Elektromagnetische Verträglichkeit So reduziert ein neues Kabeldesign die Störströme

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Wenn sich Maschinen und Anlagen immer mehr vernetzen, steigt auch die Gefahr von Störströmen. Ein neues Kabeldesign vom Lapp vermindert Ableitströme, was die Elektromagnetische Verträglichkeit in Maschinen und Anlagen verbessert.

Elektromotoren werden in der Prozessautomatisierung heutzutage ausschließlich mittels Frequenzumrichter betrieben. Neben dem Vorteil der variablen Drehzahl bietet diese Art der Ansteuerung beachtliche Verbesserungen im Hinblick auf Energie- und Prozesseffizienz. Aufgrund der Ansteuerung können allerdings unerwünschte Nebeneffekte – die Ableitströme– entstehen. Je mehr Komponenten beteiligt sind, desto größer ist das Risiko von solchen Störungen. Um teure Produktionsausfälle in der Smart Factory zu vermeiden, sollte daher am besten schon während der Planungsphase das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigt werden.

3 Fragen an Lapp-Innovationschefin Susanne Krichel

Warum rückt EMV jetzt so sehr in den Fokus?

Durch Digitalisierung und Automatisierung haben wir viel mehr Aktuatoren und Sensoren im Feld, dabei dient die Sensorik nicht nur zur Steuerung der Prozesse. Unter Nachhaltigkeitsaspekten wird alles mit Sensorik ausgestattet. Es geht um die transparente Maschine, alles soll überwacht werden.

Also mehr Sensorik bei immer kompakteren Applikationen?

Ja, die Anlagen werden nicht größer, d.h. alles wird auf kleinstem Bauraum zusammengepackt. Dann liegen halt die Servoleitungen, die ja eher die Energie nach außen strahlen und Störer sein können, näher an Datenleitungen. Und weil man auch Daten mit immer weniger Energie übertragen möchte, wird es auch immer schwieriger, den Signalrauschabstand einzuhalten.

EMV wird also zum akuten Thema für die Datenübertragung?

Dabei geht es um die Signalintegrität. Wie kann ich sicherstellen, dass für eine 1 auch eine 1 auf der anderen Seite ankommt? Vor allem in den letzten fünf Jahren gab es hier immer mehr Probleme bei den Datenübertragungen, wo es Störströme gab. Und hier bauen wir jetzt ein Lösungs-Portfolio auf.

Das Interview führte Karin Pfeiffer

Forschungsprojekt EMV: Kopplungen zwischen benachbarten Leitungen

Was aber ist die genaue Ursache von Störströmen, und wie können sie eingedämmt werden? Mit diesen Fragen haben sich Vertreter der Industrie und der Wissenschaft im Rahmen des „PEPA“-Forschungsprojektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz beschäftigt. Neben Lapp sind an dem Projekt die Firmen SEW-Eurodrive, Block, Danfoss, Magnetec und die Technische Universität Darmstadt beteiligt. Hier führt Lapp das Arbeitspaket 4 zu „Kopplungen zwischen benachbarten Leitungen sowie mit Anlagenteilen; Messungen und Optimierungen der Kabelkonstruktion“. Das Ziel ist hier, eine firmenübergreifende Forschung an einem komplexen Thema aus der Automatisierungs-/Antriebswelt zu forcieren, bei dem es insbesondere auf die korrekte Auswahl der Verbindungskomponenten sowie der fachgerechten Installation dieser ankommt.

Konkreter Gegenstand der Untersuchung war die Frage, warum es in Industrieanlagen, in denen mit Frequenzumrichtern gesteuerte Motoren eingesetzt werden, sehr oft zu unerwünschten Strömen auf den Potentialausgleichsleitungen (PA) oder Schutzerdleitungen (PE) kommt. Ergebnis: Durch die getaktete Ansteuerung (Pulsweiten-Modulation) 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. Hochfrequente Ausgleichströme mit einer Amplitude 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 (RCD) oder eine Beeinträchtigung der Datenkommunikation, wenn beispielsweise die Ausgleichsströme über den Kupferschirm einer Datenleitung fließen. Diese Fehler sind schwer zu finden, da sie keiner Systematik folgen.

Neuartige Kabelkonstruktion: Unsymmetrisches Erscheinungsbild

Die Verbindungsexperten von Lapp haben in diesem Zusammenhang die physikalischen Kopplungsmechanismen innerhalb von Motor-Anschlussleitungen untersucht. Dabei entstand die Idee, dass das Problem mit einer neuartigen Kabelkonstruktion gelöst werden könnte. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist die Technologie Zero CM. Ursprung der Innovation war es, den Status quo in der Kabeltechnik auf den Prüfstand zu stellen: So waren bisherige Konstruktionen eher auf geringe Außendurchmesser und eine optische Symmetrie getrimmt. Das Problem EMV haben Hersteller und Anwender bis dato immer durch Schirmung gelöst. Lapp ging mit der Entwicklung von Zero CM einen anderen Weg: Die Leitung ist vom visuellen Erscheinungsbild unsymmetrisch, jedoch wird 100-prozentige elektromagnetische Symmetrie erzielt. Letztendlich erfordert das sogar weniger Schirmung.

Der Trick bei Zero CM: die Verseiltechnik

Der Trick bei der Technologie Zero CM ist eine spezielle, innovative 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 gewickelt zu verseilen. 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 wird eine elektrische Symmetrie erreicht, die die magnetische Abstrahlung reduziert und die internen Kopplungen stark verringert. Die erste Prototyp-Leitung mit neuem Kabeldesign ist die Ölflex FD Servo Zero CM. Sie ist speziell für den Einsatz in Verbindung mit Frequenzumrichtern geeignet.

Im Rahmen des PEPA-Forschungsprojekts haben die Projektpartner die neuartige Leitung Ölflex Servo FD Zero CM auf Herz und Nieren getestet. Neben der Untersuchung einer EMV-optimierten Installation von Komponenten haben die Tests unter anderem die Rolle der Ausgangsleitung bewertet. Zum Vergleich haben die Tester einen identischen Versuchsaufbau mit einem Antriebssystem mit Potentialausgleich sowie paralleler Signalleitung (Profinet) gewählt. Verglichen wurden eine geschirmte PVC-isolierte Standardleitung, eine niederkapazitive Servoleitung, eine symmetrische Motorleitung mit drei Schutzleitern sowie die neuartige Leitung Zero CM mit optimiertem Aufbau. Dabei ergaben sich eindeutige Ergebnisse: Die besten Werte hinsichtlich Ableitstrom am Umrichter-Ausgang hat der kapazitätsarme Aufbau der Zero CM-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 haben Tests den über eine parallel liegende Signalleitung fließenden Störstrom untersucht: Auch hier begünstigt der Einsatz der Zero CM-Leitung die Ausprägung von möglichst geringen Störströmen. Aus den Untersuchungen bei den Projektpartnern ergaben sich darüber hinaus klare Empfehlungen für die EMV-optimale 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 Steckern oder flächiger Schirmauflage, wie beispielsweise bei den eingesetzten EMV-Verschraubungen Skintop Brush zu.

Um bis zu 80 Prozent reduzierte Ausgleichsströme

Die Technologie Zero CM beseitigt zwar nicht die Ursache von EMV-Störungen, wirkt aber genau an den signifikanten Stellen, an denen 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 (cable-charging current) für verringerte Last am und im Umrichter selbst: Dadurch können auch längere Kabellängen verlegt werden, ohne dass der Frequenzumrichter außerhalb seiner (EMV-)Spezifikation betrieben wird. Des Weiteren unterbindet die neue Technologie das Entstehen von Spannungspegeln auf dem Masse-/Erdpotential (Ground-Voltage) auf der Verbraucherseite. Dies ist besonders wichtig, wenn beispielsweise empfindliche Sensorik wie Analoggeber zum Einsatz kommen.

Sicherlich erscheint die neue Leitung beim ersten Konfektionieren etwas ungewohnt, jedoch bleibt die Verkabelung einfach. Im Vergleich zu den erdsymmetrischen Leitungen mit gedritteltem Schutzleiter reduziert sich sogar der Aufwand. Ziel von Lapp ist es nun, ein Portfolio mit Zero CM auszustatten; als nächstes sind Hybridleitungen dran.

 (pf)

* Stefan Hilsenbeck, Senior Engineer Advanced Technology bei der Lapp Holding AG

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