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Schutzgerät für frequenzumrichtergespeiste Antriebe

Zum sicheren Betrieb eines Asynchronmotors am Frequenzumrichter ist es zum einen erforderlich, die Einhaltung der Bemessungsdaten des Motors sicherzustellen. Hierzu zählen das Belastungsdrehmoment, die Spannung und der Strom. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Frequenz nicht den zulässigen Bereich verlässt und Stromunsymmetrien, die z.B. auf Wicklungsfehler oder Fehler des Frequenzumrichters schließen lassen, erkannt werden. Als weiterer wichtiger Punkt muss bei eigenbelüfteten Maschinen der mit fallender Drehzahl nachlassenden Kühlwirkung Rechnung getragen werden und das Belastungsdrehmoment mit der  Drehzahl abgesenkt werden. Zur Überwachung dieser Leistungsreduzierung kann als einfach zu messende Größe der Maschinenstrom herangezogen werden.

Bisher wurden in der PTB Motoren verschiedener Hersteller basierend auf diesem Ansatz für den Betrieb am Frequenzumrichter geprüft und zertifiziert. Bei keiner der durchgeführten Prüfungen ergaben sich Anzeichen darauf, dass das hier beschriebene Schutzkonzept ungeeignet ist.

Die Überwachung der drehzahlvariablen Strombegrenzung erfolgt dabei über eine vom Hersteller des Umrichters  implementierte Erweiterung der Frequenzumrichtersteuerungssoftware. Da diese Software und auch die Hardware des Umrichters in den meisten Fällen weder sicherheitsgerichtet noch zertifiziert sind, genügt diese Lösung nicht den Anforderungen der Richtlinie 94/9/EG an eine Überwachungseinrichtung für ein im explosionsgefährdeten Bereich betriebenes Gerät.
Daher wird zur Zeit noch gefordert, dass es  eine zweite, zertifizierte Überwachungseinrichtung geben muss, welche üblicherweise als Drillingskaltleiter mit geprüftem Auslösegerät ausgeführt wird.

Das im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zusammen mit einem externen Projektpartner entwickelte Motorschutzgerät soll den Motor komplett schützen und auch den Einbau eines Kaltleiters überflüssig machen. Aus diesem Grund müssen neben der Störung „Überlastung des Motors“ auch alle anderen Betriebsparameter überwacht werden, die zu einer unzulässigen Erwärmung führen können.

Die wesentlichen Punkte dabei sind:

  • Begrenzung des Maschinenstromes in Abhängigkeit der Drehzahl. Dieses ist eine zentrale Komponente des neuen Schutzkonzeptes für frequenzumrichtergespeiste Antriebe zur Berücksichtigung der abnehmenden Kühlwirkung bei eigenbelüfteten Maschinen mit fallender Drehzahl. Weitere Informationen
  • Phasenausfall / Stromunsymmetrien
  • Unsymmetrie der Umrichterausgangsspannung (Umrichterfehler)
  • Überschreitung der Maximalfrequenz des angeschlossenen Motors, hierbei besteht die Gefahr mechanischer Schäden, die zündwirksam werden können
  • Überwachung des Anlaufes, Abschaltung des Antriebes, wenn innerhalb einer definierten Zeit die Minimaldrehzahl des Motors nicht erreicht wird, z.B. wegen eines zu hohen Belastungsdrehmomentes
  • Überwachung auf Unterspannung, ein Betrieb mit zu geringer Spannung kann insbesondere im Rotor der Maschine zu unzulässigen Erwärmungen führen
  • Überwachung auf Überspannung, ein Betrieb mit Überspannung kann durch die ansteigenden Eisenverluste des Motors zu unzulässigen Erwärmungen im Stator führen

Blockschaltbild Motorschutzgerät Frequenzumrichter