Normgerechte Umsetzung Normen für PFC und Ableitstrom gemeinsam erfüllt

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

In der modernen Antriebstechnik spielen sowohl Power Factor Correction (PFC) als auch der Ableitstrom eine entscheidende Rolle. Die diese Aspekte müssen in Netzversorgungen nahtlos integriert werden. Doch dabei noch die geltenden Normen einzuhalten ist nicht immer einfach.

In Netzversorgungen für Antriebe der ACD Antriebstechnik werden sowohl Power Factor Correction (PFC) als auch Ableitstrom nahtlos bis hin in den hohen Leistungsbereich gemeinsam unter Einhaltung der Normen erfüllt. Bei einphasigen Systemen ist dies relativ einfach, bei dreiphasigen Systemen, worauf im Folgenden eingegangen wird, ist dies etwas aufwändiger und kostenintensiver umzusetzen. Zwischen PFC und Ableitstrom besteht zunächst nur ein indirekter Zusammenhang, aber für beide Bereiche existieren Normen, deren Vorgaben eingehalten werden müssen. In Netzversorgungen, die in der Antriebstechnik auch als Netzgeräte, Versorgungsmodule oder Einspeisemodule bezeichnet werden und zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung dienen, müssen die Aspekte „PFC“ und „Ableitströme“ gleichermaßen berücksichtigt werden. Die PFC ist nur in Netzversorgungen von Antriebssystemen zu beachten, hingegen der Ableitstrom (gegen PE) setzt sich in Antriebssystemen aus mehreren Faktoren zusammen, insbesondere bei potentialgekoppelten Netzversorgungen.

Faktoren für Ableitströme

Der erste Faktor umfasst das Netzfilter und die zugehörigen Y-Kondensatoren mit entsprechenden Ableitströmen, welche oftmals mit entsprechenden speziellen Netzfiltern für geringe Ableitströme gut beherrschbar sind. Ein weiterer Faktor für die Ableitströme ist das Versorgungsmodul selbst. Durch die Gleichrichtung unter Erfüllung der PFC-Normen, sind zumeist aus Gründen der EMV auf dem Gleichspannungs-Zwischenkreis Y-Kondensatoren erforderlich. Diese erzeugen Ableitströme, die sich im Bereich im Spektrum an den auftretenden Netz- und Taktfrequenzen orientieren. Ein weiterer Einflussfaktor für Ableitströme sind die den Netzversorgungen nachgeschalteten Verbraucher, wie z.B. Achsmodule, die zumeist aus EMV-Gründen ebenfalls Y-Kondensatoren enthalten.

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Ein weiterer Faktor für die Ableitströme sind die Achsmodule selbst durch deren Taktung, welche heute mit sehr hohen Taktfrequenzen und damit einhergehend steilen Taktflanken mit modernsten Halbleiterbauelementen betrieben werden. Die höheren Taktfrequenzen bieten den Vorteil, dass der Stromripple reduziert wird und die steilen Taktflanken minimieren die auftretenden Schaltverluste in den Halbeleiterbauelementen. Diese Taktsignale werden mittels geschirmter Leitungen zu der Motorwicklungen geleitet.

Der kapazitive Beschlag, der sich aus der Verwendung von geschirmten Kabeln zwischen Leiter und Schirm sowie bei Motoren zwischen Wicklungen und Gehäuse ergibt, führt zu erheblichen Ableitströmen auf den Schutzleiter (PE). Diese Ableitströme sind oft insgesamt betrachtet wesentlich größer als diejenigen des Versorgungsmoduls samt Netzfilter und der Achsmodule gemeinsam, und sie liegen im Frequenzbereich der Taktraten und Harmonischen.

Ein Sinusfilter an jedem Ausgang des Achsmoduls reduziert zwar die Ableitströme, ist aber aus regelungstechnischen sowie finanziellen Gründen nicht tragbar.

Normen und Maßnahmen

In der Industrie, abhängig von der Anwendung, insbesondere auch im Nassbereich, sind gewisse Werte für die Ableitströme frequenzabhängig zulässig. Die exakten Werte der zulässigen Ableitströme sind in den anzuwendenden Normen definiert, wobei die strengsten Grenzwerte im Bereich des Personenschutzes gelten. Dafür existieren entsprechende Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD).

Falls die zulässigen Ableitstromwerte nicht eingehalten werden können – wobei hier zwischen ortsveränderlichen und ortsfesten Geräten mit Steck- bzw. Festanschluss unterschieden werden muss – müssen spezielle Maßnahmen ergriffen werden. Dazu gehören beispielsweise separat definierte Potentialerden. Ferner muss unterschieden werden zwischen reinen Wechselstrom-Verbrauchern und Verbraucher wie Antriebssystemen, welche Wechselstrom zu Gleichstrom konvertieren. Die Bandbreite der Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) für Antriebssysteme reicht von kosteneffizienten Standard-RCDs für Personen- und Sachschutz über Allstrom-sensible RCDs bis hin zu frequenzabhängigen RCDs und sogar Ableitstrom-kompensierenden RCDs, die entsprechend der Reihe nach kostenintensiver sind.

In industriellen Umgebungen ist zur Einhaltung des Personenschutzes ein Ableitstrom von maximal 30 mA vorgeschrieben. Diese Vorgabe ist je nach Größe und Anzahl der Versorgungs- und Achsmodule, sowie geschirmter Kabel mit Motoren, deren Ableitströme sich entsprechend summieren, schwer umsetzbar. Im Bereich des Maschinenbaus greift man auch bis hin in den höheren Leistungsbereich häufig, besonders bei keinem Festanschluss, auf dreiphasige Trenntransformatoren zurück, um dieser Herausforderung zu begegnen. Diese Transformatoren sind nicht nur voluminös und kostenintensiv, sondern erzeugen auch eine nicht unerhebliche Verlustleistung.

Das Versorgungsmodul für die Antriebe wird nun über den Trenntransformator versorgt. Dabei wird entweder der Sekundärsternpunkt der Netztransformators oder der Zwischenkreisminusanschluss mit der Masse bzw. PE verbunden. Auch eine erdsymmetrische Zwischenkreisanbindung ist möglich. Somit werden sämtliche Ableitströme, wie oben erwähnt, auf den Zwischenkreises und somit in den Energiekreislauf zurückgeleitet. Das Netzfilter wird dann je nach Versorgungstopologie auf der Primär- oder Sekundärseite des Trenntransformators eingesetzt.

Wird ein Trenntransformator eingesetzt, kommt nebenbei auch der Vorteil einer, im Versorgungsmodul eingesetzten Power Factor Correction (PFC) zum Tragen, da die sonst auftretenden Pulsströme einer Standard-B6-Gleichrichtung bei normaler Dimensionierung des Trenntransformators, diesen in die Sättigung treiben würden. Ohne den Einsatz einer PFC-Schaltung müsste der Trenntransformator entsprechend überdimensioniert werden. Zudem verhindert die PFC-Schaltung auch die Netzrückwirkungen auf die Primärseite des Trenntransformators.

Innovative Konzepte

ACD Antriebstechnik verfolgt hier als Anbieter von Antriebssystemen ein innovativeres Konzept und erschlägt in ihren Netzversorgungen für die Achsmodule die Themen PFC und Ableitströme bis in den hohen Leistungsbereich in einem Aufwasch. Solche Netzversorgungen finden nicht nur in der Antriebstechnik Anwendung, sondern auch in zahlreichen anderen Bereichen, in denen eine Dreiphasen-Gleichrichtung im hohen Leistungsbereich erforderlich ist. Zudem ermöglicht das Konzept die Erfüllung von SELV und PELV-Bereichen sowie im gesamten Bereich der Niederspannung bis < 1000 V. Darüber hinaus ist diese Lösung auch als Ladestation für die E-Mobilität umsetzbar.

Hier zählt ACD Antriebstechnik zu den Pionieren im Einsatz von industriell eingesetzten LLC-Wandlern und setzt diese Technik bereits seit vielen Jahren erfolgreich in allen möglichen Netzversorgungen ein. Der Serieneinsatz ist dabei auch außerhalb der Antriebstechnik, bis hin in den hohen Leistungsbereich möglich, in dem die gewünschte Gesamtleistung durch eine Parallelschaltung einzelner Module festgelegt werden kann.

Der LLC-Wandler zeichnet sich durch hohe Effizienz, Leistungsfähigkeit und kompakte Bauweise aus, was ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis gewährleistet. Dank der heutzutage möglichen hohen Taktfrequenzen können LLC-Wandlersysteme mit sehr großen Leistungen und gleichzeitig kompakten Abmessungen realisiert werden. Dies prädestiniert ihn auch für den Einsatz in Ladestationen für die E-Mobilität.

Das LLC-Wandlersystem, das als potentialgetrennter DC/DC-Wandler agiert, erfordert selbstverständlich einen vorgeschalteten PFC-Gleichrichter, um die entsprechenden PFC-Normen zu erfüllen. Um die Anforderungen der PFC-Normen im gesamten Leistungsbereich zu erfüllen, setzt die ACD Antriebstechnik GmbH auf ihre zum Patent angemeldete Dreiphasen-Boost-PFC. Diese innovative Schaltung nutzt eine einfache Schaltungstechnologie, um einen sinusförmigen Strom aus dem öffentlichen Versorgungsnetz zu entziehen und damit alle in den PFC-Normen festgelegten Grenzwerte zu gewährleisten.  (mr)

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