Netzrückwirkungen in der elektrischen ... · Microsoft PowerPoint - EMV-Präsentation für...

Netzrückwirkungen in der Netzrückwirkungen in der elektrischen Antriebstechnikelektrischen Antriebstechnikelektrischen Antriebstechnikelektrischen AntriebstechnikEMV Fachtagung 2011EMV Fachtagung 2011Fredy ErbFredy ErbFredy ErbFredy Erb

AgendaAgendaAgendaAgendaAgendaAgendaAgendaAgenda

•• Control TechniquesControl Techniques•• Control TechniquesControl Techniques

•• Einsatzgebiete und Funktionsweise desEinsatzgebiete und Funktionsweise desEinsatzgebiete und Funktionsweise des Einsatzgebiete und Funktionsweise des FrequenzumrichterFrequenzumrichter

•• Störungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle Frequenzumrichter

N ü k i kN ü k i k d F i hd F i h•• Netzrückwirkungen Netzrückwirkungen des Frequenzumrichterdes Frequenzumrichter

EmersonEmersonEmersonEmersonEmersonEmersonEmersonEmerson

• AC, DC & Servo Drives AC, DC & Servo Drives

• Alternators

• Industrial Motors

• Solar Photovoltaic• Control Valves

• Measurement

• Compressors

• Controls

Devices

• Fractional Motors

• AC&DC Power Systems

• OEM Embedded Power

• Precision Cooling Systems

• Embedded Computing Systems

• Plumbing Tools• Healthcare

• Foodservice

• Garbage Disposal

A li • Wet/Dry Vacuums

• Pressing Tools / Jaws

• CCTV Inspection Systems

• Foodservice

• Commercial Storage Systems

• Residential

• Appliance Components

Control TechniquesControl TechniquesControl TechniquesControl TechniquesControl TechniquesControl TechniquesControl TechniquesControl Techniques

Ein führender Anbieter von anspruchsvollen Antrieben,Ein führender Anbieter von anspruchsvollen Antrieben,Antriebss stemen & Solar PVAntriebss stemen & Solar PV EnergEnerg

•• HauptsitzHauptsitz in Walesin Wales UKUK

Antriebssystemen & Solar PV Antriebssystemen & Solar PV EnergyEnergy

•• Hauptsitz Hauptsitz in Wales, in Wales, UKUK

•• Emerson Zugehörigkeit seit 1996Emerson Zugehörigkeit seit 1996

•• Personalbestand : Personalbestand : 1‘400 Mitarbeiter1‘400 Mitarbeiter

•• Modernste EntwicklungsModernste Entwicklungs--

Fertigungswerke Fertigungswerke

•• Globales Supportnetz mit 56 Drive Globales Supportnetz mit 56 Drive

Center in 27 Länder und weiteren 46 Center in 27 Länder und weiteren 46

V t i b t i 41 Lä dV t i b t i 41 Lä dVertriebspartner in 41 LändernVertriebspartner in 41 Ländern

Control Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques ProduktesortimentControl Techniques Produktesortiment

Einsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des FrequenzumrichterEinsatzgebiete des Frequenzumrichter

•• Was ist überhaupt ein Frequenzumrichter ?Was ist überhaupt ein Frequenzumrichter ?• Stellglied in der elektrischen Antriebstechnik für drehzahl-,

drehmoment- oder positionsgeregelte Elektromotoren.

• Einsatz in Industrie, Maschinenbau, Gebäudetechnik, Haushalt… Also überall dort, wo Elektromotoren eingesetzt werden.

Funktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des Frequenzumrichter

•• Komponenten in einem FrequenzumrichterKomponenten in einem Frequenzumrichter

+

MSMPS

EINGANGSGLEICHRICHTER

-

EINGANGSGLEICHRICHTER

• Ein- oder Dreiphasengleichrichterbrücke

• Eingangsgleichrichter wird für die Gleichrichtung der Eingangs-Wechselspannung benötigt

Funktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des FrequenzumrichterFunktionsweise des Frequenzumrichter



+

MSMPS

ZWISCHENKREIS SPANNUNG

-

ZWISCHENKREIS SPANNUNG

• Die Drosselspule und der Kondensatoren glätten die gleichgerichtete DC-Zwischenkreisspannung und wirken als Energiepuffer

• DC-Spannung = AC-Eingangsspannung x √2 = 400V x √2 = 565V




+

MSMPS

SMPS - INTERNE SPANNUNGSVERSORGUNG

-

SMPS INTERNE SPANNUNGSVERSORGUNG

• Schaltnetzteil erzeugt alle intern benötigten Spannungen für Prozessor, Encoder, I/O

BREMSCHOPPER

• Bremschopperschaltung für die Schaltung des externen Bremswiderstand




+

MSMPS

FREQUENZUMRICHTERAUSGANG

-

FREQUENZUMRICHTERAUSGANG

• Einsatz von IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) als sehr schnell schaltendes Schaltelement

• Verlustleistung durch hohe Schaltfrequenz = Wärme


•• Schaltung der IBGTSchaltung der IBGT Referenz - Signal

S h ltf


SchaltfrequenzPULSBREITEN MODULATION( Pulse Width Modulation = PWM )

• Zwischenkreisspannung wird durch

+VDC (565V)Ausgangsspannung

Zwischenkreisspannung wird durch IGBT in Impulse verschiedener Breite zerhackt

Schaltfrequenz ist wählbar• Schaltfrequenz ist wählbar

• Impulshöhe = Zwischenkreisspannung

• Durch Impulse verschiedener Breite

Ausgangsstrom

Durch Impulse verschiedener Breite wird Ausgangs-Spannung für Motor definiert

• Durch Induktivität von Motor fliesst• Durch Induktivität von Motor fliesst sinusförmiger Strom

Störungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle Frequenzumrichter

•• Entstehung von StörungenEntstehung von Störungen

Die Störungen vom Frequenzumrichter entstehen durch:Die Störungen vom Frequenzumrichter entstehen durch:

• Eingangsgleichrichter

ü O> Netzrückwirkungen durch Harmonische Oberwellen

> Einschalt- und Spitzenströme

• DC-Zwischenkreis / BremschopperDC-Zwischenkreis / Bremschopper

> Hochfrequente Störgrössen durch pulsierende Schaltung von Bremschopper (hohes du/dt)

• Frequenzumrichterausgang

> Hochfrequente Störgrössen durch pulsierende Schaltung von IGBT (hohes du/dt)( )

> Parasitäre Erdströme

> Akustische Störgeräuschpegel bei tiefen Taktfrequenzen

Störungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle Frequenzumrichter

•• Ausbreitung von StörsignalenAusbreitung von Störsignalen

Die Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen erfolgt durch:Die Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen erfolgt durch:

• Galvanische Kopplung

> Leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.B. durch gemeinsame Spannungs- oder Erdverbindungen

Induktive Kopplung• Induktive Kopplung

> Nicht leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.B. durch Kabelschleifen

• Kapazitive Kopplung

> Nicht leitungsgebundene Störungen > Entstehen z.B. durch parallel geführte Leitungengeführte Leitungen

Störungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle Frequenzumrichter

•• Auswirkungen der StörungenAuswirkungen der Störungen

Störungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle FrequenzumrichterStörungsquelle Frequenzumrichter

Die Störungen vom Frequenzumrichter können sich auswirken auf:Die Störungen vom Frequenzumrichter können sich auswirken auf:

• Umgebung

> Beeinflussung von empfindlichen Signalleitungen durch leitungsgebundene und nicht leitungsgebundene Störungen

• Beeinträchtigung der Spannungsversorgung / EWBeeinträchtigung der Spannungsversorgung / EW

> Harmonische Oberwellen

> Einschalt- und Spitzenströme

• Motorschäden

> Wirbelstromverluste / Erwärmung

> Defekt Isolation bei alten Motoren

> Parasitäre Erdströme

Installation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des FrequenzumrichterInstallation des Frequenzumrichter

•• Massnahmen zur Reduktion der Störeinflüsse durch Massnahmen zur Reduktion der Störeinflüsse durch t h d E dt h d E d d EMVd EMV K tK tentsprechendes Erdungsentsprechendes Erdungs-- und EMVund EMV--KonzeptKonzept

• Schrankaufbau und Leitungsverlegung mit Ordnungstrennung der Signalkabel / LeistungskabelSignalkabel / Leistungskabel

• Leitungen auf Filtereingang / Filterausgang getrennt verlegen

• Reserveschlaufen vermeiden

• Geringste Kopplung bei 90°-Kreuzung

• Zentrale Erdschiene / Potentialausgleich

• Grossflächige Erdverbindungen / Lackierte Grundplatte vermeiden

• Geschirmtes Kabel für Motorleitung / Bremswiderstand > Grossflächige beidseitige Schirmauflage > Abschirmung direkt bis zu FU / Motor führenbeidseitige Schirmauflage > Abschirmung direkt bis zu FU / Motor führen

• Skin-Effekt bei Hochfrequenzen > Erdung durch Litze oder geflochtenes Kupferband

Relevante NormenRelevante NormenRelevante NormenRelevante Normen

•• Geräte EmissionsGeräte Emissions--LimitenLimiten


• EN 61000-3-2 Grenzwerte für Oberschwingungsströme ≤16A die zum Anschluss an das öffentliche Versorgungsnetz vorgesehen sind.

• EN6100 3 12 Grenzwerte für Oberschwingungsströme >16A und ≤75A• EN6100-3-12 Grenzwerte für Oberschwingungsströme >16A und ≤75A, die zum Anschluss an das öffentliche Versorgungsnetz vorgesehen sind.

• EN61000-3-3 Spannungsänderung und Flickerlimiten ≤16A

• EN61000-3-11 Spannungsänderung und Flickerlimiten >16A

• EN61000-4-7 Definition für die Messung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen.


•• EN 50160 EN 50160 -- Merkmale der Spannung in öffentlichen Merkmale der Spannung in öffentlichen El kt i ität tEl kt i ität t


ElektrizitätsversorgungsnetzenElektrizitätsversorgungsnetzen

• Diese Europäische Norm definiert, beschreibt und spezifiziert die wesentlichen Merkmale der Spannungsversorgung an derwesentlichen Merkmale der Spannungsversorgung an der Übergabestelle.

Relevante NormenRelevante Normen –– Technische RegelnTechnische RegelnRelevante NormenRelevante Normen –– Technische RegelnTechnische Regeln

•• DD--AA--CHCH--CZ CZ –– Technische Regeln zur Beurteilung von Technische Regeln zur Beurteilung von N t ü k i kN t ü k i k

Relevante Normen Relevante Normen Technische RegelnTechnische RegelnRelevante Normen Relevante Normen Technische RegelnTechnische Regeln

NetzrückwirkungenNetzrückwirkungen

• 2.Ausgabe von 2007

• Dokument welches die fachtechnischen Grundlagen für die praktische Umsetzung der Spannungsqualitäts-Normen regelt.

NetzimpedanzNetzimpedanzNetzimpedanzNetzimpedanz

•• Zusammenhang zwischen Netzimpedanz und Zusammenhang zwischen Netzimpedanz und N t ü k i kN t ü k i k



Kleinere Kurzschluss-leist ng SkV

Höhere Grössere

Kurzschluss-Impedan ZkV leistung SkV

des Netzes am Verknüpfungs-

punkt

Netzrück-wirkungen

!!

Impedanz ZkVdes Netzes am Verknüpfungs-

punkt punkt !!punkt

SkV = Uv2 / ZkV


•• Zusammenhang zwischen Netzimpedanz und Zusammenhang zwischen Netzimpedanz und N t ü k i kN t ü k i k



• Die Kurzschlussimpedanz des Netzes ist die Beurteilungsbasis für alle Arten von Netzrückwirkungenalle Arten von Netzrückwirkungen.

• In der Regel ist die Bestimmung der Kurzschlussimpedanz mittels NS-Verteiltransformator und NS-Leitung hinreichend genau.g g

OberschwingungenOberschwingungenOberschwingungenOberschwingungen

•• Entstehung von OberschwingungenEntstehung von Oberschwingungen


• Eine gleich bleibende periodische Abweichung der Netzspannung von der Sinusform = Spannungsverzerrung

• Eine gleich bleibende periodische Abweichung der Netzstrom von der Sinusform = nichtsinusförmige Stromaufnahme

• >> Grafik Spannungsverzerrung

• >> Grafik nichtsinusförmige Stromaufnahme>> Grafik nichtsinusförmige Stromaufnahme

• Nichtlineare Lasten wie Schaltnetzteile Dimmer Motoren• Nichtlineare Lasten wie Schaltnetzteile, Dimmer, Motoren, Frequenzumrichter Stromrichter


•• Merkmale typischer OberschwingungserzeugerMerkmale typischer Oberschwingungserzeuger



•• Verträglichkeitspegel und EmissionsgrenzwerteVerträglichkeitspegel und Emissionsgrenzwerte


• Spezifikation Verträglichkeitspegel

• >> Grafik Seite 90 DACHCZ

• Spezifikation Emissionsgrenzwerte

• >> Grafik Seite 91 DACHCZ


•• Beurteilung der Einhaltung der GrenzwerteBeurteilung der Einhaltung der Grenzwerte


• Einfaches Beurteilungsschema aufzeigen…


•• Probleme durch erhöhte OberschwingungsbelastungProbleme durch erhöhte Oberschwingungsbelastung


• Verkürzung der Lebensdauer von Kondensatoren und Motoren infolge thermischer Zusatzlast

• Schlechter Leistungsfaktor durch erhöhten Blindleistungsanteil

• Akustische Störungen bei Betriebsmittel mit elektromagnetischen Kreisen (Drosseln, Transformatoren und Motoren)Kreisen (Drosseln, Transformatoren und Motoren)

• Überlastung des Neutralleiter

• Funktionsstörungen bei elektronischen GerätenFunktionsstörungen bei elektronischen Geräten

• Fehlfunktionen von Rundsteuerempfängern und Schutzeinrichtungen


•• Abhilfe / Reduktion OberschwingungsbelastungAbhilfe / Reduktion Oberschwingungsbelastung


• Einsatz von Geräten mit geringem Gesamtoberschwingungsgehalt THDi des Stromes

• Einsatz von Frequenzumrichter mit AFE (ActivFrontEnd)

• Zusätzliche Verdrosselung /Saugkreisanlage

• 12-Pulsschaltung für Eingangsgleichrichter

• Aktiv Filter / aktive Oberschwingungskompensation

• Leitungsverstärkungen / Erhöhung der Transformatorleistung

Applikationsbeispiel aus der PraxisApplikationsbeispiel aus der PraxisApplikationsbeispiel aus der PraxisApplikationsbeispiel aus der Praxis

•• Liftantrieb mit AFELiftantrieb mit AFE--Netzrückspeisung für Netzrückspeisung für B hB h H d liH d li


Bucher Bucher HydraulicsHydraulics

Regen-Drive-Schaltung Motoring-Drive-Schaltung

DC-Zwischenkreis

K3Kombifilter

K2

LadeschützRegen-Drive Schütz

Regen-Drossel

SP2403 Pn = 11kW / 400VIn = 25AIpeak = 40A

SP 2403Regen-ModePn= 11kW bei 400VIn = 25A

AC-Sicherung

Varistor-netzwerk

AC-Sicherung

Typ gRL

Hauptschalter

Asynchronmotor mit Drehzahlrückführung

Pn max mit SP2403 = 11kWLiftsteuerung

Einspeisung

3x400V 50Hz


•• Demomodel 6Demomodel 6--PulsPuls--Schaltung / AFESchaltung / AFE--NetzrückspeisungNetzrückspeisung


ZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassung

•• Achten Sie bei der Planung und Installation von Achten Sie bei der Planung und Installation von Frequenzumrichter immer auf die drei PunkteFrequenzumrichter immer auf die drei PunkteFrequenzumrichter immer auf die drei PunkteFrequenzumrichter immer auf die drei Punkte

• Erdung / Potentialausgleich / Schirmung

• Filterung

• Netzrückwirkungen

•• SchlusswortSchlusswort

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