Stromausfall:Was macht ein Laufwerk bei Stromausfall?

Die öffentliche Stromversorgung ist im Allgemeinen zuverlässig, aber sie leidet unter Störungen. Offensichtlich führt ein vollständiger Stromausfall zum Stoppen aller elektrischen Geräte, es sei denn, es ist eine Notstromversorgung wie eine USV und/oder ein Notstromaggregat angeschlossen. Wenn die Stromversorgung zurückkehrt, startet das Gerät aus dem ausgeschalteten Zustand so, wie es für den Start vorgesehen ist. Es gibt jedoch eine Klasse von Störungen, die in Form von kurzen Unterbrechungen oder Spannungseinbrüchen auftreten, bei denen das Verhalten nicht so offensichtlich ist.

Kurze Spannungseinbrüche sind keine Seltenheit. Sie können durch Leitungsfehler verursacht werden, die durch Blitze oder herabfallende Gegenstände wie Bäume usw. ausgelöst werden. Wenn im öffentlichen Stromnetz ein Fehler auftritt, breitet sich ein Spannungseinbruch von der Fehlerstelle im gesamten System aus. Die Schutzausrüstung des Energieversorgungsunternehmens löst den fehlerhaften Stromkreis in einer Zeitskala von etwa 200 ms aus, wonach die Stromversorgung für die meisten Verbraucher wiederhergestellt wird, manchmal nach mehreren Versuchen durch Leistungsschalter mit automatischer Wiedereinschaltung. Während dieser Zeit erfahren Stromverbraucher jedoch Spannungseinbrüche unterschiedlicher Tiefe, abhängig von ihrer elektrischen Entfernung zum Fehler. In der Schwerindustrie treten Spannungseinbrüche auch auf, wenn große Motoren direkt am Netz gestartet werden.

Es ist wichtig, dass sich elektrische Geräte während und nach einem Einbruch oder einer Unterbrechung korrekt verhalten, was leicht übersehen wird. Es sollte durch eine kurze oder flache Senke fahren. Ist dies nicht möglich, hängt das korrekte Verhalten von der Anwendung ab. Bei einigen Anwendungen muss das Gerät anhalten und warten, bis es neu gestartet wird, entweder manuell, um eine Gefahr durch unerwartetes Anlaufen zu vermeiden, oder automatisch, aber unter koordinierender Steuerung für mehrere Motoren. Andere Anwendungen erfordern, dass die Geräte automatisch und kontrolliert neu starten, wenn die Stromversorgung zurückkehrt. Ein nicht ordnungsgemäßer Neustart kann zu Produktionsausfällen in Produktionsanlagen, Notfällen wie Menschen, die in Aufzügen stecken bleiben, Klimaanlagen auslösen und alle Arten von elektronischen Geräten verursachen, die einen teuren Servicebesuch erfordern, um sie zurückzusetzen.

Einbrüche und Unterbrechungen

Die kürzesten Einbrüche und Unterbrechungen dauern typischerweise etwa 10 ms oder eine Halbperiode des Netzstroms. Alles, was etwa 10 s überschreitet, wird als Leistungsverlust angesehen. Der Zeitbereich, in dem wir das Verhalten genau betrachten müssen, reicht hauptsächlich von 10 ms bis zu etwa 500 ms. In diesem Bereich können Designfehler zu fehlerhaftem Verhalten führen, z. B. zum Hängenbleiben oder Abstürzen von Prozessoren oder zur Beschädigung von Daten.

In einem dreiphasigen System betreffen Fehler oft nur eine Phase, da Blitze und herabfallende Gegenstände oft nur eine Phase betreffen. Der Fehler kann sich jedoch auf alle drei ausbreiten. Ein einzelner Leiter-Erde-Fehler im Hochspannungsübertragungssystem erscheint als Leiter-Leiter-Fehler im Niederspannungsverteilungssystem nach den Dreieck-Stern-Transformatoren. Einbrüche vom Motorstart wirken sich auf alle drei Phasen aus.

Energiespeicherung und Durchfahrt

In einer typischen netzbetriebenen elektronischen Schaltung ist ein ziemlich großer Kondensator in die interne Gleichstromversorgungsleitung geschaltet, um die gleichgerichtete Spannung zu glätten, und er speichert normalerweise genug Energie, um die Schaltung etwa 10 ms bis 20 ms lang am Laufen zu halten. Bei kürzeren Einbrüchen oder Unterbrechungen arbeitet es normal weiter, und es kann eine Stromüberwachungsschaltung vorhanden sein, die eine niedrige Spannung erkennt. Es bleibt dann Zeit, eine kurze Routine auszuführen, um einige wichtige Daten im nichtflüchtigen Speicher zu speichern und das System in einen bekannten Zustand zu versetzen, aus dem es nach Rückkehr der Stromversorgung neu gestartet werden kann. Wenn eine Durchlaufzeit von bis zu etwa 100 ms erforderlich ist, kann dies durch Hinzufügen zusätzlicher Kapazität erreicht werden, über die hinaus eine Art Batterie oder USV erforderlich wäre.

In einem typischen Antrieb mit variabler Drehzahl speichern die Kondensatoren aufgrund des hohen Leistungsdurchsatzes nicht genug Energie, um die Nennlastleistung selbst für 10 ms zu liefern. Es gibt keine realistische Möglichkeit, mit Hilfe der im Kondensator gespeicherten Energie auf einfache Weise durch die Senke zu fahren, es sei denn, die Lastleistung ist gerade sehr niedrig. In einigen speziellen Anwendungen wurden zusätzliche externe Kondensatoren, Superkondensatoren oder Batterien an den DC-Bus angeschlossen, um die Überbrückung zu gewährleisten, aber dies ist normalerweise zu teuer.

Andererseits kann etwas nützliche Energie mechanisch in der Motorträgheit gespeichert sein. Je nach Anwendung kann ein Teil dieser Energie genutzt werden, um den Antrieb bei Netzwiederkehr in einem funktionsfähigen Zustand zu halten.

Ride-Through für Laufwerke

Abbildung 1 zeigt die Hauptleistungskomponenten eines Frequenzumrichters. Die Chokes sind optional und haben wenig Einfluss auf die Durchfahrt.

Abbildung 1:Hauptleistungskomponenten eines AC-VSD

Der Gleichrichter ist unidirektional, Strom kann nur von der AC-Versorgung zum DC-Bus fließen. Der Umrichter und der Motor sind bidirektional, sodass Energie vom Motor zum DC-Bus des Antriebs zurückkehren kann, vorausgesetzt, es ist auch genügend Energie vorhanden, um den Motor magnetisiert zu halten.

Der Antriebsregler verfügt über eine Messung der Zwischenkreisspannung, sodass er einen Spannungsabfall erkennen kann. Eine kurze Unterbrechung der AC-Versorgung wirkt wie ein Einbruch, da die DC-Spannung mit der Entladung des Kondensators abfällt. Es gibt mehrere mögliche Situationen, und das detaillierte Verhalten hängt vom verwendeten Motorsteuerungsmodus ab. Betrachten wir eine einfache Steuerung mit offenem Regelkreis mit einem grundlegenden festen V/f-Verhältnis.

In jedem Fall, in dem sich die Spannung erholt, bevor der Versorgungsausfall-Erkennungspegel erreicht ist, wird der normale Betrieb fortgesetzt. Es gibt einen kurzen Anstieg des Eingangsstroms, wenn sich der Kondensator ohne den Vorteil der Soft-Charge-Schaltung wieder auflädt. Der Antrieb ist so ausgelegt, dass er dieser Überspannung unbeschadet standhält, aber es ist bekannt, dass Leistungsschalter in dieser Situation funktionieren, insbesondere wenn mehrere Antriebe von demselben Leistungsschalter gespeist werden.

Versorgungsverlust-Routine:

Es gibt einen vom Benutzer wählbaren Modusparameter, der die Wahl zwischen drei Aktionen gibt, die entsprechend den Anforderungen der Anwendung ausgewählt werden können:

1. Keine Aktion (Versorgungsausfallfunktion deaktiviert)
2. Rampe zum Stopp
3. Durchfahren

In Option 1 der Motor läuft bis zum Stillstand aus. Der Frequenzumrichter führt keine Aktion durch, wenn die Spannung unter den Spannungsverlust-Erkennungspegel fällt. Wenn die Spannung weiterhin unter den Unterspannungserkennungspegel abfällt, wird der Antrieb deaktiviert und der Motor läuft aus und hält an. Bei Spannungswiederkehr führt der Antrieb einen automatischen Neustart durch, sofern die Freigabe- und Startbefehle zum Antrieb noch anstehen.

Option 2 wird normalerweise ausgewählt, wenn die Anwendung mehrere koordinierte Bewegungen erfordert und es wichtig ist, dass der Antrieb keine unabhängigen Aktionen versucht. Der Motor wird bis zum Stopp heruntergefahren, wenn die Spannung unter den Versorgungsverlust-Erkennungspegel fällt. Wenn die Stromversorgung zurückkehrt, während der Frequenzumrichter den Motor verzögert, fährt der Frequenzumrichter fort, den Motor bis zum Stillstand herunterzufahren, andernfalls wechselt der Frequenzumrichter in den Unterspannungszustand und schaltet ab.

Es gibt einen Unterschied im detaillierten Verhalten zwischen einigen Produkten von Control Techniques, sobald der Antrieb einen Stopp erreicht, wenn die Versorgung zurückgekehrt ist:

• Für Unidrive M700 und verwandte Produkte:Sobald der Motor einen Stopp erreicht hat, wechselt der Antrieb in den deaktivierten Zustand und erfordert das Umschalten des Freigabesignals, bevor er wieder laufen kann.
• Für Unidrive M100 bis M400 und verwandte Produkte:Sobald der Motor einen Stopp erreicht hat, startet der Frequenzumrichter neu und erhöht die Motordrehzahl auf den Drehzahlsollwert, solange die Aktivierungs- und Startbefehle noch vorhanden sind.

Option 3 wird normalerweise ausgewählt, wenn die Anwendung erfordert, dass der Antrieb so weit wie möglich im unabhängigen Betrieb bleibt. Der Frequenzumrichter reduziert die Motordrehzahleinstellung auf kontrollierte Weise, sodass der Motorfluss erhalten bleibt und die im Motor und der Last gespeicherte mechanische Energie an den Frequenzumrichter zurückgegeben wird, wenn die Drehzahl sinkt. Die Energie wird verwendet, um den Magnetisierungsstrom des Motors aufrechtzuerhalten und die Steuerschaltung des Antriebs mit Strom zu versorgen. Wenn die Leistung zurückkehrt, bevor die Energie erschöpft ist, beschleunigt der Antrieb den Motor wieder auf seine eingestellte Drehzahl.

Die Chance auf eine erfolgreiche Überbrückung hängt eindeutig von der aktuellen mechanischen Belastung und der spezifischen Trägheit des Motors und seiner Last ab.

Beachten Sie, dass, wenn der Spannungseinbruch nur in einer Phase einer dreiphasigen Versorgung auftritt, die zurückgewonnene Energie nur während der fehlenden Phasenspannungsintervalle „die Lücken für den Gleichrichter füllen“ muss, der viel weniger Energie benötigt als bei einer dreiphasigen Versorgung dip und führt höchstwahrscheinlich zu einem erfolgreichen Ridethrough.

Beschränkung der Anzahl der Versuche zum automatischen Zurücksetzen

Diese kann auf eine gewünschte Anzahl oder unbegrenzt eingestellt werden.

Neustart des Drehmotors:

Bei allen diesen Optionen muss bei Auswahl des automatischen Neustarts berücksichtigt werden, ob die Routine „Fang einen drehenden Motor“ erforderlich ist. Wo der Antrieb die Kontrolle über den Motor beibehalten hat, d. h. in einem Rampen- oder Durchfahrzustand, ist dies nicht erforderlich. Sobald jedoch die Unterspannungsauslösung erfolgt ist, wird der Motor nicht mehr angesteuert. Aufgrund seiner Trägheit und/oder externer Faktoren wie dem Luftstrom in einem Lüfter kann es sich weiter drehen. In diesem Fall kann der Neustart fehlschlagen, es sei denn, der Spinning-Motor-Algorithmus ist aktiviert.

Standards und Anforderungen für Stromeinbrüche, Unterbrechungen und Überbrückung

Es gibt internationale und EU-harmonisierte Normen für die Immunität elektrischer Produkte gegen Spannungseinbrüche und -unterbrechungen. In der EU ist dies gesetzlich durch die EMV-Richtlinie geregelt. Im Rest der Welt wird es eher als eine Frage der Produktqualität denn als EMV-Gesetz angesehen. Für Geräte mit einer Nennleistung von weniger als 16 A pro Phase ist die Testnorm IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 in der EU), aber diese Norm bietet eine breite Palette optionaler Teststufen und keine Pass/Fail-Kriterien. Die genauen Anforderungen sind der Produktnorm zu entnehmen. Eine typische Anforderung kann der generischen Störfestigkeitsnorm für Industriegeräte IEC 61000-6-2 entnommen werden:

Die Ausrüstung muss während des Tauchgangs und danach wie angegeben funktionieren, und es darf kein Verlust oder eine Beschädigung gespeicherter Daten auftreten. Beachten Sie, dass dies kein buchstäbliches Ride-Through im Sinne der Fortsetzung der Bereitstellung der Nennausgangsleistung erfordert, sondern nur den bestimmungsgemäßen Betrieb. Der Zweck des Tests ist das Auffinden von Fehlern oder Bugs wie z. B. hängende Zustände oder beschädigte gespeicherte Daten nach dem Einbruch/der Unterbrechung. Wenn der Test auf eine Maschine angewendet wird, die Laufwerke enthält, müssen die Laufwerke korrekt konfiguriert werden, um sicherzustellen, dass sich die gesamte Maschine während und nach den Einbrüchen wie beabsichtigt verhält.

Für Geräte mit einer Nennleistung von über 16 A pro Phase gibt es eine weitere Prüfnorm IEC 61000-4-34. Dieser Standard wird aufgrund der Schwierigkeit und der Kosten der Testausrüstung wenig verwendet. Das Verhalten eines Hochleistungsantriebs kann zuverlässig durch Simulation und Skalierung von einem Modell mit niedrigerer Leistung vorhergesagt werden.

Ein weiterer Standard für Netzstörungen stammt vom Information Technology Industry Council (ITIC) in den USA und wird manchmal für IT-Geräte spezifiziert. Sie definiert kein Prüfverfahren, sondern nur ein Klemmenspannungsverhalten. Die ITIC-Kurve (früher CBEMA-Kurve) zeigt den Weiterbetrieb für Unterbrechungen bis zu 20 ms. Es gilt nur für einphasige Versorgungen und passt sich nicht ohne weiteres an drei Phasen an.

Aus der vorherigen Diskussion ist ersichtlich, dass ein Antrieb dies möglicherweise im Überbrückungsmodus erreichen kann, vorausgesetzt, dass ausreichend gespeicherte Energie durch Abbremsen der Last zurückgewonnen werden kann, insbesondere bei einer dreiphasigen Versorgung.

Abbildung 2:Die ITIC (ehemals CBEMA)-Kurve