1. Einleitung Elektrostatische Entladungen (ESD) und elektrische Schnellimpulse (EFT) können Wechselrichtersysteme in unterschiedlichem Ausmaß beschädigen. Bei einer ESD-Belastung von 4–8 kV kann die am Ende des Übertragungskabels messbare induzierte Spannung bis zu 600 V erreichen. Diese Spannung übersteigt die Schwellenspannungen der Ein-, Ausgangs- und Kommunikationsanschlüsse des Wechselrichters deutlich. Die typische Dauer des induzierten Impulses beträgt ca. 400 ns. Wechselrichter sind im Betrieb häufig unerwarteten Spannungsspitzen und -überspannungen ausgesetzt, die zu Schäden an den internen elektronischen Bauteilen führen. Diese Schäden äußern sich in der Zerstörung oder dem Ausfall von Halbleiterbauelementen (wie Dioden, Transistoren, Thyristoren und integrierten Schaltungen). Statistiken zeigen, dass 75 % der Ausfälle der Wechselrichtersteuerung durch Spannungsspitzen und -überspannungen verursacht werden. Spannungsspitzen und -überspannungen sind allgegenwärtig: Stromnetze, Blitzeinschläge, Explosionen und sogar das Begehen eines Teppichs können elektrostatisch induzierte Spannungen von mehreren zehntausend Volt erzeugen. Dies sind alles versteckte Gefahrenquellen für die Steuerungs- und Kommunikationsanschlüsse von Wechselrichtern. Um die Zuverlässigkeit von Frequenzumrichtern zu verbessern, sind daher Schutzmaßnahmen gegen Spannungsspitzen und Überspannungen erforderlich. 2. Blitzschutzanschlüsse Erfahrungsgemäß lassen sich Blitzeinschläge in Frequenzumrichteranwendungen grob in direkte, induzierte und leitungsgebundene Blitzeinschläge unterteilen. Unabhängig von der Art des Blitzeinschlags lassen sie sich jedoch alle als Blitzüberspannungen zusammenfassen, die über die folgenden vier Punkte – die sogenannten Blitzschutzanschlüsse – eindringen. Dies wird anhand von Frequenzumrichtern verdeutlicht. 2.1 Gehäuseanschlüsse Jeder Frequenzumrichter oder jedes System, ob groß oder klein, kann als geschlossenes System betrachtet werden, das Sensoren, Übertragungsleitungen, Signalrelais, Feldinstrumente, Prozessleitsysteme usw. umfasst. Diese Komponenten sind der Umgebung vollständig ausgesetzt und können direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sein, was zu Geräteschäden führen kann. Normen legen fest, dass eine elektrostatische Entladung von 4 kV durch Blitzschlag am Gerätegehäuse den normalen Betrieb des Frequenzumrichters bzw. des Systems beeinträchtigt. Beispielsweise können im Außenbereich des Eingangsfrequenzumrichters angebrachte Sensoren durch Blitzkontaktentladungen betroffen sein; in Innenräumen befindliche Frequenzumrichterschränke können durch Entladungen im Raum beeinträchtigt werden, wenn der Blitzschutz des Gebäudes Entladungsströme ableitet. 2.2 Signalanschlüsse In einem Frequenzumrichter-Steuerungssystem sind Verbindungen zur Außenwelt erforderlich, um Signale oder Informationen zu übertragen. Diese Signalschnittstellen, sowohl Eingänge von außen als auch Ausgänge des Frequenzumrichters, sind anfällig für Blitzüberspannungen. Da Überspannungen an externen Signaleingängen des Frequenzumrichterschranks häufig über lange Kabel auftreten, wird eine 10/700-µs-Wellenform verwendet. Die Norm spezifiziert eine Überspannungsspannung zwischen den Leitern von 0,5 kV und eine Überspannungsspannung gegen Erde von 1 kV. Die Auswirkungen von Überspannungen auf die Signalübertragungsports zwischen Frequenzumrichtern innerhalb eines Gebäudes entsprechen jedoch denen einer Überspannung im Stromnetz bei einer kombinierten Wellenform von 1,2/50 (8/20) µs. Die Grenzwerte für die Überspannung zwischen den Leitern und gegen Erde bleiben unverändert. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte kann die Signalports und nachgeschaltete Geräte beschädigen. 2.3 Stromports Stromports sind am weitesten verbreitet und am anfälligsten für Blitzüberspannungen. Die Stromports des Frequenzumrichters befinden sich zwischen Verteilerkasten und Leistungseingang des Frequenzumrichters sowie zwischen dessen Ausgangsanschluss und dem Motor. Die Norm legt einen Grenzwert für die Überspannung zwischen den Leitern von 0,5 kV und einen Grenzwert für die Überspannung gegen Erde von 1 kV bei einer kombinierten Wellenform von 1,2/50 (8/20) µs fest. Dieser Grenzwert bezieht sich jedoch auf eine Betriebsspannung von 220 V AC. Bei niedrigeren Betriebsspannungen gilt diese Norm nicht. Eine kleine Überspannung im Stromnetz beschädigt das Gerät zwar nicht sofort, beeinträchtigt aber zumindest seine Lebensdauer. 2.4 Erdungsanschluss Obwohl die Norm den Erdungsanschluss nicht explizit erwähnt, ist er für den Wechselrichter von entscheidender Bedeutung. Bei Blitzeinschlägen kann der Erdungsanschluss durch Rückkopplung, Potenzialanstieg oder übermäßigen Erdungswiderstand aufgrund mangelhafter oder unsachgemäßer Erdung beeinträchtigt werden. Dadurch werden die Referenzpotentialanforderungen nicht mehr erfüllt und das Gerät beschädigt. Der Erdungsanschluss unterliegt Anforderungen hinsichtlich Erdungswiderstand/Erdungsdraht (Länge, Durchmesser, Material usw.), Erdungsmethode und Erdungsnetzaufbau. Diese Anforderungen hängen auch direkt von den elektrischen Eigenschaften des Geräts, dem Betriebsfrequenzband und der Betriebsumgebung ab. Darüber hinaus kann eine Rückkopplung vom Erdungsanschluss den DC-Betriebsstromversorgungsanschluss im Inneren des Wechselrichters erreichen und die mit Gleichspannung betriebenen Schaltungen beschädigen. Zusammenfassend lässt sich der Blitzschutz von Frequenzumrichtern anhand von vier Schlüsselanschlüssen betrachten (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Vier Schlüsselanschlüsse von Frequenzumrichtern. 3. Schutz von Frequenzumrichtern. 3.1 Gehäuseanschluss. Der Schutz des Gehäuseanschlusses von Frequenzumrichtern umfasst nicht nur das Gebäudegehäuse, sondern auch das Gehäuse des Frequenzumrichters selbst bzw. des Frequenzumrichterschranks. Gemäß IEC 1312-1 „Schutz gegen elektromagnetische Blitzeinschläge – Teil 1 (Allgemeine Grundsätze)“ umfasst der Anwendungsbereich die Planung, Installation, Prüfung und Wartung wirksamer Blitzschutzsysteme für Frequenzumrichter in oder auf Gebäuden. Es gibt drei Hauptschutzmethoden: Erdung, Schirmung und Potenzialausgleich. (1) Erdung. IEC 1024-1 beschreibt die Erdungsmethode für den Blitzschutz von Gebäuden. Diese wird hauptsächlich durch das unterirdische Netzgeflecht des Gebäudes realisiert. Beim Blitzschutz des Frequenzumrichtersystems ist es erforderlich, dass die Strom- und Signalübertragungskabel zwischen zwei benachbarten Gebäuden an das Gebäudeerdungssystem angeschlossen werden (ohne eine Schleife zu bilden). Dadurch werden mehrere parallele Pfade genutzt, um den Strom in den Kabeln zu reduzieren. Bei der Erdung des Wechselrichtersystems ist besonderes Augenmerk auf die Systemsicherheit zu legen und Störungen durch andere Systeme zu vermeiden. Generell sollte die Erdung des Wechselrichtersystems im Betrieb nicht direkt mit dem Blitzschutz-Erdungsdraht verbunden werden, da sonst Streuströme in das Wechselrichtersystem gelangen und Signalstörungen verursachen. Die korrekte Verbindungsmethode besteht darin, zwei separate Erdungsnetze unterirdisch über einen Niederspannungs-Überspannungsableiter zu verbinden, sodass sie sich bei Blitzeinschlag automatisch verbinden. (2) Schirmung: Theoretisch ist die Schirmung des Wechselrichtergehäuses sehr wirksam gegen Blitzeinschläge. Aus wirtschaftlicher und praktischer Sicht sollten jedoch verschiedene Schirmungsmethoden basierend auf der Störfestigkeit der Gerätekomponenten und den Anforderungen an die Schirmungseffektivität ausgewählt werden. Die Leitungsschirmung, d. h. die Verwendung geschirmter Kabel im Wechselrichtersystem, ist weit verbreitet. Die Abschirmung von Geräten oder Systemen muss jedoch situationsabhängig erfolgen. Die IEC schlägt beispielsweise die Verbindung der Stahlbewehrung des Gebäudes mit der Metallkonstruktion vor. IEC 1312-2 beschreibt dies wie folgt: Die Hauptquelle elektromagnetischer Störungen des Wechselrichtersystems im Gebäudeinneren ist das transiente Magnetfeld, das durch den Impulsstrom mehrerer Blitzeinschläge während eines Blitzes entsteht. Ist das Gebäude oder der Raum, in dem sich das Wechselrichtersystem befindet, großflächig abgeschirmt, wird das momentane elektrische Feld durch solche Maßnahmen in der Regel auf einen ausreichend niedrigen Wert reduziert. (3) Potenzialausgleich: Der Potenzialausgleich dient der Reduzierung der Potenzialdifferenz zwischen Frequenzumrichtern und zwischen Frequenzumrichtern und metallischen Bauteilen. Beim Potenzialausgleich an der Schnittstelle der Blitzschutzzone muss das Frequenzumrichtersystem im Gebäude berücksichtigt werden. An Orten mit minimalen Anforderungen an die elektromagnetischen Impulswirkungen von Blitzen sollte der Potenzialausgleichsstreifen vorzugsweise aus Metallblech bestehen und mehrfach mit der Stahlbewehrung des Gebäudes oder anderen Abschirmungskomponenten verbunden werden. Für freiliegende leitfähige Teile des Frequenzumrichtersystems ist ein Potenzialausgleichsnetzwerk einzurichten. Prinzipiell muss ein Potenzialausgleichsnetzwerk nicht direkt mit der Erde verbunden sein, in der Praxis verfügen jedoch alle Potenzialausgleichsnetzwerke über eine Erdverbindung. 3.2 Signalanschlussschutz: Es gibt mittlerweile viele ausgereifte Schutzvorrichtungen, wie z. B. Signalanschluss- und Kommunikationsanschlussschutz für Frequenzumrichter. Bei der Auswahl eines Schutzgeräts sollten neben dessen Leistungsfähigkeit auch Übertragungsrate, Einfügedämpfung, VSWR, Betriebsspannung, Betriebsstrom und andere relevante Kennzahlen der geschützten Geräte berücksichtigt werden. Werden mehrere Schutzebenen im selben System eingesetzt, ist deren Koordination zu beachten. Transiente Ströme, die über Signalanschlüsse eintreten, können die Signalübertragungs- und Steuereinheiten im Frequenzumrichter, wie z. B. die Hauptplatine, den Parallelport und die Signalschnittstellenkarte, beschädigen. Tatsächlich können transiente Ströme oder Überspannungen über verschiedene Wege in das Signalübertragungsnetz gelangen. Wenn das Frequenzumrichter-Steuerungssystem und der Host-Computer über eine Ethernet-Struktur kommunizieren, nennt der IEEE-802-3-Ethernet-Standard vier potenzielle Gefahrenquellen für das Netzwerk: (1) Direkter Kontakt zwischen LAN-Komponenten und Stromversorgungsschaltungen oder elektrisch belasteten Schaltungen; (2) Auswirkungen statischer Elektrizität auf LAN-Kabel und -Komponenten; (3) Hochenergetische transiente Ströme, die in das LAN-System eingekoppelt werden (verursacht durch Kabel in der Nähe des Netzwerkkabels); (4) Geringfügige Unterschiede in der Erdungsspannung zwischen verbundenen Netzwerkkomponenten (z. B. kann die Schutzerdung zweier verschiedener Gebäude geringfügig abweichen). Am Beispiel der Kommunikationsleitungen von Wechselrichtern lässt sich dies verdeutlichen: Bei den RS-232-Standards für serielle und parallele Schnittstellen verläuft die Erdungsleitung zur Ableitung von Überspannungen und Fehlerströmen gemeinsam mit dem Datenrückweg. Bereits geringfügige transiente Spannungen im Bereich von wenigen zehn Volt können über diese Schnittstellen Host-Computer und Endgeräte beschädigen. Signalübertragungsleitungen können zudem direkt transiente Überspannungen von Freileitungen ableiten, während Signalschnittstellen Überspannungen durch Blitzeinschläge und elektrostatische Entladungen ableiten können. Benutzer sollten Datenleitungsschutzgeräte sorgfältig auswählen. Einige Schutzgeräte, die zwar eine Shunt-Funktion erfüllen, verwenden häufig Silizium-Lawinendioden (SADs) zwischen der geschützten Leitung und dem Gehäuse des Schutzgeräts. Tests zeigen, dass SADs zwar eine ausgezeichnete Klemmleistung aufweisen, ihre Überspannungsschutzkapazität jedoch begrenzt ist. Varistoren (MOVs) sollten ebenfalls nicht mit Datenleitungsschutzgeräten verwendet werden. Überspannungsschutzgeräte für moderne Prozessleitsysteme (z. B. RS-232-Schnittstellen oder Koaxial-Netzwerkadapter) verwenden derzeit Halbleiterentladungsröhren, deren Restspannungsparameter von großer Bedeutung sind. Unter bestimmten Voraussetzungen ist eine mehrstufige Schutzschaltung effektiver. 3.3 Prinzipiell werden mehrstufige Überspannungsschutzgeräte (SPDs) zum Schutz der Stromversorgung am Netzteilanschluss eingesetzt. Aufgrund der Empfindlichkeit des Netzteilschutzes des Wechselrichter-Steuerungssystems muss jedoch ein Schutzgerät mit einem niedrigen Restspannungswert verwendet werden. Diese Restspannung sollte unterhalb der Spannungsfestigkeit des zu schützenden Geräts liegen. Gleichzeitig muss der Einfluss elektromagnetischer Störungen auf das Wechselrichtersystem berücksichtigt werden. Daher ist eine Shunt-Konstruktion mit Filterung optimal. Für den Schutz der Stromversorgung des Wechselrichtersystems sind zwei Punkte besonders wichtig: Die ersten beiden Schutzebenen sollten mit Überspannungsschutzgeräten hoher Strombelastbarkeit ausgestattet sein, der Wechselrichteranschluss mit Schutzgeräten geringer Restspannung. Die letzte Schutzebene sollte idealerweise über eine Filterschaltung verfügen. Bei der Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) am Stromversorgungsanschluss des Wechselrichtersystems sind folgende Punkte zu beachten: (1) Mehrstufige SPDs müssen hinsichtlich Energie, Zeit und Entfernung aufeinander abgestimmt sein. Andernfalls ist die Wirkung kontraproduktiv. (2) Die Anschlussleitungen des Überspannungsschutzes sollten möglichst dick und kurz sein. (3) Bei Verwendung eines vollständigen Schutzes sollten alle Anschlussleitungen möglichst gebündelt werden. 4. Fazit: Bei drehzahlgeregelten Antriebssystemen mit variabler Frequenz ist der Schutz der Anschlüsse von Frequenzumrichtern zu einem entscheidenden Aspekt geworden, der bei der Entwicklung und Anwendung solcher Systeme unbedingt berücksichtigt werden muss. Er ist auch einer der Schlüsselfaktoren für die Anwendung und Verbreitung von Frequenzumrichtern. Der Anschlussschutz von Frequenzumrichtern wird sich zweifellos weiterentwickeln und verbessern.