss nichts geändert werden. Die Standardleitungen (ohne Schirmung) sind längenunabhängig weiterhin nutzbar. Trafos, FI-Schutzschalter und Kompensationsanlagen müssen nicht mit Filtern nachgerüstet oder durch neue ersetzt werden. Das reduziert die Umbauzeit und -kosten erheblich. Durch die reine Sinusgröße lassen sich die Frequenzumrichter zudem ortsunabhängig installieren und somit projektieren.
Die bestehende Produktpalette soll sukzessive, entsprechend den Kundenanforderungen, ausgebaut werden. So ist im ersten Schritt eine Erweiterung der Leistungsgröße bis 55 kW geplant. Zudem sollen die Produkte im unteren Leistungsbereich mit einer einphasigen Eingangsstufe ausgestattet werden. Eine Erweiterung des Ausgangsfrequenzbereichs ist ebenfalls in Vorbereitung.

Fazit
Mit dem ISA Drive Sinus verfügt Igel Electric über einen Frequenzumrichter, der sich in seinen Eigenschaften grundlegend von allen anderen am Markt erhältlichen Produkten unterscheidet. Im Gegensatz zum herkömmlichen pulsweitenmodulierten Ausgangssignal, stellt er eine reine Sinusspannung zur Verfügung. Diese Eigenschaft bietet dem Anwender nicht nur eine einfache Lösung für bisher schwer zu realisierende Anwendungen, sondern erlaubt für bestimmte Branchen, wie die Medizintechnik, völlig neue Ansätze im Bereich drehzahlveränderliche Antriebe.

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Autor: Jörg Westhoff ist Geschäftsführer bei Igel Electric GmbH in Sendenhorst