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The Schaffner Group Charles Vanhouteghem Product Marketing Manager
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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)
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Ursachen elektromagnetischer Störungen => Spannungsverzerrungen
Schaltimpulse ! Umrichter
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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.
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Standard Erfüllung – Umgebungsnorm EN55011 & Produktnorm EN61800-3
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
du/dt & Überspannung am Ausgang von Umrichtern – IEC60034-17/-25
Wirkung => Einfluss auf das Störspektrum und die Motorwicklungsisolation !
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Übersicht Kopplungsarten
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
• 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)
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
• 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)
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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)
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
LC Sinusfilter
U I
U I
Wirkung => Einfluss auf das Störspektrum und den Motor !
Sinusfilter
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
• 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 und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Strom-Reduktions-Faktor in Funktion der Umrichter Taktfrequenz
Quelle: Bsp. Sinamics Projektierungs Handbuch
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Umrichter Taktfrequenz beeinflusst die maximale Motorkabellänge
2 x fPWM reduziert Kabellänge um 50% !
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Typische Anwendungen
Heizung
Lüftung
Klima
Pumpen
Förderbänder
Kompressoren
Zentrifugen
Mischer
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Typische Industrien
(Petro)-Chemie
Zement
Metal
Bergbau
Oel und Gas
Zellstoff & Papier
Glas
Wasserwirtschaft
Infrastruktur (Tunnel)
Schwerindustrie
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
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 !
Sinusfilter und ihr Einfluss auf die EMV
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Wir freuen uns auf Ihren Besuch:
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