Institut für Energietechnik (IET)
HSR

Common-Mode-Arrester

Eine günstige Möglichkeit zum Schutz von Elektromotoren

Cornelius Jäger und Jasmin Smajic, HSR - Hochschule für Technik Rapperswil

Abstract

Pulsweiten modulierte (PWM) Spannungen von Frequenzumrichtern (FU) verursachen in elektrischen Motoren eine sogenannte Common-Mode (CM) Spannung. Es entstehen Erdströme und CM-Lagerströme auf Grund der kapazitiven Kopplung zwischen Statorwicklungen und den umgebenden Komponenten. Um diese Ströme zu dämpfen, ist es nötig die CM-Spannung zu reduzieren. In diesem Artikel wird die Methode des CM-Arresters präsentiert, womit mittels frequenzabhängiger Impedanzerhöhung gezielt ungewollte Anteile der CM-Spannung gesenkt werden können. Die Qualität dieser  neuen Lösung wird anhand Berechnungen und Simulationen überprüft und im Vergleich mit Messungen bestätigt.

I. EINLEITUNG

Lagerströme bei elektrischen Motoren sind ein bekanntes Problem im 50/60Hz Sinuswellenbetrieb. Diese Ströme haben eine niedrige Frequenz und verursachen geringen bis gar keinen Schaden. 

Durch den Einsatz von FU wurde diese Problematik noch verstärkt, da hochfrequente Spannungsanteile hinzugekommen sind, welche durch das Schalten des FU erzeugt werden. Diese hochfrequenten Erd- und Lagerströme, welche über die kapazitive Kopplung der Statorwicklungen zu den umliegenden Komponenten übertragen werden, sind vor allem auf die Schaltfrequenz des FUs zurückzuführen. Die Erdströme können auch EMV-Störungen in der Steuerelektronik verursachen, was zum Ausfall einer Anlage führen kann. Zudem beeinträchtigen sie die Personensicherheit. Die Lagerströme verursachen Materialkorrosion in den Lagern, was zu Lärm, Vibrationen und schlussendlich zur Zerstörung der Lager führen. Diese Probleme verursachen erhebliche Ausfall- und Wartungskosten. 

Um Lager- und Erdströme zu verhindern, werden in der Praxis bereits Materialien eingesetzt, welche für hochfrequente Signale dämpfend wirken. Solche Hochfrequenz-Materialien (HFM) sind Ferritkerne oder Nanokristalline Kerne, welche um die Zuleitungen der Motoren installiert werden. Das Prinzip ist gleich wie bei Netzgeräten elektronischer Komponenten. Leider führen die meisten Materialien erst ab Frequenzen im MHz-Bereich zu hohen Impedanzen und sind deshalb nur gering geeignet um Schaltfrequenzen der FU zu beeinflussen, da diese im kHz-Bereich anzufinden sind.

Die Idee ist, die bereits eingesetzten HFM als Transformator zu nutzen und mit einem oder mehreren Resonanzkreisen (RK) zu kombinieren. Der RK muss die Impedanz bei den nötigen Frequenzanteilen erhöhen und so gezielt die störenden Schaltfrequenzanteile reduzieren. Die so reduzierten Spannungsanteile bewirken eine Abnahme der unerwünschten Stromkomponenten, die teilweise durch das Lagersystem fliessen. Die eigentliche Funktion der HFM wird dabei nur wenig beeinflusst. Im MHz-Bereich haben sie die gleiche Wirkung.

II. THEORIE & SIMULATION

Es wurde ein Berechnungsmodell erstellt, welches die elektrischen Gleichungen löst, um die Impedanz des RKs in Abhängigkeit von der Frequenz darstellzustellen. Die zu lösenden Gleichungen im Berechnungsmodell beinhalten Maschen- und Knotensätze der RK, welche mit Hilfe des Ersatzschaltbilds (Bild 1) aufgestellt werden. Die Eingangsparameter sind die Widerstände (R), Induktivitäten (L) und Kapazitäten (C) der einzelnen RK.

Der CM-Arrester wurde mit drei RK (Bild 1) aufgebaut, welche unterschiedliche, aber nahe zueinander liegende Resonanzfrequenzen aufweisen, um so eine hohe Impedanz in einem breiten Frequenzspektrum zu bilden. Mit den L- und C-Parametern wird die Resonanzfrequenz beeinflusst und die ohmschen Widerstände wandeln die Energie der störenden Frequenzen in Wärme um.

Bild 1: Prinzip des CM-Arresters. Im Schema sind drei Resonanzkreise magnetisch gekoppelt, um drei Störfrequenzen zu reduzieren. Die magnetische Kopplung ermöglicht den Einsatz des Arresters ohne Bedarf die Leitung des Motors zu unterbrechen.
Bild 2: Impedanz-Kurve des CM-Arresters mit drei Resonanzkreisen, ausgelegt für eine Schaltfrequenz von 3kHz.

Die berechnete Impedanz-Kurve (Bild 2) wurde in einem Simulink-Modell implementiert und mit einer gemessenen CM-Spannung simuliert, wobei die zu reduzierende Spannung im Bereich von 3kHz liegt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass der Strom im 3kHz Bereich eine deutliche Abnahme aufweist (Bild 3).

Bild 3: Simultaionsergebnisse des Stroms mit CM-Arrester (Blau) und ohne CM-Arrester (Rot) für eine Schaltfrequenz von 3kHz.

III. MESSUNGEN 

Die Messung wurde mit einem FU durchgeführt, welcher mit einer Schaltfrequenz von 12kHz arbeitet. Über das Berechnungsmodell wurden die neuen Anforderungen des Prototyps berechnet, so dass eine möglichst hohe Impedanz bei 12kHz entsteht. 

Bild 4: Messaufbau mit Frequenzumrichter, Ferritkernen, CM-Arrester, Last und Messeinrichtung.

Der Prototyp des CM-Arresters beinhaltet wie beim theoretischen Modell drei RK, welche mit den ermittelten, passiven RLC-Elementen aufgebaut wurde (Bild 4). Um eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen RK zu verhindern, muss zwingend pro RK ein HF-Kern eingesetzt werden. Die Impedanz-Messung des Prototyps (Bild 5) zeigt Unterschiede in der Höhe der Impedanz und der Resonanzfrequenz der einzelnen RK. Das Problem hierbei ist, dass die realen R, L und C nicht ideal sind, wie im Berechnungsmodell, was die Verschiebungen der Resonanzpunkte und der Absoluten Impedanzen zur Folge hat. Die Impedanz-Messung des Prototyps zeigt einen Wert von ca. 100Ohm bei der angestrebten Frequenz von 12kHz.

Bild 5: Impedanz-Kurve mit drei Resonanzkreisen für eine Schaltfrequenz von 12kHz, Berechnung (Rot) und Messung Prototyp (Blau).

Die Messergebnisse zeigen, dass die CM-Spannung mit CM-Arrester um ca. 50% reduziert wird. Er funktioniert dabei wie ein Spannungsteiler bei der Schaltfrequenz des FUs. Das bedeutet, je höher die Impedanz des CM-Arresters gegenüber der Lastimpedanz ist, desto mehr wird die Spannung reduziert.

Die Abnahme der Spannung bei der Schaltfrequenz hat zur Folge,  dass auch der Strom bei dieser Frequenz reduziert wird. Dies ist in den Messungen des Stroms deutlich zu erkennen (Bild 6).  

Bild 6: Messung CM-Strom bei der Schaltfrequenz 12kHz mit CM-Arrester (Rot) und ohne CM-Arrester (Blau).

IV. ZUSAMMENFASSUNG

Die Messungen haben bestätigt, dass der CM-Arrester funktioniert und eine Abnahme von ca. 50% der relevanten Spannungs- und Stromanteile bewirkt. Optimale Auslegung  könnte noch höhere Reduktionen erreichen. Der CM-Arrester hat die Eigenschaft  eines Spannungsteilers für einen definierten Frequenzbereich. Nachteil der Methode ist, dass die Energie dieser Frequenzen in Wärme umgewandelt wird und somit der Wirkungsgrad der Anlage leicht abnimmt. Vorteile sind, dass es mit bereits eingesetzten HFM kombiniert werden kann und eine günstige Alternative oder Ergänzung zu anderen Methoden ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Lösung ist, die galvanische Trennung zwischen dem RK und dem Hauptkreis. Das ermöglicht den Einsatz des Arresters ohne Bedarf die Leitung des Motors zu unterbrechen.

Kontaktpersonen

Prof. Dr. Jasmin Smajic, Leiter der Gruppe Computational & Applied Electromagnetics Group (CEAM) und Partner  des Institut für Energietechnik  (IET) an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR).
Email: jasmin.smajic(at)hsr.ch

Cornelius Jäger, Mitarbeiter der Gruppe CAEM am IET an der HSR.
Email: cornelius.jaeger(at)hsr.ch

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