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Elektromotoren: mit Filter oft gesünder

01  Lagerschaden durch Funkenerosion

01  Lagerschaden durch Funkenerosion

02  Schematische Darstellung des Aufbaus der Filtertechnik (ASFW, Active Sinuswave Filter) zwischen FU und Motor

02  Schematische Darstellung des Aufbaus der Filtertechnik (ASFW, Active Sinuswave Filter) zwischen FU und Motor

03  Sinusfilter sind Motorfilter, welche gute sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungs­spitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden. Hier eine Ausführung direkt am FU

03  Sinusfilter sind Motorfilter, welche gute sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungs­spitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden. Hier eine Ausführung direkt am FU

04  Allpolige Sinusfilter eliminieren Lagerströme vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte für öffentliche Wohnbereiche

04  Allpolige Sinusfilter eliminieren Lagerströme vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte für öffentliche Wohnbereiche

05  Messung der Störabstrahlung mit 250 m ungeschirmter ­Leitung im EMV-Labor. Dank allpoligem Sinusfilter wurden die Grenzwerte für öffentliche Umgebungen eingehalten

05  Messung der Störabstrahlung mit 250 m ungeschirmter ­Leitung im EMV-Labor. Dank allpoligem Sinusfilter wurden die Grenzwerte für öffentliche Umgebungen eingehalten

Motorfilter erfüllen je nach Ausführung verschiedene Aufgaben: Sie schützen zum Beispiel die Motorisolation und reduzieren hochfrequente elektromagnetische Störungen. Außerdem verringern sie Lagerströme, Wellenspannungen, Motor­stör­geräusche und die Motor-Betriebstemperatur, was zu einer höheren Lebensdauer des Motors führt.

Es gibt gute Gründe, beim Einsatz von Frequenzumrichtern Motorfilter einzusetzen: Frequenzumrichter erzeugen eine pulsweitenmodulierte (PWM) Motorspannung, die aus rechteckförmigen Spannungsblöcken mit einer relativ hohen Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit besteht, also Spannungsänderung pro Zeit (du/dt). Ein überhöhter du/dt-Wert kann die Isolation des Motors schädigen. Übliche Werte heutiger Frequenzumrichter liegen bei 5 kV/µs und der Trend geht zu immer schneller schaltenden IGBT, da schnelleres Schaltvermögen geringere Schaltverluste des IGBT-Wechselrichters bewirken.
Neben der Schaltgeschwindigkeit der IGBT hat auch die Motorleitung einen großen Einfluss auf die Impulsanstiegsgeschwindigkeit. Auch Faktoren wie Leitungslänge und -querschnitt, Leitungstyp, Schirmung, Kapazitäts- und Induktivitätsbelag beeinflussen die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt. Dasselbe gilt für den Wellenwiderstand des Motors und dessen Reflexionen; einen weiteren Einfluss auf die Motorisolation hat die Maximalspannung der Einzelimpulse, ULLPeak oder USpitze. Diese Größe kann einen Durchschlag der Motorisolation bewirken, wenn sie bestimmte Grenzwerte überschreitet. Richtlinien und Hinweise zu diesen Werten sind bei den Motorenherstellern und in verschiedenen Normen, wie IEC60034 und IEC61800-2, zu finden. Immer dann, wenn Motoren mit reduzierter Isolationsfestigkeit (ältere oder günstigere Motoren) an einem Frequenzumrichter betrieben werden, besteht möglicherweise die Notwendigkeit zum Einsatz von Motorfiltern.
Jedes elektronische Gerät, aber auch Frequenzumrichter haben ein Störpotential, welches leitungsgebunden und abgestrahlt andere elektrische Einrichtungen stören kann. Typischerweise tritt der Bereich 150 kHz bis 30 MHz als leitungsgebundene Störgröße auf der Netzzuleitung auf. Zudem besteht auf der Motorleitung ein Störpotential, welches im Bereich 30 MHz bis 1 GHz als abgestrahltes Störfeld (über Motorkabel, sog. Luftstrahlung) bezeichnet wird. Durch den Einsatz von Motorfiltern lassen sich diese Störungen beherrschen und das Störpotential reduzieren. Primärer Schutz dagegen sind aber geschirmte Leitungen.
Die schnell schaltenden Transistoren (IGBT) im Frequenzumrichter erzeugen höherfrequente Störgrößen, die unter Umständen zu Lagerströmen und Wellenspannungen führen können. Lagerströme und Wellenspannungen können auch in Motoren mit direktem Netzanschluss auftreten, zum Beispiel bei Unsymmetrie der Netzversorgung. Bei ­Frequenzumrichter-gespeisten Motoren findet eine Verstärkung dieser Vorgänge statt. Hier können Lagerströme oder Wellenspannungen Lagerschäden durch Funkenerosion (Bild 1) und andere Phänomene verursachen:
• Kapazitive Kopplung: Parasitäre Kapazitäten im Motor und Gleichtaktstörspannungen und -ströme bewirken ­eine Spannung im Lager.
• Induktive Kopplung: Hier liegt die Ursache in den Kreisströmen im Motor. Die Ströme im Stator induzieren eine Spannung ins Gehäuse, die über die Lager des Motors und dessen Rotor zirkulieren.
Der Schmierfettfilm auf den Lagern wirkt isolierend. Die Spannung im Lager kann das Isolationsvermögen des Schmierfettfilms aber überwinden und dadurch eine elek­trische Entladung zwischen den Lagerkugeln und der Laufbahn hervorrufen. Diese Funken erzeugen winzige ­Verschmelzungen an den Lagerkugeln und der Laufbahn, die langfristig die Lager verschleißen: die sogenannte Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM). Da Lagerströme auch auf nichtelektrische Einflüsse zurückgeführt werden können, sollte auch mechanisch vorgesorgt werden, zum Beispiel durch korrekte Ausrichtung der Maschine, vibrationsarmer Betrieb des Motors sowie

Verwendung ­geeigneter Fette.
Der Antrieb kann gegen Lagerströme auch mechanisch, durch isolierte Lager oder Kupplungen isoliert werden, um das Statorgehäuse vom Rotor des Motors zu trennen. Die Lager sind typischerweise einseitig auf der Nichtantriebsseite des Motors (B-Seite oder Lüfterseite) ab Werk installiert. Beidseitig isolierte Lager senken zusätzlich EDM-Effekte, vermeiden diese aber nicht. Eine isolierte Kupplung verhindert zudem, dass die Lagerströme und Wellenspannungen auf die Arbeitsmaschine übergreifen. Vorbeugende elektrische Maßnahmen sind primär eine EMV-gerechte Installationen von Motor, Leitung und Frequenzumrichter ­sowie deren Erdung und/oder Potentialausgleich. Eine große ­Bedeutung hat die korrekte Auflage (niederimpedant) des Schirms der Motorleitung, zusätzlich zum Potentialausgleich.
Eine korrekte Installation der Schirmung umfasst folgende Punkte:
• beidseitiges, durchgängiges und großflächiges Auflegen,
• niederimpedante Erdung des Antriebssystems zur ­Übertragung hochfrequenter Störgrößen,
• zusätzliche Erdung des Motors durch niederimpedante Verbindung und
• wenn möglich der Einbau einer Wellenbürste.
Motorfilter können hierbei ebenfalls Abhilfe schaffen und Probleme durch Lagerströme und Wellenspannungen vermeiden.

Verringern von Geräuschen und Betriebstemperatur
Hauptursachen für Motorgeräusche sind Magnetisierungseffekte durch verschiedene Frequenzen (Magnetorestriktion), Lüftergeräusche und Laufgeräusche durch Lager. Durch den Einsatz verschiedener Motorfilter lassen sich Geräusche durch Magnetisierungseffekte reduzieren, die im Wesentlichen auf den Umrichterbetrieb zurückzuführen sind. Die pulsbreitenmodulierte Spannung und deren Taktfrequenz liegen meist im Hörbereich des Menschen, typischerweise zwischen 2 kHz bis 4 kHz, sodass ein störendes Geräusch vom Motor wahrgenommen wird. Ist dies zu groß, reduzieren Standardsinusfilter sowie allpolig wirksame Sinusfilter solche Störgeräusche am Motor. Da die PWM-Spannungen aber an den Filtern vorhanden sind, entstehen dafür Geräusche am Motorfilter.
Der Motorstrom besteht aus dessen Grundschwingung, welche das eigentliche Drehfeld erzeugt, sowie höheren ­Frequenzanteilen, die durch die Taktfrequenz und die geschalteten Spannungspulse entstehen und sich der Grundschwingung überlagern. Man bezeichnet diese höheren Frequenzen als taktfrequenten Rippelstrom. Dieser Rippelstrom bewirkt eine Erhöhung der Betriebstemperatur des Motors durch dessen Streuverluste. Der Einsatz geeigneter Motorfilter bedämpft den Anteil dieser taktfrequenten Rippelströme und erhöht dadurch die Lebenserwartung der Motoren.

Filterarten und Anwendungen
Motordrosselspulen sind die einfachste Art von Motorfiltern. Dies sind dreiphasige Induktivitäten zum Anschluss zwischen Frequenzumrichter und Motor. Diese Standardkomponenten sind meist nicht auf das Antriebssystem abgestimmt. Somit besteht die Gefahr von Resonanzen oder Fehlfunktionen.
du/dt-Filter sind eine Kombination aus dreiphasigen Induktivitäten und Kapazitäten mit Tiefpass-Wirkung. Es handelt sich um Motorfilter, die ausschließlich die Spitzenspannungen sowie die Anstiegszeiten der PWM-Spannung reduzieren. Die du/dt-Filter von Danfoss reduzieren die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf Werte, die geringer als 500 V/µs sind. Zudem begrenzen sie die Spitzenspannung USpitze auf Werte kleiner der dreifachen Nennspannung. Dieser Filter verwendet kleinere Induktivitäten und Kapazitäten, wodurch er günstiger und leichter als ein Sinusfilter ausfällt. Jedoch sind immer noch pulsförmige Signale auf der Motorleitung vorhanden, sodass zwangsläufig geschirmte Leitungen nötig sind. Geräusche und Lagerströme kann der du/dt-Filter nur eingeschränkt reduzieren.
Sinusfilter bestehen ebenfalls aus einer Kombination aus Induktivitäten und Kapazitäten (Bild 2). Es handelt sich hierbei um Motorfilter, welche sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungsspitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden (Bild 3). Sie reduzieren Geräusche am Motor und verhindern Lagerschäden durch Kreisströme. Es können lange und ggf. ungeschirmte Leitungen verwendet werden. Nacht­eilig ist jedoch die Verwendung größerer Induktivitäten und ­Kapazitäten, sodass der Filter größer und schwerer ist, als ein du/dt-Filter gleicher Leistung. Die Taktfrequenz muss zwingend auf den Sinusfilter abgestimmt sein, da die Resonanzfrequenz dieses Filtertyps zwischen der Motordrehfrequenz und der Taktfrequenz des Frequenzumrichters liegt.
HF-CM-Kerne (High Frequency Common Mode, Hochfrequenz Gleichtakt) dienen ausschließlich zur Lösung von Lagerstromproblemen durch HF-Funkenerosion. Sie reduzieren hochfrequente Gleichtaktstörung, die sich auf die Motorlager auswirken. Niederfrequente Störungen und Kreisströme können diese Kerne praktisch nicht beeinflussen. Vorteil: Es sind leichte, einfach zu installierende, nachrüstbare Kerne für einen vergleichsweise geringen Preis. Auch eine Kombination mit Sinusfiltern ist möglich. Damit lassen sich die Vorteile der Sinusfilter ausnutzen und gleichzeitig eine signifikante Reduktion der hochfrequenten Gleichtaktstörungen erreichen.
Allpolig wirksame Sinusfilter (Bild 4) setzen sich am Markt immer mehr durch. Auch deshalb, weil speziell die Lüftungsindustrie oft schwächere und kostengünstigere Motore einsetzt. Diese Filter haben zusätzlich zu den Eigenschaften von Standard-Sinusfiltern Vorteile, wie sinusförmige Spannungen zwischen den Motorphasen und der Erde. Sie vermeiden außerdem Gleichtaktstörungen im gesamten Frequenzbereich. Taktfrequente Anteile sind so am Motor nicht mehr vorhanden. Sie eliminieren Lagerströme durch Funkenerosion vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte (leitungsgebunden und abgestrahlt) für öffentliche Wohnbereiche nach DIN EN 55011 (VDE 0875-11), Klasse B und IEC 61800-3, Klasse C1 (Bild 5), sodass der Einsatz geregelter Antriebssysteme dort problemlos möglich ist. Geschirmte Leitungen zwischen Filter und Motor sind damit nicht nötig, theoretisch sind unbegrenzte Leitungslängen verwendbar. Ebenfalls ist der Parallelbetrieb von verschiedenen Motoren problemlos möglich, da auf die Kabellängen und -schirmung nicht mehr geachtet werden muss.
Voraussetzung hierfür ist allerdings eine korrekte Montage mit Kabelschirmung zwischen Frequenzumrichter und Filter sowie einem niederimpedanten Potentialausgleich zwischen Filter und Umrichter sowie eine zwingend korrekte Programmierung des Frequenzumrichters. Der Name „allpolig wirksam“ beruht auf den sinusförmigen Spannungen zwischen den einzelnen Phasen sowie zwischen den Phasen und der Erdanbindung, bzw. des Potentialausgleichs. Herkömmliche Sinusfilter haben keine sinusförmigen Spannungen zwischen Leiter und Erdpotential. Die Filter sind zudem wartungsfrei und ohne zusätzlichen Lüfter ausgeführt.

Fazit
Die Themen von elektromagnetischen Störungen bis hin zu nicht sinusförmigen Spannungen und deren Auswirkungen auf die Motoren bzw. deren Lager muss der Planer und Betreiber von Anlagen stets im Auge behalten: Von relativ geringen Auswirkungen bis hin zu Lagerschäden durch Funkenerosion gibt es ansonsten recht viele mögliche Gefahren für den reibungslosen Betrieb seiner Anlage. Eine genaue Analyse der Ist-Situation und dem folgend dann der Einsatz von Motorfiltern, sofern nötig, ist ein Muss für die Betriebssicherheit einer Anlage sowie störungsfreie Funktion des internen Netzes. (mh)

Jochen Clemens ist als Specialist EMC and Clean Grid für die Danfoss GmbH in Offenbach/Main tätig. vlt@danfoss.de