Ursachen und Schutzmöglichkeiten: Lagerschäden an E-Motoren durch Kriechströme

Es gibt gute Gründe, beim Einsatz von Frequenzumrichtern Motorfilter einzusetzen: Frequenzumrichter erzeugen eine pulsweitenmodulierte (PWM) Motorspannung, die aus rechteckförmigen Spannungsblöcken mit einer relativ hohen Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit besteht, also Spannungsänderung pro Zeit (=?du/dt). Ein überhöhter du/dt-Wert kann die Isolation des Motors schädigen. Übliche Werte heutiger Frequenzumrichter liegen bei rund 5?kV/µs, und der Trend geht zu immer schneller schaltenden IGBT (insulated-gate bipolar transistor, deutsch Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), da ein schnelleres Schaltvermögen geringere Schaltverluste des IGBT-Wechselrichters bewirkt.

Neben der Schaltgeschwindigkeit der IGBT hat auch die Motorleitung einen großen Einfluss auf die Impulsanstiegsgeschwindigkeit. Auch Faktoren wie Leitungslänge und -querschnitt, Leitungstyp, Schirmung, Kapazitäts- und Induktivitätsbelag beeinflussen die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt. Das selbe gilt für den Wellenwiderstand des Motors und dessen Reflexionen. Einen weiteren Einfluss auf die Motorisolation hat die Maximalspannung der Einzelimpulse, ULLPeak oder USpitze (Bild?1). Diese Größe kann einen Durchschlag der Motorisolation bewirken, wenn sie bestimmte Grenzwerte überschreitet. Richtlinien und Hinweise zu diesen Werten finden sich bei den Motorenherstellern und in verschiedenen Normen wie IEC 60034-17, IEC 60034-25 oder IEC 61800-2. Immer dann, wenn Motoren mit reduzierter Isolationsfestigkeit (ältere oder günstigere Motoren) an einem Frequenzumrichter betrieben werden, besteht die Möglichkeit des Einsatzes von Motorfiltern.

Störungen besser beherrschen, Problempotenziale erkennen

Jedes elektronische Gerät, auch Frequenzumrichter, hat ein Störpotenzial, welches leitungsgebunden und abgestrahlt andere elektrische Einrichtungen stören kann. Typischerweise tritt der Bereich 150?kHz?… 30?MHz als leitungsgebundene Störgröße auf der Netzzuleitung auf, zudem besteht auf der Motorleitung ein Störpotenzial, welches im Bereich 30?MHz?…?1?GHz als abgestrahlte Störfelder (über Motorkabel, sog. Luftstrahlung) bezeichnet wird. Durch den Einsatz von Motorfiltern lassen sich diese Störungen beherrschen und das Störpotenzial deutlich reduzieren. Primärer Schutz dagegen sind aber geschirmte Leitungen.

Die schnell schaltenden Transistoren (IGBT) im Frequenzumrichter erzeugen höherfrequente Störgrößen, die unter Umständen zu Lagerströmen und Wellenspannungen führen können. Lagerströme und Wellenspannungen können auch in Motoren mit direktem Netzanschluss auftreten (z.?B. bei Unsymmetrie der Netzversorgung). Bei Frequenzumrichter-gespeisten Motoren findet eine Verstärkung dieser Vorgänge statt. Hier können Lagerströme oder Wellenspannungen Lagerschäden durch Funkenerosion und andere Phänomene verursachen:

Kapazitive Kopplung: Parasitäre Kapazitäten im Motor und Gleichtaktstörspannungen und -ströme bewirken eine Spannung im Lager.

Induktive Kopplung: Hier liegt die Ursache in den Kreisströmen im Motor. Die Ströme im Stator induzieren eine Spannung ins Gehäuse, die über die Lager des Motors und dessen Rotor …

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