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Galvanische Störungen durch den Wechselrichter

Der Wechselrichter erzeugt seine Ausgangsspannung durch eine Folge von Spannungsimpulsen. Dazu werden die Ausgangsleitungen zyklisch mit dem positiven und negativen Pol des Zwischenkreises verbunden. Durch Modifikation der Verweildauer am positiven und negativen Pol je Schaltzyklus entsteht im Mittel eine sinusförmige Ausgangsspannung, die für das Betriebsverhalten des Motors entscheidend ist. Typische Schaltfrequenzen liegen im Bereich oberhalb von 1 kHz.

Als elektronische Schalter dienen Leistungstransistoren des Wechselrichters. Heutige Leistungstransistoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie sehr schnell schalten. Das heißt, der Spannungsauf- und -abbau über den Leistungstransistoren erfolgt in sehr kurzer Zeit. Damit werden die Schaltverluste und die Erwärmung des Stellgerätes reduziert. Als Kenngröße für die Schaltgeschwindigkeit dient die Spannungssteilheit. Sie beträgt oft mehrere kV/μs.

Unter diesen Bedingungen können die parasitären Kapazitäten des elektrischen Antriebs nicht mehr vernachlässigt werden. Sie verursachen aufgrund der schnellen Spannungsänderungen Umladeströme, die den Antrieb selbst und andere Verbraucher negativ beeinflussen können.

Nebenstehendes Bild zeigt die zu berücksichtigenden Kapazitäten. Es treten sowohl parasitäre Kapazitäten zwischen den einzelnen Leitern des Motorkabels als auch zwischen den Leitern und dem Erdpotential auf.
Prinzipiell gibt es vergleichbare parasitäre Kapazitäten auch im Motor. Zur Vereinfachung sollen sie jedoch mit den Leitungskapazitäten zusammengefasst werden.

 

Umladung der Leiter-Leiter-Kapazitäten

Das nebenstehende Bild verdeutlicht die Abläufe. Ausgangspunkt ist ein willkürlich gewählter Schaltzustand des Wechselrichters. Die stromführenden Leistungshalbleiter sind vereinfacht als elektrische Verbindung eingezeichnet. In diesem Schaltzustand sind die Leiter-Leiter-Kapazitäten mit einer bestimmten Polarität geladen. Der Ladezustand ergibt sich für jeden Kondensator je nachdem welche Pole der Zwischenkreisspannung an seine Anschlüsse durchgeschaltet sind.
Wird nun im ersten Brückenzweig der untere Leistungshalbleiter angesteuert und der obere Leistungshalbleiter gesperrt, fließt ein Entladestrom Ic1-3, da beide Pole des Kondensators zwischen Leiter 1 und Leiter 3 jetzt auf dem negativen Potential der Zwischenkreisspannung liegen. Zusätzlich fließt ein Ladestrom Ic2-1, da die Pole des Kondensators zwischen Leiter 2 und Leiter 1 jetzt mit unterschiedlichen Potentialen der Zwischenkreisspannung verbunden sind. Beide Ströme addieren sich und überlagern sich dem Betriebsstrom des Motors.
Wird nun im ersten Brückenzweig wieder der obere Leistungshalbleiter angesteuert und der untere Leistungshalbleiter gesperrt, laufen die Vorgänge in entgegengesetzter Richtung ab. Die Größe und Dauer der Lade- und Entladeströme wird bestimmt durch

• die Größe der Leiter-Leiter-Kapazitäten und
• die Ersatzimpedanz des Motorkabels und des Wechselrichters, die überwunden werden muss.

Die Aufteilung des Stromflusses innerhalb des Brückenzweiges zwischen Leistungshalbleiter und Freilaufdiode ist abhängig vom überlagerten Betriebsstrom des Motors.
Grundsätzlich ist zu erkennen, dass die Energie zum Aufladen der Leiter-Leiter-Kapazitäten aus dem Zwischenkreiskondensator entnommen wird. Beim Entladen der Leiter-Leiter-Kapazitäten wird diese Energie im Wechselrichter und in der Motorleitung in Wärme umgesetzt.

In Summe haben die parasitären Leiter-Leiter-Kapazitäten folgende unerwünschte Auswirkungen:

• Die Verluste im Motorkabel und im Wechselrichter werden erhöht.
• Die hohen Stromspitzen können zur Beschädigung des Wechselrichters führen.
• Die impulsförmigen Anregungen im Motorkabel können zur Ausbildung elektrischer Wellen führen. Im Ergebnis wird der Motor mit deutlich höheren Spannungen als der Zwischenkreisspannung belastet, was zur Schädigung seiner Wicklungsisolation führen kann.

Die durch die parasitären Leiter-Leiter-Kapazitäten hervorgerufenen galvanischen Störungen betreffen damit im Wesentlichen den Antrieb selbst. Es handelt sich um eine systemeigene Beeinflussung. Da aber die Systemkomponenten

• Motor
• Motorkabel
• Stellgerät

erst bei der Montage von Maschinen und Anlagen miteinander kombiniert werden, kann dieses Problem nicht vom Antriebshersteller allein gelöst werden. Er kann lediglich entsprechende Projektierungsvorgaben machen, die vom Anwender umzusetzen sind.

 

Gegenmaßnahmen zur Reduktion der durch Leiter-Leiter-Kapazitäten verursachten galvanischen Störungen

• Durch kurze Motorleitungen kann die Größe der parasitären Leiter-Leiter-Kapazitäten klein gehalten werden. Kleine Kapazitäten rufen auch nur geringe Umladeströme hervor.
• Durch Einbau einer Ausgangsdrossel wird die Größe des Umladestroms begrenzt. Es treten kleinere Stromspitzen auf. Der Umladestrom wird über einen längeren Zeitraum "gestreckt".
  Zu beachten ist, dass eine Ausgangsdrossel die Dynamik der Stromregelung vermindert und deshalb bei Servoantrieben oft nicht zulässig ist.

• Durch Einbau eines du/dt-Filters am Wechselrichterausgang werden die Flanken der Spannungsimpulse in ihrer Steilheit begrenzt und damit die Umladeströme in ihrer Größe verringert. Bei Servoantrieben sind du/dt-Filter im allgemeinen nicht zulässig.
• Durch Einbau eines Sinusfilters am Wechselrichterausgang werden die hochfrequenten Oberschwingungen der Ausgangsspannung unterdrückt. Die hinter dem Filter auftretende Spannung besteht nicht mehr aus einer Folge von Spannungsimpulsen sondern weist einen nahezu sinusförmigen Verlauf auf. Damit werden die impulsförmigen Umladevorgänge der parasitären Leiter-Leiter-Kapazitäten vermieden. Allerdings enthält das Sinusfilter ebenfalls Kondensatoren, die umgeladen werden müssen. Das Sinusfilter belastet damit den Wechslerichter mit zusätzlichen Umladeströmen, was bei der Projektierung zu berücksichtigen ist. Beim Einsatz von Sinusfiltern werden elektrische Wellen auf dem Motorkabel vermieden und so die Isolation der Motorwicklung geschützt. Sinusfilter dienen damit in erster Linie dem Schutz des Motors.
  Sinusfilter sind bei Servoantrieben im allgemeinen nicht zulässig.