Auswahl von Netzdrosseln und Ausgangsfiltern für Frequenzumrichter

Eine VFD-Installation kann unter zwei unterschiedlichen elektrischen Problemen leiden, die häufig unter dem Begriff „Störungen“ zusammengefasst werden. Auf der Versorgungsseite zieht der Gleichrichter des Antriebs nichtsinusförmigen Strom und kann das vorgeschaltete Netz stören. Auf der Motorseite laufen schnelle PWM-Spannungsflanken durch das Kabel und können die Isolierung, Lager und benachbarte Signalleitungen belasten. Ein Drosselglied oder Filter muss daher passend zur Seite des Antriebs und zum gemessenen Problem ausgewählt werden.

Netzseite und Lastseite getrennt betrachten

Eine Netzeingangsdrossel ist eine in Reihe geschaltete Induktivität, die vor dem VFD installiert wird. Ihre Impedanz begrenzt die Geschwindigkeit von Stromänderungen. Sie kann Netzstörungen abschwächen, Stromspitzen reduzieren und eine nützliche Impedanz hinzufügen, wenn der Versorgungstransformator im Verhältnis zum Antrieb eine geringe Impedanz aufweist. Sie verursacht jedoch auch einen Spannungsabfall und Wärme und sollte daher nicht als universelle Lösung betrachtet werden.

Eine Ausgangsdrossel wird zwischen Wechselrichter und Motor installiert. Sie wirkt auf die vom Antrieb ausgehende PWM-Wellenform. Ihr Zweck unterscheidet sich von dem einer Eingangsdrossel: Sie kann Spitzenströme reduzieren, die Spannungsanstiegszeit mäßigen und bei bestimmten Motor-Kabel-Anwendungen helfen. Ob sie ausreicht, hängt von der Antriebsspannung, der Schaltfrequenz, der Motorisolierung, dem Kabeltyp, der Kabellänge und den Grenzwerten des VFD-Herstellers ab.

Ein Oberschwingungsfilter gehört auf die Eingangsseite und zielt auf niederfrequente Stromoberschwingungen. Ein dV/dt-Filter oder Sinusfilter gehört auf die Ausgangsseite. Ein dV/dt-Filter reduziert die Steilheit und den Spitzenwert der Spannungspulse. Ein Sinusfilter unterdrückt hochfrequente Ausgangsanteile stärker und stellt dem Motor eine Wellenform bereit, die eher einer Sinuswelle entspricht. Diese Geräte sind nicht austauschbar.

Was eine Eingangsdrossel leisten kann und was nicht

Ein Sechspulsantrieb lädt seinen Gleichspannungszwischenkreis über einen Diodengleichrichter. Strom wird in Pulsen nahe den Scheitelwerten der Wechselspannungswellenform aufgenommen. Das Hinzufügen einer Netzdrossel oder die Verwendung eines Antriebs mit Gleichstromdrossel verteilt diese Strompulse und kann die gesamte harmonische Stromverzerrung verringern. ABB unterscheidet in seinen Leitlinien zur Oberschwingungsminderung diese moderate Verbesserung von einem abgestimmten passiven Filter oder einem Antrieb mit aktivem Frontend.

Die Drossel sorgt außerdem für eine gewisse Entkopplung von Netzkerben und transienten Ereignissen. Sie ist jedoch kein Überspannungsschutzgerät und begrenzt die Spannung nicht wie ein SPD. Sie kann nicht jedes Problem der Netzqualität beheben. Starke Spannungsunsymmetrie, wiederholte Unterspannung, Resonanz oder eine schwache Generatorversorgung erfordern eine systemweite Untersuchung.

Vor der Spezifikation einer Drossel sollten die Transformatorleistung und -impedanz, der verfügbare Kurzschlussstrom, der Eingangsstrom des Antriebs, vorhandene Kondensatoren, der Generatorbetrieb und das gemessene Oberschwingungsspektrum erfasst werden. Ein Aufdruck der Prozentimpedanz allein beweist nicht, dass die fertige Installation einen Oberschwingungsgrenzwert einhalten wird.

Auswahl einer Lösung für die Ausgangsseite

Der Wechselrichter erzeugt Spannungspulse mit schnellen Flanken. An den Motorklemmen können Kabelimpedanz und Reflexionswelleneffekte die Spitzenspannung über den am Antrieb beobachteten Wert hinaus erhöhen. Das Risiko nimmt im Allgemeinen mit Kabellänge, Spannung, Schaltverhalten und dem Zustand der Motorisolierung zu. Es gibt keinen allgemein sicheren Grenzwert für die Kabellänge.

Das Hardware-Handbuch des Antriebs ist als maßgebliche Referenz heranzuziehen. Es sollte die zulässige Motorkabellänge festlegen und angeben, wann eine Ausgangsdrossel, ein dV/dt-Filter, ein Gleichtaktfilter, ein isoliertes Lager, eine Erdungsbürste oder ein Sinusfilter erforderlich ist. ABB weist darauf hin, dass Sinusfilter Tiefpassnetzwerke aus Drosseln und Kondensatoren sind. Sie unterdrücken hochfrequente Ausgangsspannungsanteile und werden beispielsweise bei besonders langen Motorkabeln, Aufwärtstransformatoren oder älteren Motoren eingesetzt.

Ein Sinusfilter kann außerdem Grenzwerte für Ausgangsfrequenz, Schaltfrequenz, Kabelanordnung oder die Dimensionierung des Antriebs vorgeben. Seine Kondensatoren ziehen auch bei geringer mechanischer Last Strom. Betrachten Sie Antrieb, Filter, Kabel und Motor als ein gemeinsam ausgelegtes System.

Ein praxisnaher Auswahlablauf

1. Symptom bestimmen

Beginnen Sie nicht mit einer Komponente. Ermitteln Sie, ob das Problem in einer Verzerrung des Eingangsstroms, störenden Überspannungsauslösungen, einer Spitzenspannung an den Motorklemmen, Lagerströmen, leitungsgebundenen EMV-Störungen, abgestrahlten Störungen oder hörbaren Motorgeräuschen besteht. Ein einzelnes Zubehörteil löst selten alle diese Probleme.

2. An den richtigen Punkten messen

Für Netzharmonische sollten Spannung und Strom am Netzverknüpfungspunkt unter repräsentativer Last erfasst werden. Für Ausgangsprobleme sind Messgeräte und Tastköpfe zu verwenden, die für PWM-Antriebswellenformen zugelassen sind. Ein Standardmultimeter kann weder die Anstiegszeit noch die Spitzen von Reflexionswellen sichtbar machen.

3. Kombinationen des Herstellers prüfen

Bestätigen Sie, dass die Drossel oder der Filter für die genaue Antriebsserie, Spannungsklasse, den Dauerstrom, den Überlastbetrieb und die Ausgangsfrequenz zugelassen ist. Beachten Sie Anforderungen an Gehäuse, Belüftung, Leiter, Erdung und Abstände. Prüfen Sie außerdem die Motorisolierung und die Anordnung der Lager.

4. Extreme Betriebsbedingungen modellieren

Prüfen Sie niedrige und hohe Last, Bypass-Betrieb, generatorische Bedingungen, Generatorversorgung, lange Leitungen, mehrere Motoren und das Schalten von Kondensatoren. ABB warnt, dass passive Oberschwingungsfilter bei geringer Last einen kapazitiven Leistungsfaktor erzeugen und durch Resonanz mit anderen Kondensatoren wechselwirken können.

5. Mit Messdaten in Betrieb nehmen

Erfassen Sie Netzspannung, Phasenstrom, Verhalten des Gleichspannungszwischenkreises, gegebenenfalls die Wellenform an den Motorklemmen, Filtertemperatur, Antriebsalarme und die Schwingungsreferenzwerte. Wiederholen Sie die Messungen, nachdem die Maschine normale thermische Bedingungen erreicht hat. Bewahren Sie diese Aufzeichnungen zusammen mit den Antriebsparametern und dem Einlinienschaltbild auf.

Installationsdetails, die das Ergebnis bestimmen

Platzieren Sie Eingangskomponenten gemäß den Zeichnungen des Antriebs und des Filters. Installieren Sie nicht versehentlich einen passiven Eingangsoberschwingungsfilter am Ausgang; ABB nennt dies ausdrücklich als Risiko bei der Koordination vor Ort. Halten Sie die Leitungen zwischen Ausgangsfilter und Antrieb kurz, sofern dies vom Hersteller gefordert wird. Führen Sie Motorleitungen getrennt von niederpegeligen Analog-, Encoder- und Kommunikationskabeln.

Verwenden Sie eine durchgängige Schutzpotentialausgleichsverbindung und schließen Sie abgeschirmte Motorkabel gemäß den Vorgaben an. Filter können eine mangelhafte Erdung oder unkontrollierte Kabelführung nicht kompensieren. Prüfen Sie die Oberflächentemperaturen von Drossel und Filter, da beide Verluste im Gehäuse verursachen.

Technische Abgrenzung

Drosseln sind nützliche Impedanzelemente, während Filter frequenzselektive Netzwerke sind. Ihr Nutzen entsteht durch die Abstimmung des Geräts auf einen gemessenen Mechanismus. Für verwandte Hardware können Sie unsere VFD- und AC-Antriebskollektion sowie unser umfassenderes Sortiment für Antriebe und Bewegungssteuerung ansehen. ABBs technischer Hinweis zur Oberschwingungsminderung und die Filterhinweise zum ACQ580 bieten nützlichen Herstellerkontext. Die endgültige Auswahl muss dennoch den Handbüchern des installierten Antriebs und Motors folgen.