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Ursachen und Schutzmöglichkeiten

Lagerschäden an E-Motoren durch Kriechströme

Auf einen Blick Störgrößen Die Themen von elektromagnetischen Störungen bis hin zu nicht sinusförmigen Spannungen und deren Auswirkungen auf die Motoren bzw. deren Lager muss der Planer und Betreiber im Auge behalten

Auswirkungen Von relativ geringen Auswirkungen bis hin zu Lagerschäden durch Funkenerosion gibt es ansonsten recht viele mögliche Gefahren für den reibungslosen Betrieb der Anlage

Analyse Eine genaue Analyse der Ist-Situation und ggf. der Einsatz von Motorfiltern ist ein Muss für die Betriebssicherheit einer Anlage sowie störungsfreie Funktion des internen Netzes
Es gibt gute Gründe, beim Einsatz von Frequenzumrichtern Motorfilter einzusetzen: Frequenzumrichter erzeugen eine pulsweitenmodulierte (PWM) Motorspannung, die aus rechteckförmigen Spannungsblöcken mit einer relativ hohen Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit besteht, also Spannungsänderung pro Zeit (= du/dt). Ein überhöhter du/dt-Wert kann die Isolation des Motors schädigen. Übliche Werte heutiger Frequenzumrichter liegen bei rund 5 kV/µs, und der Trend geht zu immer schneller schaltenden IGBT (insulated-gate bipolar transistor, deutsch Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), da ein schnelleres Schaltvermögen geringere Schalt­verluste des IGBT-Wechselrichters bewirkt.

Neben der Schaltgeschwindigkeit der IGBT hat auch die Motorleitung einen großen Einfluss auf die Impulsanstiegsgeschwindigkeit. Auch Faktoren wie Leitungslänge und -querschnitt, Leitungstyp, Schirmung, Kapazitäts- und Induktivitätsbelag beeinflussen die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt. Das selbe gilt für den Wellenwiderstand des Motors und dessen Reflexionen. Einen weiteren Einfluss auf die Motorisolation hat die Maximalspannung der Einzelimpulse, ULLPeak oder USpitze (Bild 1). Diese Größe kann einen Durchschlag der Motorisolation bewirken, wenn sie bestimmte Grenzwerte überschreitet. Richtlinien und Hinweise zu diesen Werten finden sich bei den Motorenherstellern und in verschiedenen Normen wie IEC 60034-17, IEC 60034-25 oder IEC 61800-2. Immer dann, wenn Motoren mit reduzierter Isolationsfestigkeit (ältere oder günstigere Motoren) an einem Frequenzumrichter betrieben werden, besteht die Möglichkeit des Einsatzes von Motorfiltern.

Störungen besser beherrschen, Problempotenziale erkennen

Bild 1: Definition Spitzenspannung und du/dt, bzw. Anstiegszeit tr: du/dt und U<sub>LLPeak</sub>, gemäß IEC 60034-17
Bild 1: Definition Spitzenspannung und du/dt, bzw. Anstiegszeit tr: du/dt und ULLPeak, gemäß IEC 60034-17
Jedes elektronische Gerät, auch Frequenzumrichter, hat ein Störpotenzial, welches leitungsgebunden und abgestrahlt andere elektrische Einrichtungen stören kann. Typischerweise tritt der Bereich 150 kHz … 30 MHz als leitungsgebundene Störgröße auf der Netzzuleitung auf, zudem besteht auf der Motorleitung ein Störpotenzial, welches im Bereich 30 MHz … 1 GHz als abgestrahlte Störfelder (über Motorkabel, sog. Luftstrahlung) bezeichnet wird. Durch den Einsatz von Motorfiltern lassen sich diese Störungen beherrschen und das Störpotenzial deutlich reduzieren. Primärer Schutz dagegen sind aber geschirmte Leitungen.

Die schnell schaltenden Transistoren (IGBT) im Frequenzumrichter erzeugen höherfrequente Störgrößen, die unter Umständen zu Lagerströmen und Wellenspannungen führen können. Lagerströme und Wellenspannungen können auch in Motoren mit direktem Netzanschluss auftreten (z. B. bei Unsymmetrie der Netzversorgung). Bei Frequenzumrichter-gespeisten Motoren findet eine Verstärkung dieser Vorgänge statt. Hier können Lagerströme oder Wellenspannungen Lagerschäden durch Funkenerosion und andere Phänomene verursachen:
  • Kapazitive Kopplung: Parasitäre Kapazitäten im Motor und Gleichtaktstörspannungen und -ströme bewirken eine Spannung im Lager.
  • Induktive Kopplung: Hier liegt die Ursache in den Kreisströmen im Motor. Die Ströme im Stator induzieren eine Spannung ins Gehäuse, die über die Lager des Motors und dessen Rotor zirkulieren.
Bild 2: Sinusfilter sind Motorfilter, welche gut sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungsspitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden. Hier eine Ausführung direkt am FU
Bild 2: Sinusfilter sind Motorfilter, welche gut sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungsspitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden. Hier eine Ausführung direkt am FU
Der Schmierfettfilm auf den Lagern wirkt isolierend. Die Spannung im Lager kann das Isolationsvermögen des Schmierfettfilms aber überwinden und dadurch eine elektrische Entladung zwischen den Lagerkugeln und der Laufbahn hervorrufen. Diese Funken erzeugen winzige Verschmelzungen an den Lagerkugeln und der Laufbahn, die langfristig die Lager verschleißen: Sogenannte Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM). Da Lagerströme auch auf nichtelektrische Einflüsse zurückgeführt werden können, sollte man auch mechanisch vorsorgen, z. B. durch korrekte Ausrichtung der Maschine, vibrationsarmen Betrieb des Motors sowie Verwendung geeigneter Fette.

Der Antrieb kann gegen Lagerströme auch mechanisch isoliert werden, z. B. durch isolierte Lager oder Kupplungen, um das Statorgehäuse vom Rotor des Motors zu trennen. Die Lager sind typischerweise einseitig auf der Nichtantriebsseite des Motors (B-Seite oder Lüfterseite) ab Werk installiert. Beidseitig isolierte Lager senken zusätzlich EDM-Effekte, vermeiden diese aber nicht. Eine isolierte Kupplung verhindert zudem, dass die Lagerströme und Wellenspannungen auf die Arbeitsmaschine übergreifen. Vorbeugende elektrische Maßnahmen sind primär eine EMV-gerechte Installationen von Motor, Leitung und Frequenzumrichter sowie deren Erdung und/oder Potentialausgleich. Eine sehr große Bedeutung hat die korrekte Auflage (niederimpedant) des Schirms der Motorleitung, zusätzlich zum Potentialausgleich.

Eine korrekte Installation der Schirmung erhält man bei Berücksichtigung dieser Aspekte:
  • Beidseitiges, durchgängiges und großflächiges Auflegen
  • Niederimpedante Erdung des Antriebssystems zur Übertragung hochfrequenter Störgrößen
  • Zusätzliche Erdung des Motors durch niederimpedante Verbindung
  • Einbau einer Wellenbürste (wenn möglich)
Motorfilter können hierbei ebenfalls Abhilfe schaffen und Probleme durch Lagerströme und Wellenspannungen vermeiden.

Verringern von Geräuschen und Betriebstemperatur

Die Hauptursachen für Motorgeräusche sind:
  • Magnetisierungseffekte durch verschiedene Frequenzen (Magnetorestriktion)
  • Lüftergeräusche
  • Laufgeräusche durch Lager
Durch den Einsatz verschiedener Motorfilter lassen sich die Geräusche durch Magnetorestriktion reduzieren, die im Wesentlichen auf den Umrichterbetrieb zurückzuführen sind. Die pulsbreitenmodulierte Spannung und deren Taktfrequenz liegen meist im Hörbereich des Menschen, typischerweise 2 … 4 kHz, so dass man ein störendes Geräusch vom Motor wahrnehmen kann. Ist dies zu groß, reduzieren Standardsinusfilter sowie allpolig wirksame Sinusfilter diese Störgeräusche am Motor deutlich. Da die PWM-Spannungen aber an den Filtern vorhanden sind, entstehen dafür Geräusche am Motorfilter.

Der Motorstrom besteht aus dessen Grundschwingung, welche das eigentliche Drehfeld erzeugt, sowie höheren Frequenzanteilen, die durch die Taktfrequenz und die geschalteten Spannungspulse entstehen und sich der Grundschwingung überlagern. Man bezeichnet diese höheren Frequenzen als taktfrequenten Rippelstrom. Dieser Rippelstrom bewirkt eine Erhöhung der Betriebs­temperatur des Motors durch dessen Streuverluste. Der Einsatz geeigneter Motorfilter bedämpft den Anteil dieser taktfrequenten Rippelströme und erhöht dadurch die Lebenserwartung der Motoren.

Welche Filter gibt es, wofür dienen sie?

Bild 3: Gemessene Gleichtaktstörströme. Oben, vor Filtereingang: allpoliger Sinusfilter. Unten, nach dem Filter gemessen: Reduktion von 60 mA auf nicht mehr relevante 7 mA
Bild 3: Gemessene Gleichtaktstörströme. Oben, vor Filtereingang: allpoliger Sinusfilter. Unten, nach dem Filter gemessen: Reduktion von 60 mA auf nicht mehr relevante 7 mA
Motordrosseln sind die einfachste Art von Motorfiltern. Dies sind dreiphasige Induktivitäten, also Drosseln, zum Anschluss zwischen Frequenzumrichter und Motor. Diese Standardkomponenten sind meist nicht auf das Antriebssystem abgestimmt, es besteht die Gefahr von Resonanzen oder Fehlfunktionen.

du/dt-Filter sind eine Kombination aus dreiphasigen Induktivitäten und Kapazitäten mit Tiefpass-Wirkung. Es handelt sich um Motorfilter, die ausschließlich die Spitzenspannungen sowie die Anstiegszeiten der PWM-Spannung reduzieren. Die du/dt-Filter z. B. von Danfoss reduzieren die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf Werte, die deutlich geringer als 500 V/µs sind. Zudem begrenzen sie die Spitzenspannung USpitze auf Werte kleiner der dreifachen Nennspannung.

Dieser Filter verwendet kleinere Induktivitäten und Kapazitäten, wodurch der Filter günstiger und leichter als ein Sinusfilter ausfällt. Jedoch sind immer noch pulsförmige Signale auf der Motorleitung vorhanden, so dass zwangsläufig geschirmte Leitungen nötig sind. Geräusche und Lagerströme kann der du/dt-Filter nur sehr eingeschränkt reduzieren.

Sinusfilter bestehen ebenfalls aus einer Kombination aus Induktivitäten und Kapazitäten (Bild 2). Es handelt sich hierbei um Motorfilter, welche gut sinusförmige Signale zwischen den Außenleitern bewirken. Spannungsspitzen und du/dt-Eigenschaften sind praktisch nicht mehr vorhanden. Sinusfilter reduzieren Geräusche am Motor und verhindern Lagerschäden durch Kreisströme. Es können lange und ggf. ungeschirmte Leitungen verwendet werden. Nachteilig ist jedoch die Verwendung größerer Induktivitäten und Kapazitäten, so dass der Filter größer und schwerer ist als ein du/dt-Filter gleicher Leistung. Die Taktfrequenz muss zwingend auf den Sinusfilter abgestimmt sein, da die Resonanzfrequenz dieses Filtertyps zwischen der Motordrehfrequenz und der Taktfrequenz des Frequenzumrichters liegt.
Bild 4: Allpolige Sinusfilter eliminieren Lagerströme vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte für öffentliche Wohnbereiche
Bild 4: Allpolige Sinusfilter eliminieren Lagerströme vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte für öffentliche Wohnbereiche
HF-CM-Kerne (High Frequency Common Mode, deutsch Hochfrequenz-Gleichtakt) dienen ausschließlich zur Lösung von Lagerstromproblemen durch HF-Funkenerosion. Sie reduzieren hochfrequente Gleichtaktstörungen, die sich auf die Motorlager auswirken. Niederfrequente Störungen und Kreisströme können diese Kerne praktisch nicht beeinflussen. Vorteil: Es sind leichte, einfach zu installierende, nachrüstbare Kerne für einen vergleichsweise geringen Preis. Auch eine Kombination mit Sinusfiltern ist möglich. Damit lassen sich die Vorteile der Sinusfilter ausnutzen und gleichzeitig eine signifikante Reduktion der hochfrequenten Gleichtaktstörungen erreichen.

Allpolig wirksame Sinusfilter setzen sich am Markt immer mehr durch. Auch deshalb, weil speziell die Lüftungsindustrie oft schwächere und kostengünstige Motoren einsetzt. Diese Filter haben zusätzlich zu den Eigenschaften von Standard-Sinusfiltern Vorteile, wie gut sinusförmige Spannungen zwischen den Motorphasen und Erde. Sie vermeiden außerdem Gleichtaktstörungen im gesamten Frequenzbereich (Bild 3).
Bild 5: Messung der Störabstrahlung mit 250 m ungeschirmter Leitung im EMV-Labor. Eingehalten wurde dank Allpoligem Sinusfilter Klasse C1 für öffentliche Umgebung
Bild 5: Messung der Störabstrahlung mit 250 m ungeschirmter Leitung im EMV-Labor. Eingehalten wurde dank Allpoligem Sinusfilter Klasse C1 für öffentliche Umgebung
Taktfrequente Anteile sind so am Motor nicht mehr vorhanden. Sie eliminieren Lagerströme durch Funkenerosion vollständig und garantieren die Einhaltung der EMV-Grenzwerte (leitungsgebunden und abgestrahlt) für öffentliche Wohnbereiche nach EN 55011, Klasse B; IEC 61800-3, Klasse C1, so dass der Einsatz geregelter Antriebssysteme dort problemlos möglich ist (Bild 4). Geschirmte Leitungen zwischen Filter und Motor sind damit nicht nötig, theoretisch sind unbegrenzte Leitungslängen verwendbar (Bild 5). Ebenfalls ist der Parallelbetrieb von verschiedenen Motoren problemlos möglich, da man nicht mehr auf die Kabellängen und -schirmung achten muss.

Voraussetzung hierfür ist allerdings eine korrekte Montage mit Kabelschirmung zwischen Frequenzumrichter und Filter sowie einem niederimpedanten Potentialausgleich zwischen Filter und Umrichter, außerdem eine zwingend korrekte Programmierung des Frequenzumrichters. Der Name »allpolig wirksam« beruht auf den gut sinusförmigen Spannungen zwischen den einzelnen Phasen sowie zwischen den Phasen und der Erdanbindung, bzw. des Potentialausgleichs. Herkömmliche Sinusfilter haben keine sinusförmigen Spannungen zwischen Leiter und Erdpotential. Die Filter sind zudem wartungsfrei und ohne zusätzlichen Lüfter ausgeführt.
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Über den Autor
Autorenbild
Jochen Clemens

Specialist EMC and Clean Grid bei Danfoss, Offenbach

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