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Schaltvorgänge

arbeiten mit steilen Schaltflanken, um die Verlustleistung zu minimieren und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Bei IGBT-Frequenzumrichtern für 400 V Netzbetrieb (560 V Zwischenkreisspannung) schalten die IGBTs innerhalb von rund 200 ns um. Dies führt zu einer Spannungssteilheit an den Motorleitungen von circa 3 kV/µs. Eine typische kapazitätsarme Motorleitung ist ein gemeinsam abgeschirmtes mehradriges Kabel mit einem Kapazitätsbelag von ca. 200 pF/m. Die Flankensteilheit führt zu Umladeströmen von circa 0,6 A/m. Dies summiert sich bei langen Motorleitungen zu Umladeströmen bis zu 20 A auf, die auch bei Geräten kleiner Leistung fließen und den Wechselrichter erheblich belasten. Bei langen Motorleitungen wachsen die Ströme aufgrund der Wellenausbreitung (5 ns/m) nicht weiter an.

Für die Installation von Frequenzumrichtern ist wichtig, dass diese Ströme einer außerordentlich leistungsstarken Quelle entspringen. Wenn diese Ströme nicht den Weg fließen können, auf dem sie keinen Schaden anrichten, dann suchen die Ströme sich ihren Weg. Wenn die Motorleitung ungeeignet angeschlossen ist, z. B. Anschluss eines möglichen Leitungsschirms als verdrilltes Leitungsende (Pigtail) oder gar keine Auflage der Abschirmung, dann fließen die Umladeströme über Leitungen und Schaltungsteile z. B. Steuerklemmen oder Feldbussysteme und können dort massive Störungen bewirken.

Ein geeigneter Anschluss der Motorleitung (z. B. die großflächige Auflage einer möglichen Leitungsabschirmung) ist essenziell für ein gutes EMV-Verhalten des Frequenzumrichters. Eine günstiges EMV-Verhalten ist durch eine geeignete Filterung im Umrichter zu erreichen, indem der Filter auf kurzem Weg dem Störstrom einen Pfad zum Zwischenkreis bietet, vorzugsweise in der Nähe der Störquellen, den IGBTs. Dabei ist darauf zu achten, dass die Filterelemente nicht zu einer zu starken Verschleifung der Schaltflanken führen, da langsame Schaltzeiten schnell zur Überhitzung in den IGBTs führen können. Dieser Effekt kann auch durch geeignete Kühlung abgefangen werden.

Die Produktnorm für Frequenzumrichter EN61800-3 legt Grenzwerte für Störaussendungen fest.

Netzrückwirkungen

Ein einfacher Frequenzumrichter besteht netzseitig aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Elektrolytkondensatoren als Energiespeicher.

Das Netz (Spannungsquelle mit niedriger Impedanz) und der Zwischenkreis (Kondensatoren) werden mit Hilfe der Gleichrichterdioden aufeinandergeschaltet. Dies führt zu impulsartigen Ladeströmen (geringer Stromflusswinkel), die das Netz stark belasten. Durch Vorschalten von Netzdrosseln lassen sich die Netzrückwirkungen mildern. Der Anschluss von Frequenzumrichtern direkt an das Netz führt zu einer starken Belastung von Netz und Zwischenkreis durch einen erhöhten Effektivstrom und reduziert unter Umständen die Lebensdauer des Frequenzumrichters.

Inzwischen gibt es Frequenzumrichter, die ohne Zwischenkreiskondensator direkt aus dem Drehstrom-Netz über synchron gesteuerte Leistungshalbleiter zugleich gleich- und umrichten (Matrix-Umrichter). Die resultierende hochfrequente Leistungsentnahme lässt sich wesentlich einfacher (mit kleinen Kondensatoren und Drosseln) filtern, als die impulsförmige Leistungsaufnahme bei ungesteuerten Gleichrichtern. Nachteilig dabei ist allerdings eine leicht reduzierte maximale Ausgangsspannung, da keine Spitzenwert-Gleichrichtung stattfindet.

Eine weitere Variante ist die Vorschaltung einer PFC-Stufe zur Ladung des Zwischenkreiskondensators, die auch rückspeisefähig sein kann[2]. Dies erlaubt einen fast netzrückwirkungsfreien Betrieb ohne Drehmoment-Schwankungen.

Netzrückwirkungen für Frequenzumrichter sind in EN61000-3-2 festgelegt. Interessant ist hierbei, dass es keine Grenzwerte für Frequenzumrichter mit einer Nennleistung von mehr als 1KW gibt, während Umrichter kleinerer Leistung Grenzwerte einhalten müssen.

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