Herausforderung zu lange Motorkabel – und wie sie elegant mit einem Zwischenkreisfilter (ZK-Filter) gelöst werden kann

Karlheinz Wirsching, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Wenn Regelantriebe durch zu lange Motorkabel versorgt werden, kann es zu unzulässigen Spannungsbeanspruchungen im Motor kommen. Dies kann im schlimmsten Fall, wenn es dauerhaft vorkommt, die Motorisolation zerstören und zu einem Totalausfall des Motors führen. Wie das verhindert werden kann, erfahren Sie in diesem Artikel.

Grundsätzliche Frage: Wann sind Motorkabel zu lang?

Üblicherweise ist der speisende Umrichter meist in der Nähe der elektrischen Maschine angebracht. Dann ist die Kabellänge absolut im zulässigen Bereich. Doch nicht immer ist dies der Fall. Es gibt Anwendungsfälle, in denen die Länge der Motorkabel unverhältnismäßig lang sind. Typische Beispiele sind:

  1. Zentrale Schalträume bei großen Arbeitsmaschinen: Alle elektrischen Maschinen werden von einem zentralen Schaltraum aus gespeist. Da kann die Kabellänge leicht auf 100 m oder mehr anwachsen.
  2. Großflächige Fabrikanlagen: Elektrische Maschinen sind weitläufig auf dem Firmengelände untergebracht. Die Folge sind lange Motorkabel.
  3. Bei Offshore-Unterwasserantrieben, die von einer Hauptplattform versorgt werden.

In allen Fällen mit offenkundig deutlich längeren Motorkabeln als üblich muss geprüft werden, ob die zulässige Länge überschritten wird. Wenn ja, müssen entsprechende Zusatzmaßnahmen getroffen werden, um gefährliche Spannungsspitzen zu verhindern, die den Motor zerstören könnten.

Üblicherweise teilt man die Motorkabellängen in diese Kategorien ein:

  1. Kurze Leitung: Unter 5 m Kabellänge
  2. Lange Leitung: Von 5 bis 500 m Kabellänge
  3. Sehr lange Leitung: Von 0,5 bis 500 km Kabellänge

Interessanterweise gibt es in den einschlägigen Normen  genügend Hinweise über zulässige Spannungsspitzen an den Motorklemmen bei kurzen Leitungen. Wenn es um den Einfluss von langen Motorkabeln geht, sucht man in der Norm vergebens nach detaillierten Informationen.

Viele Anwendungen fallen in den Bereich „lange Leitung“. Deshalb schauen wir uns diesen Fall jetzt genauer an.

Was passiert, wenn die Motorkabel zu lang sind?

Grundsätzlich gilt: Werden elektrische Motoren über zu lange Motorkabel versorgt, kann es zu unzulässigen Spannungsspitzen am Motor kommen. Was genau passiert hier? Sind die Leitungen zu lang, verändern die Leitungsimpedanzen die Ausgangsspannung des Umrichters. Als Folge treten an den Eingangsklemmen des Motors schädliche Spannungsspitzen auf. Konkret werden die Grenzwerte von Spannungsanstieg und Spannungshöhe überschritten. Die Folgen können gravierend sein:

Vorzeitige Wicklungsschäden, und vor allem bei explosionsgeschützten Maschinen mit erheblichen Folgeschäden.

Die beiden kritischen Größen sind:

  1. Die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs.
  2. Maximale Motorklemmenspannung.

Bei langen Kabeln liegt am Umrichter ein Rechteck-Signal an, aber am Motor kommen Spannungsspitzen an. Ist der Spannungsanstieg zu groß, führt dies zu einer nichtlinearen Verteilung der Spannung längs der Wicklung mit zu hohen Werten in der Eingangsspule.

Ist die Motorklemmenspannung Ümax dauerhaft oder oft zu hoch, wird die Isolation zwischen den Leitern stark beansprucht. Deshalb gibt die Norm Spannungsmaximalwerte für Normmotoren vor.

Welches sind die konkreten Folgen der Spannungsspitzen?

Treten dauerhaft Spannungsspitzen an den Motorklemmen auf, kann das zum Totalausfall des Motors führen, weil diese Spannungsspitzen die Wicklung zerstören und zu einer  Funkenbildung zwischen den Leitern oder gegen Erde führen. In explosionsgeschützten Umgebungen ist dies brandgefährlich.

Welche Möglichkeiten gibt es, Motoren gegen diese gefährlichen Spannungsspitzen zu schützen?

Grundsätzlich gibt es vier Möglichkeiten:

  1. Verbesserung der Wicklungsisolation und Optimierung der Klemmbretter
  2. Optimierung des Pulsprogramms
  3. Einbau eines Zwischenkreis-Filters (ZK-Filter)
  4. Mehrstufenumrichter

Wie schützt Baumüller den Motor bei zu langen Motorleitungen?

Klar ist: Die schädlichen Spannungsspitzen dürfen den Motor nicht erreichen. Sie müssen also zwischen Umrichter und Motor aufgehalten bzw. abgeleitet werden oder besser noch deren Entstehung verhindert werden. Wie macht Baumüller das? Indem wir zusätzlich einen Zwischenkreis-Filter (ZK-Filter) an den Zwischenkreis des Umrichters anschließen. Dieser verändert das kapazitive System der Umrichter-Motor-Kombination so, dass die schädlichen Spannungsspitzen weitestgehend abgeschwächt werden. Der ZK-Filter wird dabei möglichst nah an der Einspeisung platziert.

Zwischenkreis des Umrichters
Der ZK-Filter muss so nah wie möglich an der Einspeisung platziert werden

Vor der endgültigen Installation ist folgendes zu ermitteln:

  1. Wie hoch ist die komplette Motorkabellänge? Das heißt, wie groß ist die Gesamtlänge aller Motorkabel im System, die über die Wechselrichter an einen gemeinsamen Zwischenkreis angeschlossen sind.
  2. Sind es Anreihgeräte, muss die Summe der Einzelkabellängen berücksichtigt werden.
  3. Ist die Motorkabellänge ermittelt, muss die Zahl der einzubauen ZK-Filter ermittelt werden.

Fassen wir noch einmal zusammen

Wenn die Motorleitungen zu lang sind, drohen für den Motor gefährliche Spannungsspitzen. Sind diese häufig oder dauerhaft über dem Grenzwert, drohen Schäden bis hin zum Totalausfall des Motors. Dies kann verhindert werden, wenn Zwischenkreis-Filter an dem beteiligten Umrichter bzw. Zwischenkreis eingebaut werden, weil diese die schädlichen Überspannungen verhindern bzw. ableiten, bevor sie den Motor erreichen.

Haben Sie noch Fragen?

Karlheinz Wirsching
Produktmanager Drives I Baumüller Nürnberg GmbH

Unser zuständiger Experte hilft Ihnen gerne weiter.

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