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"Erhöhte Sicherheit" - jetzt auch bei umrichtergespeisten Antrieben ohne Festlegung des Umrichtertyps möglich

01.11.2005

Bei der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ erfolgt die Zertifizierung zur Zeit für das ganze Antriebssystem, bestehend aus Motor und Frequenzumrichter, wobei im Zertifikat der genaue Typ festgeschrieben wird. In  DIN EN 60079-7, Punkt 5.2.4.6  wird dies explizit gefordert.

Das Verfahren führt bei den Antriebsherstellern und auch bei den Anlagenbetreibern (späterer Austausch einer Komponente!) zu einem im Vergleich zur Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ sehr hohen Aufwand, so dass für umrichtergespeiste Antriebe kleiner Leistung trotz der höheren Herstellungskosten des Motors überwiegend auf die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ ausgewichen wird. Die Prüfung des kompletten Systems ist auch bei der oftmals aus Energieeffizienzgründen wünschenswerten Nachrüstung bestehender Antriebe mit einem Frequenzumrichter nicht praktikabel.

Das neue, im Rahmen eines Forschungsvorhabens entwickelte Zulassungskonzept soll den gravierenden Nachteil der festen Kopplung Motor-Umrichter nicht mehr aufweisen, aber dennoch nicht zu einer Absenkung des Sicherheitsniveaus führen. Diese Forderungen werden über die Definition einer Schnittstelle zwischen Frequenzumrichter und Maschine erfüllt. Die Spezifikationen dieser Schnittstelle enthalten z.B. Angaben über den zulässigen Oberschwingungsgehalt der Umrichterausgangsspannung, Grenzen der Ausgangsfrequenz sowie dauerhaft und kurzzeitig zulässige maximale Ausgangsströme.

Bezogen auf die Bemessungsleistung muss bei heutigen Antriebssystemen mit Spannungszwischenkreisumrichter mit zusätzlichen Oberschwingungsverlusten in der Größenordnung von ca. 10 % gerechnet werden, welche bei Betrieb mit Bemessungsdaten zu einer Erhöhung der Dauerbetriebstemperatur der Versuchsmaschine um ca. 8 K führen. Durch Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Oberschwingungsverluste als belastungsunabhängig angesehen werden können  (Bild 1),

Bild 1: Belastungsunabhängigkeit der Oberschwingungsverluste bei verschiedenen Umrichterschaltfrequenzen

so dass die Verluste auch im Leerlauf bestimmt und die erwarteten Maschinenerwärmungen ausgehend von der Dauerbetriebstemperatur bei Netzbetrieb über das thermische Ersatzschaltbild der Maschine mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können. Da bei Betrieb am Frequenzumrichter die bei Netzbetrieb nötige Temperaturreserve für den Blockierfall nicht erforderlich ist (der Anzugstrom wird durch den Frequenzumrichter auf deutlich kleinere Werte als bei Netzbetrieb begrenzt), sind bei bereits für den Betrieb am Netz bescheinigten Maschinen für den Betrieb mit Bemessungsdrehzahl keine Probleme zu erwarten.

Sehr kritisch ist hingegen der Betrieb bei Unterspannung, der z.B. durch Netzspannungsabsenkungen oder ungenügende Berücksichtigung der Spannungsabfälle an Frequenzumrichter und Anschlusskabeln hervorgerufen werden kann. Dieser Zustand muss durch die Frequenzumrichtersteuerung erkannt werden und sollte schon bei der Projektierung möglichst ausgeschlossen werden.

Zur Berücksichtigung der drehzahlabhängigen Kühlverhältnisse bei eigenbelüfteten Maschinen muss das Belastungsdrehmoment  ab einer durch Messung oder Rechnung festgelegten Drehzahl reduziert werden. Zur Überwachung dieser Drehmomentreduzierung muss der Frequenzumrichter die Funktion der drehzahlvariablen Strombegrenzung unterstützen (Bild 2) /1/.

Als zusätzliche Schutzmaßnahme muss die Maschine über Kaltleiter mit einem funktionsgeprüftem Auslösegerät geschützt werden.


Bild 2: Berücksichtigung der drehzahlabhängigen Kühlung über die Strombegrenzung

Unter Berücksichtigung vorgenannter Rahmenbedingungen kann auch für die Zündschutzart erhöhte Sicherheit die feste Kopplung des Motors an den Frequenzumrichter unter Beibehaltung des derzeitigen Sicherheitsniveaus gelöst werden.


Literatur

/1/ Lehrmann, C.; Ex-geschützt: Antriebe mit Frequenzumrichter; Bulletin des schweizerischen elektrotechnischen Vereins; Opens external link in new windowBand 95 (2004), Heft 24-25, S. 17 – 24