SSV Embedded Systems: WLAN-Device-Server

SSV Embedded Systems stellt den WLAN-Device-Server IGW/400-RFID zum Lesen und Weitergeben von RFID-Daten vor.

Drehzahlgeregelte elektrischen Antriebe sind das Kernstück heutiger Produktionsanlagen. Dabei handelt es sich um Elektromotoren, deren Drehzahl je nach Anwendungsfall stufenlos gesteuert werden kann. Bei diesen Servoantriebsystemen erfolgt die Steuerung und Regelung der Motordrehzahl des Drehstrommotors sehr präzise über einen Frequenzumrichter, welcher die eingespeiste Motorspannung und Motorfrequenz für den Drehstrommotor erzeugt.

Mit ihm lassen sich RFID-Daten an einen Access-Point übermitteln und in das daran angebundene ERP-System einbinden. Zu sehen ist auch das Gerät TRM/920-WLAN: Es bietet auf Wunsch eine integrierte WLAN/Wireless-Bridge, so dass es auch im mobilen Einsatz auf Gabelstaplern und anderen Fahrzeugen drahtlos mit einem Server kommunizieren kann. Wegen seiner Kompaktheit ist es auch in engen Führerhäusern leicht unterzubringen.

Halle 7, Stand C50

Frequenzumrichter mit Steuerkreis (Bild 1) gehören zu den wichtigsten Teilen jedes drehzahlgesteuerten Antriebs. Steuerung und Regelung der Motordrehzahl (n) des Drehstromantriebes erfolgt über die eingespeiste Frequenz (f) und die eingespeiste Motorspannung (u). So ein Frequenzumrichter setzt sich aus zwei von IGBTs gesteuerten Einheiten zusammen: dem Gleichrichter, der an ein Drehstromversorgungsnetz mit einer Frequenz f1 von 50 Hz angeschlossen ist und eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, sowie dem Wechselrichter, welcher die Gleichspannung wiederum in eine neue Wechselspannung mit einer variablen Frequenz f2 von 0 Hz bis 400 Hz umwandelt. Mit dieser Frequenz f2 wird die Drehzahl n des Servomotors über die Motoranschlussleitung sehr präzise gesteuert, was dieser Technik eine hohe Effizienz verleiht. Vereinfacht ausgedrückt besteht ein komplettes Frequenzumrichter-gesteuertes Drehstromantriebssystem (PDS, Power Drive Systems) aus den in Bild 2 gezeigten Elementen.

Probleme beim Einsatz

Die Frequenzumrichtertechnik bringt neben den  großen Vorteilen wie stufenlose,exakte Drehzahlsteuerung auch Nachteile mit sich:

  • Emission starker elektromagnetischer Störfelder über die Motoranschlussleitung,
  • hohe Überspannung in der Leitung sowie
  • große Ableitströme und Störströme.

Die Ursache für starke elektromagnetische Störfelder liegt in den extrem kurzen Ein- und Ausschaltzeiten der IGBTs im Nanosekundenbereich und in der Taktfrequenz der Ausgangsspannung des Frequenzumrichter bis maximal 20 kHz. Dies führt zu einem sehr hohen  Oberwellenanteil der sinusförmigen Ausgangsspannung des Umrichters. Infolge der starken elektromagnetischen Emission vor allem an der Motorversorgungsleitung als Hauptstörquelle, kommt es zu erheblichen Störungen im Leitungsnetz, den Geräten und der Datenübertragung. Für diesen Fall gibt es die europäische Norm EN 61800-3 (Juli 2005), welche die Höhe des maximalen Störpegels des Antriebssystems festlegt, damit die Störsicherheit der Signalübertragung noch gewährleistet ist (Bild 3). Diese Norm legt die maximal erlaubten Quasi-Spitzenwerte für den Störpegel der Funkstörspannung zwischen 0,15 MHz und 30 MHz sowie der elektromagnetischen Störstrahlung zwischen 30 MHz und 1 GHz jeweils für die so genannte Kategorie C1 (Bereich Wohnbezirke) und für Kategorie C3 (Industriebereich) fest. Diese EMV-Grenzwerte müssen auf jeden Fall von den drehzahlveränderbaren elektrischen Antriebssystemen eingehalten werden.

So kann es in der Praxis vorkommen, dass zum Beispiel die gleiche von einem Frequenzumrichter gesteuerte Heizumwälzpumpe in einem Industriebetrieb oder im Keller eines Wohngebäudes eingebaut wird. Dabei gelten unterschiedliche EMV-Grenzwerte. So muss die Pumpe im Wohnbereich strengere Anforderungen nach C1 als im Industriebetrieb nach C3 erfüllen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Normerfüllung ist aber, dass auch die eingebauten Leitungen diese Norm erfüllen. Dies ist aber nur mit gut abgeschirmten Leitungen und in speziellen Fällen durch den zusätzlichen Einbau von Netzfiltern möglich.

Ein anderes Problem ist die Beanspruchung durch Überspannungen. Die vom Frequenzumrichter an die Motorversorgungsleitung abgegebene Spannungsgrundwelle hat angenähert einen sinusförmigen Verlauf und die entsprechende Frequenz von 0 Hz bis 400 Hz, wie sie von der Motordrehzahl gefordert wird. Bei Änderung des Wellenwiderstandes am Anfang und Ende der Motorversorgungsleitung entstehen Stoßwellen, bei denen Überspannungen durch Reflexion der Oberwellen entstehen. Dies tritt nur ein, wenn die Länge der Motoranschlussleitung größer als die Wellenlänge der Oberschwingung ist. Bei kurzen Leitungslängen, d.h. wenn die Leitungslänge kleiner als die Wellenlänge ist, kommt es zu Einschwingvorgängen am Ausgang des Frequenzumrichters. Dies hat zur Folge, dass Spannungen vom zwei- bis dreifachen Wert der Motorspannung auftreten, die dann als Spannungspitzen regelmäßig die Isolierung der Motoranschlussleitung und die Spulenwindungen des Motors belasten. Die Isolierung der Motoranschlussleitung muss deswegen so dimensioniert sein, dass diese Spannungsspitzen problemlos auftreten können.

Außerdem entstehen infolge der hohen Frequenzen am Umrichterausgang hohe kapazitive Ableitströme. Diese fließen über den Schirm und das Motorgehäuse zur Erde und bestimmen auch den Querschnitt der Abschirmgeflechte und der Schirmanschlüsse. Der Schirm muss so konstruiert sein, dass er durch den durchfließenden Strom nicht übermäßig überhitzt wird.

Weiterhin kommt es als Folge von hohen Erdkapazitäten, vor allem bei großen Leitungslängen zu hohen Blindströmen, welche den Frequenzumrichter derart belasten, dass infolge der  Überstrombegrenzung des Wechselrichters die benötigte Wirkleistung nicht mehr zum Motor übertragen werden kann. Diese Ströme stehen dann der Drehmomentbildung am Motor nicht mehr zur Verfügung. Diese Störströme können auch die Kugellager der Motorwelle durchfließen. Dadurch kann es zu erheblichen Beschädigungen der Kugellagerringe kommen, die sich in Form von Vertiefungen zeigen (Bild 5).

Um die beschriebenen Nachteile der Frequenzumrichtertechnik zu kompensieren bietet Helukabel spezielle Motoranschlussleitungen an. Diese speziellen Aufbauten beinhalten die Typenreihen »TopFlex-EMV« (Bild 6) und »MotorFlex-EMV«.

Durch eine doppelte Abschirmung aus einer speziellen Aluminiumfolie und einem optimalem Schirmgeflecht aus verzinnten Cu- Drähten mit einem Bedeckungsgrad von zirka 80% erfüllen die Kabel die EMV-Anforderungen gemäß EN 61800-3. Die hohe EMV im Frequenzbereich von 30 MHz bis 1000 MHz lässt sich anschaulich mit Hilfe von Vergleichsmessungen der elektromagnetischen Störstrahlung an ungeschirmten Anschlussleitungen und geschirmten EMV-Anschlussleitungen nachweisen. Für den niedrigen Frequenzbereich von 1 MHz bis 30 MHz lässt sich die hohe EMV der geschirmten EMV-Motoranschlussleitungen durch die Messergebnisse an einem extrem niedrigen Kopplungswiderstand belegen. Dieser gilt als Kriterium für die Schirmwirkung einer elektrischen Abschirmung. Je niedriger der Kopplungswiderstand ist, desto geringer ist die Störspannung der Stromversorgungsschnittstelle und desto besser ist die Abschirmwirkung.

Die Messungen wurden in einem EMV-Labor (Bild 7) durchgeführt. Das Ergebnis der Störpegel-Messungen zeigt, dass bei der EMV-Motoranschlussleitung von Helukabel die Grenzwerte der Störfeldstärke gemäß EN 61 800-3 nicht überschritten werden. Dagegen überschreiten die Störfeldstärken der ungeschirmten Leitung vor allen bei tiefen Frequenzen die Grenzwerte für den Industriebereich und den Wohnbereich ganz erheblich (Bild 8).

Beim »TopFlex EMV 2YSLCY J« ergibt sich bei 1 kV für den Kopplungswiderstand Rk ein Wert von 0,6 Ω/km. In den niedrigen Frequenzbereichen zwischen 1 MHz und 30 MHz wurde ein niedriger Kopplungswiderstand gemessen, der eine geringe Störfeldstärke in der Umgebung zur Folge hat. Dies gewährleistet eine geringere Funkstörfeldstärke für diesen Frequenzbereich.

Um eine erhöhte Spannungsfestigkeit der Motoranschlussleitung zu erzielen, sollte die Aderisolierung aus elektrisch hochwertigem Polyethylen (PE) bestehen. Die Wanddicke der PE-Isolierung ist beim TopFlex-Kabel so ausgelegt, dass es die permanenten Spannungsspitzen vom doppelten Wert der Umrichter-Nennspannung  aushält. Bei einer Nennspannung U0 = 600 V liegt die höchstzulässige Betriebspannung also bei Ub = 1200 V. Meist ist der Ausgang des Frequenzumrichters noch zusätzlich mit einem elektrischen Filter versehen, welcher die hochfrequenten Oberwellen aussiebt und die Spannungsspitzen glättet.^

Weitere Verbesserungen

Durch die niedrige Dielektrizitätskonstante der Spezial- PE-Aderisolierung (2Y) von 2,3 erreicht die EMV-Motoranschlussleitung im Vergleich zu den älteren PVC-isolierten Kabeln eine niedrige Betriebs- und Schirmkapazität. Dies verringert die kapazitiven Störströme zur Folge, und hat somit eine verlustarme Leistungsübertragung vom Umrichter zum Motor zur Folge. Weiterhin gewährleistet die Qualität der PE-Isolierung eine lange Lebensdauer der Leitung. Durch einen symmetrischen Aufbau mit drei Versorgungsadern und einem gedrittelten Schutzleiter (3+3-adriger Aufbau), wie bei den Leitungstypen »TopFlex EMV 3 PLUS« und »MotorFlex EMV 3/3« lassen sich diese Eigenschaften noch verbessern. Diese Maßnahme verringert die Betriebskapazität, die Induktivität und die kapazitiven Störströme. Dies verbessert die Leistungsübertragung vom Frequenzrichterausgang zum Motoreingang zusätzlich. 

Helukabel
Telefon 0 71 50/92 09 39
www.helukabel.de

Autor

Wolfram Schröder ist Produktmanager für Energiekabel bei Helukabel

Marcell Consèe, DESIGN&ELEKTRONIK