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Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, 2, 3, 12, 13 und 14 sowie ein System.
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Die Errichtung und der Betrieb von elektrischen Anlagen, insbesondere Niederspannungsanlagen, mit drehzahlgeregelten elektrischen Antrieben, die in der Regel mit Frequenzumrichtern realisiert werden, stellt die Anlagenhersteller sowie Anlagenbetreiber vor große Herausforderungen. Mit elektrischen Antrieben sind alle Antriebe mit oder ohne Verstärker bzw. Umrichter gemeint, welche einen Zwischenkreis mit AC/DC und/oder DC/AC-Wandlung beinhalten. Darüber hinaus sind neben Frequenzumrichtern auch anderweitige Inverter/Umrichter gemeint, welche eine AC/DC und/oder DC/AC-Wandlung beinhalten. Beispielsweise können dies Photovoltaik-Wechselrichter, Unterbrechungsfreie- respektive USV-Anlagen sein. Mit Niederspannungsanlagen sind insbesondere elektrische Stromkreise für Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung und 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Elektrische Antriebe sind häufig Motoren. Derartige elektrische Anlagen sollen eine möglichst hohe Anlagenverfügbarkeit aufweisen. Des Weiteren soll aber auch ein wirkungsvoller Schutz gegen Kurzschlussströme, Überströme und Fehlerströme realisiert sein, um einen wirkungsvollen Personen- und Brandschutz zu realisieren. Ein wirkungsvoller Schutz führt allerdings häufig zu Fehlauslösungen, d.h. Unterbrechungen des elektrischen Stromkreises, durch ermittelte Überströme, Restströme bzw. technische Ableitströme, die eigentlich keine Gefahr für Leib- und Leben bedeuten. Technische Ableitströme sind Ströme die bewusst oder unbewusst zur Erde (PE) hin abfließen, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt. Diese Ströme sind meist kapazitive Ströme und können
- a) statisch, also kontinuierlich aufgrund von z.B. Filtern (X-/Y-Kondensatoren) und/oder Leitungskapazitäten (lange Motorkabel), oder
- b) dynamisch, also kurzzeitig aufgrund von z.B. wegen unsymmetrischen Schaltvorgängen (Ein-/Ausschalten), auftreten.
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Diese Fehlauslösungen reduzieren die Anlagenverfügbarkeit und führen zu teuren Standzeiten elektrischer Anlagen. Derartige Fehlauslösungen können durch:
- – Einschaltstromspitzen im Bereich der Lastströme, als auch technischer Ableitströme,
- – Ableitströme im Bereich der Netzfrequenz 50Hz und deren Harmonischen / Oberwellen,
- – Ableitströme im Bereich der Motorfrequenzen, größer 1OOOHz und deren Harmonischen / Oberwellen,
- – Mangelhaften Abgleich von EMV-Filtern in elektrischen Anlagen, insbesondere bei langen Motorzuleitungen, usw. vorkommen.
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Insbesondere bei drehzahlgeregelten Antrieben, die mit Frequenzumrichtern realisiert werden, besteht das Problem eine maximale Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitig gutem Schutz zu realisieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Schutz bei Verwendung von Frequenzumrichtern, insbesondere zur Drehzahlsteuerung von Antrieben, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Frequenzumrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2, 3, 12, 13 oder 14 sowie ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Üblicherweise ist in elektrischen Anlagen bzw. Systemen mit elektrischen Anlagen ein netzseitiger Fehlerstromschutzschalter vorgesehen. Bei drehzahlgeregelten Antrieben kann der Frequenzumrichter bzw. vorhandene EMV-Filter dessen Verhalten beeinträchtigen. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, im Frequenzumrichter einen Fehlerstromschutzschalter vorzusehen. Gemäß einer ersten Lösung kann dieser am Verbraucher- bzw. antriebsseitigen Ausgang des Frequenzumrichters angeordnet sein. Gemäß einer zweiten Lösung ist der Feherlstromschutzschalter im Gleichspannungszwischenkreis angeordnet, beispielsweise zwischen eingangsseitigen Wechsel- zu Gleichstromumsetzer und ausgangsseitigen Gleich- zu Wechselstromumrichter. Gemäß einer dritten Lösung ist der Feherlstromschutzschalter am Eingang, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Frequenzumrichters, angeordnet, d.h. vor dem eingangsseitigen Wechsel- zu Gleichstromumrichter. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Schutz verbessert wird, bei gleichzeitig hoher Anlagenverfügbarkeit, da beispielsweise ein netzseitiger Fehlerstromschutzschalter mit kostenintensiven Filtermaßnahmen weniger kritisch eingestellt werden braucht, bei Erhaltung des vollen Schutzes. Ferner können Einflüsse, die infolge von Filterstufen entstehen, die Signale abändern, so dass beispielsweise Erdfehlerströme in der Nähe von Antrieben gedämpft werden, vom erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter besser erkannt werden. Verwendete Filterstufen und sonstigen parasitäre Kapazitäten verschleifen, d.h. dämpfen bzw. vermindern, häufig die auftretenden technischen Ableitströme, aber auch ggf. auftretende Erdfehlerströme. D.h. ein netzeingangsseitig angeordneter Fehlerstromschutzschalter kann diese schlechter erkennen. Erfindungsgemäß ergibt sich durch den erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter eine Verbesserung der Anlagenverfügbarkeit (weniger Fehlauslösungen), eine höhere Anlagensicherheit, insbesondere in Bezug auf Personen- und Brandschutz, als auch eine gleichzeitig einfachere, kostengünstige Projektierung der Anlage.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Frequenzumrichter, mit dem erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalter, ein dreiphasiger zweiter Fehlerstromschutzschalter vorgeschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sowohl der Leitungsweg vom Frequenzumrichter bis zum Antrieb, als auch die gesamte Anlage gegen Fehlerströme effektiver überwacht wird.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste oder/und der zweite Fehlerstromschutzschalter allstromsensitiv respektive vom Typ B oder Typ B+. Dies hat den besonderen Vorteil, dass alle Arten von Fehlerströmen erfasst werden. Insbesondere beispielsweise auch glatte Gleichfehlerströme sowie Fehlerströme mit Frequenzen bis mindestens 20 KHz.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Fehlerstromschutzschalter miteinander durch eine Kommunikationsverbindung verbunden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass zur Analyse/Diagnose und/oder zur Anlagenprojektierung Daten übertragen werden können um die Anlage optimal einstellen, überwachen und im Fehlerfall diagnostizierbar zu haben. Beispielsweise kann der aktuelle Trend der erfassten Fehlerströme übertragen werden.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste oder/und zweite Fehlerstromschutzschalter eine digitale Signalverarbeitung oder/und eine Frequenzanalyse auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass aufgrund der Digitalelektronik eine höhere Meßgenauigkeit erzielbar ist. Ferner ist innerhalb der Normgrenzen eine einstellbare Anzeige-, Melde- und Auslösecharakteristik möglich.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht der erste oder/und zweite Fehlerstromschutzschalter in Kommunikation mit dem Steuerkreis des Frequenzumrichters oder/und einem Überwachungssystem. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Umrichter abhängig vom aktuellen Summenstromfehler (Summe der Fehlerströme inkl. technischer Ableitströme) gezielt und abhängig von dieser Information kontrolliert gesteuert werden kann. Beispielsweise könnte ein Antrieb/Umrichter in einen Schonmodus wechseln bzw. verzögert anlaufen, falls der Fehlerstromschutzschalter nahe der Auslöseschwelle liegen sollte, umso ggf. einen Anlagenstillstand zu vermeiden.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste oder/und zweite Fehlerstromschutzschalter eine Funktion zur Netzanalyse auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass unnormale Effekte (z.B. unsymmetrischer Sternpunkt, harmonische Störfrequenzen, hohe Ableitströme im Schaltvorgang, mangelnde Filterkompensation, etc.), die in der Anlage bzw. im System vorhanden sind, abzumildern. Diese Informationen können zu Diagnosezwecken, Prozessdatenvisualisierung und Prozessdatenverarbeitung verwendet werden.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste oder/und zweite Fehlerstromschutzschalter eine Funktion zur Selbstoptimierung auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass dem Anlagenbetreiber Hinweise zur Anlagenoptimierung aufgezeigt werden können. Zudem kann ein Fehlerstromschutzschalter innerhalb der Normgrenzen ggf. seine Auslösekennlinie optimieren bzw. an das Systemverhalten anpassen.
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In einer voreilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und zweite Fehlerstromschutzschalter selektiv zueinander. Dies hat den besonderen Vorteil, dass im Fehlerfalle in der Regel der nachgeordnete Fehlerstromschutzschalter auslöst und nicht der vorgeordnete bzw. vorgelagerte Fehlerstromschutzschalter. Der Vorteil liegt in der Vermeidung der Abschaltung zu vieler bzw. zu großer Anlagenteile, die vom eigentlichen Fehler gar nicht betroffen sind. Die Selektivität beruht auf einer zeitlich verzögerten Auslösecharakteristik nach Produktnorm eines Fehlerstromschutzschalters.
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Alle Ausgestaltungen verbessern den Schutz und erhöhen die Verfügbarkeit von elektrischen Anlagen. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, auf einfachere, kostengünstigere Filtermaßnahmen zurückgreifen zu können bzw. Zuleitungen zu den Antrieben vergrößern zu können.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 eine erste Anordnung mit einem Frequenzumrichter
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2 eine zweite Anordnung mit einem Frequenzumrichter
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1 zeigt eine Anordnung mit netzseitigen Stromanschluss L1, L2, L3, PE, an dem ein zweiter Fehlerstromschutzschalter RCD 2 angeschaltet ist. Dieser kann die 3 Leiter des Stromanschlusses L1, L2, L3 überwachen, als auch wahlweise den vierten Leiter PE. An den Ausgang des zweiten Fehlerstromschutzschalters RCD2 ist der Eingang eines Filter EMV1 angeschlossen, beispielsweise ein Filter um Forderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen. An den Ausgang des Filters EMV1 ist der Eingang eines Frequenzumrichters FUR, beispielsweise zur Drehzahlsteuerung von Antrieben, geschaltet.
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Der Frequenzumrichter FUR weist einen eingangsseitigen Wechsel- zu Gleichstromumrichter WGU, einen daran angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis GZK, einen daran angeschlossenen ausgangsseitigen bzw. antriebs- oder verbraucherseitigen Gleich- zu Wechselstromumrichter GWU auf, sowie einen Steuerkreis SK, der zumindest mit den Umrichtern WGU, GWU verbunden ist.
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An den Ausgang des Frequenzumrichters FUR ist der Eingang eines Filters EMV2 angeschaltet, beispielsweise ein weiteres Filter um Forderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen. An den Ausgang des Filters EMV2 ist ein Antrieb M, als Verbraucher, angeschaltet. Beispielsweise ein Motor, dessen Drehzahl geregelt werden soll.
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Die Filter sind nur beispielhaft angegeben. Sie müssen in der Praxis nicht genauso ausgeführt sein. Die Filter können auch komplett entfallen. Andererseits können das bzw. die Filter auch im Frequenzumrichter eingebaut sein.
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2 zeigt eine Anordnung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass am Ausgang des Gleich- zu Wechselstromumrichter GWU ein erster Fehlerstromschutzschalter RCD1 angeschaltet bzw. integriert ist, dessen Ausgang wiederum den Ausgang des Frequenzumrichters FUR bildet.
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Der erste Fehlerstromschutzschalter RCD1 kann alternativ auch vor dem Wechsel- zu Gleichstromumrichter WGU oder im Gleichspannungszwischenkreis angeordnet sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch mal mit anderen Worten erläutert werden.
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In der Regel besitzen Frequenzumrichter ausgangsseitig einen Kurzschlussdetektor, welche den Gleich- zu Wechselstromumrichter bzw. dessen Verstärkerausgangsstufe gegen Überlast bzw. Kurzschlussstrom zu Erde schützen soll. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, im Frequenzumrichter einen Fehlerstromschutzschalter, bevorzugt einen allstromsensitiven oder/und netzspannungsabhängigen, zu platzieren.
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Aufgabe dieses zusätzlichen Fehlerstromschutzschalters ist:
- a) Optimaler Schutz des Strangs vom Frequenzumrichter bis zum Antrieb.
- b) Optionale Erfassung und Austausch von Informationen mit einem netzseitigen, zweiten Fehlerstromschutzschalter. Eine Kommunikation kann leitungsgebunden oder drahtlos erfolgen. Beispielsweise können Steuersignale verwendet werden.
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Es kann ein Fehlerstromschutzschalter mit weiteren Funktionen verwendet werden, wie:
Signalverarbeitung mit Frequenzanalyse und entsprechenden internen Routinen zum optimalen Fehlerschutz als auch optimaler Sicherstellung der Anlagenverfügbarkeit.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass:
- 1) Verwendung eines, bevorzug netzspannungsabhängigen bzw. FI Typ B oder Typ B+, Fehlerstromschutzschalters im Bereich des Frequenzumrichters (integriert bzw. direkt nachgeschaltet) mit der Aufgabe des Schutzes Frequenzumrichter oder/und Antriebes
- 2) Es könnte auch ein MRCD oder RCM eingesetzt werden.
Durch die Verwendung eines MRCD (modularer Fehlerstromschutzschalter respektive modularer RCD) oder RCM (Monitoring RCD) kann alternativ eine reine Überwachung und/oder ausgelagertem Kontaktsystem (Schaltgerät) erfolgen
Vorteil ist der Verzicht auf ein Schutzschaltgerät mit eigenen Trennkontakten, also zur reinen Abschaltung, bzw. die Nutzung als reines Überwachungsgerät primär zur Meldung und Vorwarnung.
- 3) Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters mit der Funktion digitale Signalverarbeitung
Die Funktion ist eine genauere Messung, optimale Signalfilterung und somit Signalverarbeitung, gezielt auf die Kundenbedürfnisse und effizient auf die Normanforderung des Produktes.
Der Vorteil ist damit die Messgenauigkeit und Flexibilität in Bezug auf die Anlagenverfügbarkeit und -sicherheit zu verbessern, insbesondere bei optimaler Funktionalität.
- 4) Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters mit der Funktion digitale Signalverarbeitung und Frequenzanalyse, z.B. mittels schneller Fouriertransformation und inverser schneller Fouriertransformation.
Durch die digitale Signalverarbeitung liegen die Messdaten in digital abgetasteten Signal-Einzelwerten vor. (n-Messwerte in jeweils t-Zeitdauer abgetastet). Mit diesen Messdaten kann durch Fouriertransformation (z.B. FFT: Fast-Fourier-Transformation oder DFT: Discrete-Fourier-Transformation) das Signal in die einzelnen Frequenzanteile transformiert werden, so dass es dargestellt oder zerlegt werden kann. Damit ist es möglich, gezielt ein Signal in die einzelnen Bestandteile aufzuteilen und ggf. gezielt Fehlerströme von technischen Ableitstörmen aufgrund physikalischer Gegebenheiten und/oder Erfahrungswerte zu betrachten und ggf. zu gewichten. Des Weiteren ist dadurch eine optimale Anlagenprojektierung und -diagnose möglich. Da gezielt und frühzeitig Störfrequenzen zu Störgrößen in der Anlage zugeordnet, also identifiziert werden können.
- 5) Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters mit externen Schnittstellen zur Steuerung, Diagnose, Überwachung und Optimierung
– Interaktion mit dem Frequenzumrichter
– Interaktion zwischen den Fehlerstromschutzschaltern
– Interaktion mit einer Leitstelle, Zentrale, Managementsystem oder ähnlichem
Ziel ist die Weiterverwendung der vorhandenen Informationen für andere Anlagenteile zur Prozessoptimierung Diagnose, Vorausfallerkennung, etc.
Schnittstellen können optische Anzeigeelemente (LED, Display, etc.), analoge und/oder digitale Steuerleitungen und/oder Bussysteme zur Datenübertragung sein.
- 6) Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters mit einer Funktion zur Anlagen- oder/und Netzanalyse zur Findung der optimalen Einstellparameter für den Anlagenschutz
Gerade in der Anlagenprojektierung (Neuplanung bzw. Inbetriebnahme) ist es erforderlich, die optimalen Einstellparameter und Zusatzkomponenten (z.B. Filter) zu ermitteln. Mit den vorhandenen Daten und Schnittstellen wird dies hier ermöglicht.
- 7) Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters mit einer Funktion zur Selbstoptimierung (Lernfunktion) des Anlagenschutzes, wobei bevorzugt der normative Schutzrahmen stets gewährleistet wird.
Im Rahmen der Norm sind Auslösewerte, wie Höhe des Fehlerstroms und der damit verbundenen Auslösezeiten vorgegeben. Innerhalb dieses Rahmen ergibt sich die Möglichkeit einer kontinuierlichen Optimierung der Anlage aufgrund
a) vorgegebener Parameter, werksseitig
b) erlernter Erfahrungen/Gegebenheiten im System.
Ein Vorteil ist z.B. die Vermeidung einer Auslösung bis zur maximal erlaubten Auslösezeit. (Vermeidung von Frühauslösung)
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Die Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Anlagenverfügbarkeit, Verminderung der Fehlauslösehäufigkeit, hilfreiche Funktionen und Rückmeldungen für eine optimale Anlagendimensionierung, leichte Nachrüstung in bestehenden Anlagen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
