Verbesserte EMV in Maschinen und Anlagen Kabel: Neuartige Technik lässt Störströme schwinden

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In der Smart Factory wird das Thema EMV immer wichtiger. In Industrieanlagen, in denen Frequenzumrichter-gesteuerte Motoren eingesetzt werden, kommt es vermehrt zu unerwünschten Strömen auf PA- und PE-Leitungen. Ein elektrisch symmetrisches Kabel kann allerdings den Störschutz verbessern.

In der Prozessautomatisierung werden heute Elektromotoren ausschließlich mittels Frequenzumrichter betrieben. Neben dem Vorteil der variablen Drehzahl, bietet diese Art der Ansteuerung beachtliche Verbessserungen im Hinblick auf Energie- und Prozesseffizienz. Prinzipbedingt bilden sich aufgrund der Ansteuerung allerdings unterwünschte Nebeneffekte aus und es entstehen Ableitströme.

Je mehr Komponenten beteiligt sind, desto größer ist das Risiko von solchen Störungen. Gleichzeitig werden die Bauräume in Maschinen und Anlagen immer kleiner. Um teure Produktionsausfälle in der Smart Factory zu vermeiden, muss daher am besten schon während der Planungsphase das Thema EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) berücksichtigt werden.

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Störströme in Frequenzumrichter-gesteuerten Motoren

Ein durchdachte Kabelkonstruktion kann helfen, Störungen innerhalb von Verbindungen zu verringern. Lapp hat dazu im Rahmen des Forschungsprojektes PEPA untersucht, warum es in Industrieanlagen, in denen Frequenzumrichter-gesteuerte Motoren eingesetzt werden, sehr oft zu unerwünschten Strömen auf den Potential­ausgleichsleitungen (PA) oder Schutzerdleitungen (PE) kommt.

Durch die getaktete Ansteuerung (Pulsweiten-Modulation, PWM) werden Störströme im Bereich von rund 3 kHz bis 1 MHz angeregt, welche über Gehäuseteile, PA-/PE-Leiter/-Netze und im schlimmsten Fall über die Schirmung von Datenleitungen in Richtung Erdpotential beziehungsweise zur Quelle abfließen.

FI-Schalter-Problem: Hochfrequente Ausgleichsströme von 10 A

Hochfrequente Ausgleichströme in Höhe von 10 A oder mehr sind hierbei keine Seltenheit. Die Folgen sind unzulässig hohe Ströme auf der Schutzerde und dadurch vermeintlich fehlerhaft auslösende FI-Schutzschalter oder Beeinträchtigung der Datenkommunikation, wenn beispielsweise die Ausgleichsströme über den Kupferschirm einer Datenleitung fließen.

Diese Fehler sind schwer zu finden, da sie keiner Systematik folgen. Die Stuttgarter haben daher die physikalischen Kopplungsmechanismen innerhalb von Motor-Anschlussleitungen untersucht und daraus eine neuartige Kabelkonstruktion abgeleitet. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist die zeroCM-Technologie.

Zunächst wurde der Status-Quo in der Kabeltechnik auf den Prüfstand gestellt: so waren bisherige Konstruktionen eher auf geringe Außendurchmesser und eine optische Symmetrie getrimmt. Das Problem EMV wurde bis dato immer durch Schirmung gelöst.

Die Ingenieure in Stuttgart gingen mit zeroCM einen anderen Weg: die Leitung ist vom visuellen Erscheinungsbild unsymmetrisch, es wird jedoch eine 100%-ige elektromagnetische Symme­trie erzielt. Letztendlich wird dadurch weniger Schirmung benötigt.

Spezielle Verseiltechnik reduziert Schirmungsaufwand

Das Geheimnis ist eine spezielle Verseiltechnik: Drei Phasenleiter sind symmetrisch angeordnet und in einer Innenlage verseilt. Ergänzend wird mindestens ein Schutzleiter in einer Außenlage mit entgegengesetzter Verseilschlagrichtung um die drei Phasenleiter in einem bestimmten Schlaglängenverhältnis verseilt.

Die Isolation der Leiter ist kapazitätsoptimiert und besteht aus Polyethylen, Polypropylen oder aus einer geschäumten Variante. Zwischen der Innenlage und der Außenlage befindet sich ein trennendes Fleece.

Durch diese Konstruktion erreichen die Ingenieure eine perfekte elektrische Symmetrie, welche die magnetische Abstrahlung reduziert und die internen Kopplungen stark verringert. Die erste Prototyp-Leitung mit dem neuem Kabeldesign ist die „ÖLFLEX SERVO FD zeroCM“. Sie ist speziell auf den Einsatz in Verbindung mit Frequenzumrichtern optimiert.

Im Rahmen des Forschungsprojekts PEPA wurde die Wirksamkeit der neuartigen Leitung bei Versuchsaufbauten bei den Projektpartnern bestätigt. Neben der Analyse einer EMV-optimierten Installation von Komponenten bewerteten die Stuttgarter unter anderem die Rolle der Ausgangsleitung. Zum Vergleich wurden ein identischer Versuchsaufbau mit einem Antriebssystem mit Potentialausgleich sowie paralleler Signalleitung (ProfiNet) gewählt.

Tests bestätigen die EMV-Wirksamkeit der Verseiltechnik

Verglichen wurden eine geschirmte PVC-isolierte Standardleitung, eine niederkapazitive Servoleitung, eine symmetrische Motorleitung mit drei Schutzleitern sowie die neuartige zeroCM-Leitung mit optimiertem Aufbau. Dabei ergaben sich eindeutige Ergebnisse.

Die besten Werte hinsichtlich Ableitstrom am Umrichter-Ausgang wurden durch den kapazitätsarmen Aufbau der zeroCM-Leitung erreicht. Die generierten Ableitströme stellen eine zusätzliche Belastung für den Frequenzumrichter und alle beteiligten Komponenten dar und sollten daher so gering wie möglich gehalten werden.

Weiterhin wurde der über eine parallel liegende Signalleitung fließende Störstrom untersucht: Auch hier begünstigt der Einsatz der zeroCM-Leitung die Ausprägung von möglichst geringen Störströmen.

Aus den Untersuchungen bei den Projektpartneren ergaben sich darüber hinaus klare Empfehlungen für die EMV-optimierte In­stallation von Frequenzumrichtern, wie beispielsweise ein niederimpedanter, HF-tauglicher und ein durchgängiger Potentialausgleich zwischen Frequenzumrichter und Antrieb.

Eine wesentliche Bedeutung kommt hierbei dem Schirmanschluss mit EMV-gerechten Steckverbindern oder flächiger Schirmauflage, wie beispielsweise bei den eingesetzten EMV-Verschraubungen des Typs SKINTOP BRUSH zu.

EMV: Kabelkonstruktion reduziert Ausgleichströme deutlich

Zusammengefasst beseitigt die Kabelkonstruktion zwar nicht die Ursache von EMV-Störungen, adressiert jedoch genau eine der signifikanten Stellen, an der Störungen in das Systemumfeld eingebracht werden.

Einerseits ermöglicht der neuartige Kabelaufbau um bis zu 80 Prozent reduzierte Ausgleichsströme am Frequenzumrichter-Ausgang und auf parallelen Pfaden wie beispielsweise Datenleitungen. Andererseits sorgen reduzierte Kabel-Umladeströme für verringerte Last am und im Umrichter selbst: So können beispielsweise längere Kabel verlegt werden, ohne dass der Frequenzumrichter außerhalb seiner (EMV-)Spezifikation betrieben wird.

Zudem unterbindet die neuartige Technologie das Entstehen von Spannungspegeln auf dem Masse-/Erdpotential auf der Verbraucherseite. Dies ist besonders wichtig, wenn beispielsweise empfindliche Sensorik wie Analoggeber zum Einsatz kommen.

Obwohl die neue Leitung beim ersten Konfektionieren vielleicht ungewohnt erscheinen mag, bleibt die Verkabelung gewohnt einfach; der Aufwand reduziert sich sogar im Vergleich zu den Erd-symmetrischen Leitungen mit gedritteltem Schutzleiter.

Ziel der Stuttgarter Entwickler ist es nun, ein Portfolio mit der zeroCM-Technologie auszustatten; als nächstes sind Hybridleitungen dran. (kr)

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