In verschiedenen industriellen Steuerungssystemen, insbesondere mit dem weitverbreiteten Einsatz leistungselektronischer Geräte wie Frequenzumrichtern, treten elektromagnetische Störungen (EMI) zunehmend in den Vordergrund. Daher gewinnt die Entwicklung entsprechender Technologien zur Störungsresistenz (elektromagnetische Verträglichkeit, EMV) immer mehr an Bedeutung. Störungen in Frequenzumrichtersystemen können die Systemhardware direkt beschädigen; selbst wenn sie die Hardware nicht beschädigen, führen sie häufig zu Fehlfunktionen des Mikroprozessorsystems, was wiederum Steuerungsausfälle sowie Anlagen- und Produktionsstörungen zur Folge haben kann. Die Verbesserung der Störungsresistenz und Zuverlässigkeit des Systems ist daher ein wichtiger Aspekt, der bei der Entwicklung und Anwendung von Automatisierungsgeräten nicht vernachlässigt werden darf und gleichzeitig ein Schlüsselfaktor für die Anwendung und Förderung computergestützter Steuerungstechnik ist. Um das Problem der Störungsresistenz von Frequenzumrichtern zu verstehen, ist es unerlässlich, zunächst die Quellen und Ausbreitungswege der Störungen zu kennen und anschließend geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. I. Quellen von Frequenzumrichterstörungen: Erstens gibt es Störungen aus dem externen Stromnetz. Oberschwingungen im Stromnetz stören den Frequenzumrichter hauptsächlich über seine Stromversorgung. Das Stromnetz enthält zahlreiche Oberwellenquellen wie Gleichrichter, AC/DC-Wandler, elektronische Spannungsregler, nichtlineare Lasten und Beleuchtungseinrichtungen. Diese Lasten verursachen Wellenformverzerrungen in Spannung und Strom des Stromnetzes und somit schädliche Störungen anderer Geräte im Netz. Wird die Stromversorgung des Wechselrichters durch das verunreinigte Wechselstromnetz gestört und nicht entzerrt, gelangen die Netzstörungen über den Stromversorgungskreis zum Wechselrichter. Die wichtigsten Störungen der Stromversorgung des Wechselrichters sind: (1) Überspannung, Unterspannung, kurzzeitiger Stromausfall, (2) Spannungsspitzen, Spannungseinbrüche, (3) Spannungsspitzen und (4) Funkstörungen. 1. Störungen des Wechselrichters durch Thyristor-Umrichter: Bei Thyristor-Umrichtern mit hoher Leistung im Stromnetz kann es aufgrund der permanenten Leitfähigkeit des Thyristors während eines Teils der Halbperiode jeder Phase leicht zu Spannungseinbrüchen und starken Wellenformverzerrungen im Netz kommen. Dies kann dazu führen, dass der Gleichrichterkreis auf der Eingangsseite des Wechselrichters durch eine hohe Sperrspannung beschädigt wird, was einen Durchschlag des Eingangskreises und dessen Zerstörung zur Folge haben kann. 2. Störungen des Wechselrichters durch den Kompensationskondensator: Die Energieversorger stellen bestimmte Anforderungen an den Leistungsfaktor der Verbraucher. Daher nutzen viele Anwender in Umspannwerken eine zentrale Kondensatorkompensation zur Verbesserung des Leistungsfaktors. Während des Ein- und Ausschaltens des Kompensationskondensators kann die Netzspannung einen sehr hohen Spitzenwert erreichen, der aufgrund der zu hohen Sperrspannung zum Durchschlag der Gleichrichterdioden des Wechselrichters führen kann. Zweitens übt der Wechselrichter selbst Störungen nach außen aus. Die Gleichrichterbrücke des Wechselrichters stellt eine nichtlineare Last für das Stromnetz dar, und die von ihr erzeugten Oberschwingungen verursachen Störungen anderer elektronischer und elektrischer Geräte im selben Stromnetz. Darüber hinaus verwenden die meisten Wechselrichter die PWM-Technologie, die beim Schaltbetrieb und bei schnellen Schaltvorgängen starkes Kopplungsrauschen erzeugt. Daher stellt der Wechselrichter eine elektromagnetische Störquelle für andere elektronische und elektrische Geräte im System dar. Die Ein- und Ausgangsströme des Wechselrichters enthalten zahlreiche Oberschwingungen höherer Ordnung. Neben den niederenergetischen Oberschwingungen, die zu Blindleistungsverlusten im Netzteil führen können, treten auch viele hochfrequente Oberschwingungen auf. Diese verteilen ihre Energie auf verschiedene Weise und erzeugen Störsignale, die den Wechselrichter selbst und andere Geräte beeinträchtigen. (1) Wellenform des Eingangsstroms: Die Eingangsseite des Wechselrichters besteht aus einer Diodengleichrichtung und einem Kondensatorfilter. Offensichtlich fließt im Gleichrichter nur dann ein Ladestrom, wenn die Netzspannung UL des Netzteils die Gleichspannung UD am Kondensator übersteigt. Daher tritt der Ladestrom stets in der Nähe der Amplitude der Netzspannung als diskontinuierliche Stoßwelle auf. Er weist eine starke Oberschwingung höherer Ordnung auf. Laut den vorliegenden Daten sind die 5. und 7. Oberschwingung im Eingangsstrom am größten und machen 80 % bzw. 70 % der 50-Hz-Grundwelle aus. (2) Wellenformen von Ausgangsspannung und -strom Die meisten Wechselrichterbrücken von Frequenzumrichtern verwenden SPWM-Modulation. Ihre Ausgangsspannung besteht aus einer Reihe von Rechteckwellen mit einem sinusförmig verteilten Tastverhältnis. Aufgrund der induktiven Natur der Statorwicklung des Motors ist der Statorstrom nahezu sinusförmig. Die Oberwellenkomponente mit der Trägerfrequenz ist jedoch relativ groß. II. Ausbreitungsmodus von Störsignalen Frequenzumrichter können Oberwellen mit hoher Leistung erzeugen. Aufgrund dieser hohen Leistung haben sie starke Störwirkungen auf andere Geräte im System. Ihr Störpfad entspricht dem allgemeinen elektromagnetischen Störpfad und lässt sich hauptsächlich in Leitung (d. h. Schaltungskopplung), elektromagnetische Strahlung und induktive Kopplung unterteilen. Im Einzelnen: Erstens erzeugt er elektromagnetische Strahlung, die auf die umliegenden elektronischen und elektrischen Geräte wirkt; zweitens erzeugt er elektromagnetische Störungen am direkt angetriebenen Motor, was die Eisen- und Kupferverluste des Motors erhöht; und drittens leitet er Störungen in die Stromversorgung, die dann über das Stromverteilungsnetz zu anderen Geräten im System weitergeleitet werden. Schließlich erzeugt der Frequenzumrichter eine induktive Kopplung mit benachbarten Leitungen, wodurch Störspannungen oder -ströme induziert werden. Umgekehrt stören Störsignale im System den normalen Betrieb des Frequenzumrichters über denselben Pfad. (1) Schaltungskopplung: Ausbreitung über das Stromnetz. Da der Eingangsstrom nicht sinusförmig ist, führt eine hohe Leistung des Frequenzumrichters zu Verzerrungen der Netzspannung und beeinträchtigt den Betrieb anderer Geräte. Gleichzeitig erhöhen die am Ausgang erzeugten leitungsgebundenen Störungen die Kupfer- und Eisenverluste des direkt angetriebenen Motors erheblich und beeinträchtigen dessen Betriebseigenschaften. Dies ist offensichtlich der Hauptausbreitungsmodus des Störsignals im Eingangsstrom des Frequenzumrichters. (2) Induktive Kopplung: Befindet sich der Eingangs- oder Ausgangskreis des Frequenzumrichters in unmittelbarer Nähe zu anderen Geräten, werden die Oberwellen des Frequenzumrichters induktiv auf diese Geräte übertragen. Es gibt zwei Arten der Induktion: a) elektromagnetische Induktion, die den Hauptweg für Stromstörsignale darstellt; b) Elektrostatische Induktion, die die Hauptursache für Spannungsstörungen ist. (3) Luftstrahlung bezeichnet die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen in die Luft und ist die Hauptursache für die Ausbreitung hochfrequenter Oberwellen. III. Maßnahmen zur Störungsunterdrückung für Drehzahlregelungssysteme mit variabler Frequenz . Gemäß den Grundprinzipien der elektromagnetischen Eigenschaften erfordert elektromagnetische Interferenz (EMI) drei Elemente: eine elektromagnetische Störquelle, einen elektromagnetischen Störpfad und ein System, das für elektromagnetische Störungen empfänglich ist. Zur Störungsunterdrückung können Hardware- und Software-basierte Maßnahmen eingesetzt werden. Hardware-basierte Maßnahmen sind die grundlegendste und wichtigste Methode zur Störungsunterdrückung in Anwendungssystemen. Sie basieren im Allgemeinen auf der Unterdrückung von Störungen durch Widerstand und Abwehr. Ihr allgemeines Prinzip besteht darin, Störquellen zu unterdrücken und zu eliminieren, den Kopplungskanal der Störungen zum System zu unterbrechen und die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Störsignalen zu reduzieren. Konkrete technische Maßnahmen sind beispielsweise Isolation, Filterung, Abschirmung und Erdung. 1. Die sogenannte Interferenzinsolierung bezeichnet die Trennung der Störquelle und des störanfälligen Bauteils vom Stromkreis, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen ihnen besteht. In drehzahlgeregelten Übertragungssystemen mit variabler Frequenz werden üblicherweise Trenntransformatoren in den Stromleitungen zwischen Netzteil und Verstärkerschaltungen eingesetzt, um leitungsgebundene Störungen zu verhindern. Für die Leistungstrennung können Rauschtrenntransformatoren verwendet werden. 2. Der Einsatz von Filtern im Systemstromkreis dient der Unterdrückung von Störsignalen, die vom Frequenzumrichter über die Stromleitungen zum Netzteil und Motor gelangen. Zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen und Verluste können Ausgangsfilter am Ausgang des Frequenzumrichters und Eingangsfilter am Eingang des Frequenzumrichters zur Reduzierung von Störungen im Netzteil eingesetzt werden. Sind empfindliche elektronische Bauteile im Stromkreis vorhanden, können Netzfilter in den Stromleitungen installiert werden, um leitungsgebundene Störungen zu verhindern. In den Ein- und Ausgangsschaltungen des Frequenzumrichters treten neben den bereits erwähnten niederfrequenten Oberwellenanteilen zahlreiche hochfrequente Oberwellenströme auf, die ihre Energie auf verschiedene Weise verteilen und Störsignale für andere Bauteile erzeugen. Filter sind das wichtigste Mittel zur Dämpfung hochfrequenter Oberwellen. Je nach Einsatzort lassen sie sich in folgende Kategorien einteilen: (1) Eingangsfilter gibt es üblicherweise in zwei Ausführungen: a. Netzfilter bestehen hauptsächlich aus Induktionsspulen. Sie dämpfen hochfrequente Oberwellenströme, indem sie die Netzimpedanz bei hohen Frequenzen erhöhen. b. Strahlungsfilter bestehen hauptsächlich aus Hochfrequenzkondensatoren. Sie absorbieren hochfrequente Oberwellen durch Abstrahlung. (2) Der Ausgangsfilter besteht ebenfalls aus einer Induktionsspule. Er kann die Oberwellen im Ausgangsstrom effektiv reduzieren. Er dient nicht nur der Entstörung, sondern reduziert auch das durch Oberwellenströme im Motor verursachte zusätzliche Drehmoment. Für die Entstörungsmaßnahmen am Ausgang des Frequenzumrichters sind folgende Aspekte zu beachten: a. Kondensatoren dürfen nicht an den Ausgang des Frequenzumrichters angeschlossen werden, um zu vermeiden, dass beim Ein- (oder Ausschalten) des Wechselrichters ein hoher Spitzenlade- (oder Entlade-)strom entsteht, der den Wechselrichter beschädigen kann; b. Wenn der Ausgangsfilter aus einem LC-Schwingkreis besteht, muss die Seite des im Filter angeschlossenen Kondensators mit der Motorseite verbunden werden. 3. Die Abschirmung der Störquelle ist die effektivste Methode zur Unterdrückung von Störungen. Wechselrichter werden typischerweise mit Eisengehäusen abgeschirmt, um elektromagnetische Störungen zu verhindern. Ausgangsleitungen sollten idealerweise mit Stahlrohren abgeschirmt werden, insbesondere wenn der Wechselrichter durch externe Signale gesteuert wird. Signalleitungen sollten so kurz wie möglich (in der Regel innerhalb von 20 m) und zweiadrig abgeschirmt sein und vollständig von den Hauptstromkreisleitungen (AC 380 V) und Steuerleitungen (AC 220 V) getrennt verlaufen. Sie dürfen niemals im selben Rohr oder Kabelkanal verlegt werden. Auch die Leitungen um elektronisch empfindliche Geräte müssen abgeschirmt werden. Für eine effektive Abschirmung muss die Abschirmabdeckung zuverlässig geerdet sein. 4. Eine ordnungsgemäße Erdung unterdrückt effektiv externe Störungen und reduziert Störungen durch das Gerät selbst. In der Praxis führt die fehlende Trennung zwischen Systemneutralleiter und Schutzleiter (Systemerde) sowie die ungeordnete Verbindung der Schirmungserde des Steuerungssystems (Schutzleiter des Steuersignals und Schutzleiter des Hauptstromkreises) zu einer erheblichen Reduzierung der Systemstabilität und -zuverlässigkeit. Bei Wechselrichtern ist die ordnungsgemäße Erdung der Hauptstromkreisklemmen PE (E, G) entscheidend für eine verbesserte Rauschunterdrückung und die Reduzierung von Störungen; daher muss ihr in der Praxis höchste Priorität eingeräumt werden. Der Querschnitt des Erdungsleiters des Wechselrichters sollte im Allgemeinen mindestens 2,5 mm² betragen, und die Länge sollte 20 m nicht überschreiten. Es wird empfohlen, die Erdung des Wechselrichters von den Erdungspunkten anderer elektrischer Betriebsmittel zu trennen und keine gemeinsame Erdung zu verwenden. 5. Der Anteil niederfrequenter Oberwellen (5., 7., 11., 13. Oberwelle usw.) im Eingangsstrom des Wechselrichters ist sehr hoch. Neben potenziellen Störungen des normalen Betriebs anderer Geräte verbrauchen sie auch große Mengen an Blindleistung, was den Leistungsfaktor der Leitung erheblich reduziert. Das Hinzufügen einer Drossel in Reihe zum Eingangskreis ist eine effektive Methode zur Unterdrückung niederfrequenter Oberwellenströme. Je nach Verdrahtungsposition gibt es zwei Haupttypen: (1) Die Drossel wird in Reihe zwischen Netzteil und Eingangsseite des Wechselrichters geschaltet. Ihre Hauptfunktionen sind: a. Erhöhung des Leistungsfaktors auf 0,75–0,85 durch Unterdrückung von Oberwellenströmen; b. Reduzierung der Auswirkungen von Stoßströmen im Eingangskreis auf den Wechselrichter; c. Reduzierung der Auswirkungen von Spannungsunsymmetrien im Netzteil. (2) Die Gleichstromdrossel wird in Reihe zwischen Gleichrichterbrücke und Filterkondensator geschaltet. Ihre Funktion ist relativ einfach: Sie schwächt die Oberwellenanteile im Eingangsstrom ab. Sie ist jedoch effektiver als die Wechselstromdrossel bei der Verbesserung des Leistungsfaktors, der bis zu 0,95 erreichen kann, und zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und geringe Größe aus. 6. Geeignete Verkabelung: Um induktiv übertragene Störsignale zu reduzieren, kann eine geeignete Verkabelung eingesetzt werden. Konkrete Methoden umfassen: (1) Die Strom- und Signalleitungen der Geräte sollten so weit wie möglich von den Ein- und Ausgangsleitungen des Frequenzumrichters entfernt verlegt werden; (2) Die Strom- und Signalleitungen anderer Geräte sollten nicht parallel zu den Ein- und Ausgangsleitungen des Frequenzumrichters verlaufen. IV. Schlussfolgerung: Durch die Analyse der Störquellen und -ausbreitungswege bei der Anwendung von Frequenzumrichtern werden praktische Gegenmaßnahmen zur Lösung dieser Probleme vorgeschlagen. Mit der kontinuierlichen Anwendung neuer Technologien und Theorien im Bereich der Frequenzumrichter ist die Berücksichtigung der EMV-Anforderungen zu einem zentralen Aspekt bei der Entwicklung und Anwendung von drehzahlgeregelten Übertragungssystemen mit variabler Frequenz geworden und ein Schlüsselfaktor für die Anwendung und Verbreitung von Frequenzumrichtern. Es wird erwartet, dass diese Probleme bei Frequenzumrichtern durch die Funktionen und Kompensation des Frequenzumrichters selbst gelöst werden können. Die Anforderungen an Frequenzumrichter in Industrieanlagen und im gesellschaftlichen Umfeld steigen stetig, und schon bald werden wirklich „grüne“ Frequenzumrichter verfügbar sein, die den tatsächlichen Bedürfnissen gerecht werden. Wir sind überzeugt, dass die EMV-Probleme von Frequenzumrichtern damit endgültig gelöst werden.