Was man über die Antriebstechnik in der Chemischen - Namur

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� nach DIN EN 61000-2-4 (IEC 61000-2-4) Klasse 1 richter bis zu Leistungen von mehr als einem Megawatt im Normalfall mit dem Netzstromrichter ungesteuert fahren und sich die Harmonischen jeder Ordnungszahl jeweils alle addieren. Einen Anhalt für die Grenzwerte der Harmonischen gibt die IEC 61000 2 4 [1]. Sie unterscheidet in 3 Klassen von Verbrauchern (Bild 2) und zwar besonders empfindliche wie Labors, öffentliche Netze und Industrienetze. In Sonderfällen können bei bestimmten Anlagen diese Werte noch überschritten werden, wenn Hersteller und Betreiber sich über die Auswirkungen und Vermeidung störender Einflüsse im Klaren sind. Für die Verfahrenstechnik sind intern die Werte der Industrienetze gültig. Das bedeutet, dass Hersteller von elektrischen Geräten eine entsprechend robuste Ausführung liefern müssen. In der Praxis hat sich das bislang bewährt und keinen Aufwand verursacht, der nicht ohnehin notwendig war. In Bild 3 sind die Grenzwerte der umrichtertypischen Harmonischen dargestellt, die als Grundlage für die Anforderungen anzusehen sind. Frequenzumrichter Empfindliche Netze wie Laboratorien, Automatisierungsoder Schutzeinrichtungen Klasse 2 Öffentliche Netze Klasse 3 Industrielle Netze in Sonderfällen mit Absprache Klasse Offen Vereinbarung zwischen Hersteller und Betreiber Bild 2. Netzrückwirkungen nach DIN EN 61000-2-4 (IEC 61000-2-4). [%] Elektromagnetische Umgebungsklassen nach IEC 61000-2-4 9,0 8,0 THD (Gesamtverzerrungsfaktor): 7,0 Klasse 1: 5% Klasse 2: 8% 6,0 Klasse 3: 10% (12%) 5,0 Klasse 1 4,0 Klasse 2 3,0 2,0 1,0 0,0 Klasse 3 0 10 20 30 40 50 60 Ordnungszahl der Oberschwingung [h] Bild 3. Grenzwerte der Oberschwingungen. Besonders das Thema der Frequenzumrichter (Bild 4) mit allen seinen Auswirkungen ist sehr vielfältig. Je nach Leistung kommen unterschiedliche Systeme in Frage. Im Bereich der Niederspan nungsumrichter sind zur Zeit der Standard Umrichterversionen Aufstellung Wissenswert Stromrichtermotor Direktumrichter MS Pulsumrichter Multizellenumrichter NS Pulsumrichter Leistungsbereich Frequenzumrichter Umrichter mit ungesteuertem Gleichrichter, Gleichspannungszwischenkreis und Pulswechselrichter mit schnell schaltenden IGBT-Halbleitern. Der Leistungsbereich reicht von einigen 100 W bis zu etwa 1000 kW. Durch Parallelschaltung kann die Leistung weiter erhöht werden. Es setzen sich jedoch in dem Bereich über 1000 kW vermehrt Mittelspannungsumrichter mit verschiedenen Umrichterkonzepten und unterschiedlichen Leistungshalbleitern durch. Dabei kommen höherpulsige Stromrichtereingangsschaltungen mit Mehrwicklungstransformatoren und Ausgangsschaltungen zum Einsatz. Zur Verbesserung der Spannungsform werden bei Mittelspannungsumrichtern statt der 2 Spannungslevel 3 Level und mehr realisiert. Da sich bei den herkömmlichen IGBT Halbleiterbauformen mit Leistungen über 100 kW bei Schäden z.T. erhebliche Auswirkungen auf die Umgebung ergeben haben, wie sie von konventionellen Bauelementen nicht bekannt sind, wurden Entwicklungen zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Bauelemente unternommen. Üblicherweise werden bei Umrichtern in der Chemie, insbesondere im Ex-Bereich, Ausgangsfilter zur Reduzierung der Spannungsspitzen und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit eingesetzt. Während bei kleinen Leistungen häufig Sinusfilter zu finden sind, werden ab Leistungen von etwa 50 kW aus wirtschaftlichen Gründen meist du/ dt Filter eingesetzt. Sie vermindern auch weitere parasitäre Effekte der nichtsinusförmigen Ausgangsspannung wie Wir- www.atp-online.de atp 3.2008 63 Kühlung Bild 4. Frequenzumrichter. Spannungsspitze in [kV] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 1900 V 1900 V 1900 V 100 000 10 000 1000 100 10 1 0,1 kW Frequenzumrichter Schnittstellen Leistungsbereich Bauelemente Filtermaßnahmen du/dt-Filter Sinus-Filter Zulässige Impulsspannung an den Motorklemmen 2150 V 1560 V 1350 V 1000 V IEC 60034-25 B: 04.2004 IEC 60034-25 A: 04.2004 IEC 60034-17: 01.2004 VIK/NAMUR Anforderung Motoren VIK/NAMUR Anforderung FU- Filter IEC 34: 1992 0 1 2 3 Anstiegszeit in [μs] Bild 5. Reduzierung der Spannungsbeanspruchung.
Wissenswert belströme, EMV-Rückwirkungen, zusätzliche Geräusche und Lagerströme der Motoren. Eine Beschreibung findet man in der NAMUR Empfehlung NE 38 [2]. Insbesondere die Spannungsfestigkeit der Motorwicklungen wird durch den Umrichterbetrieb stark belastet. Zulässige Werte werden in 64 Im Feld: Standardsignalpegel 4–20 mA, DC 24 V Aufbaurichtlinien Feldbus beachten Bild 6. Empfehlung ungeschirmter Kabel. Bild 8. Motor. Motorversionen Motor M 3~ Bild 9. Bereich von Asynchronmotoren. Motorschutz TSA Umsetzung X1 U1 V1 W1 PE U2 V2 W2 PE U3 V3 W3 PE X2 1 2 3 10 11 12 13 14 15 16 17 18 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 50 51 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 X3 90 91 erfüllt PELV + L1 L2 L3 Motor Bezugsleiter DC 24V Spannungsversorgung + DC 24V Ein(dyn), Ein/Aus(stat) Aus(dyn) Schneller Langsamer Reset Verriegelung (Kontakt offen ⇒ Abschalten) Linkslauf (Option) Zwangsläufige Netztrennung Betriebsbereitschaft Motor dreht Störung „Freie Belegung“ „Freie Belegung“ Drehzahlsollwert + (Option) - + Motorfrequenz – 0–20 mA/4–20 mA + Motorstrom (Option) – + Drehmoment (Option) – + Wirkleistung (Option) – „Freie Belegung“ + – + – M 3~ M 3~ Motor für Fremdlüfter (Option) PTC-Temperaturfühler Bild 7. Konventionelle NAMUR-Klemmleiste. Leistungsanschluss Signalversorgung Steuereingänge Sicherheitsschaltung Statusausgänge Sollwerteingang Analogausgänge Temperaturüberwachung verschiedenen Normen angegeben (Bild 5). Da jedoch für vorhandene Motoren mit 400 V und 500 V Versorgungsspannung – und das ist der Großteil der Motoren in der Chemie – keine Garantie für die Spannungsfestigkeit mehr von den Herstellern übernommen wird, wird empfohlen, mit Filtern die konventionellen Werte von 1000 V Spitzenspannung und 500 V/μs Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einzuhalten. Auch wenn neue Motoren mit verbesserten Isolierstoffsystemen höhere Werte von üblicherweise 1350 V und 1500 V/μs zulassen, wird bei 690 V Motoren mit Rücksicht auf EMV- Einflüsse bei dem Spannungsgradienten weiterhin ein Wert von 500 V/μs empfohlen. Diese Werte lassen sich mit üblichen Filtern ohne besonderen Aufwand erreichen. Eine häufig und sehr konträr diskutierte Frage ist die der Abschirmung von Leistungskabeln von Umrichtern. Anwender aus VIK und NAMUR sind sich auf Grund der Erfahrung von über 20.000 Anwendungen allein in Deutschland darin einig, dass bei Einhaltung von Randbedingungen, wie sie in der VE 27 [3] bzw. NE 108 [4] für eine robuste Umgebung beschrieben werden, keine abgeschirmten Kabel erforderlich sind (Bild 6). Voraussetzung sind Ausgangsfilter der Umrichter, eine niederimpedante Erdverbindung aller metallischen Anlagenteile, Trennung von PE und N Leitern, Abstand (ca. 30 cm) zwischen Signal- und Energiekabeln sowie robuste Signalpegel im Feld d.h. bei Binärsignalen DC 24 V und bei Analogsignalen 4 bis 20 mA. Feldbusse müssen entsprechend den Herstellervorschriften installiert werden. Alle diese Bedingungen sind unabhängig vom Einsatz von Umrichterantrieben für Anlagen mit räumlicher Ausdehnung selbstverständlich und daher nicht als Aufwand anzusehen. Der Nachteil abgeschirmter Kabel ist neben der aufwendigen Kabellogistik und der handwerklich anspruchsvollen Installation vor allem die auf etwa die Hälfte reduzierte erreichbare Kabellänge. Schnittstellen von Frequenzumrichtern stellen wegen ihres umfangreichen Signalaustausches in beiden Richtungen immer dann ein Problem dar, wenn es keine einheitlichen Festlegungen für die Signale und ihre Verbindungsstruktur gibt. Für konventionelle Schnittstellen hat die atp 3.2008 www.atp-online.de �
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