Unterstützende Produkte für den optimalen Einsatz von VFDs und VSDs - Teil 1

Teil 1 dieser Artikelserie befasst sich damit, was bei der Auswahl von Motoranschlusskabeln, Ausgangsdrosseln, Bremswiderständen, Netzdrosseln und Netzfiltern zu beachten ist. Anschließend befasst sich Teil 2 mit den Unterschieden zwischen VSDs/VFDs und Servosteuersystemen, mit den Einsatzmöglichkeiten von rotierenden und linearen AC- und DC-Servomotoren, mit der Frage, wie sich Einheiten für sanftes Anlaufen/Bremsen in den industriellen Betrieb einfügen, und mit der Frage, wie DC-Wandler zur Versorgung von Peripheriekomponenten wie Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und Sicherheitseinrichtungen eingesetzt werden.

Der Einsatz von geschwindigkeitsvariablen und frequenzvariablen Steuersystemen (VSD/VFD) ist notwendig, um die Effizienz und Nachhaltigkeit von Industriebetrieben zu maximieren, aber er reicht nicht aus. Um den maximalen Nutzen aus VSDs/VFDs zu ziehen, werden zusätzliche Komponenten wie Hochleistungskabel, Bremswiderstände, Netzfilter, Netzdrosseln, Ausgangsdrosseln und mehr benötigt.

Verkabelung ist allgegenwärtig und von entscheidender Bedeutung. Ein schlecht spezifiziertes Kabel, das das VSD/VFD mit dem Motor verbindet, kann die Systemleistung erheblich beeinträchtigen. Andere Elemente wie Bremswiderstände, Filter und Drosseln variieren von Anlage zu Anlage und können für einen erfolgreichen Einsatz sehr wichtig sein.

Einige Systeme werden beispielsweise in Bereichen betrieben, in denen elektromagnetische Störungen (EMI) beachtet werden müssen, und können von der Verwendung von Netzfiltern profitieren, die EN 61800-3 Kategorie C2 entsprechen. Für Anwendungen, bei denen eine schnelle Abbremsung erforderlich ist, werden Bremswiderstände benötigt. Netzdrosseln können den Leistungsfaktor verbessern und den Wirkungsgrad erhöhen, und Ausgangsdrosseln können die Verwendung längerer Kabel ermöglichen.

Dieser Artikel beginnt mit einem Blick auf einige Überlegungen bei der Auswahl von Motoranschlusskabeln und stellt typische Verkabelungsoptionen von LAPP und Belden vor. Anschließend werden die Faktoren untersucht, die sich auf die Auswahl von Ausgangsdrosseln, Bremswiderständen, Netzdrosseln und Netzfiltern auswirken, einschließlich repräsentativer Komponenten von ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic und Siemens.

Motorkabel sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Sie bestehen in der Regel aus drei Hauptstromleitern, die häufig mit vernetztem Polyethylen (XLPE) isoliert sind. Einige enthalten nicht isolierte Erdungsdrähte. Es gibt verschiedene Signaldrähte und zahlreiche Möglichkeiten der Geflecht- und Folienabschirmung. Die gesamte Baugruppe ist von einer gegen Umwelteinflüsse schützenden, robusten Außenhülle umschlossen (Abbildung 1).

Abbildung 1: VFD-Motorkabel gibt es in einer Vielzahl von Konfigurationen. (Bildquelle: Belden)

Selbst einfache Kabel wie das Belden-Basic-Kabel mit der Artikelnummer 29521C 0105000 sind komplexe Baugruppen aus Leitern, Abschirmung und Isolierung. Diese Kabel enthalten drei Kupferleiter der Stärke 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 Litzen), die mit XLPE isoliert sind, und drei unisolierte Kupfererdungsdrähte mit 18 AWG (7x26 Litzen). Diese sechs Drähte sind von einer doppelten spiralförmigen Bandabschirmung umgeben, die eine 100-prozentige Abdeckung bietet, und die gesamte Kabelkonfektion ist zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit einem Mantel aus Polyvinylchlorid (PVC) umhüllt.

Belden-Basic-Kabel eignen sich für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Klasse 1 Abschnitt 2, wie im National Electrical Code (NEC) definiert. Klasse 1 bezieht sich auf Anlagen zum Umgang mit brennbaren Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten. Abschnitt 2 legt fest, dass diese entzündbaren Stoffe normalerweise nicht in so hohen Konzentrationen vorhanden sind, dass sie entzündbar sind.

Einige Kabelserien, wie das ÖLFLEX VFD 1XL von LAPP, sind mit und ohne Signalleitungen erhältlich. Für Anwendungen, die von Signalkabeln profitieren, bietet sich das Kabel 701710 von LAPP an. Es besteht aus drei Leitern für die Stromversorgung, einem Erdungsleiter und einem Paar Signaldrähten. Die Leiter für die Stromversorgung sind 16 AWG stark (26x30 Litzen) und bieten eine XLPE(plus)-Isolierung. Die Signalleitungen sind einzeln foliengeschirmt.

Die gesamte Baugruppe ist mit Barrierenband, dreilagigem Folienband (100 % Abdeckung) und verzinntem Kupfergeflecht (85 % Abdeckung) abgeschirmt. Der Außenmantel besteht aus einem speziell formulierten thermoplastischen Elastomer (TPE), das gegen Desinfektionslösungen resistent ist und typischerweise in der Lebensmittel-, Getränke-, Chemie- und verwandten Industrien eingesetzt wird.

Neben der zuverlässigen und effizienten Übertragung von Versorgungsstrom und Signalen müssen VFD-Kabel in der Lage sein, hohe Spannungsspitzen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu bewältigen, die aus dem Hochfrequenzbetrieb des Steuersystems resultieren. Obwohl VFD-Kabel so ausgelegt sind, dass sie Hochspannungsspitzen und EMI abfangen und bewältigen können, haben sie ihre Grenzen (Abbildung 2). In diesem Fall reduzieren Lastdrosseln hohe Spannungsspitzen und EMI.

Abbildung 2: Unkontrollierte Hochspannungsspitzen können die Isolierung durchdringen und zu einem Kabelausfall führen. (Bildquelle: LAPP)

Eine ausführlichere Diskussion über die Auswahl von VFD-Kabeln finden Sie unter „Spezifizierung und Verwendung von VFD-Kabeln zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Sicherheit und zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen“.

Lastdrosseln

Lastdrosseln, auch Ausgangsdrosseln genannt, werden in der Nähe des Steuersystems angeschlossen, um die Auswirkungen von Hochspannungsspitzen und EMI zu reduzieren, und sie schützen die Kabelisolierung sowohl im Kabel als auch im Motor. VSDs/VFDs erzeugen ein hochfrequentes Ausgangssignal (normalerweise zwischen 16 kHz und 20 kHz). Die hochfrequenten Schaltvorgänge führen zu Spannungsanstiegszeiten von wenigen Mikrosekunden, die hohe Spannungsspitzen verursachen, die die Nennspannung des Motors überschreiten können, was zu einem Durchschlag der Isolierung führt.

Je nach verwendetem Motortyp werden oft Lastdrosseln empfohlen, wenn die Kabellänge des VFDs 30 m überschreitet. Es gibt Ausnahmen; wenn der Motor z. B. der Norm NEMA MG-1 Teil 31 entspricht, kann es möglich sein, ein 90 m langes Kabel (300 ft) ohne Lastdrossel zu verwenden.

Unabhängig vom Motortyp wird eine Lastdrossel generell empfohlen, wenn die Kabellänge 90 m überschreitet. Bei einer Länge von mehr als 150 m wird in der Regel ein speziell entwickelter Filter empfohlen. In EMI-empfindlichen Umgebungen ist die Verwendung einer Lastdrossel für alle Anwendungen in der Regel eine gute Praxis.

Lastdrosseln sind oft für die Verwendung mit bestimmten Steuersystemen ausgelegt. Die Lastdrossel von Omron, Modell 3G3AX-RAO04600110-DE, ist beispielsweise für 11 A und 4,6 mH ausgelegt und für den Einsatz mit 400-V-Drehstrommotoren von 5,5 kW konzipiert, die von dem VFD 3G3MX2-A4040-V1 des Unternehmens angetrieben werden.

Bremswiderstände und thermische Überlastungen

Zusätzlich zu einer Lastdrossel können ein Bremswiderstand und eine thermische Überlastabschaltung wesentliche Ergänzungen auf der Ausgangsseite eines VSD/VFD sein. Bremswiderstände ermöglichen ein maximales transientes Bremsmoment, indem sie die Bremsenergie absorbieren. Die meisten Bremswiderstände leiten die Energie ab, während einige als Teil eines regenerativen Bremssystems verwendet werden, das die Energie sammelt und wiederverwertet.

Dissipative Bremswiderstände sind für bestimmte Anwendungen ausgelegt. Der 8Ω-Bremswiderstand VW3A7755 von Schneider Electric kann bis zu 25 kW ableiten, während der 100Ω-Bremswiderstand BR300W100 von Delta Electronics für 300 W ausgelegt ist.

Bremswiderstandsanwendungen werden durch einen Prozentsatz der Energiedissipation (ED%) definiert. Der festgelegte ED%-Wert stellt sicher, dass der Widerstand die beim Bremsen entstehende Wärme effektiv ableiten kann. ED% wird in Bezug auf die Spitzenverlustleistung, das Bremsintervall (T1) und die Gesamtzykluszeit (T0) in Abbildung 3 definiert.

Abbildung 3: Definition des prozentualen Anteils der Energiedissipation (ED%). (Bildquelle: Delta Electronics)

Je nach Stärke der Abbremsung wird ED% angegeben, um sicherzustellen, dass die Bremseinheit und der Bremswiderstand genügend Zeit haben, um die durch die Abbremsung erzeugte Wärme abzuführen. Wenn sich der Bremswiderstand aufgrund unzureichender Wärmeableitung erwärmt, erhöht sich sein Widerstand, wodurch sich der Stromfluss und das aufgenommene Bremsmoment verringern.

Bremswiderstände können durch verschiedene Verlustleistungszyklen definiert werden:

• Leichtes Bremsen, bei dem die Bremsleistung auf das 1,5-fache des Nenndrehmoments (Tn) für 0,8 s alle 40 s begrenzt wird. Einsatz bei Maschinen mit begrenzter Trägheit, wie z. B. Spritzgussmaschinen
• Leichtes Bremsen, bei dem die Bremsleistung auf das 1,35-fache des Nenndrehmoments (Tn) für 4 s alle 40 s begrenzt wird. Einsatz bei Maschinen mit hoher Trägheit, wie Schwungradpressen und Industriezentrifugen
• Starkes Bremsen, bei dem die Bremsleistung auf 1,65 Tn für 6 s und Tn für 54 s alle 120 s begrenzt ist. Einsatz bei Maschinen mit sehr hoher Trägheit, die oft mit vertikalen Bewegungen einhergehen, wie Hebezeuge und Kräne

Zusätzlich zum Bremswiderstand verfügen die meisten Systeme über eine thermische Überlasteinheit, die als Sicherheitsmaßnahme an den Bremswiderstand angeschlossen ist, wie das thermische Überlastrelais TF65-33 von ABB Control. Die thermische Überlastungseinheit schützt den Widerstand und das Steuersystem vor zu häufigem oder zu starkem Bremsen. Wenn eine thermische Überlastung erkannt wird, wird das System abgeschaltet. Wenn nur die Bremsfunktion ausgeschaltet werden würde, könnte dies zu schweren Schäden am Steuersystem führen.

Schutz am Eingang des Steuersystems

Netzdrosseln und Filter am Eingang des Steuersystems begrenzen niederfrequente Oberschwingungen bzw. hochfrequente EMI (Abbildung 4). Netzdrosseln tragen dazu bei, die durch die Umrichterschaltung verursachte harmonische Verzerrung der AC-Eingangsleistung zu reduzieren. Sie können besonders bei Anwendungen nützlich sein, die die Anforderungen von IEEE-519, „Oberwellenkontrolle in Stromversorgungssystemen“, erfüllen müssen. Netzdrosseln glätten auch Störungen im Stromnetz wie Überspannungen, Spannungsspitzen und Transienten, erhöhen die Betriebssicherheit und verhindern Überspannungsabschaltungen.

Abbildung 4: Netzfilter begrenzen hochfrequente EMV, während Netzdrosseln niederfrequente Oberschwingungen begrenzen. (Bildquelle: Siemens)

Beispiele für Netzdrosseln sind die Drosselspule DV0P228 mit 2 mH und einer Nennleistung von 8 A, die Teil der Minas-Familie von Drehstromantrieben und Zubehör von Panasonic ist, sowie die Drosselspule 6SL32030CE132AA0 mit 2,5 mH von Siemens, die für Antriebssysteme bis 1,1 kW ausgelegt ist, die einen Eingangsstrom von bis zu 4 A aufnehmen und mit einer dreiphasigen Spannung von 380 V_AC -10% bis 480 V_AC +10% betrieben werden.

Netzfilter

Netzfilter sind erforderlich, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu unterstützen und in den meisten Anwendungen EMI-Schutz zu bieten. Je nach Umgebung werden in der Industrie und im Handel (in Gebäuden) zwei Klassen von EMI-Filtern verwendet: Klasse A und Klasse B. Die Klasse B erfordert ein höheres Maß an Filterung als die Klasse A, da kommerzielle Umgebungen (Büros, Verwaltung usw.) im Allgemeinen elektronische Systeme enthalten, die empfindlicher auf EMI reagieren.

Zu den einschlägigen EMV-Normen gehören die EN 55011, in der die Emissionsgrenzwerte für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Geräte aufgeführt sind, und die IEC/EN 61800-3, die sich speziell auf geschwindigkeitsvariable Antriebe bezieht.

VFDs/VSDs sind mit und ohne integrierte Netzfilter erhältlich. Wenn sie über einen Filter verfügen, kann es sich um einen Filter der Klasse A oder B handeln. Je nach Umgebung und Installationsfaktoren wie Kabellängen kann sogar ein Steuersystem mit integriertem Filter zusätzliche Filterung erfordern. Ein Steuersystem, das für den Betrieb in Umgebungen der Klasse A ausgelegt ist, kann mit einem optionalen Filter auch in Umgebungen der Klasse B eingesetzt werden.

IEC/EN 61800-3 definiert EMV-Anforderungen auf der Grundlage von Umgebungen und Kategorien. Wohngebäude werden als erste Umgebung definiert, während Industrieanlagen, die über ihre Transformatoren an das Netz für mittelhohe Spannungen angeschlossen sind, die zweite Umgebung darstellen.

Die vier in EN 61800-3 definierten Kategorien umfassen:

• C1 für Steuersysteme für Nennspannungen < 1000 V zum uneingeschränkten Einsatz in der ersten Umgebung
• C2 für stationäre Steuersysteme für Nennspannungen < 1000 V für den Einsatz in der zweiten Umgebung und möglichen Einsatz in der ersten Umgebung
• C3 für Steuersysteme für Nennspannungen < 1000 V zur ausschließlichen Verwendung in der zweiten Umgebung
• C4 mit besonderen Anforderungen an Steuersysteme für Nennspannungen ≥ 1000 V und Nennströme ≥ 400 A in der zweiten Umgebung

Es sind allgemeine Netzfilter erhältlich, aber wie Netzdrosseln sind Netzfilter oft für die Verwendung mit bestimmten Familien von Steuersystemen ausgelegt. Der Netzfilter VW3A4708 von Schneider Electric ist zum Beispiel für 200 A ausgelegt (Abbildung 5). Er ist für die Altivar-VSDs und Lexium-Servosysteme des Unternehmens konzipiert. Er ist für Netzspannungen von 200 V_AC bis 480 V_AC ausgelegt und hat einen Schutzindex von IP20. Die Einstufung gemäß EN 61800-3 hängt von der Länge des Motorkabels ab:

• Kategorie C1 mit bis zu 50 m geschirmtem Kabel
• Kategorie C2 mit bis zu 150 m geschirmtem Kabel
• Kategorie C3 mit bis zu 300 m geschirmtem Kabel

Abbildung 5: 200A-Netzfilter, ausgelegt für Netzspannungen von 200 V_AC bis 480 V_AC. (Bildquelle: Schneider Electric)

Fazit

VSDs und VFDs sind wichtige Systeme zur Maximierung der Effizienz industrieller Abläufe und zur Minimierung von Treibhausgasemissionen. Für diese Steuersysteme sind mehrere Komponenten erforderlich, um eine effektive und zuverlässige Installation zu gewährleisten, die den einschlägigen internationalen Normen entspricht, darunter VFD-Kabel, Ausgangsdrosseln, Bremswiderstände, Netzdrosseln und Netzfilter.