Einsatz von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz ...

2 Theoretische Grundlagen und Stand der Technik Seite 27
2.5 Zulässige Überspannungen an den Wicklungen
Nach den einleitenden Betrachtungen, warum die Isolation umrichtergespeister
Antriebe stärker beansprucht wird als bei Speisung mit Sinusspannung, sollen im
Folgenden die zulässigen Grenzwerte der Spannungsbeanspruchung
zusammengefasst werden, auf deren Grundlage die Anforderungen an den
Überspannungsschutz diskutiert werden.
Aufgrund der meist nicht genügend kurzen Leitung zwischen Umrichter und Maschine
liegt die in der Amplitude verdoppelte Zwischenkreisspannung mit der hohen
Pulsfrequenz an den Klemmen der Maschine an. Arbeitet die Maschine im
Bremsbetrieb oder wird durch eine sehr schnelle Rampe die Drehzahl in kurzer Zeit
stark reduziert, steigt die Zwischenkreisspannung durch Aufladung des
Zwischenkreiskondensators um ca. 20 % an, was zu noch höheren Überspannungen
an der Maschine führt [Ro 07]. Oberhalb von 1,2 UZK wird die Zwischenkreisspannung
im Pulsbetrieb durch einen Bremswiderstand gesenkt. Ebenso liegt eine erhöhte
Zwischenkreisspannung an, wenn generatorisch ins Netz zurückgespeist wird. Ferner
ist durch Schalten im noch nicht ausgeschwungenen Zustand eines
Wanderwellenvorgangs eine Erhöhung der Amplitude auf den dreifachen Wert der
Zwischenkreisspannung möglich. Derartige Werte treten ebenfalls auf, wenn ein
unerwünschter, zeitlich unverzögerter Polaritätswechsel der Zwischenkreisspannung
auftritt [Ker 97].
Das zentrale Problem liegt nun in der Klärung der Frage, welche Werte für
Überspannungen für Drahtlackisolierungen von Maschinenwicklungen noch akzeptabel
sind bzw. welche neuen Grenzwerte für umrichtergespeiste Maschinen definiert
werden müssen, um eine lange Lebensdauer zu garantieren.
In [Kau 94] wurde entgegen vorheriger Annahmen nachgewiesen, dass die
Lebensdauer der Wicklungsisolierung nicht mehr von der Betriebsdauer, sondern
vielmehr von der Anzahl der auftretenden Überspannungen abhängig ist. Danach
unterteilte er das Diagramm in Abb. 2.20 in drei Bereiche: In Bereich 1 ist die
Spannung viel höher als die TE-(Teilentladungs-)Einsetzspannung der
Isolieranordnung. Jeder Spannungsimpuls führt zu einer Teilentladung, und das
Lebensdauerende der Isolierung ist nach kurzer Zeit erreicht. In Bereich 2 erhöht sich
die Anzahl der zum Durchschlag führenden Spannungsimpulse beträchtlich, weil nicht
jeder der Spannungsimpulse zu TE führt. In Bereich 3 ist die Spannung so niedrig,