Probleme mit Motoren und Kabeln

Motoren sind so konzipiert, dass sie mit einer festen Frequenz und Spannung aus dem Netz arbeiten, was eine schöne glatte Sinuswelle ist. In den frühen Tagen der Frequenzumrichter wurden Motoren mit einigen ziemlich unangenehmen Wellenformen getroffen, die eher Rechteckwellen als Sinuswellen ähnelten. Es stellte sich heraus, dass sie überraschend tolerant gegenüber diesen Verzerrungen waren, und obwohl es viele Diskussionen über harmonische Erwärmung gab, kamen wir im Allgemeinen damit durch. Mit verbesserten Leistungsbauelementen wie IGBTs stiegen die Schaltfrequenzen allmählich an und die aktuelle Wellenform verbesserte sich entsprechend. Während sich die aktuelle Wellenform jedoch einer Sinuswelle nähert, erzeugen Antriebe immer noch eine Spannungswellenform, die im Wesentlichen ein Strom von Hochspannungs-Rechteckwellenimpulsen ist (siehe Artikel 2).

Eine Rechteckwelle besteht aus einer Mischung vieler Frequenzen, darunter einige, die viel höher sind als die grundlegende Schaltfrequenz. Höhere Frequenzen sind "undichter" als niedrigere - das heißt, sie neigen dazu, abzustrahlen und Wege durch streunende Kapazität zu finden, was zu Problemen führt. Ein gutes Beispiel dafür ist, was passiert, wenn Kabel zwischen Antrieb und Motor angeschlossen werden.

Es wird immer eine Streukapazität in Kabeln von Leiter zu Leiter und von Leiter zu Erde geben. Je näher die Leiter an einer Erde sind, desto größer ist die Kapazität. Für die Verbindung zwischen Antrieb und Motor wird immer ein abgeschirmtes Kabel empfohlen, da dieses die durch die Schaltwellenform erzeugten Störungen "enthält". Da der Bildschirm jedoch mit Erde verbunden ist, bedeutet dies, dass zwischen den Leitern und dem geerdeten Bildschirm eine erhebliche Kapazität besteht. Je länger das Kabel, desto größer die Kapazität, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1: Streukabelkapazität erhöht Ableitströme

Als die Antriebe zum ersten Mal getestet und entwickelt wurden, arbeiteten die Ingenieure in der Regel mit einem kurzen Kabel vom Prüfstand zum darunter liegenden Motor, so dass erst lange Kabel angeschlossen wurden und die Probleme begannen, bis die Antriebe in die reale Welt kamen.

Wenn sich die IGBTs im Ausgang des Antriebs ein- und ausschalten, müssen sie diese Streukapazität aufladen und entladen. Oder anders ausgedrückt: Der Hochfrequenzgehalt der Wellenform liefert Strom an die Kapazität. Das Ergebnis ist, dass Spitzen auf dem (relativ) glatten Ausgangsstrom des Frequenzumrichters auftreten. Abbildung 1 zeigt die Stromspitzen, die durch die Kabelkapazität (in rot) verursacht werden, die der "normalen" Stromwellenform überlagert sind.

Abb. 2: Stromspitzen durch Kabelkapazität

Diese Spitzen treten genau zu dem Zeitpunkt auf, zu dem die IGBTs schalten, so dass sie die Schaltverluste im Wechselrichter erhöhen und der Antrieb heißer läuft. Wenn das Kabel zu lang ist und die Kapazität zu hoch wird, kann das Laufwerk überhitzen und bei Übertemperatur auslösen. Manchmal sind die Spikes groß genug, um gelegentliche Überstromfahrten zu verursachen. Alles sehr ärgerlich.

Sobald die Laufwerksentwickler auf das Problem aufmerksam wurden, begannen sie, die Laufwerke mit langen, abgeschirmten Kabeln zu testen, und stellten genau fest, mit wie lang ein Kabel ein bestimmtes Laufwerk arbeiten konnte. Heutzutage werden die meisten Laufwerke getestet und sind spezifiziert, um mit geschirmten Kabeln von typischerweise 50 m zu arbeiten - manchmal mehr, manchmal weniger, abhängig vom Laufwerk. Wenn Sie mit längeren Kabeln arbeiten müssen, können Sie verschiedene Filter oder manchmal nur eine Ausgangsdrossel montieren.

Aber mögliche Haken hören nicht mit dem Kabel auf. Sobald der Inverterausgang den Motor erreicht, kann der Hochfrequenzgehalt weitere Probleme verursachen. Ursprünglich war die Motorisolierung für den Betrieb mit einer schönen, einfachen, glatten Netzspannung mit nur gelegentlichen Störungen ausgelegt. Hinzu kam der Frequenzumrichter und die Isolierung an alten Motoren entsprach einfach nicht dem Umrichterausgang. Geschichten von neumodischen Antrieben, die alte zuverlässige Motoren kaputt machten, verbreiteten sich, und die Motorenhersteller arbeiteten hart daran, ihre Designs zu verbessern. Neue Isolationsmaterialien und Änderungen an der Art und Weise, wie die Wicklungen um das Statorende im Motor herum angebracht waren, lösten das Problem. Motoren, die weniger als dreißig Jahre alt sind, sind in der Regel "inverter ready". Folglich ist ein Isolationsfehler infolge der Verwendung eines Antriebs heutzutage ziemlich selten. Wenn die Isolierung an einem Motor versagt hat, ist dies in der Regel auf Überhitzung oder einfach nur Alterung zurückzuführen. Ist der Motor alt, sollte er trotzdem ausgetauscht werden – ein moderner, effizienter Motor amortisiert sich in wenigen Jahren.

Ein selten gesehener Effekt ist die Spannungsverdopplung. Hat das Kabel eine Länge, die (leider) mit einem Vielfachen der Wellenlänge einer der hochfrequenten Komponenten der Schaltwellenform zusammenfällt, kann die Spannung an den Motorklemmen durch reflektierte Signale verdoppelt werden. Auch hier sind die meisten Motoren dafür ausgelegt, aber gelegentlich können Schäden auftreten. Die Lösung besteht darin, der Verbindung etwas mehr (oder weniger) Kabel hinzuzufügen.

Ein weiteres Problem, das durch den hochfrequenten Inhalt des Laufwerks verursacht wird, sind Lagerströme. Auch hier ist die Streukapazität von den Motorwicklungen zur Masse der Schuldige. Der hochfrequente Strom findet alle möglichen Wege zur Erde, einschließlich des Durchströmens der Motorlager. Dies führt zu einer langsamen Erosion oder Ätzung der Lagerfläche, wodurch merkwürdige Muster auf dem Lagerlauf entstehen, die, ob merkwürdig oder nicht, zu Lagerversagen führen. Das Problem tritt normalerweise bei Antrieben mit höherer Spannung und größeren Motoren auf, tritt jedoch gelegentlich in kleineren Installationen auf.

Auch hier haben die Motorenhersteller reagiert, indem sie isolierte Lager (normalerweise ist nur eines notwendig, oft am Nicht-Antriebsende) in vielen - aber nicht allen - Motoren verwendet haben.

Die Vermeidung von Lagerschäden ist natürlich besser als die Heilung, und es gibt ein paar einfache Vorsichtsmaßnahmen, die Antriebsbenutzer ergreifen können, um das Problem zu minimieren.

Eine gute Erdung des Motors stellt sicher, dass Leckströme durch den Motorkörper und nicht durch die Welle und die Lager fließen. Die Erdung des Motors und des Systems kann durch geflochtene Bodenbänder verbessert werden, die eine gute Hochfrequenzleitung aufweisen. Im Allgemeinen minimiert eine gute EMV-Praxis (z. B. ordnungsgemäßes Anschließen und Erdung von Kabelschirmen) die Ableitströme. Symmetrisches Kabel scheint zu helfen; das ist ein abgeschirmtes Kabel (zwischen motor und Antrieb), bei dem jeder Leiter die gleiche Leckage zum Bildschirm aufweist. Kabel mit zusätzlichen Erdungskabeln, die symmetrisch innerhalb des Kabels verteilt sind, sind ebenfalls von Vorteil.

Wellenerdungsbürsten sind verfügbar und umgehen die Lager und verhindern Schäden, obwohl diese nur berücksichtigt werden sollten, wenn sich Lagerschäden in der Vergangenheit als problematisch erwiesen haben.

Der Einbau eines Ausgangsfilters ist wahrscheinlich nur ein letzter Ausweg, da diese teuer und sperrig sind, aber durch das Entfernen der Hochfrequenzkomponente der Schaltwellenform reduzieren sie den Ableitstrom erheblich – und ermöglichen die Verwendung längerer Kabel.

Diese Probleme sind alle relativ ungewöhnlich und die meisten Antriebsinstallationen werden in Betrieb genommen und arbeiten ohne Probleme. Wenn sie jedoch auftauchen, kann es schwierig sein, sie aufzuspüren.