Einsatz von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz ...

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1 Einleitung
In Deutschland wird mit 47 % knapp die Hälfte des elektrischen Gesamtenergiebedarfs
in der Industrie benötigt, wovon etwa zwei Drittel für elektrische Antriebe aufgewendet
werden. Somit beträgt der Anteil industrieller Antriebe etwa ein Drittel des gesamten
Bedarfs elektrischer Energie in Deutschland. Der ZVEI sieht in diesem Segment ein
Energieeinsparpotenzial von ca. 30 %, wenn generell drehzahlvariable Antriebe zum
Einsatz kommen. Wenn man bedenkt, dass die Energiekosten 97 % der Gesamtkosten
eines Antriebssystems, über seine gesamte Lebensdauer betrachtet, betragen, besitzt
diese Zahl nicht nur klimapolitische, sondern auch hohe wirtschaftliche Bedeutung.
Eine Maßnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz ist der Einsatz drehzahlvariabler
Antriebe mit Hilfe von Frequenzumrichtern. Derzeit kommt auf vier verkaufte Motoren
ein verkaufter Frequenzumrichter, und der Anteil umrichtergespeister Antriebe in der
Industrie liegt bei geschätzten 12 % mit steigender Tendenz [Bin 07], [Sie 06], [Bro 09].
Das Konzept des umrichtergespeisten Antriebs beinhaltet eine Reihe von technischen
Vorteilen wie die stufenlose Drehzahlsteuerung bei konstantem Drehmoment oder die
vergleichsweise einfach und kostengünstig zu konstruierende Asynchronmaschine.
Allerdings stehen dem auch einige Nachteile wie unerwünschte Netzrückwirkungen,
Ausbildung von Lagerströmen und Entstehung von Überspannungen in Folge von
Wanderwellen gegenüber [Sau 96], [Lie 03], [Zho 95], [Erd 95]. Das zuletzt genannte
Phänomen hat zur Folge, dass die für eine verkettete Spannung von meist 400 V
ausgelegte Wicklungsisolation durch Spannungsüberhöhungen an den Motorklemmen
überlastet wird und so die Lebensdauer nachhaltig verkürzt wird [Kau 93], [Kau 94],
[Spe 02].
Die oben genannten Effekte sind hinreichend bekannt, und im Laufe der Jahre wurden
z. B. durch verbesserte Isolation oder durch den Einsatz von Umrichterausgangsfiltern
Strategien zur Lebensdauerverlängerung entwickelt. Die technischen Details solcher
Filterlösungen werden an späterer Stelle diskutiert. Hier sei nur erwähnt, dass
unabhängig von der Antriebsleistung der Kostenanteil eines Sinusfilters etwa 20 % der
Kosten von Motor und Umrichter beträgt; die Anschaffungskosten sind also abhängig
von der Leistung des Antriebs, wobei aus wirtschaftlichen Gründen z. B. Sinusfilter nur
bis zu einigen hundert Kilowatt Antriebsleistung realisierbar sind [Kem 09], [Fu 09].
Diese Tatsache ist besonders wichtig, wenn man berücksichtigt, dass im Jahr 2008
Niederspannungsmotoren bis 30 kW Nennleistung 94 % der ausgelieferten