Institut für ElektrischeEnergiewandlung
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HFHF--gerechtegerechte Installation von Installation von LLüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--
RegelungRegelung
Andreas Binder
Technische Universität DarmstadtInstitut für Elektrische Energiewandlung
Landgraf-Georg-Strasse 4, D-64283 [email protected]
Förderkreis Stallklima Tagung Rendsburg 5.-6.10.2005
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InhaltsInhaltsüübersichtbersicht
•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
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•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
HFHF--gerechtegerechte Installation von LInstallation von Lüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--RegelungRegelung
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Vorteile durch Vorteile durch umrichtergeregelteumrichtergeregelte VentilatorenVentilatoren
- Drehzahlvariable Antriebe erlauben kontinuierlich veränderbaren Volumenstrom
- Energieeinsparung gegenüber Festdrehzahlantrieb mit Drosselung
- Dynamische Regelung erfordert schnell schaltende Umrichter
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UmrichterausgangsspannungUmrichterausgangsspannung
Umrichter-ausgangsspannung
Motorklemmenspannung
Reflexion
- Schnelles Schalten zwischen Null und Zwischenkreisspannung Ud:
- Beispiel: zwischen 0 und +600 V bzw. -600 V (am 400 V AC-Netz)
L1
L2
L1
L3
- Schaltzeit tr typisch 0.100 μs
- Spannungssteilheit: Beispiel:
skVs
Vt
Udtdu
r
d μμ
/61.0
600===
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Kapazitive ParasitKapazitive Parasitäärstrrströömeme
- Kleine (parasitäre) Kapazitäten C in der Motorzuleitungund im Elektromotor werden bei den „Spannungssprüngen“umgeladen = parasitärer Umladestrom iC- Beispiel: Kapazität der Motor-Ständerwicklung gegen das Blechpaket (geerdet)
- Wicklungsdrähte
- Nutisolation bildet Kapazität C gegen das geerdete Blechpaket
Wicklung in einer Ständernut des E-Motors dt
duCiC ⋅=
AskVpFipFC
C 6.0/6100:100
=⋅==
μ
- Fehlerstrom gegen Erde !
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du/du/dtdt--EffekteEffekte in in UmrichternUmrichtern und Eund E--MotorenMotorenParasitäre HF-Ströme in der Maschine
Parasitäre HF-Ströme gegen Erde
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•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
HFHF--gerechtegerechte Installation von LInstallation von Lüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--RegelungRegelung
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Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern- Auslöseschwelle für den Fehlerstrom:
30 mA: Personenschutz, 300 mA: Brandschutz
- Herkömmlicher FI: reagiert auf netzfrequenten Fehler-Wechselstrom
- „Allstromsensitiver“ FI: reagiert auch auf Fehler-Gleichstrom:
Für Umrichter nötig, da Gleichrichtung im Zwischenkreis
ABER: Parasitärer HF-Strom gegen Erde wird von beiden FI´sals Fehlerstrom interpretiert: Fehlauslösung
Abhilfe: a) Bei 300 mA Fehlauslösung selten
b) Erdschlusswächter statt 300 mA-FI Für Brandschutz
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•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
HFHF--gerechtegerechte Installation von LInstallation von Lüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--RegelungRegelung
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UmrichterUmrichter--SchaltflankenSchaltflanken und Reflexionen am Motorund Reflexionen am Motor
- Einschalten eines Spannungs-Impulses „0 auf Ud“ am Umrichter: Schaltzeit tr- Spannungswelle Ud wandert vom Umrichter zum Motor mit Lichtgeschwindigkeit v = ca. c0/2 in der Wanderwellenzeit tp- Motorwellenwiderstand größer als der vom Motorkabel: Spannungsreflexion mit Spannungserhöhung am Motor
- Beispiel 1:
Ud = 600 V, VOLLE Reflexion (worst case): am Motor 1200 V !
- Beispiel 2:
stSchaltzeit
svltmlmskmcv
r
p
μ
μ
1.0
26.0/:40/1502/0
=
=====
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UmrichterUmrichter--SchaltflankenSchaltflanken und Reflexionen am Motorund Reflexionen am Motor- Solange tr kürzer als 2tp ist, tritt volle Reflexion auf.
- Grenze: „Kritische Leitungslänge“: 4/0 rkrit tcl ⋅=
Reflexionsfaktor
Grenze
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Spannungsreflexionen bei Spannungsreflexionen bei „„langerlanger““ MotorleitungMotorleitungMessung: 2-poliger Käfigläufer-Asynchronmotor, 400 V, Y
Umrichterbetrieb: Motorzuleitung 100 m, 600 V Zwischenkreis-spannung
- Laufzeit tp = 666 ns
- Spannungsanstiegszeit: tr = 500 ns
- Da tr = 500 ns kürzer als 2tp = 1330 ns, daher volle Spannungsreflexion
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Kritische LeitungslKritische Leitungsläängenge- Achtung: Bei schnell schaltenden Umrichtern ist die kritische Leitungslänge BALD überschritten !
- Beispiel: mlst kritr 5.7:1.0 == μ- Abhilfen:
● „Umrichterfeste“ Motoren (verbesserte Wicklungsisolation)
● du/dt-Filter: Erhöht tr am Umrichterausgang = Erhöhung der kritischen Leitungslänge
● „Sinusfilter“ am Umrichterausgang: Strangspannung und verkettete Spannung sinusförmig = keine Reflexionen
ABER: Spannungsfall am Filter, zusätzliche Verluste
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•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
HFHF--gerechtegerechte Installation von LInstallation von Lüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--RegelungRegelung
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Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen- Gepulste Spannung & HF-Strom erregen HF-elektro-magnetische Felder längs der Motorleitung, die in benachbarte Geberleitungen etc. Störspannungen einkoppeln
- Abhilfe: Geschirmte Leitungen, aber HF-Geflecht-Schirm muss vollflächig auf metallischem Umrichter- und Motor-gehäuse angebracht sein. Keine „Sauschwanz“-Lösung !
An Trennstellen von Leitungen müssen EMV-gerechte Stecker für vollflächige Verbindung sorgen !
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•• du/du/dtdt--EffekteEffekte durch Umrichterspeisung durch Umrichterspeisung
•• Einsatz von Einsatz von FIFI--SchutzschalternSchutzschaltern
•• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der LeitungslVentilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungsläängenge
•• Geschirmte LeitungenGeschirmte Leitungen
•• LagerstrLagerströöme me –– FilterFilter
•• ZusammenfassungZusammenfassung
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GleichtaktspannungGleichtaktspannung
- In Drehstromsinusnetzen ist die Summe aller drei Phasen-spannungen gegen Erde stets NULL: Keine Gleichtakt-spannung.
- Bei Umrichterbetrieb ist die Summe der 3 gepulsten Phasenspannungen NICHT Null: Sie schwankt zwischen +Ud/2 und -Ud/2: 300 V … -300 V mit Schaltfrequenz (einige kHz !)
3)()()()( 321
0tutututu LLL ++
=HF-Gleichtaktspannung:
- u0(t) zwischen Wicklung und Gehäuse treibt großen HF-Erdstrom und zusätzlich Parasitärströme durch den E-Motor !
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LagerstrLagerströömeme
- Das Lager mit dem Schmierfilm wirkt als kleine Kapazität Cb.
- Über die anderen Parasitärkapazitäten im E-Motor wird die Kapazität „Schmierfilm“ geladen (bis zu 30 V am Schmierfilm !)
Lager elektrisches Ersatzschaltbild
- Elektrischer Durchschlag des Schmierfilms !
- „Krater“ in der Kugellauf-bahn führen zu „Riffel“
- Lager wird zu heiß: Ausfall !
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ParasitParasitäärstrrströöme im Eme im E--MotorMotor
Parasitärströme fließen über die kleinen Kapazitäten im E-Motor: Wicklung-Gehäuse: wh, Wicklung-Rotor: wr, Rotor-Gehäuse: rh)
E-Motor (Schnitt schematisch) elektrisches Ersatzschaltbild
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Lagerschaden RiffelbildungLagerschaden Riffelbildung
-11 kW-Norm-Asynchronmotor:
-Rillenkugellager, Innenlaufbahn nach Stromdurchgang bei 1000 h Betriebszeit
Riffel
10 mm
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Abhilfe gegen LagerstrAbhilfe gegen Lagerströömeme
- Gleichtakt-Spannung durch spezielles Filter am Umrichter-ausgang unterdrücken !
Gleichtaktspannungs-Unterdrückungsfilter ! NICHT:Gleichtaktstrom-Unterdrückungsfilter !
- Hybridkugellager: Kugeln aus Keramik wirken wie Kondensator mit grossem Plattenabstand = kleines elektrisches Feld im Schmierfilm = Kein Durchschlag
Achtung:
-Fallweise hilft das Isolieren der Lager, aber nicht unbedingt, da Durchschlagstrom KEIN Kreisstrom !
- Erdungsbürsten überbrücken Lagerspannung, aber Bürstenkontakt ist unzuverlässig !
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ZusammenfassungZusammenfassung
• Dynamische Umrichterregelung von Lüftern bringt Systemvorteile, aber schnelles Schalten ruft du/dt-Effekte hervor.
• Abhilfemassnahmen sind erforderlich !
• FI-Schutzschalter-Fehlauslösung muss vermieden werden !
• Ventilatorparallelbetrieb: Einfluss der Leitungslänge muss durch Filter oder „umrichterfeste“ Motoren beherrscht werden !
• Geschirmte Leitungen vermeiden HF-Störungen in anderen Betriebsmittel, ABER: sachgerechte Installation
• Gleichtakt-U-Filter verhindern Lagerströme UND HF-Störungen
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Danke fDanke füür Ihre Aufmerksamkeit !r Ihre Aufmerksamkeit !
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