EMV im Maschinenbau

 

 

Ausschnitt aus der RAVEL-Dokumentation "RAVEL im Maschinenbau" Nr. 724.333 D
von Bertil Wallertz, Schaffner Elektronik AG, CH-4708 Luterbach

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© GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 30. JANUAR 1997


Einleitung

Was nützt eine energetisch optimierte Maschine mit Frequenzumrichterantrieb (RAVEL im Maschinenbau: Teil 5) wenn sie am Einbauort nicht gut funktioniert und die umgebenden Systeme stört? Wir alle haben schon Effekte von elektromagnetischer Beeinflussung beobachtet, sei es, dass der Fernseher durch Blitzeinschlag ausgefallen ist oder, dass sich das Licht in einer Wohnung kurz verdunkelte, als der Kühlschrankkompressor eingeschaltet hat oder, dass der Radioempfang von einem anderen Sender mit ähnlicher Frequenz gestört wurde. Solche und viele andere Störungen sind Beispiele elektromagnetischer Umweltstörungen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) liegt vor, wenn ein Gerät:

1. Andere Geräte nicht stört.

2. Nicht von anderen Geräten gestört wird.

Gute EMV ergibt statistisch eine bessere Zuverlässigkeit der Anlage und der umgebenden Geräten. Ab 1996 sind die Maschinenhersteller, welche in den EG-Raum exportieren, zur Einhaltung der EMV-Normen verpflichtet. Wie in vielen anderen Feldern der Technik ist es wichtig, die EMV-Problematik früh in der Entwicklungsphase zu berücksichtigen, damit die Kunden zufrieden bleiben und die Kosten tief gehalten werden.


Grundbegriffe der EMV

Eine Störquelle gibt elektromagnetische Störungen ab (Emission). Diese Störungen können durch elektrische Leitungen übertragen werden (Leitungsgebunden) oder direkt durch den Raum abgestrahlt werden. Eine Störsenke nimmt einen Teil der Störungen auf (Immission). Ihre Funktion wird dabei unter Umständen beeinflusst. In manchen Fällen wird das Gerät sogar gestört. Falls in einer gewissen Umgebung keine Funktionsstörungen auftreten sagt man, dass das Gerät störfest ist. In der Praxis emittiert jedes elektrische Gerät elektromagnetische Störungen. Es ist auch mehr oder weniger empfindlich für Immision. Jedes Gerät ist also grundsätzlich Störquelle und Störsenke.

Bild 1) Störquellen und Störsenken bei einem Frequenzumrichterantrieb


EMV-Normen und das CE-Zeichen

Ob EMV während einer Zeitperiode vorliegt kann im Prinzip nur am Aufstellungsort und nur mit gewisser Wahrscheinlichkeit festgestellt werden (ein direkter Blitzeinschlag zerstört jeden Fernseher, PC-Abstürze durch Netztransienten passieren dann und wann, usw.). Damit der Benutzer mit hoher Wahrscheinlichkeit keine schwerwiegenden EMV-Probleme bekommt, werden in Normen Grenzwerte für Emissionen und Störfestigkeit festgelegt. Die Einhaltung dieser Normen können durch Messungen überprüft werden, zum Beispiel in einem EMV-Messlabor. Weltweit legt die IEC Normen fest. Für den EG- und EFTA-Raum sind die europäischen Normen (EN), welche von der CENELEC definiert werden, massgebend.

Normenarten

Man unterscheidet drei Arten von Normen:

Basic-Normen Die Grundnormen definieren Mess- und Prüfverfahren für verschiedene EMV-Phänomene.
Generic-Normen Die Fachgrundnormen legen minimale Anforderungen für Geräte in einer gewissen Umgebung fest. Sie definieren nach welchen Basic-Normen getestet wird und bei welchen Prüfgrössen.
Produktnormen Für spezifische Produkte (zum Beispiel "Informationstechnische Einrichtungen") gibt es Produktnormen, welche die Prüfanforderungen angibt. Die Produktnorm hat vor der Generic-Norm Vorrang.

CE-Zeichen

Das CE-Zeichen ist obligatorisch für alle Produkte die unter eine der 11 EG-Richtlinien fallen. Es gibt an, dass die in den Richtlinien angegebenen Anforderungen erfüllt werden, und dass ein in der Richtlinie vorgesehenes Konformitätsbewertungsverfahren durchgeführt wurde.

Ausser für Sendefunkgeräte kann der Hersteller selber eine CE-Konformitätserklärung ausstellen. Der Hersteller muss vor der Abgabe der Erklärung eine Dokumentation ausarbeiten, die Angabe darüber enthält, wie die sicherheitstechnischen Anforderungen der Richtlinien sichergestellt wurden. In der Praxis sind grundsätzlich zwei Konformitätsbewertungsverfahren möglich (Siehe Bild 2).

Gültigkeit der schweizerischen Akkreditierstellen in EG-Raum

Grundsätzlich sind im EG-Raum die Messungen einer schweizerischen akkreditierten Prüfstelle nicht verbindlich. Die Messungen werden aber von den im EG-Raum akkreditierten Prüflabors anerkannt. Ein Messprotokoll von einer schweizerischen akkreditierten Prüfstelle ist ein Ausweis darüber, dass der Hersteller seine Konformitätserklärung auf Messungen eines anerkannten Prüflabors baut.

Bild 2) Konformitätsbewertungsverfahren für CE-Zeichen im Bereich EMV.


EMV-Technik

Als Beispiel der EMV-Technik wählen wir die Entstörung von Frequenzumrichtern. Wir werden hauptsächlich die Emissionen betrachten. Prinzipiell gilt aber, dass ein Gerät das kleinere Emissionen aufweist, auch für Immision weniger empfindlich ist (und umgekehrt). Wenn wir also die Emissionen begrenzen können, haben wir meistens auch die Störfestigkeit erhöht!

Frequenzumrichter haben üblicherweise sehr grosse Störemissionen. Ohne Entstörung werden die Normen verletzt und Systeme in der Umgebung werden oft in der Funktion gestört. In dieser Sektion wird gezeigt wie eine Anlage installiert werden kann, damit die EMV in einer möglichst günstigen Weise erreicht wird.


Frequenzumformer als EMV-Störquelle

Der Aufbau eines Frequenzumrichters sowie der Anschluss zum Motor wird in Bild 3 gezeigt. Der hauptsächliche Störmodus ist hier asymmetrisch (das heisst zwischen Phasen und Erde).

Wenn die Schalter des Umrichters kommutieren, entstehen Potentialsprünge in den Adern des Motorkabels. Über die Koppel-Kapazitäten fliessen dann Ströme mit dem Momentanwert (i = C*du/dt) im Erdungssystem und zwischen den Phasen. Diese Ströme können über die Erde und über die Versorgungsleitungen in benachbarten Systemen einkoppeln. Die hochfrequenten Anteile können ausserdem abgestrahlt werden.

Bild 3) Umrichterantrieb mit Spannungszwischenkreis. Die wichtigsten Koppelkapazitäten

Eine Abschätzung als Beispiel: Eine Streukapazität zum Gehäuse von 0.1 nF und eine Zwischenkreisspannung von 500 V mit einer Anstiegszeit von 500 ns ergibt ein Erdleiterstrom von etwa 0.1 A. Bei 50 W Impedanz messen wir dabei 5 V!

Bei längeren Kabeln steigt der Kapazität zwischen den Adern und zur Masse. Aus diesem Grund sind üblicherweise die Emissionen bei grösseren Kabellängen höher.


Schutzmassnahmen

Die üblichen Schutzmassnahmen sind Schirmen und Filtern. Im Normalfall wird der Umrichtereingang gefiltert und das Motorkabel geschirmt ausgeführt. In gewissen Fällen kann eine Filterung des Motorausgangs aktuell werden, zum Beispiel dort wo es teuer ist, ein neues Kabel zu verlegen.

Bei unsorgfältiger Installation sind die besten Filter oder Kabel wirkungslos. Bei Installation und Service sollte darum unbedingt die folgenden Hinweise beachtet werden:

Erdung

Schirmung

Bild 4) EMV-gerechte Plazierung und Masseverbindung im Schaltschrank.
Weitere (Masse-)Verbindungen sind aus Sicherheitsgründen nötig!

Filter

Ableitstrom


Zusammenfassung

Die EMV-Problematik im Umrichterbetrieb ist keine "Hexerei". Durch einfache Massnahmen, können sowohl die Anforderungen für die CE-Konformität als auch ein zuverlässiger Einsatz am Einbauort erreicht werden. Um Kosten zu Sparen ist es wichtig, die EMV-Problematik wie die Sicherheitsanforderungen und die Energieeffizienz früh im Entwicklungsvorgang zu berücksichtigen.


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