Sinusfilter und allpolige Sinusfilter
Frequenzumrichter haben sich in nahezu allen Industriebereichen durchgesetzt – von der Antriebs- über die Förder- bis zur Bahntechnik. Sie ermöglichen eine präzise Drehzahlregelung und damit erhebliche Effizienzgewinne. Gleichzeitig bringt die Funktionsweise moderner Umrichter ein Problem mit sich, das in der Praxis häufig unterschätzt wird: Die Ausgangsspannung ist nicht sinusförmig, sondern wird per Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Das schnelle Schalten der Zwischenkreisspannung mit Taktfrequenzen von 4 bis 16 kHz erzeugt steile Spannungsflanken, die sich negativ auf Motor, Kabel und die gesamte Anlage auswirken können. Filterlösungen wie du/dt-Filter, Motordrosseln und insbesondere Sinusfilter setzen genau hier an.
Das Problem: Steile Spannungsflanken aus dem Umrichter
Ein Frequenzumrichter schaltet die Zwischenkreisspannung im Verhältnis zur gewünschten Ausgangsspannung ständig ein und aus. Dadurch entsteht am Motor keine glatte Sinuskurve, sondern ein PWM-Signal mit sehr schnellen Spannungsanstiegszeiten. Dieser Effekt führt zu einer Reihe typischer Probleme in antriebsgeregelten Anlagen: Die Motorisolierung wird belastet und altert schneller, im Zwischenkreis können hohe Spannungsspitzen auftreten, die Kondensatoren zusätzlich beanspruchen, an den Schaltfrequenzen entstehen hörbare Motorgeräusche, und unzureichend gefilterte Anlagen leiden unter elektromagnetischen Störungen (EMV), die den zuverlässigen Betrieb benachbarter Geräte gefährden können. In der Summe steigt das Risiko eines vorzeitigen Motorausfalls deutlich.
Messtechnisch lässt sich der Unterschied klar belegen: Ohne Filter werden Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten von über 6 kV/µs sowie Spannungsspitzen von bis zu 1200 V und Stromspitzen von 18 A gemessen. Mit einem du/dt-Filter reduziert sich die Anstiegsgeschwindigkeit auf unter 500 V/µs, die Spitzenspannung sinkt auf rund 950 V. Erst der Einsatz eines Sinusfilters liefert am Motor eine nahezu reine Sinuswelle – die ursprüngliche Belastung durch steile Schaltflanken entfällt damit weitgehend.
Was ein Sinusfilter leistet
Sinusfilter werden zwischen Frequenzumrichter und Motor installiert und glätten die pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung zu einer annähernd sinusförmigen Spannung. Das bringt mehrere konkrete Vorteile mit sich: Spannungsspitzen werden begrenzt und Überspannungen bei langen Motorleitungen verhindert, hochfrequente EMV-Störungen im Bereich von 1 bis 30 MHz werden spürbar reduziert, die Lebensdauer der Motoren steigt, da Wicklungen und Isolation geschont werden, der Einsatz geschirmter Motorleitungen ist nicht mehr zwingend erforderlich, Motorengeräusche werden deutlich minimiert, und Lagerströme – eine häufige Ursache für vorzeitigen Lagerverschleiß – werden reduziert. Je nach Anwendungsfall stehen unterschiedliche Lösungen zur Auswahl: du/dt-Filter, Motordrosseln, klassische Sinusfilter oder allpolige Sinusfilter. Die Entscheidung ist dabei stets eine Abwägung zwischen Investitionskosten und gewünschter Wirkung.
Die Rolle des Ableitstroms
Ein zentraler Begriff in diesem Zusammenhang ist der Ableitstrom. Anders als der eigentliche Betriebsstrom, der über die Leiter L1, L2, L3 und N zum Verbraucher fließt, handelt es sich beim Ableitstrom um einen Strom, der zum Erdungssystem beziehungsweise zum Schutzleiter abfließt. Er entsteht unter anderem durch Isolationswiderstände, Entladewiderstände von Kondensatoren sowie parasitäre Kapazitäten von Kabeln und Betriebsmitteln. Da der Ableitstrom ein Sicherheitsrisiko darstellt, ist er in Normen mit Obergrenzen versehen. Bei Anlagen mit Frequenzumrichter hängt seine Höhe maßgeblich von der Motorleitungslänge und der Taktfrequenz ab. Konventionelle Sinusfilter reduzieren den Ableitstrom gegenüber geschirmten Kabeln bereits um den Faktor 2 bis 3, da sie den Einsatz ungeschirmter Leitungen ermöglichen. Den umfassendsten Schutz bietet jedoch eine Weiterentwicklung: das PE-wirkende beziehungsweise allpolige Sinusfilter.
Allpolige Sinusfilter: Der nächste Schritt beim Störstromschutz
Während klassische Sinusfilter die Spannung zwischen den Außenleitern wirksam glätten, bleibt ein Effekt bestehen, der in der Praxis oft übersehen wird: die hochfrequente Spannung zwischen Außenleiter und Schutzerde (PE). Genau diese Leiter-Erd-Spannung ist es, die über parasitäre Kapazitäten Störströme treibt und damit zur eigentlichen Störquelle für benachbarte Anlagenteile wird – sie kann zudem das Netzfilter bei längeren Leitungen zusätzlich belasten.
Das Prinzip des allpoligen Sinusfilters setzt genau hier an: Die Störströme aus den Betriebsstromleitungen werden nach dem Umrichter gezielt in den Zwischenkreis zurückgeführt, statt zur Schutzerde abzufließen. Dadurch entsteht ein definierter, niederohmiger Strompfad zurück in den Zwischenkreis, der die Potentialverteilung gezielt kontrolliert. Die hohe asymmetrische Störkomponente, die für viele EMV-Probleme verantwortlich ist, wird auf diese Weise stark herausgefiltert.
Die messtechnischen Ergebnisse sprechen für sich. Bei der Leiter-Leiter-Spannung unterscheiden sich konventionelles und allpoliges Sinusfilter kaum – beide glätten die Spannung zwischen den Phasen sehr wirksam zu einer sauberen Sinuskurve. Der entscheidende Unterschied zeigt sich jedoch bei der Leiter-Erd-Spannung: Hier liefert ausschließlich das allpolige Sinusfilter eine spürbare Verbesserung, da die störende HF-Spannung gegen PE deutlich reduziert wird. Auch beim Gleichtaktstrom, der ein direktes Maß für die Belastung durch Lagerströme ist, zeigt sich der Vorteil: Ohne Filter liegt der Spitzenwert bei bis zu 7 A mit Frequenzen bis 200 kHz, mit konventionellem Sinusfilter sinkt er auf rund 4 A bei 40 kHz, und mit dem allpoligen Sinusfilter wird der Gleichtaktstrom nahezu vollständig eliminiert. Lagerströme lassen sich damit weitestgehend ausschließen.
Auch im Frequenzbereich 20 bis 100 kHz – dem Bereich, in dem die Taktfrequenzen der Umrichter mit ihren Oberwellen liegen – zeigt sich die Wirkung deutlich: Der Störpegel sinkt von rund 120 dB auf etwa 90 dB. Dieser Bereich ist zwar nicht in jeder Norm explizit erfasst, in der Praxis aber von hoher Relevanz, etwa wenn empfindliche Steuer- oder Signalleitungen parallel zu Motorleitungen verlegt sind. In einem dokumentierten Anwendungsfall führte eine hochfrequente Störspannung von über 100 V auf einer parallel geführten Steuerleitung zu Fehlfunktionen an Temperaturschaltern – nach dem Einsatz eines allpoligen Sinusfilters war keine relevante Störspannung mehr messbar.
Wichtig zu wissen: Allpolige Sinusfilter erfordern eine Abstimmung mit dem eingesetzten Umrichter, da durch die Rückführung der Störströme zusätzliche Gleichtaktströme in den IGBTs der Endstufe entstehen. In der Regel ist dafür eine Mindesttaktfrequenz von 8 kHz erforderlich, in Einzelfällen kann zudem eine Anpassung der umrichterseitigen Isolationsüberwachung notwendig sein. Die Auswahl der passenden Filterlösung sollte daher stets in Abstimmung mit den technischen Daten der jeweiligen Anlage erfolgen.
Technische Eckdaten im Überblick
Die Sinusfilter-Baureihen CNW M 933 und CNW 933 stehen für eine Nennspannung von 3 x 500 V zur Verfügung. Während die CNW M 933 in Schutzart IP65 mit Anschlusskasten ausgeführt ist und sich dadurch flexibel innerhalb oder außerhalb eines Schaltschranks montieren lässt, ist die CNW 933 in Schutzart IP00 erhältlich. Beide Baureihen sind für Umrichter-Taktfrequenzen oberhalb von 4 kHz bis 150 A beziehungsweise oberhalb von 1,5 kHz ab 150 A ausgelegt, decken eine Drehfeldfrequenz von 0 bis 60 Hz ab und erlauben Motorleitungslängen bis zu 1000 m bei Verwendung abgeschirmter Kabel. Der Nennstrombereich reicht von 2 bis 90 A (CNW M 933) beziehungsweise 2 bis 1200 A (CNW 933); weitere Auslegungen sind auf Anfrage erhältlich.
Allpolige Sinusfilter Zusammenfassung
Fazit
Der zusätzliche Aufwand für ein du/dt- oder Sinusfilter ist eine Investition, die sich in der Praxis vielfach auszahlt: durch geringere Ausfallraten bei Motoren, niedrigere EMV-Belastung der Gesamtanlage, reduzierte Geräuschemissionen und einen spürbar geschützten Antrieb. Wer zusätzlich auf bestmöglichen Schutz gegen Lagerströme und hochfrequente Störspannungen gegen Schutzerde Wert legt, findet im allpoligen Sinusfilter die konsequente Weiterentwicklung der klassischen Sinusfiltertechnik. Welche Lösung im Einzelfall die richtige ist, hängt von Motorleitungslänge, Taktfrequenz, EMV-Anforderungen und nicht zuletzt vom Budget ab – eine technische Beratung lohnt sich in jedem Fall.
