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Neues Explosionsschutzkonzept für frequenzumrichtergespeiste Antriebe der Zündschutzart "Erhöhte Sicherheit"

31.12.2008

Sicherstellung des Explosionsschutzes

Bei der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ beruht der Explosionsschutz des Betriebsmittels darauf, eine Entzündung explosionsfähiger Atmosphäre zu vermeiden, wobei die explosionsfähige Atmosphäre auch in das Innere des Betriebsmittels eindringen kann. Die möglichen Zündquellen bei einem Asynchronmotor sind heiße Oberflächen, mechanisch erzeugte Reib- und Schlagfunken und elektrische Entladungen. Zu deren Vermeidung gelten bei explosionsgeschützten Motoren erhöhte Anforderungen an die mechanische Konstruktion und Auslegung, an das elektrische Isolationssystem sowie den Schutz vor unzulässigen Erwärmungen, /1/. Bei frequenzumrichtergespeisten Maschinen kommen bei den Zündquellen „Elektrische Entladungen“ und „heiße Oberflächen“ gegenüber dem Betrieb am Netz zusätzliche „Risikofaktoren“ hinzu, die bei der Auslegung der Maschine und der Zertifizierung berücksichtigt werden müssen.

Heiße Oberflächen

Nimmt eine elektrische Maschine eine unzulässige Temperatur an, so sind die Ursachen dafür entweder eine zu hohe Verlustleistung innerhalb der Maschine, z.B. durch Überlastung, oder eine unzureichende Kühlwirkung. Ursachen für eine unzulässig hohe Verlustleistung besonders im Rotor der Maschine kann auch ein Betrieb außerhalb der Spezifikationen des Motors, z.B. mit Unterspannung, sein.

Diese Effekte müssen durch technische Schutzeinrichtungen und in der EG-Baumusterprüfbescheinigung festgelegte Betriebsparametergrenzen beherrscht und Zündgefahren ausgeschlossen werden. Neben der durch die Temperaturklasse, z.B. T3, gegebenen Begrenzung dürfen auch die Dauerbetriebstemperaturen der Wicklungsisolation, Dichtungen und anderer Anbauteile nicht überschritten werden, um eine vorzeitige Alterung mit eventuell zündfähigem Ausfall zu vermeiden.

Bei den heute üblicherweise eingesetzten Spannungszwischenkreisumrichtern sind auch ohne Sinusausgangsfilter die zusätzlichen Erwärmungen des Motors durch die Oberschwingungen relativ gering und liegen bei den in der PTB untersuchten Motoren bei Einhaltung der zulässigen Betriebsparameter wie z.B. der maximalen Umrichtereingangsspannung in den meisten Fällen unter 10 K. Bei Auslegung des Umrichters gemäß den Vorgaben der EG-Baumusterprüfbescheinigung für den Motor braucht der Störungsfall „blockierter Motor“ wegen des auf deutlich unterhalb des Anzugsstromes am Netz begrenzten Motorstromes nicht berücksichtigt zu werden und daher kann auch die dafür vorgehaltene Temperaturreserve deutlich verkleinert werden. Hierdurch können die durch die Oberschwingungsverluste hervorgerufenen zusätzlichen Erwärmungen gut aufgefangen werden.

Ein sehr wichtiger Punkt für den sicheren Betrieb ist hingegen die Zunahme des thermischen Widerstandes zur Umgebung mit abnehmender Drehzahl bei eigenbelüfteten Maschinen. In Bild 1 ist dieser Zusammenhang für zwei Maschinen der Baugrößen 180 und 132 aufgetragen.

Bild 1: Verlauf des thermischen Widerstandes zur Umgebung in Abhängigkeit der Drehzahl

Dieser Effekt wird in dem neuen Explosionsschutzkonzept für frequenzumrichtergespeiste Antriebe der Zündschutzart „e“ durch eine drehzahlvariable Strombegrenzung des Frequenzumrichters berücksichtigt. In Bild 2 ist in einem Beispiel der maximale Maschinenstrom bezogen auf den Nennstrom für eine Maschine der Baugröße 132 dargestellt. Alle Betriebspunkte unterhalb der Kurve sind dauerhaft zulässig, oberhalb der Linie jedoch nur für eine begrenzte, in Abhängigkeit der Überlastung berechnete Zeit. Bei einem Maschinenstrom größer dem 1,5 – fachen Bemessungsstrom erfolgt eine sofortige Abschaltung. /2/, /3/

beispielhafter Verlauf der drehzahlvariablen Strombegrenzung, bezogen auf den Maschinenbemessungsstrom bei 50 Hz
Bild 2: Drehzahlvariable Strombegrenzung, aus der EG-Baumusterprüfbescheinigung

Die Stützstellen der  Kurven wurden durch Messungen in der PTB ermittelt. Zusätzlich zu diesem Schutz über eine frequenzabhängige Stromüberwachung wird noch eine zweite, gemäß der Richtlinie 94/9/EG als Überwachungsgerät zertifizierte Schutzeinrichtung gefordert, da der Frequenzumrichter nicht zertifiziert wird und das vom Hersteller auch nicht gewünscht ist. Diese Schutzeinrichtung ist in der Regel eine direkte Temperaturüberwachung über Drillingskaltleiter mit geprüftem Kaltleiterauswertegerät. Die direkte Temperaturüberwachung hat den weiteren Vorteil, dass auch andere Störungen wie ein verstopftes Lüftergitter oder zu hohe Umgebungstemperaturen erkannt werden. 

Sehr wichtig für den sicheren Betrieb ist auch die Einhaltung der im Datenblatt des Motors spezifizierten Betriebsspannungsgrenzen des Motors. Wird z.B. der Spannungsabfall am Umrichter und den Motoranschlusskabeln nicht ausreichend berücksichtigt, so vergrößert sich bei unverändertem Drehmoment der Schlupf des Motors, und insbesondere der Rotor erhitzt sich sehr stark. Der Spannungsabfall muss auch in jedem Fall berücksichtigt werden, wenn zwischen Motor und Umrichter zur Verminderung von Überspannungen ein Sinus-Ausgangsfilter geschaltet wird. Bild 3 verdeutlicht die Situation:


Bild 3: Spannungsabfälle zwischen Netz und Maschine 

Literatur

/1/

PTB-Prüfregel; Explosionsgeschützte Maschinen der Schutzart „Erhöhte Sicherheit“ Ex e, Band 3, zweite Ausgabe 2007

/2/

Lehrmann, C. : Über ein Zulassungsverfahren für explosionsgeschützte,        umrichtergespeiste Käfigläufer der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“; Dissertation       Leibniz-Universität Hannover 2006; erschienen im Shaker-Verlag, Aachen

/3/

Lehrmann, C., Pape, H., Dreger, U., Lienesch, F.: Umrichtergespeiste Antriebe – ein  neuartiges Schutzkonzept für Antriebe in explosionsgefährdeten Bereichen; Ex-       Zeitschrift R. Stahl Schaltgeräte GmbH, Heft 38/2006, S. 36 – 47