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DER KONSTRUKTEUR 11/2015

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ANTRIEBSTECHNIK Was man

ANTRIEBSTECHNIK Was man über Umrichter wissen sollte Aufbau und Aufgaben des Zwischenkreises bei Frequenzumrichtern Martin Cerny Frequenzumrichter sparen Energie und dem Anwender erhebliche Kosten. Wie aber häufig in der Technik, erkauft man die Vorteile der elektronischen Drehzahlregelung mit einigen Nachteilen. So verursachen Frequenzumrichter Nebeneffekte wie elektromagnetische Störungen, Netzrückwirkungen, zusätzliche Verluste und Geräuschentwicklung. Neben den Eingangsgleichrichtern und den Wechselrichtern am Ausgang hat auch die Auslegung des Zwischenkreises dabei einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Frequenzumrichters. Der Zwischenkreis dient der Entkopplung zwischen netz- und motorseitigem Gleichrichter. Er besteht typisch aus einer Kombination von Kondensatoren und Spulen. Die Kondensatoren dienen zur Glättung der Zwischenkreisspannung und zur Pufferung von Energie bei Lastsprüngen. Die Spulen schützen die Kondensatoren vor Stromstößen und reduzieren gleichzeitig die Netzrückwirkungen, indem sie eine glättende Wirkung auf den Zwischenkreisstrom haben.Es lassen sich drei Typen unterscheiden: Der variable Gleichstromzwischenkreis, der konstante Gleichspannungszwischen kreis und der variable Gleichspannungszwischenkreis. Zwischen- Martin Cerny, Danfoss GmbH VLT Antriebs technik, Offenbach kreise haben die Funktion eines Energiespeichers. Im normalen Fall sind die Kondensatoren bzw. Kondensatorbänke mit Elektrolytkondensatoren aufgebaut. Sie können am Ausgang die volle Netzspannung generieren und so den Motor betreiben. Bei Umrichtern mit schlankem Zwischenkreis, die eine deutlich geringere Speicherkapazität haben und häufig mit günstigeren Folienkondensatoren bestückt sind, liegt die maximale Motorspannung teilweise bis zu 10 % unter der Nennspannung. Erhöhte Stromaufnahme mit stärkerer Erwärmung des Motors sind die Folge, was die Lebensdauer der Motoren eventuell deutlich senken kann. Lastverhalten – normaler oder schlanker Zwischenkreis Die Auslegung des Zwischenkreises beeinflusst Netzrückwirkungen, Lastverhalten und Energieeffizienz in der Anlage Der Zwischenkreis in einem Umrichter dient als Energiespeicher bei Lastwechseln in der Anwendung. Daher kommt der Auslegung des Zwischenkreises als vollwertigem oder schlankem Zwischenkreis erhebliche Bedeutung zu, bestimmt dies doch das Verhalten des Geräts bei Lastwechsel, Lastabwürfen oder kurzzeitigen Spannungseinbrüchen im Netz. Bei Umrichtern mit geringer Zwischenkreiskapazität treten bei Laständerungen wesentlich höhere Spannungsänderungen auf, als bei Umrichtern mit konventionellem Zwischenkreis. Die Begründung hierfür liegt in der Wirkung der Zwischenkreiskondensatoren als Energiespeicher. Eine größere Kapazität kann größere Energiemengen abgeben und aufnehmen. Dies wirkt sich u. a. bei dynamischen Anwendungen oder großen Lastwechseln bzw. Schwungmassen aus. Beispielsweise neigen Umrichter mit schlankem Zwischenkreis bei Lastwechsel an der Motorwelle eher zum Schwingen. Bei Lastabwürfen erzeugt der Motor generatorische Energie mit hohen Spannungsspitzen. Um sich gegen eine Überlastung bzw. aufgrund von auftretender Über- 26 Der Konstrukteur 11/2015

ANTRIEBSTECHNIK spannung vor einer Zerstörung zu schützen, reagieren die Geräte mit schlankem Zwischenkreis bei diesen Spannungsspitzen schneller mit einer Abschaltung als Geräte mit vollwertigem Zwischenkreis. Aufgrund der kleinen oder fehlenden Kondensatoren können Umrichter mit schlankem Zwischenkreis Netzeinbrüche nur schlecht überbrücken. Als Faustformel hat ein schlanker Zwischenkreis ca. zehnmal weniger Kapazität als ein konventioneller Zwischenkreis. Netzrückwirkungen Umrichter mit vollwertigem Zwischenkreis erzeugen Netzrückwirkungen bei bestimmten Harmonischen. Steigt die Netzbelastung, kann sie der Betreiber mit einfachen Maßnahmen wie Drosseln effektiv reduzieren, da sie vorhersagbar sind. Typisch liegen sie bei der 5., 7., 11., 13., 17. und 19. Oberschwingung. Daher lassen sich schon im Vorfeld notwendige Maßnahmen berechnen und mit einplanen. Bei Umrichtern mit schlankem Zwischenkreis ist das entstehende Frequenzspektrum ungemein schwerer abzuschätzen. Natürlich kann der Hersteller die Störungen eines ganz bestimmten Modells über den gesamten Frequenzbereich angeben. Setzt ein Anwender in seiner Applikation unterschiedliche Geräte mit schlankem Zwischenkreis ein, so ist eine vorherige Berechnung der entstehenden Belastung im Netz aber nahezu unmöglich. Addieren sich die Oberschwingung der beiden Geräte oder sind sie zu einander versetzt? Je weiter das Frequenzspektrum an Oberschwingungen, desto höher die Wahrscheinlichkeit die Resonanzfrequenz eines anderen Bauteils zu treffen. Das Entstehen von Resonanzen im Netz ist nicht mehr vorher bestimmbar. Durch das breite Frequenzspektrum, in dem die Netzrückwirkungen bei diesen Geräten liegen, steigt die Gefahr von Resonanzen mit anderen Bauteilen im Netz, beispielsweise von Leuchtstofflampen, Trafos oder Kondensatoren in Blindleistungskompensationsanlagen. Die Auslegung geeigneter Maßnahmen gestaltet sich dementsprechend zeitintensiv und sehr schwierig. Dieser Aufwand steigt umso mehr, wenn das auftretende Frequenzspektrum sehr breit gestreut ist. Konsequenter Weise erhöht der Mehraufwand auch die Kosten des Anwenders, beispielsweise für teure aktive Filter. Individualitätbringt Fortschritt. Hochpräzisionskugellager Spindeltechnik Freiläufe Dichtungen Außergewöhnliche Ideen sind der Antrieb für Fortschritt und wirtschaftliches Wachstum. Mit modernstem Engineering und flexiblen Fertigungsmöglichkeiten bietet GMN individuelle Sonderlösungen für Motorenkonzepte auf höchstem technischen Niveau, um diese Ideen zu verwirklichen. Willkommen bei GMN Halle 3 Stand 608 GMN Paul Müller Industrie GmbH &Co. KG ÄußereBayreuther Str.230 ·D-90411 Nürnberg Phone: +49 911-5691-515 Fax: +49 911-5691-699 .de

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