Maßnahmen Zur Reduktion Der Lagerströme - Siemens SINAMICS G130 Projektierungshandbuch

Grundlagen und Systembeschreibung
Projektierungshinweise
Der Zirkularstrom
Wie die Kapazität der Motorleitung durch jede Schaltflanke am Wechselrichterausgang umgeladen wird, so wird auch
die Kapazität C zwischen Wicklung und Gehäuse mit jeder Schaltflanke umgeladen. Dadurch entsteht an der Wick-
wh
lung gewissermaßen ein hochfrequenter, kapazitiver "Leckstrom" zum Gehäuse und damit zur Erde. Dieser Leckstrom
führt zu einer magnetischen Unsymmetrie im Motor, die wiederum eine hochfrequente Wellenspannung U
Übersteigt die Wellenspannung das Isoliervermögen des Schmierfilms der Motorlager, so fließt ein kapazitiver
Zirkularstrom in dem Kreis: Welle → Lager auf der Nichtantriebsseite (NDE-Lager bzw. BS-Lager) → Motorgehäuse →
Lager auf der Antriebsseite (DE-Lager bzw. AS-Lager) → Welle. Dieser Zirkularstrom fließt somit in einem Lager von
der Welle zum Gehäuse und in dem anderen Lager vom Gehäuse zurück zur Welle. Da die Höhe des Zirkularstroms
von der Kapazität C zwischen Wicklung und Gehäuse abhängt, nimmt der Zirkularstrom mit der Achshöhe des Motors
wh
zu. Er ist ab Achshöhe 225 die dominierende Lagerstromart.
Der EDM-Strom
Jede Flanke der drei Leiter-Erde-Spannungen an der Wicklung lädt über die Kapazität C
Läufer die Kapazität C der Lager um. Der zeitliche Verlauf der Spannung an Welle und Lagern ist somit ein Abbild der
b
Überlagerung der drei Leiter-Erde-Spannungen an der Motorwicklung (Gleichtaktspannung bzw. Common Mode
Spannung). Allerdings ist die Höhe der Spannung am Lager reduziert gemäß dem kapazitiven Spannungsteiler-
verhältnis BVR (Bearing Voltage Ratio), das sich berechnen lässt gemäß der Beziehung
Die resultierende Spannung an Welle und Lagern ergibt sich somit aus der Gleichtaktspannung bzw. Common Mode
Spannung an der Wicklung multipliziert mit dem Spannungsteilerverhältnis BVR. Sie liegt bei üblichen Motoren in der
Größenordnung von ca. 5 % der Gleichtaktspannung bzw. Common Mode Spannung an der Wicklung.
Unter ungünstigen Randbedingungen kann die Spannung am Lager U
film des Lagers durchschlägt und sich die Kapazitäten C
Dieser Stromimpuls wird als EDM-Strom bezeichnet (Electrostatic Discharge Machining).
Der Rotorerdstrom
Der den Zirkularstrom verursachende hochfrequente, kapazitive "Leckstrom" durch die Kapazität C
Wicklung und Gehäuse muss vom Motorgehäuse zurück zum Wechselrichter fließen. Wenn die Erdung des Motor-
gehäuses aus hochfrequenztechnischer Sicht schlecht ausgeführt ist, befindet sich für den hochfrequenten "Leckstrom"
ein nennenswerter Widerstand zwischen Motorgehäuse und Erdungssystem, an dem ein relativ hoher Spannungsabfall
U auftritt. Ist gleichzeitig die Erdung des gekuppelten Getriebes oder der gekuppelten Arbeitsmaschine hoch-
Gehäuse
frequenztechnisch besser ausgeführt, so kann die Konstellation auftreten, dass der Strom dem Weg des geringsten
Widerstandes folgend vom Motorgehäuse über Motorlager – Motorwelle – Kupplung – Getriebe oder Arbeitsmaschine
zum Erdungssystem und dann weiter zum Wechselrichter fließt. Auf diesem Wege kann er nicht nur die Motorlager
sondern auch die Lager des Getriebes oder der Arbeitsmaschine schädigen.
1.9.4.1 Maßnahmen zur Reduktion der Lagerströme
Aufgrund der unterschiedlichen Lagerstromarten mit ihren unterschiedlichen Entstehungsmechanismen sind in der
Regel mehrere Maßnahmen erforderlich, um die resultierenden Lagerströme auf einem unkritischen Niveau zu halten.
Diese Maßnahmen werden auf den folgenden Seiten detailliert beschrieben.
Bei Antrieben im Leistungsbereich der in diesem Projektierungshandbuch beschriebenen SINAMICS G130, G150,
S120 (Chassis sowie Cabinet Modules) und S150, die Motoren der Achshöhen 225 oder größer speisen, sind die
ersten beiden der beschriebenen Maßnahmen zwingend vorzusehen, nämlich eine EMV-gerechte Installation zur
Unterdückung des Rotorerdstroms in Kombination mit einem isolierten Lager auf der Nichtantriebsseite des Motors zur
Begrenzung des Zirkularstroms. Damit ist in praktisch allen Applikationen ein ausreichender Schutz vor Lagerschäden
durch Lagerströme gegeben.
Alle weiteren beschriebenen Maßnahmen sind als zusätzliche Maßnahmen zu sehen, die nur bei sehr kritischen An-
triebskonstellationen einzusetzen sind, wenn es nicht möglich sein sollte, eine EMV-gerechte Installation in aus-
reichender Güte zu realisieren.
Wenn bei der Erweiterung von bestehenden Anlagen mit einem schlechten Erdungssystem und evtl. vorhandenen
ungeschirmten Leitungen eine EMV-gerechte Installation praktisch nicht realisierbar ist, kann es sinnvoll sein, zu-
sätzlich eine isolierende Kupplung zur Unterdrückung des Rotorerdstroms einzusetzen. Bei Niederspannungsmotoren
großer Leistung ist es auch prinzipiell möglich, zwei isolierte Motorlager in Kombination mit einer Wellenerdung und
einer isolierenden Kupplung einzusetzen, wie es bei Hochspannungsmotoren für Umrichterbetrieb üblich ist.
SINAMICS Projektierungshandbuch – Februar 2020
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© Siemens AG
U
= =
Lager
BVR
U
Gleichtakt
sowie C
b
C
wr
+ +
C C 2 C
wr rh b
so hohe Werte erreichen, dass der Schmier-
Lager
durch einen kurzen hohen Stromimpuls entladen.
rh
induziert.
Welle
zwischen Wicklung und
wr
zwischen
wh