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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 Darmstadtabinder@ew.tu-darmstadt.de

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

HFHF--gerechtegerechte Installation von LInstallation von Lüüftungsanlagen mit ftungsanlagen mit FrequenzumrichterFrequenzumrichter--RegelungRegelung

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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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