Auswahl des optimalen Motorkabels für Frequenzumrichter (FU)

Das Motorkabel für einen PWM-Frequenzumrichter kann unerwartete Auswirkungen haben. In diesem Beitrag betrachten wir besondere Aspekte, die bei der Auswahl und Installation eines Motorkabels für einen Frequenzumrichter (FU) zu beachten sind.

Strombelastbarkeit

Der stationäre Laststrom des Motors ändert sich durch den Einsatz eines Frequenzumrichters nicht nennenswert. Die Motorschutzfunktion im Umrichter ist (z. B. von UL) für den thermischen Schutz von Motor und Kabel im Überlastfall zugelassen. Daher entspricht die grundlegende Strombelastbarkeit des Motorkabels der eines direkt ans Netz angeschlossenen Motors.

Kabeldimensionierung und Spannungsfall – Verlegevorschriften

Kabeldimensionierungsvorschriften, die von Elektroinstallateuren verwendet werden – einschließlich Kabelplanungssoftware –, sehen oft spezielle Regelungen für Motoren vor. Diese basieren auf einem standardisierten Industrie-Asynchronmotor, der durch Direktanschluss an das Netz gestartet wird („Direct On Line“, DOL-Start). Lange Kabel müssen möglicherweise stärker dimensioniert werden, als es der kontinuierliche Nennlaststrom verlangt, um den Spannungsfall in der Induktivität und dem Widerstand des Kabels während des Anlaufs zu begrenzen. Ein typischer Industrie-Asynchronmotor zieht beim DOL-Start einen Strom von etwa dem 5-fachen seines Nennwerts, bedingt durch den hohen Schlupf vor Erreichen der Nenndrehzahl; das verfügbare Anlaufmoment ist dabei nicht besonders hoch, wie in Abbildung 1 dargestellt. Ein übermäßiger Spannungsfall im Kabel kann dazu führen, dass der Motor bei anhaltendem Lastmoment im niedrigen Drehzahlbereich nicht anläuft.

Abbildung 1: Strom und Moment beim Direktstart eines Asynchronmotors

Bei Einsatz eines Frequenzumrichters ist der Motorslip stets gering, und der Anlaufstrom überschreitet nie die Kurzzeitbelastbarkeit (z. B. 110 % oder 150 %, je nach Anwendung). Zudem kann der Umrichter zusammen mit Motor und Kabel so abgestimmt werden, dass der Kabelspannungsfall kompensiert wird – bei Drehzahlen unter der Nenn-Drehzahl steht zwischen der Umrichterleistung und der für den Arbeitsfluss erforderlichen Spannung ein Spannungsspielraum zur Verfügung. Daher ist bei einem FU keine Überdimensionierung des Kabels zur Reduzierung des Anlauf-Spannungsfalls notwendig. Bei Installationen mit langen Motorkabeln kann dies erhebliche Kosteneinsparungen beim Kabel ermöglichen. Bei der Verwendung von Kabeldimensionierungssoftware sollte der Motor mit FU als einfacher ohmscher Last, nicht als Motor, eingegeben werden, um die unnötige Berücksichtigung des Anlaufstroms zu vermeiden.

Kabelarten – Schirmung (Abschirmung)

Der Frequenzumrichter-Ausgang nutzt Pulsweitenmodulation (PWM), um eine spannungs- und frequenzvariable Versorgung für die Motorsteuerung zu erzeugen. Die Pulse haben steile Flanken mit Anstiegs-/Abfallzeiten in der Größenordnung von 100 ns. Dadurch reicht der Frequenzgehalt der Spannung im Motor und Motorkabel bis in hohe Radiofrequenzbereiche – allgemein ein sehr hohes Niveau bis ca. 10 MHz und ein beträchtliches Niveau bis ca. 50 MHz. Um elektromagnetische Störungen (EMV) zu vermeiden, muss das Kabel abgeschirmt sein, damit die Abstrahlung elektromagnetischer Energie unterdrückt wird. Ein geerdeter Schirm verhindert elektrische Feldemissionen, und die korrekte Verbindung des Schirms an beiden Enden (Motor- und Umrichterseite) mit einer Verbindung minimaler Eigeninduktivität verhindert magnetische Feldemissionen. Beides ist erforderlich.

Falsch geführte Motorkabel können sowohl Funkkommunikation als auch benachbarte elektronische Geräte wie Sensoren und Datenkreise stören, die in diesen Frequenzbereichen empfindlich sind. Die EMV-Norm für Umrichter IEC 61800-3 (EN 61800-3) fordert ein geschirmtes Motorkabel, andernfalls müsste der Umrichterausgang über ein sehr teures und sperriges Hochfrequenzfilter angeschlossen werden.

Praxistests haben gezeigt, dass Kabelschirme aus Stahl oder Kupfer bei guter kontinuierlicher Abdeckung und Leitfähigkeit über die Kabellänge gleichermaßen wirksam sind. Dies ermöglicht den Hochfrequenzstromfluss entlang des Schirms, der das durch den Gleichtaktstrom in den Leistungsadern verursachte Magnetfeld kompensiert, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Kompensation des äußeren Magnetfelds durch ein geschirmtes Kabel mit beidseitigem Schirmanschluss

Erdung (Schutzleiter)

Der Motor-Erdanschluss dient primär der Sicherheit im Fehlerfall (Erdschluss im Motor). Er muss den Fehlerstrom führen, bis die Schutzeinrichtung (Sicherung oder Leistungsschalter) abschaltet, wobei die Berührungsspannung des Motorengehäuses innerhalb sicherer Grenzwerte bleiben muss.

Normalerweise begrenzt der Frequenzumrichter den Erdschlussstrom auf deutlich niedrigere Werte und kürzere Dauer als eine Sicherung oder ein Leistungsschalter. Da er jedoch auf komplexen Halbleiterbauelementen und -schaltungen basiert, die versagen können, muss die Erdschleifenimpedanz für den Schutzleiteranschluss dieselbe sein wie ohne Frequenzumrichter – der endgültige Schutz erfolgt durch die vorgeschaltete Schutzeinrichtung, die den Umrichter speist. Die Dimensionierung des Schutzleiters ist exakt dieselbe wie bei einem direkt gespeisten Motor. Dies wird in Abbildung 3 veranschaulicht.

Abbildung 3: Motor-Erdschlussstrompfad und Berührungsspannung

Wie erläutert, muss das Motorkabel für einen FU geschirmt sein. Ob dieser Schirm auch als Schutzleiter dienen kann, hängt von seiner Impedanz und der angewandten Erdungsvorschrift ab. Häufig wird ein separater Kupfer-Schutzleiter verwendet, um eine gesonderte Berechnung zu vermeiden.

Die Frage stellt sich manchmal, ob ein Schutzleiter innerhalb des geschirmten Motorkabels (4-adriges Kabel) oder ein externer verwendet werden soll. Aus Sicherheitssicht sind beide Lösungen gleichwertig. Auch für EMV können beide Methoden funktionieren, doch bei einem 4-adrigen Kabel ist Vorsicht geboten: Der Schutzleiter führt einen beachtlichen Störstrom, der von den Leistungsadern im Kabel eingekoppelt wird. Wird er an einem Punkt in der Umrichter-Verdrahlung fern vom Schirmanschluss geführt, injiziert er den Störstrom in die Panel-Erdungsverdrahtung, was Signalkreise stören kann. Er sollte physisch sehr nah am Schirmanschluss an das Umrichter-Panel angeschlossen werden, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 4: Korrekte Führung des Schutzleiters (PE) in 4-adrigem geschirmtem Motorkabel

Kapazität und Induktivität

Das Motorkabel besitzt eine natürliche Eigenkapazität und -induktivität. Bei Netzfrequenz hat die Kapazität vernachlässigbare Wirkung, während die Induktivität einen kleinen Spannungsfall verursacht, der meist vernachlässigbar ist, außer bei sehr langen Kabelstrecken und hohen DOL-Anlaufströmen.

Die Auswirkung auf die steil ansteigenden PWM-Pulse des Umrichters ist weitaus wichtiger. An jeder Pulflanke muss die Kabelkapazität entladen werden. Dies führt zu काफी großen, aber kurzen Strompulsen an jeder Flanke. Diese können hochfrequente Feldemissionen verursachen und bilden eine Last für die Umrichter-Leistungshalbleiter beim Schalten.

Glücklicherweise ist die Kabelinduktivität zusammen mit der Kapazität entlang des Kabels verteilt und begrenzt den Lade Strom. Der Nettoeffekt wird durch die „Telegraphengleichungen“ beschrieben und ergibt die Kabelparameter Z₀ (Wellenwiderstand) und v (Ausbreitungsgeschwindigkeit).

An jeder PWM-Pulflanke fließt ein Strom zum Laden des Kabels, gegeben durch:

I = V_DC / Z₀

Wobei V_DC = Gleichspannung im DC-Zwischenkreis des Umrichters.

Für ein Koaxialkabel ist der Wellenwiderstand gegeben durch:

Z₀ = (60 / √ε_r) · ln(D/d)

Wobei:

• ε_r = relative Permittivität des Dielektrikums (Isolators)
• D = Innendurchmesser des Außenleiters
• d = Außendurchmesser des Innenleiters

In einem 3-phasigen geschirmten Kabel ist die Geometrie nicht einfach koaxial, aber das Verhalten ist ähnlich; der Impedanzwert hängt von der Dielektrizitätskonstante und den relativen Durchmessern der Innen- und Außenleiter ab. Geometrie und Dielektrikum variieren bei Kabeln nicht stark, und der logarithmische Term bedeutet, dass der Impedanzwert nicht sehr empfindlich auf Geometrieänderungen reagiert. Gemessene Werte von Z₀ für Standard-geschirmte Leistungskabel liegen zwischen ca. 45 Ω für 2,5 mm² Kabel und 15 Ω für 120 mm² Kabel. Das bedeutet, dass für größere Umrichter mit Nennströmen über ca. 20 A der Lade Strom vernachlässigbar ist, aber für Nennströme unter ca. 10 A eine Auswirkung hat und der Umrichter so ausgelegt sein muss, dass er den Lade Strom ohne übermäßige Leistungsverluste oder ungewolltes Überstrom-Abschalten liefern kann.

Die Dauer des Strompulses wird durch die Kabellänge bestimmt; sie entspricht der Zeit, die der Puls bis zum Motorende und zurück als invertierte Reflexion benötigt. Je länger das Kabel, desto größer die Auswirkung auf den Umrichter.

Einige Spezialkabel können abnormale Werte von Z₀ aufweisen:

• Das Durchmesserverhältnis kann stark reduziert sein, wenn keine Isoliermantel zwischen den Leistungsadern und dem Schirm vorhanden ist, wie bei hochflexiblen geschirmten Leistungskabeln. Mineralisolierte Kupfermantelkabel (MICC) haben ebenfalls ein geringes Durchmesserverhältnis, und die Permittivität des Mineralisolators ist hoch, sodass der Impedanzwert sehr niedrig ist.
• Ein weiterer Fall niedriger effektiver Impedanz tritt auf, wenn mehrere Kabel parallel geschaltet werden, um die erforderliche Strombelastbarkeit zu erreichen, statt eines einzelnen großdimensionierten Kabels. In diesen Fällen ist es, sofern die Gesamtkabellänge nicht sehr kurz ist, oft notwendig, Reihendrosseln zwischen Umrichter und Kabel einzubauen, um den Kabel-Lade Strom zu begrenzen. Bei Control Techniques sind gelegentlich Fälle aufgetreten, bei denen der Installateur drei Kabel parallel verwendete und für jede Phase ein 3-adriges Kabel nutzte. Diese Anordnung ist ohnehin schlechte Praxis, da der Netzfrequenzstrom in den Phasenadern Gegenschwingungen in den Schirmen induziert, was zu Schirm-Erwärmung führen kann. Bei FU-Betrieb resultiert eine außergewöhnlich hohe Streuströmung durch die übermäßige Kapazität zwischen Leistungsadern und Erde, was hochfrequente Störungen in benachbarten Kreisen verursachen und RFI-Filter durch übermäßigen Gleichtaktstrom (Erdstrom) überlasten kann. Richtige und falsche Methoden sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Richtige und falsche Methoden zum Parallelschalten von Leistungskabeln

Im Folgenden wurden die Modi im Kabel, auf die der Impedanzwert anwendbar ist, nicht besonders unterschieden. Im Allgemeinen ist diese Detaillierung nicht erforderlich, aber die Hauptmodi, die den Umrichter beeinflussen, sind:

• Einfacher asymmetrischer Modus: ein Leiter relativ zu allen anderen Leitern und Schirm. Relevant für Umrichterbelastung, nicht für Erdstrom oder Filterbelastung.
• Gleichtaktmodus: alle Leistungsadern gegen Schirm und ggf. Schutzleiter. Relevant für Erdstrom und Filterbelastung.

Motorspannungs-Überschwingung und Steilheit (dv/dt)

Kabelkapazität und -induktivität verursachen Spannungsüberschwingungen an den Motoranschlüssen an den Pulflanken. In Begriffen der Telegraphengleichungen lassen sich diese als Reflexionen an den Motoranschlüssen verstehen, verursacht durch Impedanzanpassung. Selbst kurze Kabel führen zu Überschwingungen. Dies kann überraschen, wenn man mit Umrichtern und schnellen Pulsen nicht vertraut ist – auf einer Mikrosekunden-Zeitskala ist die Spannung am Motor ganz anders als am Umrichter, obwohl sie miteinander verbunden sind.

Motoren haben eine Spannungsfestigkeit, die von der Spannungsanstiegszeit abhängt. Für Anstiegszeiten unter ca. 0,8 µs kann die Spannungsfestigkeit reduziert sein, da die Spannung sich in die ersten Windungen konzentriert und die Windungsisolierung belastet. Die meisten Motoren sind für den Betrieb mit Umrichtern an 400 V oder 480 V Netzspannung ohne besondere Maßnahmen ausgelegt. Für 690 V Motoren wird dringend empfohlen, einen speziell für Umrichterbetrieb ausgelegten Motor zu verwenden, um vorzeitigen Isolationsausfall zu vermeiden. Solche Motoren sollten gemäß der Richtlinie IEC TS 60034-25 („Leitfaden für Design und Leistung von Wechselstrommotoren, speziell für Umrichterspeisung konzipiert“) spezifiziert werden.

Mehrere Motoren

Gelegentlich ist es wünschenswert, mehrere Motoren von einem einzigen Umrichter zu betreiben. Beispielsweise können kleine Lüfter in einem Gebäude verteilt und von einem einzigen Umrichter angetrieben werden, jeweils mit eigenem Kabel. In dieser Situation wird die Kapazität des Kabels durch seine Gesamtlänge bestimmt, die Induktivitäten der Abschnitte erscheinen jedoch parallel zum Umrichter, nicht in Reihe. Für n Kabel beträgt der vom Umrichter an seinen Pulflanken gesehene Impedanzwert Z₀/n.

In diesem Fall sollte eine Reihendrossel verwendet werden, um die Kapazitäts-Ladepulse zu begrenzen, andernfalls droht dem Umrichter vorzeitiges Überstrom-Abschalten oder -Begrenzen durch den hohen Lade Strom.