DE10353192A1

DE10353192A1 - Verfahren zur Kompensation eines Erdableitstromes bei elektrischen Betriebsmitteln und Vorrichtung zur Kompensation eines Erdableitstromes beim Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln

Info

Publication number: DE10353192A1
Application number: DE10353192A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schueler; Thomas Dunz; Gregor Schenke
Original assignee: Schueler Uwe Dipl-Ing(fh)
Current assignee: DUNZ, THOMAS, PROF. DR.-ING., DE; SCHENKE, GREGOR, PROF. DR.-ING., DE; Schueler Uwe Dipl-Ing De
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: DE10353192B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Betriebsmittels, zur Verringerung von Erdableitströmen auf einen Schutzleiter, wobei die Erdableitströme von spannungsführenden Teilen der Installation zum Schutzleiter fließen, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt, bei elektrischen Betriebsmitteln mit einer netzgeführten Stromrichterschaltung, beispielsweise Frequenzumrichter mit netzseitiger Gleichrichterspannung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einspeisung eines Stroms zum Schutzleiter, wobei dieser Strom gegenphasig zum Erdableitstrom sein muss, damit die Addition des Erdableitstroms und des eingespeisten Stroms ein Minimum ergibt, der Erdableitstrom kompensiert wird.

Description

Beschrieben wird ein Verfahren zur Kompensation eines Erdableitstromes bei elektrischen Betriebsmitteln und eine Vorrichtung zur Kompensation eines Erdableitstromes beim Betrieb von elektrischen Betriebsmitteln welche sowohl im betreffenden Betriebsmittel als auch extern als eigenständiges Gerät ausgeführt sein kann. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung speist zur Reduktion des Erdableitstromes einen zum Erdableitstrom gegenphasigen Strom, den sogenannten Kompensationsstrom, in einen Schutzleiter ein. Die Erdableitströme auf dem Schutzleiter sind kapazitiv. Sie entstehen durch die Ableitung der Spannungsoberschwingungen über parasitäre und/oder gezielt eingebrachte Kapazitäten gegen den Schutzleiter (z.B. EMV-Filter). Durch die gezielte Ableitung der dominantesten Frequenzen über jeweils eine Induktivität (L₀) auf den Schutzleiter (PE) kann der bereits vorhandene kapazitive Strom dieser Frequenzen signifikant gesenkt werden. Der Abgriff des Stromes sollte vorzugsweise innerhalb des Gerätes erfolgen. Damit ist eine bessere Dimensionierung der Bauteile möglich. Diese Dimensionierung ist abhängig vom tatsächlichen Erdableitstrom des Gerätes. Durch den Einbau der Kompensation in das Gerät ist eine sehr genaue Abstimmung des Kompensationsstromes auf den tatsächlich vorhandenen Erdableitstrom gegeben. Dies gewährleistet die optimale Kompensation des zu kompensierenden Frequenzanteils des Erdableitstromes. Zudem wird die induktive Ableitung zur Kompensation nur dann wirksam, wenn auch der kapazitive Erdableitstrom vorhanden ist. Wird der Kompensationsstrom auf den Schutzleiter geführt, ohne dass ein zu kompensierender Erdableitstrom auf dem Schutzleiter vorhanden ist, so wirkt der Kompensationsstrom als Erdableitstrom. Dieser würde dann seinerseits die Anwendung von Maßnahmen zum Personenschutz erschweren. Aber auch eine externe Schaltung zur Erzeugung der gewünschten Frequenz und Phasenlage ist möglich. Zu diesem Zweck wird beispielsweise mit einer B6-Schaltung und geeigneten Stützkondensatoren der Gleichspannungskreis im Frequenzumrichter nachgebildet. Durch eine entsprechend dimensionierte Last (z.B. Widerstand) wird dann die Oberschwingung auf der Gleichspannung erwirkt. Mit Hilfe dieser Spannung im Mittelpunkt der Stützkondensatoren kann über eine Induktivität ein Kompensationsstrom auf den Schutzleiter erzeugt werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung des Kompensationsstroms möglich.
Erläuterungen zur Beispielzeichnung
Bei Verwendung von Frequenzumrichtern werden hohe Erdableitströme erzeugt, die Maßnahmen zum Personenschutz erschweren. Diese Erdableitströme entstehen durch die Ableitung der Spannungsoberschwingungen im Zwischenkreis auf den Schutzleiter.
Diese Oberschwingungen entstehen bei der Verwendung einer Gleichrichterschaltung zur Erzeugung der Gleichspannung im Zwischenkreis und bei den Schalthandlungen zur Erzeugung der Motorspannung. Bei der Gleichrichterschaltung handelt es sich häufig um eine Drehstrom-Brückenschaltung, kurz B6-Schaltung genannt. Die dadurch erzeugte Gleichspannung wird im Zwischenkreis von 2 Stützkondensatoren (1: C₁ und C₂) gepuffert. Diese sind zum Gewährleisten der Spannungsfestigkeit meist in Reihe geschaltet. Die Gleichspannung an diesen Kondensatoren enthält bei 50-Hz-Netzen dominant die Oberschwingung 150 Hz. Schaltet man nun eine Induktivität (L₀) im Mittelpunkt dieser beiden Kondensatoren gegen den Schutzleiter, so erhält der Schutzleiter (PE) einen induktiven Strom, der bei geeigneter Dimensionierung (L₀ und R₀), zu einer Kompensation des kapazitiven Stromes auf dem Schutzleiter führt. Diese Dimensionierung ist abhängig von der zu kompensierenden Frequenz und der zu erreichenden Amplitude des Kompensationsstromes. Das Ergebnis ist eine signifikante Senkung des 150-Hz-Anteils des Erdableitstromes.
Die Spannungs-Oberschwingungen, die durch die B6-Schaltung erzeugt werden, verursachen über parasitäre Streukapazitäten und/oder eingebaute Kapazitäten zum Schutzleiter einen Erdableitstrom auf den Schutzleiter. Dieser kapazitive Strom wird durch den in den zusätzlich eingebauten Bauteilen R₀ und L₀ fließenden induktiven Strom kompensiert. Diese Maßnahme verringert, je nach Dimensionierung, den jeweiligen Frequenzanteil des Erdableitstromes signifikant.
Falls kein Mittelpunkt im Zwischenkreis des Frequenzumrichters vorhanden ist, so kann dieser durch zusätzliche Kapazitäten erzeugt werden.
Ist die direkte Einbringung der Induktivität in den Zwischenkreis nicht möglich, so können die gewünschten Spannungs-Oberschwingungen mit einer externen B6-Schaltung erzeugt werden und dann über die Induktivität ein induktiver Kompensationsstrom auf den Schutzleiter (PE) gebracht werden (2).
Schaltungen zur Erzeugung der Spannungsoberschwingungen mit anderen netzgeführten Stromrichterschaltungen, auch gesteuerten Stromrichtern, sind hierbei möglich.
Stand der Technik
Bei der Verwendung von elektrischen Betriebsmitteln (z.B. Frequenzumrichter) kommt es zu einer Ableitung von sogenannten Erdableitströmen (Definition siehe [4], Punkt 3.1.2) auf den Schutzleiter([3], Seite 4–9, Kapitel 4.2.1). Diese Erdableitströme können dazu führen, dass der Personenschutz durch einen Fehlerstromschutzschalter nicht gewährleistet werden kann ([2], Kapitel 2.5, 3. Satz im 1. Absatz). Durch die in einschlägigen Normen vorgeschriebenen EMV-Filter kann eine Reduzierung der Erdableitströme im Frequenzbereich über 2 kHz erreicht werden. Es ist jedoch bislang nicht möglich, die niederfrequenteren Anteile des Erdableitstromes gänzlich zu beseitigen. Auch eine gezielte und effektive Senkung dieser Frequenzanteile des Erdableitstromes ist nicht dokumentiert. So wird im Bericht der Arbeitsgruppe KAN [1] unter Punkt 15 im 4. Absatz davon ausgegangen, dass die Erdableitströme als gegeben hinzunehmen sind und aus diesem Grunde die Auswirkung von Strömen unterschiedlicher Frequenz auf den menschlichen Körper weiter untersucht werden müssen. Von einer anzustrebenden Senkung dieser Erdableitströme ist in diesem Zusammenhang keine Rede. In der Praxis wird aus diesem Grunde zur Absicherung dieser Betriebsmittel gegen Fehlerströme der Bemessungsfehlerstrom des verwendeten Fehlerstromschutzschalters erhöht oder der Fehlerstromschutzschalter entfällt ganz.
Eigene Untersuchungen zu diesem Erdableitstrom haben gezeigt, dass dieser aus mehreren Frequenzanteilen zusammengesetzt ist. Frequenzanteile über 2 kHz sind mit EMV-Filtern reduzierbar. Tiefere Frequenzen werden jedoch von den Filtern nur unwesentlich gesenkt. Diese Frequenzen stellen das Hauptproblem bei der Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters dar.
Literatur zum Stand der Technik

[1] Bericht der Arbeitsgruppe „Fehlerstrom-Schutzschalter" der Kommission Arbeitsschutz und Normung (KAN), Sankt Augustin, Stand Oktober 2001 (beigefügt)
[2] Bericht der Arbeitsgruppe „Fehlerstrom-Schutzschalter" der Kommission Arbeitsschutz und Normung: "Überlegungen zur Verringerung von Gefährdungen durch elektrischen Schlag bei Niederspannung", Sankt Augustin: Juni 2003 Kapitel 4.5: Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Nicht-50-Hertz-Bereich (beigefügt)
[3] LENZE: Betriebsanleitung Global Drive Servo Umrichter 9300; Stand 2.1 00. Lenze Drive Systems GmbH, Hameln (Kopie der entsprechenden Seite beigefügt)
[4] DIN EN61008-1: Fehlerstrom-/Differenzstrom-Schutzschalter ohne eingebauten Überstromschutz (RCCBs) für Hausinstallationen und für ähnliche Anwendungen, (Teil 1: Allgemeine Anforderungen), Stand September 2000

Claims

Verfahren zur Verringerung von Erdableitströmen auf einen Schutzleiter, wobei die Erdableitströme von spannungsführenden Teilen der Installation zum Schutzleiter fließen, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt, bei elektrischen Betriebsmitteln mit einer netzgeführten Stromrichterschaltung, beispielsweise Frequenzumrichter mit netzseitiger Gleichrichterschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einspeisung eines Stroms zum Schutzleiter, wobei dieser Strom gegenphasig zum Erdableitstrom sein muss, damit die Addition des Erdableitstromes und des eingespeisten Stroms ein Minimum ergibt, der Erdableitstrom kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationsstrom, wobei dieser Kompensationsstrom der in den Schutzleiter eingespeiste und gegenphasig zum Erdableiterstrom liegende Strom ist, aus einer im Gleichstromzwischenkreis des elektrischen Betriebsmittels vorhandenen Spannung, beispielsweise der Spannung an Stützkondensatoren (C₁, C₂), gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom aus einer im Gleichstromzwischenkreis vorhandenen Spannung, beispielsweise der Spannung an den Stützkondensatoren (C₁, C₂), des Betriebsmittels unter Verwendung einer zusätzlichen Kondensatorschaltung gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom durch eine Induktivität, wobei diese Induktivität die zum Kompensieren des Erdableitstromes notwendige Phasenlage des Kompensationsstromes gewährleistet, auf den Schutzleiter geführt wird.
Vorrichtung zur Verringerung von Erdableitströmen auf einen Schutzleiter, wobei diese Erdableitströme von spannungsführenden Teilen der Installation zum Schutzleiter fließen, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt, in elektrischen Betriebsmitteln mit einer netzgeführten Stromrichterschaltung, beispielsweise Frequenzumrichter mit netzseitiger Gleichrichterschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass, durch den Kompensationsstrom zum Schutzleiter, wobei dieser Kompensationsstrom gegenphasig zum Erdableitstrom sein muss, damit die Addition des Erdableitstromes und des Kompensationsstromes ein Minimum ergibt, kompensiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom aus einer im Gleichstromzwischenkreis des elektrischen Betriebsmittels vorhandenen Spannung, beispielsweise der Spannung an den Stützkondensatoren (C₁, C₂), gewonnen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom aus einer im Gleichstromzwischenkreis vorhandenen Spannung, beispielsweise der Spannung an den Stützkondensatoren (C₁, C₂), des Betriebsmittels unter Verwendung einer zusätzlichen Kondensatorschaltung gewonnen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom durch eine Induktivität, wobei diese Induktivität die zum Kompensieren des Erdableitstromes notwendige Phasenlage des Kompensationsstromes gewährleistet, auf den Schutzleiter geführt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Kompensationsstromes einer bestimmten Frequenz, beispielsweise der dominanten Frequenz des Erdableitstromes, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom zur Reduktion des Erdableitstromes direkt auf den Schutzleiter geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zur Erzeugung des Kompensationsstromes aus einer Gleichrichterschaltung, beispielsweise einer B6-Schaltung, gewonnen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom durch eine Induktivität, wobei diese Induktivität der Erzeugung der gewünschten Phasenlage dient, auf den Schutzleiter geführt wird.