Reaktion von Frequenzumrichtern auf Spannungseinbrüche: Praxisleitfaden

Öffentliche Stromnetze sind allgemein zuverlässig, unterliegen aber Störungen. Ein vollständiger Stromausfall führt zum Stillstand aller elektrischen Geräte, sofern keine Notstromversorgung wie USV oder Notstromaggregat vorhanden ist. Bei Wiederkehr der Spannung starten die Geräte aus dem Aus-Zustand gemäß ihrer Konstruktion. Es gibt jedoch eine Klasse von Störungen – kurze Unterbrechungen oder Spannungseinbrüche –, deren Verhalten weniger offensichtlich ist.

Kurze Spannungseinbrüche sind nicht ungewöhnlich. Sie können durch Leitungsfehler ausgelöst werden (Blitzeinschlag, herabfallende Gegenstände wie Bäume etc.). Bei einem Fehler im öffentlichen Stromnetz breitet sich ein Spannungseinbruch vom Fehlerort im gesamten Netz aus. Die Schutzgeräte des Netzbetreibers schalten den fehlerhaften Stromkreis in etwa 200 ms ab, woraufhin die Spannung für die meisten Verbraucher wiederhergestellt wird, manchmal nach mehreren Versuchen durch Wiedereinschaltautomatik. Während dieser Zeit erleben Verbraucher Spannungseinbrüche verschiedener Tiefe, abhängig von ihrer elektrischen Entfernung zum Fehler. In der Schwerindustrie treten Spannungseinbrüche auch beim Direktstart großer Motoren auf.

Es ist wichtig, dass elektrische Geräte während und nach einem Einbruch oder einer Unterbrechung korrekt reagieren – ein Aspekt, der leicht übersehen wird. Das Gerät sollte einen kurzen oder flachen Einbruch durchfahren („ride-through“). Ist dies nicht möglich, hängt das korrekte Verhalten von der Anwendung ab: In manchen Anwendungen muss das Gerät anhalten und auf einen Neustart warten (manuell, um Gefahren durch unerwartetes Anlaufen zu vermeiden, oder automatisch unter Koordination mehrerer Motoren). Andere Anwendungen erfordern einen automatischen, kontrollierten Neustart bei Spannungswiederkehr. Fehlendes korrektes Neustartverhalten kann Produktionsausfälle, Notfälle (z. B. Personen in Aufzügen), Ausfall von Klimaanlagen und teure Serviceeinsätze zum Zurücksetzen elektronischer Geräte verursachen.

Einbrüche und Unterbrechungen

Die kürzesten Einbrüche und Unterbrechungen dauern typischerweise ca. 10 ms (eine Netzhalbwelle). Alles über ca. 10 s gilt als Stromausfall. Der kritische Dauerbereich, in dem das Verhalten genau untersucht werden muss, liegt primär zwischen 10 ms und ca. 500 ms. In diesem Bereich können Konstruktionsfehler zu Fehlverhalten führen, wie Prozessor-Abstürze oder Datenkorruption.

In Drehstromsystemen betreffen Fehler oft nur eine Phase, da Blitzeinschlag oder herabfallende Gegenstände häufig nur eine Phase treffen. Der Fehler kann sich jedoch auf alle drei Phasen ausbreiten. Ein einphasiger Erdschluss im Hochspannungs-Übertragungsnetz erscheint nach Dyn-Transformatoren als Zweiphasenfehler im Niederspannungs-Verteilnetz. Einbrüche durch Motorstart betreffen alle drei Phasen.

Energiespeicherung und Durchfahren (Ride-through)

In einem typischen netzgespeisten elektronischen Schaltkreis befindet sich ein großer Kondensator im internen DC-Versorgungszweig zur Glättung der gleichgerichteten Spannung, der meist genug Energie speichert, um den Schaltkreis für ca. 10–20 ms am Laufen zu halten. Bei kürzeren Einbrüchen arbeitet er normal weiter; ein Spannungsüberwachungskreis kann einen Spannungsabfall erkennen. Es bleibt Zeit, eine kurze Routine zum Speichern essenzieller Daten im nichtflüchtigen Speicher und zum Versetzen des Systems in einen definierten Zustand auszuführen, aus dem es bei Spannungswiederkehr neu starten kann. Wenn Durchfahren bis ca. 100 ms erforderlich ist, kann dies durch zusätzliche Kapazität erreicht werden; darüber hinaus wäre eine Batterie oder USV nötig.

In einem typischen Frequenzumrichter speichern die Kondensatoren aufgrund des hohen Leistungsdurchsatzes nicht genug Energie, um die Nennlastleistung auch nur für 10 ms zu versorgen. Ein einfaches Durchfahren mittels Kondensatorenergie ist unrealistisch, es sei denn, die Lastleistung ist zufällig sehr gering. In speziellen Anwendungen wurden zusätzliche externe Kondensatoren, Superkondensatoren oder Batterien an den DC-Zwischenkreis angeschlossen, um Durchfahren zu gewährleisten, was jedoch meist zu teuer ist.

Andererseits kann mechanische Energie in der Motor-Trägheit gespeichert sein. Je nach Anwendung kann ein Teil dieser Energie genutzt werden, um den Umrichter in einem lebensfähigen Zustand zu halten, bereit für die Spannungswiederkehr.

Durchfahren für Umrichter

Abbildung 1 zeigt die Hauptleistungskomponenten eines AC-Umrichters. Die Drosseln sind optional und haben wenig Einfluss auf das Durchfahren.

Abbildung 1: Hauptleistungskomponenten eines AC-FU

Der Gleichrichter ist unidirektional – Leistung fließt nur vom Netz in den DC-Zwischenkreis. Umrichter und Motor sind bidirektional, sodass Energie vom Motor in den DC-Zwischenkreis zurückfließen kann, sofern genug Energie vorhanden ist, um den Motor magnetisiert zu halten.

Der Umrichter-Controller misst die DC-Zwischenkreisspannung und kann einen Spannungsabfall erkennen. Eine kurze Netzunterbrechung hat denselben Effekt wie ein Einbruch, da die DC-Spannung beim Entladen des Kondensators fällt. Es gibt mehrere mögliche Situationen; das detaillierte Verhalten hängt vom verwendeten Motorkontrollmodus ab. Betrachten wir eine einfache offene Regelung mit festem V/f-Verhältnis.

In jedem Fall, in dem die Spannung vor Erreichen der Netzverlust-Erkennungsschwelle wiederhergestellt wird, setzt der normale Betrieb fort. Es tritt ein kurzer Einschaltstromstoß auf, wenn der Kondensator ohne den Vorladewiderstand wieder aufgeladen wird. Der Umrichter ist darauf ausgelegt, diesen Stoß unbeschadet zu überstehen, doch es ist bekannt, dass Leistungsschalter in dieser Situation auslösen können, besonders wenn mehrere Umrichter vom selben Schutzschalter gespeist werden.

Netzverlust-Routine:

Ein benutzerwählbarer Modusparameter bietet die Wahl zwischen drei Aktionen, passend zur Anwendung:

1. Keine Aktion (Netzverlust-Funktion deaktiviert)
2. Abbremsen bis Stillstand
3. Durchfahren (Ride-through)

Option 1: Der Motor läuft aus. Der Umrichter führt keine Aktion aus, wenn die Spannung unter die Netzverlust-Erkennungsschwelle fällt. Fällt die Spannung weiter unter die Unterspannungsschwelle, wird der Umrichter deaktiviert und der Motor läuft aus. Kehrt die Spannung zurück, führt der Umrichter einen automatischen Neustart aus, sofern Enable- und Run-Befehle noch anliegen.

Option 2 wird normalerweise gewählt, wenn die Anwendung mehrere koordinierte Bewegungen erfordert und der Umrichter keine eigenständigen Aktionen unternehmen soll. Der Motor wird abgebremst, wenn die Spannung unter die Netzverlust-Erkennungsschwelle fällt. Kehrt die Spannung während des Abbremsens zurück, fährt der Umrichter den Motor weiterhin bis zum Stillstand herunter; andernfalls geht er in den Unterspannungszustand und schaltet ab.

Es gibt Unterschiede im Detailverhalten zwischen Control-Technics-Produkten nach Erreichen des Stillstands bei zurückgekehrter Spannung:

• Unidrive M700 und verwandte Produkte: Nach Erreichen des Stillstands geht der Umrichter in den deaktivierten Zustand und erfordert ein Umschalten des Enable-Signals, bevor er wieder laufen kann.
• Unidrive M100 bis M400 und verwandte Produkte: Nach Erreichen des Stillstands startet der Umrichter neu und beschleunigt den Motor zurück auf den Sollwert, sofern Enable- und Run-Befehle noch anliegen.

Option 3 wird normalerweise gewählt, wenn die Anwendung erfordert, dass der Umrichter so weit wie möglich eigenständig weiterarbeitet. Der Umrichter reduziert die Motordrehzahl kontrolliert, sodass der Motorfluss erhalten bleibt und mechanisch gespeicherte Energie in Motor und Last in den Umrichter zurückfließt, während die Drehzahl fällt. Die Energie dient zum Erhalt des Magnetisierungsstroms und zur Versorgung der Umrichter-Steuerungselektronik. Kehrt die Spannung vor Erschöpfung der Energie zurück, beschleunigt der Umrichter den Motor wieder auf Soll-Drehzahl.

Die Erfolgsaussicht des Durchfahrens hängt eindeutig von der mechanischen Belastung im Moment und dem spezifischen Trägheitsmoment von Motor und Last ab.

Hinweis: Tritt der Spannungseinbruch nur in einer Phase eines Drehstromnetzes auf, muss die zurückgewonnene Energie nur die „Lücken“ für den Gleichrichter während der fehlenden Phasenspannungsintervalle füllen, was weit weniger Energie erfordert als bei einem dreiphasigen Einbruch und am ehesten zu erfolgreichem Durchfahren führt.

Begrenzung der Auto-Reset-Versuche

Diese kann auf eine gewünschte Anzahl oder unbegrenzt eingestellt werden.

Neustart mit drehendem Motor (Flying Restart):

Bei allen Optionen, wenn automatischer Neustart gewählt ist, muss geprüft werden, ob die „Fang-einen-drehenden-Motor“-Routine erforderlich ist. Wo der Umrichter die Motorsteuerung beibehalten hat (Abbremsen oder Durchfahren), ist dies nicht nötig. Nach Auslösen der Unterspannung wird der Motor jedoch nicht mehr gesteuert. Er kann aufgrund seiner Trägheit und/oder externer Faktoren (z. B. Luftstrom bei einem Lüfter) weiterdrehen. In diesem Fall könnte der Neustart fehlschlagen, sofern der Algorithmus für drehende Motoren nicht aktiviert ist.

Normen und Anforderungen für Spannungseinbrüche, Unterbrechungen und Durchfahren

Es gibt internationale und EU-harmonisierte Normen für die Immunität elektrischer Produkte gegen Spannungseinbrüche und Unterbrechungen. In der EU ist dies durch die EMV-Richtlinie rechtlich abgedeckt. Im Rest der Welt wird es allgemein als Produktqualitätsmerkmal betrachtet, nicht als EMV-Gesetz. Für Geräte bis 16 A pro Phase gilt der Prüfstandard IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 in der EU), der jedoch eine breite Palette optionaler Prüfpegel ohne Pass/Fail-Kriterien vorgibt. Der Produktstandard muss konsultiert werden, um die genauen Anforderungen zu finden. Eine typische Anforderung entstammt der generischen Immunitätsnorm für Industriegeräte, IEC 61000-6-2:

Das Gerät muss während des Einbruchs und danach wie spezifiziert arbeiten, und es darf kein Verlust oder keine Korruption gespeicherter Daten auftreten. Beachten Sie, dass dies nicht wörtliches Durchfahren im Sinne der Weiterlieferung der Nennausgangsleistung verlangt, sondern nur den Betrieb wie vorgesehen. Der Testzweck ist, Fehler oder Bugs wie Hängerzustände oder korrupte Daten nach Einbruch/Unterbrechung zu finden. Wird der Test an einer Maschine mit Umrichtern angewendet, müssen diese korrekt konfiguriert sein, damit die Gesamtmaschine während und nach den Einbrüchen wie vorgesehen reagiert.

Für Geräte über 16 A pro Phase gibt es den Prüfstandard IEC 61000-4-34. Dieser wird wenig genutzt, wegen Schwierigkeit und Kosten der Prüfeinrichtung. Das Verhalten eines Hochleistungs-Umrichters kann zuverlässig durch Simulation und Skalierung von einem Niedrigleistungsmodell vorhergesagt werden.

Ein weiterer Standard für Stromstörungen stammt vom Information Technology Industry Council (ITIC) in den USA und wird manchmal für IT-Geräte gefordert. Er definiert keine Prüfmethode, sondern nur ein Klemmenspannungsverhalten. Die ITIC-Kurve (ehemals CBEMA-Kurve) zeigt Weiterbetrieb für Unterbrechungen bis 20 ms. Sie gilt nur für Einphasennetze und lässt sich nicht ohne Weiteres auf drei Phasen übertragen.

Aus der vorigen Diskussion geht hervor, dass ein Umrichter dies im Durchfahr-Modus erreichen kann, sofern ausreichend gespeicherte Energie durch Abbremsen der Last zurückgewonnen werden kann, besonders bei Drehstromversorgung.

Abbildung 2: Die ITIC-Kurve (ehemals CBEMA-Kurve)