Elektroantriebe EMV bei Kleinantrieben – Tipps für den praktischen Einsatz

Ein Gastbeitrag von Andreas Wagener und Ellen-Christine Reiff

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Elektrische und elektronische Komponenten müssen ohne Störungen neben- und miteinander funktionieren. Deshalb müssen Anwender bei der Arbeit mit geregelten Antrieben die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) im Blick behalten. Wie? Das zeigt Faulhaber.

Bei der Arbeit mit geregelten Antrieben gilt es immer die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) im Blick zu behalten.
Bei der Arbeit mit geregelten Antrieben gilt es immer die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) im Blick zu behalten.
(Bild: Faulhaber)

In den 1920er-Jahren war es der Konflikt zwischen der bereits etablierten elektrischen Antriebstechnik im städtischen Nahverkehr und der neu aufkommenden Telekommunikation, der zur Entwicklung der Funkentstörung – eines Teilkonzepts der EMV – führte. Elektrische Antriebe sind heute meist geregelt; neben der Energiewandlung enthalten sie also auch die für die Sensorik zur Datenübertragung nötigen Telekommunikationsbauteile. Wegen der Störaussendung der Energiewandlung muss deswegen die nötige Störfestigkeit der Sensorik und Telekommunikation gegeben sein – und das oft auf engstem Raum (Bild 2).

Bild 2: Frequenz- bereiche der unterschiedlichen Signale und Störungen im Umfeld eines geregelten Antriebs. Die Auswirkungen sind hier qualitativ  bewertet. Endstufen mit PWM sind zwar kompakt, brauchen aber viel Aufmerksamkeit.
Bild 2: Frequenz- bereiche der unterschiedlichen Signale und Störungen im Umfeld eines geregelten Antriebs. Die Auswirkungen sind hier qualitativ bewertet. Endstufen mit PWM sind zwar kompakt, brauchen aber viel Aufmerksamkeit.
(Bild: Faulhaber)

Zertifizierung in der Anwendung

Die Grenzwerte für geregelte elektrische Antriebe sowohl für die Störaussendung als auch für die Störfestigkeit sind heute in der EN 61800-3 festgelegt. Allerdings dient die Norm lediglich als Basis zur Bewertung eines betriebsfertig aufgebauten Antriebs. Wie sich dieser im Endgerät verhält, lässt sich nicht verbindlich vorhersehen. Hier ist der Anwender in der Pflicht, die für seine Applikation gültige Zertifizierung zu erreichen.

In Systemen mit elektrischen Kleinantrieben wird die elektrische Energie meist mehrfach umgeformt. Dabei treten elektrische Wechselgrößen als Spannungen und Ströme mit sehr unterschiedlichen Frequenzen auf, z.B. Schaltvorgänge in der Endstufe, (elektro)magnetische Störfelder beim dynamischen Betrieb oder auch Spannungsschwankungen (Ripple), wenn die Antriebe schalten (Bild 3).

Bild 3: Störpfade für Gleichtakt und Gegentaktstörungen vom geregelten Motor bis hin zum Netz.
Bild 3: Störpfade für Gleichtakt und Gegentaktstörungen vom geregelten Motor bis hin zum Netz.
(Bild: Faulhaber)

Während für Geräte auf dem europäischen Binnenmarkt die EMV-Richtline 2014/30/EU gilt, wird die konkrete Bewertung anhand der sogenannten harmonisierten Normen vorgenommen. Eine durch das CE-Zeichen erkennbare Konformität zur EMV-Richtline ist verpflichtend. Aber auch bei Geräten, die nicht im europäischen Binnenmarkt in den Verkehr gebracht werden oder für industrielle Weiterverwender bestimmt sind, ist oft ein Nachweis der Konformität erforderlich. Hier greifen die Fachgrundnormen EN 61000-4-x und EN 61000-6-x, je nachdem ob die Geräte für den Industrieeinsatz oder den Consumer-Bereich bestimmt sind.

Grenzwerte für geregelte Antriebe

Für die Bewertung eines betriebsfertig aufgebauten Antriebs, bestehend aus Motor und direkt am Netz betriebenem Umrichter bzw. Motion Controller, bildet die EN 61800-3 die Basis. Sie definiert auch die Regeln für den Messaufbau. Dabei gelten unterschiedliche Quantifizierungen für die Störungen:

  • Im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz werden sie als Störspannung in dB (µV) definiert,
  • im Frequenzbereich von 30 bis 300 MHz als Störleistung in dB (pW) und
  • im Bereich von 30 MHz bis 6 GHz als Störfeldstärke in dB (µV/m).

Der Ansatz geht davon aus, dass niederfrequente Wechselgrößen vor allem als eine der Versorgung eines Netzteils überlagerten Störspannung beobachtet werden. Die pulsierenden Ströme eines geregelten Antriebs könnten dann z. B. den Betrieb einer parallel angeschlossenen SPS beeinträchtigen (Bild 4). Es wäre ebenso möglich, dass eine Spannungsspitze in der Versorgung während eines Bremsvorgangs parallel angeschlossene Geräte zur Schutzabschaltung veranlasst.

Störleistung und Störfeldstärke dagegen beschreiben die nicht an Leitungen gebundene Ausbreitung von elektromagnetischen Feldern.

Bild 4: Galvanische Kopplung mehrerer Teilnehmer im DC-Netzverbund. Durch rückgespeiste Energie könnten kritische Überspannungen entstehen.
Bild 4: Galvanische Kopplung mehrerer Teilnehmer im DC-Netzverbund. Durch rückgespeiste Energie könnten kritische Überspannungen entstehen.
(Bild: Faulhaber)

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