Karlheinz Wirsching, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:37:37+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Herausforderung zu lange Motorkabel – und wie sie elegant mit einem Zwischenkreisfilter (ZK-Filter) gel?st werden kann

Wenn Regelantriebe durch zu lange Motorkabel versorgt werden, kann es zu unzul?ssigen Spannungsbeanspruchungen im Motor kommen. Dies kann im schlimmsten Fall, wenn es dauerhaft vorkommt, die Motorisolation zerst?ren und zu einem Totalausfall des Motors führen. Wie das verhindert werden kann, erfahren Sie in diesem Artikel.

Grunds?tzliche Frage: Wann sind Motorkabel zu lang?

?blicherweise ist der speisende Umrichter meist in der N?he der elektrischen Maschine angebracht. Dann ist die Kabell?nge absolut im zul?ssigen Bereich. Doch nicht immer ist dies der Fall. Es gibt Anwendungsf?lle, in denen die L?nge der Motorkabel unverh?ltnism??ig lang sind. Typische Beispiele sind:

1. Zentrale Schaltr?ume bei gro?en Arbeitsmaschinen: Alle elektrischen Maschinen werden von einem zentralen Schaltraum aus gespeist. Da kann die Kabell?nge leicht auf 100 m oder mehr anwachsen.

2. Gro?fl?chige Fabrikanlagen: Elektrische Maschinen sind weitl?ufig auf dem Firmengel?nde untergebracht. Die Folge sind lange Motorkabel.

3. Bei Offshore-Unterwasserantrieben, die von einer Hauptplattform versorgt werden.

In allen F?llen mit offenkundig deutlich l?ngeren Motorkabeln als üblich muss geprüft werden, ob die zul?ssige L?nge überschritten wird. Wenn ja, müssen entsprechende Zusatzma?nahmen getroffen werden, um gef?hrliche Spannungsspitzen zu verhindern, die den Motor zerst?ren k?nnten.

?blicherweise teilt man die Motorkabell?ngen in diese Kategorien ein:

1. Kurze Leitung: Unter 5 m Kabell?nge

2. Lange Leitung: Von 5 bis 500 m Kabell?nge

3. Sehr lange Leitung: Von 0,5 bis 500 km Kabell?nge

Interessanterweise gibt es in den einschl?gigen Normen ?genügend Hinweise über zul?ssige Spannungsspitzen an den Motorklemmen bei kurzen Leitungen. Wenn es um den Einfluss von langen Motorkabeln geht, sucht man in der Norm vergebens nach detaillierten Informationen.

Viele Anwendungen fallen in den Bereich ?lange Leitung“. Deshalb schauen wir uns diesen Fall jetzt genauer an.

Was passiert, wenn die Motorkabel zu lang sind?

Grunds?tzlich gilt: Werden elektrische Motoren über zu lange Motorkabel versorgt, kann es zu unzul?ssigen Spannungsspitzen am Motor kommen. Was genau passiert hier? Sind die Leitungen zu lang, ver?ndern die Leitungsimpedanzen die Ausgangsspannung des Umrichters. Als Folge treten an den Eingangsklemmen des Motors sch?dliche Spannungsspitzen auf. Konkret werden die Grenzwerte von Spannungsanstieg und Spannungsh?he überschritten. Die Folgen k?nnen gravierend sein:

Vorzeitige Wicklungssch?den, und vor allem bei explosionsgeschützten Maschinen mit erheblichen Folgesch?den.

Die beiden kritischen Gr??en sind:

1. Die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs.

2. Maximale Motorklemmenspannung.

Bei langen Kabeln liegt am Umrichter ein Rechteck-Signal an, aber am Motor kommen Spannungsspitzen an. Ist der Spannungsanstieg zu gro?, führt dies zu einer nichtlinearen Verteilung der Spannung l?ngs der Wicklung mit zu hohen Werten in der Eingangsspule.

Ist die Motorklemmenspannung ?max dauerhaft oder oft zu hoch, wird die Isolation zwischen den Leitern stark beansprucht. Deshalb gibt die Norm Spannungsmaximalwerte für Normmotoren vor.

Welches sind die konkreten Folgen der Spannungsspitzen?

Treten dauerhaft Spannungsspitzen an den Motorklemmen auf, kann das zum Totalausfall des Motors führen, weil diese Spannungsspitzen die Wicklung zerst?ren und zu einer ?Funkenbildung zwischen den Leitern oder gegen Erde führen. In explosionsgeschützten Umgebungen ist dies brandgef?hrlich.

Welche M?glichkeiten gibt es, Motoren gegen diese gef?hrlichen Spannungsspitzen zu schützen?

Grunds?tzlich gibt es vier M?glichkeiten:

1. Verbesserung der Wicklungsisolation und Optimierung der Klemmbretter

2. Optimierung des Pulsprogramms

3. Einbau eines Zwischenkreis-Filters (ZK-Filter)

4. Mehrstufenumrichter

Wie schützt Baumüller den Motor bei zu langen Motorleitungen?

Klar ist: Die sch?dlichen Spannungsspitzen dürfen den Motor nicht erreichen. Sie müssen also zwischen Umrichter und Motor aufgehalten bzw. abgeleitet werden oder besser noch deren Entstehung verhindert werden. Wie macht Baumüller das? Indem wir zus?tzlich einen Zwischenkreis-Filter (ZK-Filter) an den Zwischenkreis des Umrichters anschlie?en. Dieser ver?ndert das kapazitive System der Umrichter-Motor-Kombination so, dass die sch?dlichen Spannungsspitzen weitestgehend abgeschw?cht werden. Der ZK-Filter wird dabei m?glichst nah an der Einspeisung platziert.

Vor der endgültigen Installation ist folgendes zu ermitteln:

1. Wie hoch ist die komplette Motorkabell?nge? Das hei?t, wie gro? ist die Gesamtl?nge aller Motorkabel im System, die über die Wechselrichter an einen gemeinsamen Zwischenkreis angeschlossen sind.

2. Sind es Anreihger?te, muss die Summe der Einzelkabell?ngen berücksichtigt werden.

3. Ist die Motorkabell?nge ermittelt, muss die Zahl der einzubauen ZK-Filter ermittelt werden.

Fassen wir noch einmal zusammen

Wenn die Motorleitungen zu lang sind, drohen für den Motor gef?hrliche Spannungsspitzen. Sind diese h?ufig oder dauerhaft über dem Grenzwert, drohen Sch?den bis hin zum Totalausfall des Motors. Dies kann verhindert werden, wenn Zwischenkreis-Filter an dem beteiligten Umrichter bzw. Zwischenkreis eingebaut werden, weil diese die sch?dlichen ?berspannungen verhindern bzw. ableiten, bevor sie den Motor erreichen.

Haben Sie noch Fragen?

Karlheinz Wirsching
Produktmanager Drives I Baumüller Nürnberg GmbH