Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV

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The Schaffner Group Charles Vanhouteghem Product Marketing Manager

Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV


Störeffekte bei Frequenzumrichter

Störungsursachen und deren Wirkung

Sinusfilter und ihr Einfluss (nicht nur) auf die EMV

Auswahl und Auslegung von Sinusfilter

Typische Sinusfilter Anwendungsbereiche

Themenübersicht


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Störeffekte bei Frequenzumrichtern – Einflüsse auf Netz- und Lastseite

Saubere und effiziente Energie

Motorschutz & Reduzierung von Störungen

Standard Erfüllung

du / dt

Differential Mode Voltage

Differential Mode Current

Harmonics

EMC / EMI

Frequency Inverter / Motor Drive(Energy regeneration inverter)

Rectifier ConverterDC Link

Motor(Generator)


Ursachen elektromagnetischer Störungen => Spannungsverzerrungen

Schaltimpulse ! Umrichter


Schaltimpuls Störspektrum Wechselrichter

Wirkung => Betriebsstörungen und EMV Norm nicht erfüllt!

a - Taktfrequenz des Wechselrichters

b - Hüllkurvenverlauf -20dB/Dekade

c - Eckfrequenz (abhängig von der Flankensteiheit)

d - Hüllkurvenverlauf -40dB/Dekade

Die Steilheit eines Impulses erzeugt eine bestimmte Verteilung im Amplitudendichtespektrum zwischen 10kHz und 100MHz.

• Je schneller/steiler geschaltet wird, umso breiter ist das Störspektrum.


Begrenzung der Störaussendung

12 EMC IN

SYSTEM

S

Ein Hauptmerkmal elektromagnetischer Störungen ist die Frequenz

Grenzwerte für Störungen sind vom Frequenzbereich und Einsatzgebiet abhängig

Nicht alle Frequenzbereiche sind reguliert

Harmonische LF Bereich Leitungsgebundener

RF Bereich

Leitungsgebundener

RF Bereich

Gestrahlter

RF Bereich

Gestrahlter

RF Bereich

50Hz … 2/2.5 kHz 2/2.5 … 9 kHz 9 … 150 kHz 150 kHz … 30 MHz 30 MHz … 1/2/3 GHz > 3 GHz

60Hz … 2.4/3 kHz 2.4/3 … 9 kHz *

Regulierter Bereich Regulierter Bereich für einige Produkte

Nicht regulierter Bereich * Höhere Limiten Produkt abhängig


Standard Erfüllung – Umgebungsnorm EN55011 & Produktnorm EN61800-3


PDS = Power Drive System *

• Komplettes Antriebssystem aus Umrichter, Motor und Zusatzausrüstungen

CDM = Complete Drive Module

• Komplettes Umrichtergerät, kann auch in Schrankausführung sein

BDM = Basic Drive Module

• Antriebsgrundmodul, z.B. ein IP20 Einbaugerät

* Hat das PDS seinen eigenen Transformator, so ist dieser Bestandteil des CDM.

Definition des Antriebssystem gemäss EMV-Produktnorm EN 61800-3


Einteilung des Antriebssystems in EMV Zonen

Zone 1 -> Schaltschrank - Netzanschluss Grenzwerte der leitungsgebunden Störaussendung und Störfestigkeit müssen eingehalten werden

Zone 2 -> Schaltschrank - Leistungselektronik Störquellen: Umrichter bestehend aus Gleichrichter, evtl. Bremschopper, Wechselrichter und evtl. motorseitige Drosseln und Filter

Zone 3 -> Schaltschrank - Steuerung und Sensorik Störsenken: Empfindliche Steuerung- und Regelungselektronik + Sensorik

Zone 4 -> Peripherie - Signal-Schnittstellen Grenzwerte der Störfestigkeit müssen eingehalten werden

Zone 5 -> Maschine Störquellen: Motor mit Motorleitung und evtl. Bremswiderstand mit Zuleitung Störsenke: Drehgeber mit Signalleitung

Ausgangsfilter

Eingangsfilter


du/dt & Überspannung am Ausgang von Umrichtern – IEC60034-17/-25

Wirkung => Einfluss auf das Störspektrum und die Motorwicklungsisolation !


Übersicht Kopplungsarten


• Symmetrische Störungen treten zwischen 2 oder mehr Leitungen im System auf, ohne die Erde (PE) als Pfad zu benutzen.

• Symmetrische Störungen sind oft niederfrequent.

• Symmetrische Störungen stehen meist im Zusammenhang mit den Taktfrequenzen von z.B. Motorantrieben und Schaltnetzteilen.

Symmetrische Störungen (symmetrisch -> differential mode DM)


• Asymmetrische Störungen treten in allen Leitungen in gleicher Richtung gegenüber dem Erdpotenzial auf .

• Asymmetrische Störungen sind oft hochfrequent.

• Asymmetrische Störungen sind oft das Ergebnis von parasitären Kapazitäten im System, z.B. zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper, sowie zwischen Leitern und Metallflächen generell.

Asymmetrische Störungen (asymmetrisch -> common-mode CM)


Netz

- Netzform, -spannung, - asymmetrie und -transienten

- Oberschwingungen in der Netzspannung (nieder- und höherfrequente)

Funkentstörfilter bzw. Funkentstörgrad

- EN61800-3, Kategorie C1 bis C4 und EN55011, Klasse B oder A

Frequenzumrichter

- Bemessungsleistung

- Taktfrequenz und Modulation, (AIC, AFE)

- Überlast-, statischer oder dynamischer

Betrieb des Antriebes

- Einschaltstrombegrenzung

Abhängigkeit der Ableitströme von verschiedenen Einflussfaktoren

EMC IN

SYSTEM

S

Motor(Generator)

Ausgangsfilter

- Motordrossel, du/dt-Filter, Sinusfilter

Kabel

- Schirmung, Länge, Aufbau und Montage

Motor

- Ausführung, Baugrösse und Montage


Ableitströme haben Netzfrequenz und höherfrequente Anteile

Anordung und Ausführung der Komponenten beeinflusst den Verlauf der Ableitströme

Kapazitive Kopplungsbereiche => Ableitströme

28 EMC IN

SYSTEM

S

Iab Ableitströme

Parasitäre Kapazitäten des Frequenzumrichters

Parasitäre Kapazitäten der Leitung und des Motors

Entstörkondensatoren


Ableitströme – Netz- und lastseitige Massnahmen

31 EMC IN

SYSTEM

S

Netzdrossel

Netzfilter Ableitstromarm

(ideal: 3Ph+N Filter)

Kabel möglichst kurz, geschirmt/ungeschirmt

Ausgangsfilter Motordrossel, du/dt - und Sinusfilter


Störeffekte bei Umrichtern – Einflüsse auf Netz- und Lastseite

Saubere und effiziente Energie

Motorschutz & Reduzierung von Störungen

Standard Erfüllung

du / dt

Differential Mode Voltage

Differential Mode Current

Harmonics

EMC / EMI

Frequency Inverter / Motor Drive(Energy regeneration inverter)

Rectifier ConverterDC Link

Motor(Generator)


LC Sinusfilter

U I

U I

Wirkung => Einfluss auf das Störspektrum und den Motor !

Sinusfilter


• Typische Spannungssteilheiten an den Motorklemmen für Frequenzumrichter-Antriebe mit netzgeführten Einspeisungen in Abhängigkeit von der Motorleitungslänge

• Die Norm IEC 60034-17 für drehende elektrische Maschinen legt die Grenzwerte für umrichtergespeiste Induktionsmotoren mit Käfigläufern fest.

Spannungssteilheit


Sinusfilter verbessern die EMV !

Ohne Sinusfilter Mit Sinusfilter SCHAFFNER EMV AG

1 PK

CLRWR

2 AV

CLRWR

6DB

150 kHz 30 MHz

TDF

dBµV

dBµV

RBW 9 kHz

MT 20 ms

PREAMP OFFAtt 10 dB AUTO

DC

13.Jan 14 13:40

1 MHz 10 MHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

14H-QP

14H-AV

Date: 13.JAN.2014 13:40:14

SCHAFFNER EMV AG

1 PK

CLRWR

2 AV

CLRWR

6DB

150 kHz 30 MHz

TDF

dBµV

dBµV

RBW 9 kHz

MT 5 ms

PREAMP OFFAtt 10 dB AUTO

DC

13.Jan 14 13:31

1 MHz 10 MHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

14H-QP

14H-AV

Date: 13.JAN.2014 13:31:15

41 dB

28 dB

51 dB 45 dB


Unerwünschte akustische Störeffekte verursacht durch Umrichter-Schaltfrequenzen können mit Sinusfiltern erheblich reduziert werden

Zusätzliche Halbleiterschaltverluste im Umrichter können durch Sinusfilter reduziert werden

Höhere Taktfrequenzen im Umrichter führen zu erheblichen Zusatzverlusten

Verursacht durch parasitäre Erdkapazitäten im System

Parasitäre Ströme werden vom FU gespiesen

Akustik – ein Systemrelevantes Anwendungskriterium


Strom-Reduktions-Faktor in Funktion der Umrichter Taktfrequenz

Quelle: Bsp. Sinamics Projektierungs Handbuch


Frequenzumrichter –Ausgang –> Vergleich der Lösungen

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Reduziert du/dt

Reduziert EMVStöreffekte

SchütztMotorisolation

ReduziertZusatzverluste im

Motor

ReduziertMotorgeräusche

ReduziertMotorlagerströme

ReduziertAbleitströme

Max.Motorkabellänge

Bauvolumen/Gewicht

Preis

ohne Drossel/Filter

Motordrossel

du/dt Filter

Sinusfilter DM

Sinusfilter DM & CM

Sinusfilter DM & CM


Netz

• Bemessungsspannung

Umrichter

• Taktfrequenz

• Modulationsart

• Statischer oder dynamischer Betrieb des Antriebes

• Umgebungsbedingungen (Temperatur …)

Auswahl und Auslegung von Sinusfilter

51 EMC IN

SYSTEM

S

Motor(Generator)

Installation

• Motorkabellänge und -typ

Antrieb

• Bemessungsspannung und - strom

• Motorfrequenz

• Lastzyklus und Überlastbetrieb


Umrichter Taktfrequenz beeinflusst die maximale Motorkabellänge

2 x fPWM reduziert Kabellänge um 50% !


Typische Anwendungen

Heizung

Lüftung

Klima

Pumpen

Förderbänder

Kompressoren

Zentrifugen

Mischer


Typische Industrien

(Petro)-Chemie

Zement

Metal

Bergbau

Oel und Gas

Zellstoff & Papier

Glas

Wasserwirtschaft

Infrastruktur (Tunnel)

Schwerindustrie


EMV

Reduziert leitungsgebundene Störeffekte auf der Last- und Netzseite.

Eliminiert grundsätzlich den Einsatz von EMV Filtern nicht.

=> Eine kombinierte EMV+Sinusfilter Lösung kann wirtschaftlich sinnvoll sein.

Installation

Reduziert Ableitströme und Akustische Störpegel

Ermöglicht den Einsatz von langen Motorkabel

Ermöglicht die Verwendung bestehender Installationen und Motoren

Motor/Antrieb

Reduziert Spannungsspitzen und Spannungsanstiegszeiten

Vermeiden von Lagerschäden

Schont die Motorisolation

Reduziert die Motorerwärmung und Verluste

Einsatz von Sinusfilter – Vorteile und Nutzen

Lebensdauer des Motors verlängern !


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Wir freuen uns auf Ihren Besuch:

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