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EMV elektrischer Antriebe

Umladung der Leiter-Erde-Kapazitäten

Neben den Leiter-Leiter-Kapazitäten rufen auch parasitäre Leiter-Erde-Kapazitäten unerwünschte Umladeströme hervor. 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-Erde-Kapazitäten mit einer bestimmten Polarität geladen. Die Polarität ergibt sich für jeden Kondensator in Abhängigkeit vom Pol der Zwischenkreisspannung, der an der zugehörigen Motorleitung durchgeschaltet ist.
Am Gleichricher soll im betrachteten Zeitpunkt die größte Leiter-Leiter-Spannung zwischen L1 (positiv) und L3 (negativ) wirksam sein.

Wird nun im ersten Brückenzweig der untere Leistungshalbleiter angesteuert und der obere Leistungshalbleiter gesperrt, fließt ein Umladestrom Ic1-0, da jetzt der leitungsseitige Pol des Kondensators zwischen Leiter 1 und Erde auf dem negativen Potential der Zwischenkreisspannung liegt. Der Strom fließt über den Wechselrichter und den Gleichrichter zum Sternpunkt des Netztrafos und von dort über die Erdverbindung zur Leiter-Erde-Kapazität zurück. Im Ergebnis wird die parasitäre Leiter-Erde-Kapazität umgeladen.
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 des Umladestroms wird bestimmt durch

• die Größe der Leiter-Erde-Kapazität und
• die Summenimpedanz des Netztrafos, des Netzkabels, des Motorkabels und des Stellgerätes, die überwunden werden muss.

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

• Die Verluste werden erhöht.
• Die hohen Stromspitzen können zur Beschädigung des Stellgerätes 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 Umladeströme rufen an der Netzimpedanz ZN hochfrequente Oberschwingungen hervor, die die Eingangsspannung für weitere angeschlossene Verbraucher verzerren und diese stören können. Die hochfrequenten Oberschwingungen liegen im Bereich der Pulsfrequenz des Wechselrichters und darüber. Sie werden als Funkstörspannungen bezeichnet. Zulässige Funkstörspannungen sind durch internationale Normen festgelegt.

Die durch die parasitären Leiter-Erde-Kapazitäten hervorgerufenen galvanischen Störungen betreffen damit den Antrieb selbst als auch parallel betriebene Verbraucher.

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

• Durch kurze Motorleitungen kann die Größe der parasitären Leiter-Erde-Kapazitäten klein gehalten werden. Kleine Kapazitäten rufen auch nur geringe Umladeströme hervor.
  Durch die Verwendung geschirmter Motorleitungen ist jedoch auch bei kurzen Leitungslängen eine nennenswerte parasitäre Leiter-Erde-Kapazität vorhanden. Da geschirmte Leitungen zur Unterdrückung von feldgebundenen Störungen erforderlich sind, müssen andere Methoden zur Unterdrückung der Störaussendung angewendet werden.
• Durch eine Grundentstörung am Zwischenkreis wird der Umladestrom IC zum Teil an der Netzimpedanz ZN vorbeigeführt. Damit verringern sich auch die Oberschwingungen an der Netzimpedanz ZN und die Versorgungsspannung des parallel geschalteten Verbrauchers wird geringer verzerrt. Für Anwendungen in Industrienetzen ist diese Abminderung der Oberschwingungen zur Einhaltung der dort vorgegebenen Grenzwerte oft schon ausreichend. Die Grundentstörung ist im allgemeinen im Stellgerät fest eingebaut.
  Damit die Grundentstörung wirklich wirksam wird, ist eine sehr gute Anbindung des Stellgerätes an das Erdpotential erforderlich. Bei schlechter Anbindung ist zwischen der Grundentstörung und dem Erdpotential noch ein Übergangswiderstand wirksam, der das Abfließen des Umladestroms behindert. Viele Hersteller verlassen sich deshalb nicht auf die Erdung der Stellgeräte über eine leitfähige Verbindung zum Schaltschrank sondern stellen einen separaten Anschluss für die Erdung zur Verfügung.

• Durch Einbau eines Funkentstörfilters wird der Umladestrom IC zu einem sehr großen Teil an der Netzimpedanz ZN vorbeigeführt und die Versorgungsspannung des parallel geschalteten Verbrauchers wird nur gering verzerrt.
  Das Funkentstörfilter wird für hochfrequente Störspannungen im kHz-Bereich und darüber ausgelegt. Die Grundschwingung der Netzspannung wird vom Funkentstörfilter praktisch nicht beeinflusst.
  Oft werden Funkentstörfilter in Kombination mit einer Netzdrossel zur Unterdrückung niederfrequenter netzharmonischer Oberschwingungen eingesetzt.

Hinweis: Grundentstörung und Funkentstörfilter sind nur dann im vollen Umfang wirksam, wenn der Umladestrom IC gezielt zum Stellgerät bzw. zum Filter "geführt" wird. Das wird mit einer geschirmten Motorleitung erreicht. Beide Maßnahmen sollten deshalb stets in Kombination mit einer geschirmten Motorleitung verwendet werden.

Weitere Gegenmaßnahmen sind

• der Einbau einer Ausgangsdrossel
• der Einbau eines du/dt-Filters und
• der Einbau eines Sinusfilters

am Wechselrichterausgang. Sie wurden bereits bei den Gegenmaßnahmen zur Reduktion der durch Leiter-Leiter-Kapazitäten verursachten galvanischen Störungen vorgestellt.