März 2015

EMV-Komponenten

Ableitströme eliminieren und die EMV deutlich verbessern

In Umrichter-basierten Antrieben verursachen die einzelnen Komponenten Ableitströme, die in Summe zum Auslösen des Fehlerstromschutzschalters führen können. Mit dem EMV-Zusatzmodul LeaXield™ präsentiert TDK eine neuartige Lösung, mit der sich Ableitströme eliminieren und darüber hinaus die EMV des Systems deutlich verbessern lassen.

In Industrieanlagen wie auch im Gebäudemanagement werden drehzahlvariable Antriebe für vielfältige Aufgaben eingesetzt und in der Regel aus dreiphasigen TN-Netzen gespeist. Ein komplettes Antriebssystem besteht aus einem EMV-Eingangsfilter, dem Frequenzumrichter und dem Motor. Eine ebenso wichtige Komponente, die bei der Systembetrachtung oft vernachlässigt wird, ist das geschirmte Kabel zwischen Umrichter und Motor, das oft Längen von mehr als 200 Metern haben kann. Aus Sicherheitsgründen werden die Antriebssysteme über Fehlerstromschutzschalter mit dem Netz verbunden.

Ein wesentliches Problem von Umrichter-basierten Antrieben ist ein betriebsbedingter Ableitstrom (Schutzleiterstrom) durch parasitäre Kopplung. Sie ist neben der Systemtopologie auch stark von der Flankensteilheit, der Frequenz und derAmplitude abhängig. Unter ungünstigen Umständen übersteigt die Summe der Ableitströme die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters (Abbildung 1).

Abbildung 1: Auslösen des Fehlerstromschutzschalters

Unter ungünstigen Umständen kann die Summe aller Ableitströme so groß werden, dass der Fehlerstromschutzschalter (RDC: Residual Current Device) auslöst. Dieses Risiko tritt häufig bei besonders langen Motorleitungen auf.

Übliche Fehlerstromschutzschalter haben zum Beispiel eine Auslöseschwelle von 30 mA für Ströme im Frequenzbereich <100 Hz, die auf 300 mA für Ströme mit Frequenzen >1000 Hz steigt. Besonders lange Motorleitung können dazu führen, dass die 300 mA-Schwelle überschritten wird (Abbildung 2). Dies führt zu einem unbeabsichtigten Abschalten des Systems, was in Industrieanlagen Produktionsausfälle und hohe Kosten zur Folge haben kann.

Abbildung 2: Frequenz- und Amplitudenspektrum der Ableitströme

Lange Motorleitungen verursachen hohe Ableitströme im Frequenzbereich >1000 Hz, die zum auslösen des Fehlerstromschutzschalters führen können.

Bisher gab es zwei Möglichkeiten, das Auslösen des Fehlerstromschutzschalters durch zu hohe Ableitströme zu verhindern:

  • Umfangreiche EMV-Befilterung:
    Durch die Verwendung von größeren und oft überdimensionierten Filtern lassen sich insbesondere die hochfrequenten Ableitströme reduzieren. So können etwa wirksamere EMV-Eingangsfilter in Kombination mit zusätzlichen Ausgangsfiltern eingesetzt werden, was allerdings mit vergleichsweise höheren Kosten verbunden ist. Ein weiterer Nachteil sind Platzprobleme, die vor allem bei der Nachrüstung mit größeren und zusätzlichen Filter auftreten.
  • Fehlerstromschutzschalter mit hoher Auslöseschwelle:
    Diese Maßnahme ist mit erheblichen Risiken verbunden, da durch die höheren Ableitströme Potentialverschiebungen auftreten und die zulässige Berührungsspannung von maximal 50 V AC überschritten werden kann. Außerdem können Schäden an den Systemkomponenten auftreten.

Beide Methoden sind also unbefriedigend und einer Lösung mit LeaXield deutlich unterlegen.

LeaXield setzt neue Maßstäbe bei der Eliminierung von Ableitströmen

Das LeaXield Modul wurde entwickelt, um Ableitströme zu eliminieren, (Abbildung 3). Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter.

Abbildung 3: Prinzipschaltbild von LeaXield

Der Verstärker speist Ströme auf die Phasen, deren Phasenlage um 180 ° zu den ursprünglichen Ableitströmen verschoben ist. Die Stromversorgung des Verstärkers (PSU) wird direkt aus den drei Phasen betrieben. Daher ist keine zusätzliche Spannungsversorgung erforderlich.

Zum Funktionsprinzip: Lastseitig, also an den Anschlüssen zum EMV-Filter, befindet sich ein Strommessübertrager, der die Ströme der drei Phasen erfasst und somit aus den entsprechenden Differenzen auch die Ableitströme. Diese Information wird einem Verstärker zugeführt. Dieser speist über ein Kondensatornetzwerk Ströme auf die drei Phasen ein, die um 180 ° zu den ursprünglichen Ableitströmen verschoben sind und annähernd dieselbe Amplitude aufweisen. Dadurch kommt es zu einer Eliminierung der ursprünglichen Ableitströme (Abbildung 4). LeaXield kann Ableitströme von bis zu 1000 mA kompensieren.

Abbildung 4: Eliminierung der Ableitströme durch LeaXield

Deutlich zu erkennen: Die hohen Ableitströme (links) werden durch LeaXield fast vollständig eliminiert (rechts). Dadurch wird ein Auslösen des Fehlerstromschutzschalters verhindert.

Deutliche Verbesserung der EMV

Die Reduzierung der Gleichtaktströme mit Hilfe von LeaXield hat noch einen weiteren positiven Effekt: Die leitungsgebundene EMV, die in der Regel im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz einzuhalten ist, kann insbesondere im Bereich bis etwa 500 kHz deutlich verbessert werden. In typischen Versuchsaufbauten ließ sich bei einem Umrichtersystem, das auf die Einhaltung der Grenzwertklasse C2 nach EN 61800-3 ausgelegt war, mit dem Vorschalten von LeaXield die Grenzwertklasse C1 erreichen.

Vor allem im Bereich unterhalb von 150 kHz entfaltet LeaXield seine Wirkung: So liegt die Dämpfung bei 4 kHz bei bis zu 30 dB, bei 10 kHz sogar bei bis zu 40 dB und bei 150 kHz bei bis zu 15 dB. Dieser Vorteil kommt besonders bei Neuinstallationen zum Tragen, da die zusätzliche Störunterdrückung durch LeaXield den Einsatz kostengünstigerer EMV-Filtern ermöglicht.

Aufgrund seiner geringen Abmessungen von nur 258 x 80 x 100 mm³ (L x B x H) eignet sich LeaXield auch sehr gut zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen, da das LeaXield-Modul wie ein EMV-Filter in der Anlage installiert wird.

Tabelle: Kenndaten von LeaXield
Leiter-Leiter-Spannungbis zu 520 V AC
Maximaler Laststrom150 A
Frequenz50/60 Hz
Maximale Ableitstromkompensation1000 mA
Maximale Gleichtaktdämpfung40 dB (10 kHz)
Abmessungen258 x 80 x 100 mm³ (L x B x H)

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