Wie Netzdrosseln Frequenzumrichter vor Netzstörungen und Überlastungen schützen

Ein Frequenzumrichter mit Diodengleichrichter und kapazitivem DC-Zwischenkreis nimmt einen impulsförmigen Strom aus dem Netz auf. Seine Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz beschränken sich deshalb nicht auf die Wirkleistung, die der Motor benötigt. Schmale Ladeimpulse der Zwischenkreiskondensatoren erhöhen den Oberschwingungsanteil, den Spitzenstrom und die Belastung der Komponenten im Einspeisepfad.

Auch lesenswert: Fakten und Mythen über PVC-Fenster

Eine vor dem Frequenzumrichter installierte Drossel fügt eine definierte induktive Reaktanz hinzu. Dadurch werden schnelle Stromänderungen begrenzt und der Umrichter bis zu einem gewissen Grad von Netzstörungen entkoppelt. Ihre Wirkung sollte jedoch gleichzeitig im Zeitbereich, im Frequenzbereich und im Hinblick auf die Spannungsbilanz betrachtet werden.

Auch lesenswert: Der Einfluss der Trommelgummierung auf die Effizienz und Langlebigkeit von Förderbändern

Wie verändert eine Netzdrossel den vom Frequenzumrichter aufgenommenen Strom?

Eine Netzdrossel reduziert die Amplitude und die Steilheit der Stromimpulse, die zum Eingangsgleichrichter des Frequenzumrichters fließen. Die Induktivität wirkt schnellen Stromänderungen gemäß der Beziehung u_L = L · di/dt entgegen.

Auch lesenswert: Solutions modernes pour l'économie d'énergie grâce aux fenêtres adaptées

Dadurch vergrößert sich der Leitwinkel der Gleichrichterdioden und der Spitzenwert des Ladestroms der DC-Zwischenkreiskondensatoren sinkt.

Ohne zusätzliche Reaktanz nimmt ein Frequenzumrichter Energie hauptsächlich in der Nähe der Maxima der Netzspannung auf, wenn die Netzspannung die momentane Kondensatorspannung übersteigt. Durch das Hinzufügen einer Induktivität wird di/dt reduziert und der Eingangsstrom verläuft weniger impulsförmig.

Diese Veränderung verringert einen Teil der für einen sechspulsigen Gleichrichter typischen Oberschwingungen. Die Drossel macht aus dem Eingangsstrom jedoch keine ideale Sinusform.

Netzdrosseln werden auf der Versorgungsseite von Frequenzumrichtern und anderen leistungselektronischen Geräten eingesetzt, um den Einfluss von Netzstörungen auf das Gerät sowie die vom Umrichter verursachten Netzrückwirkungen zu reduzieren.

Zu den wichtigsten elektrischen Auswirkungen gehören:

• geringerer Spitzenstrom – der Ladestrom der Zwischenkreiskondensatoren steigt weniger abrupt an als bei einer sehr niedrigen Eingangsimpedanz;

• geringeres di/dt – die Reaktanz begrenzt die Stromänderung beim Umschalten zwischen den leitenden Diodenpaaren;

• Reduzierung bestimmter Oberschwingungen – ein weniger impulsförmiger Strom reduziert einen Teil der durch den nichtlinearen Gleichrichter erzeugten Harmonischen;

• geringere Belastung der DC-Zwischenkreiskondensatoren – niedrigere Stromspitzen können den durch die Kondensatoren fließenden Ripplestrom reduzieren;

• Begrenzung bestimmter Stoßströme – die zusätzliche Impedanz verringert die Amplitude einiger kurzzeitiger Überströme auf der Netzseite;

• höhere vom Gleichrichter gesehene Netzimpedanz – der Frequenzumrichter reagiert weniger empfindlich auf sehr niedrige Quellenimpedanzen und schnelle Stromtransienten.

Die Wirksamkeit hängt deshalb nicht allein von der Induktivität der Drossel ab, sondern auch von der Impedanz des speisenden Transformators und der Zuleitungen.

Dieselbe Netzdrossel kann in einem „steifen“ Netz mit hoher Kurzschlussleistung eine andere Wirkung haben als in einer Installation, deren vorhandene Netzimpedanz bereits relativ hoch ist.

Warum reduziert eine Netzdrossel Oberschwingungen, ohne sie vollständig zu beseitigen?

Eine Netzdrossel reduziert den THDi vor allem dadurch, dass sie Dauer und Amplitude der Stromleitung im Eingangsgleichrichter verändert. Sie beseitigt jedoch nicht den nichtlinearen Charakter einer sechspulsigen Diodenbrücke.

Bei einem solchen Gleichrichter treten charakteristische Oberschwingungen der Ordnung h = 6k ± 1 auf, darunter insbesondere die 5., 7., 11. und 13. Harmonische.

Oberschwingungen in Antriebssystemen entstehen durch die nichtlineare Stromaufnahme der Leistungselektronik. Ihre Höhe hängt zusätzlich von der Impedanz des gesamten Versorgungssystems ab.

Eine Netzdrossel verändert das Stromspektrum positiv, bleibt jedoch eine vergleichsweise einfache passive Maßnahme.

Eine Erhöhung der Induktivität führt außerdem nicht unbegrenzt zu einer proportionalen Verbesserung. Ab einem bestimmten Reaktanzniveau wird die weitere Glättung des Stromverlaufs zunehmend durch die Topologie des Gleichrichters begrenzt.

Wenn ein sehr niedriger THDi von nur wenigen Prozent gefordert wird, kommen daher weitergehende Lösungen zum Einsatz, beispielsweise:

• speziell ausgelegte passive Oberschwingungsfilter,

• aktive Filter,

• Active-Front-End-Systeme,

• andere Gleichrichtertopologien mit geringer Netzrückwirkung.

Speziell für Antriebssysteme ausgelegte passive Oberschwingungsfilter können bei Nennlast beispielsweise THDi-Werte im Bereich von etwa 5–10 % erreichen und damit deutlich stärker wirken als eine einfache Eingangsdrossel.

Wie schützt eine Netzdrossel den Frequenzumrichter vor Netzstörungen und Überlastungen?

Eine Eingangsdrossel begrenzt Ströme, die durch kurzzeitige Spannungsänderungen hervorgerufen werden, und erhöht die Impedanz zwischen Versorgungsnetz und Gleichrichter.

Dadurch führen bestimmte transiente Vorgänge nicht zu einem ebenso abrupten Stromanstieg in den Eingangskomponenten des Frequenzumrichters.

Besonders relevant ist dies in Netzen mit hoher Kurzschlussleistung. Eine sehr geringe Quellenimpedanz könnte dort hohe transiente Ströme ermöglichen.

Eine Netzdrossel ersetzt weder einen Überspannungsschutz noch ein Überstromschutzorgan. Sie verändert jedoch die Dynamik des Energieflusses zwischen Netz und Umrichter.

Im Eingangspfad können insbesondere folgende Effekte begrenzt werden:

• Stoßströme,

• schnelle Stromänderungen,

• Ladeimpulse der Zwischenkreiskondensatoren,

• ein Teil der Oberschwingungsströme,

• Auswirkungen kurzer Netztransienten,

• Belastungen des Eingangsgleichrichters.

Die erforderliche Induktivität muss jedoch immer zusammen mit dem zulässigen Spannungsfall und der tatsächlichen Quellenimpedanz betrachtet werden.

Eine zu hohe Reaktanz kann die am DC-Zwischenkreis verfügbare Spannung reduzieren und den Spannungsreservebereich des Frequenzumrichters bei niedriger Netzspannung verkleinern.

Netzdrossel, DC-Zwischenkreisdrossel und Motordrossel erfüllen unterschiedliche Aufgaben

Eine vor dem Frequenzumrichter installierte Netzdrossel wirkt in erster Linie auf den aus dem Versorgungsnetz aufgenommenen Strom. Eine DC-Drossel arbeitet dagegen im Zwischenkreis, während eine Motordrossel auf der Ausgangsseite des Frequenzumrichters angeordnet wird.

Eine DC-Zwischenkreisdrossel reduziert ebenfalls die Stromwelligkeit und kann einen Teil der netzseitigen Oberschwingungen verringern. Da sie sich jedoch hinter dem Gleichrichter befindet, unterscheidet sich ihr Einfluss auf Störungen, die unmittelbar aus dem Netz kommen.

Eine Motordrossel wird zwischen Frequenzumrichter und Motor installiert. Ihre Aufgabe liegt vor allem darin, die Belastung des Motors und der Leitung durch den getakteten Ausgang des Frequenzumrichters zu reduzieren. Sie kann unter anderem Spannungsspitzen und hohe Spannungssteilheiten am Motor begrenzen, was insbesondere bei längeren Motorleitungen relevant ist.

Diese drei Einbauorte erfüllen unterschiedliche technische Funktionen und die jeweiligen Drosseln sollten nicht als beliebig austauschbare Komponenten betrachtet werden.

Wie wird die Impedanz einer Netzdrossel für einen konkreten Antrieb ausgewählt?

Die Impedanz der Drossel sollte anhand des Bemessungsstroms des Frequenzumrichters, der Kurzschlussleistung der Quelle und des zulässigen Spannungsfalls ausgewählt werden – nicht allein anhand der Motorleistung.

Netzdrosseln werden häufig über ihre prozentuale Impedanz bezogen auf die Bemessungsdaten beschrieben. Typische Werte sind beispielsweise 3 % und 5 %.

Eine höhere Impedanz begrenzt Spitzenströme und Oberschwingungen stärker, erhöht gleichzeitig jedoch den Spannungsfall und die Eigenverluste im Einspeisepfad.

Bei der Auslegung sollten insbesondere berücksichtigt werden:

• Bemessungsspannung,

• Bemessungsstrom,

• Netzfrequenz,

• vorhandene Netzimpedanz,

• Leistung des speisenden Transformators,

• zulässiger Spannungsfall,

• erforderliche Oberschwingungsreduzierung,

• thermische Betriebsbedingungen.

Inducto entwickelt magnetische Komponenten für die jeweiligen technischen Anforderungen einer Anwendung. Die konkrete Auslegung einer Netzdrossel sollte auf den tatsächlichen Spannungs-, Strom- und Frequenzwerten sowie den Betriebsbedingungen des jeweiligen Antriebssystems basieren.

Eine Drossel auf der Netzseite reduziert die Impulsförmigkeit des Eingangsstroms und entlastet den Gleichrichter des Frequenzumrichters. Sie reduziert einen Teil der Oberschwingungen, ersetzt jedoch keinen speziell dafür ausgelegten Oberschwingungsfilter, wenn sehr niedrige THDi-Werte gefordert sind.

Die zusätzliche Reaktanz kann die Widerstandsfähigkeit des Eingangspfads gegenüber bestimmten transienten Netzereignissen verbessern, verursacht gleichzeitig aber einen Spannungsfall und zusätzliche Verluste.

Die Auslegung sollte deshalb sowohl die Netzqualität als auch die Spannungsbedingungen des Frequenzumrichters berücksichtigen.

Das Wichtigste zur Wirkung von Netzdrosseln am Frequenzumrichter

• Die induktive Reaktanz im Eingangspfad reduziert die Steilheit und den Spitzenwert der Stromimpulse des Gleichrichters.

• Ein größerer Leitwinkel der Dioden reduziert den impulsförmigen Charakter der Stromaufnahme und damit einen Teil der typischen Oberschwingungen eines sechspulsigen Gleichrichters.

• Die zusätzliche Impedanz zwischen Netz und Umrichter kann die Amplitude bestimmter Stoßströme bei Netzstörungen reduzieren.

• Eine Netzdrossel ersetzt keinen aktiven oder passiven Oberschwingungsfilter, wenn ein sehr niedriger THDi gefordert wird.

• Eine zu hohe Induktivität kann die am DC-Zwischenkreis verfügbare Spannung verringern und zusätzliche Verluste verursachen.

• Netzdrossel, DC-Zwischenkreisdrossel und Motordrossel wirken an unterschiedlichen Stellen des Frequenzumrichters und erfüllen unterschiedliche Aufgaben.

FAQ

Kann eine Netzdrossel den Leistungsfaktor eines Frequenzumrichters verbessern?

Ja, sie kann den Gesamtleistungsfaktor verbessern, indem sie die Verzerrung des Eingangsstroms reduziert. Durch einen niedrigeren THDi kann sich der sogenannte Verzerrungsleistungsfaktor verbessern.

Dieser Effekt darf jedoch nicht mit einer klassischen Blindleistungskompensation verwechselt werden. Ein Diodengleichrichter mit kapazitivem DC-Zwischenkreis ist vor allem eine nichtlineare Last.

Ist eine externe Netzdrossel erforderlich, wenn der Frequenzumrichter bereits eine DC-Drossel besitzt?

Nicht immer. Eine integrierte DC-Drossel kann bereits einen erheblichen Teil der Stromimpulse und Oberschwingungen reduzieren.

Bevor eine zusätzliche externe Netzdrossel eingesetzt wird, sollten deshalb die Topologie des Frequenzumrichters und die Herstellerangaben zur erforderlichen Netzimpedanz geprüft werden.

Der zusätzliche Baustein sollte einen klar definierten Zweck erfüllen, beispielsweise die Reduzierung von Oberschwingungen, die Begrenzung von Stromspitzen oder eine stärkere Entkopplung von Netzstörungen.

Begrenzt eine Netzdrossel Überspannungen genauso wie ein Überspannungsschutzgerät?

Nein. Eine Netzdrossel begrenzt schnelle Stromänderungen und verändert die Impedanz des Strompfads bei transienten Vorgängen. Sie ist jedoch nicht dafür ausgelegt, die Amplitude einer Überspannung auf einen definierten Schutzpegel zu begrenzen.

Für den eigentlichen Überspannungsschutz sind entsprechend ausgelegte Überspannungsschutzgeräte erforderlich. Eine Netzdrossel kann deren Funktion im Gesamtsystem ergänzen, aber nicht ersetzen.