Elektrische Antriebe Ableitstrom kompensieren und Anlagenverfügbarkeit erhöhen

Autor / Redakteur: Georg Schmitz * / Gerd Kucera

Frequenzgeregelte Antriebe erzeugen betriebsbedingt Ableitströme, die zur Fehlauslösung einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung führen können. Wie sich das vermeiden lässt, zeigt dieser Beitrag.

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LEAKCOMP HP verkabelt: Das Gerät kompensiert betriebsbedingte Ableitströme bis 400 mA (RMS). Der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzschaltern mit einem Differenzstrom von 30 mA oder höher nach DIN VDE 0100-530 ist möglich. Die Betriebssicherheit von Anlagen wird dadurch erhöht.
LEAKCOMP HP verkabelt: Das Gerät kompensiert betriebsbedingte Ableitströme bis 400 mA (RMS). Der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzschaltern mit einem Differenzstrom von 30 mA oder höher nach DIN VDE 0100-530 ist möglich. Die Betriebssicherheit von Anlagen wird dadurch erhöht.
(Bild: EPA)

In der modernen Automatisierungstechnik sind drehzahlverstellbare elektrische Antriebssysteme unumgänglich. Für Asynchron-, Servo- und Permanentmagnetmotoren werden Frequenzumrichter (FU) zur Drehzahlverstellung eingesetzt. Die hochdynamischen Ausgangsstufen dieser Frequenzumrichter schalten hohe Gleichspannungen im Mikrosekundenbereich und können dadurch unzulässig hohe Störungen in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erzeugen.

Aber auch für diese Komponenten gelten natürlich die gesetzlichen Richtlinien der EMV, wie beispielsweise die EN 61800-3. Da diese Vorgaben eingehalten werden müssen, sind entsprechende Entstörmaßnahmen zu implementieren.

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Ursachen und Gefahren von Ableitströmen

Neben externen EMV-Maßnahmen wie zum Beispiel abgeschirmten Motoranschlussleitungen und vorgeschalteten Netzfiltern werden auch sogenannte interne EMV-Filter eingesetzt. Diese bestehen meistens aus einem oder mehreren Kondensatoren, die vom DC-Zwischenkreis zum Schutzleiter geschaltet sind. Die Wirkung dieser Filter ist in der Regel sehr gut. Die Einhaltung der EMV-Richtlinien ist so auch bei längeren Motorleitungen gewährleistet.

Diese internen und externen Filtermaßnahmen haben allerdings nicht nur Vorteile. Alle kapazitiven Schutzleiteranbindungen leiten nicht nur hochfrequente Ströme gemäß der EMV-Richtlinie (z.B. 150 kHz bis 2 GHz) ab, sondern auch niederfrequente Ströme (z.B. 50 Hz bis 20 kHz).

In vielen industriellen Anwendungen kommen wegen der hohen Personen- und Brandschutzanforderungen allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter vom Typ B bzw. B+ zum Einsatz. Im Frequenzbereich bis zu 2 kHz sind diese Fehlerstrom-Schutzschalter besonders empfindlich.

Ergänzendes zum Thema
Ableitströme: ein Thema auf dem Praxisforum Antriebstechnik 2016

Das dreitägige Praxisforum Elektrische Antriebstechnik (mit Fachausstellung am zweiten Tag) findet vom 7. bis 9. März 2016 im VCC Würzburg statt. 26 renommierte Branchenexperten aus Forschung und Industrie diskutieren Antriebsaufgaben und stellen anwendbare Technik zur Lösung vor. Ableitströme und ihre Kompensation ist eines der zahlreichen Themen. Das ausführliche Programm aller drei Tage finden Sie hier, einschließlich Abstracts und Referenten.

Themen des 1. Tages (7. März 2016): Schaltungsbeispiele mit Motion Control Chips (MCU, FPGA, ASSP, Chip Set), Schaltungsbeispiele mit Power Devices.

Themen des 2. Tages (8. März 2016): Best-Practice-Beispiele, Trends sowie sofort anwendbare Technik aus der Forschung (mit begleitender Ausstellung).

Themen des 3. Tages (9. März 2016):

Sensorik, Motion Software, Simulation (Lageregelung, Motoranalyse, EMV und funktionale Sicherheit).

Detektiert nun dieser Fehlerstrom-Schutzschalter die betriebsbedingten Ableitströme von einem oder mehreren Frequenzumrichtern und deren EMV-Filtermaßnahmen, kann dies zu unerwünschten Fehlauslösungen führen, obwohl weder eine Berührung stromführender Teile durch eine Person noch ein Defekt in den Geräten vorliegt. Die Anlagenverfügbarkeit wird dadurch stark reduziert bzw. die Anlage lässt sich nicht am Fehlerstrom-Schutzschalter betreiben.

Ableitstrom sehen und verstehen

Ursache hierfür ist, dass Fehlerstrom-Schutzschalter (in Kurzform als FI-Schutzschalter bezeichnet) nicht zwischen betriebsmäßigen Ableitströmen und echten Fehlerströmen unterscheiden können. Es ist zwar möglich, die Höhe der Ableitstrombelastung zu messen, jedoch fehlt es an einer Aussage über einzelne Frequenzanteile dieser Belastung sowie einer Beurteilungsmöglichkeit in Bezug auf die Auslösekennlinie der verwendeten Fehlerstrom-Schutzschalter.

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Als Lösung für dieses Problem wurde daher das Analysesystem EPA LEAKWATCH entwickelt. Es ist speziell auf die Messung von Ableitströmen ausgerichtet und zudem flexibel erweiterbar.

Über das EPA LEAKWATCH lässt sich schnell und einfach der Auslastungsgrad der ausgewählten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mittels einer Prozentanzeige sowie farblichen Ampeldarstellungen erkennen.

Das EPA-LEAKWATCH-System ermöglicht eine Frequenzanalyse sowie die Betrachtung der Effektivwerte einzelner Frequenzanteile. Diese Lösung gibt damit eine wertvolle Hilfestellung bei der Ableitstrombilanzierung und der Auswahl eventueller Filtermaßnahmen.

Physik und Anwendung des Kompensationsverfahrens

Bedingt durch die Ableitstromproblematik war bisher der Betrieb von Frequenzumrichtern an Fehlerstrom-Schutzschaltern problematisch und wurde daher oft vermieden – im Hinblick auf den Schutz von Personen eigentlich ein untragbarer Zustand.

Der durchaus legitime Schutzanspruch in Sachen Personen- und/oder Brandschutz, welchen man mit dem Einsatz von Fehlerstrom-Schutzschaltern erzielen kann, darf sich nicht negativ auf die Maschinenverfügbarkeit auswirken.

Speziell für diese Aufgabenstellung gibt es von EPA das System LEAKCOMP HP. Dieses Kompensationsgerät ergänzt hochpräzise den durch die Filterkapazitäten fließenden Differenzstrom. In einem patentierten Verfahren analysiert der EPA LEAKCOMP HP den gesamten Betriebsableitstrom der Anlage.

Dabei werden die Ableitströme mit den im 3-Phasen/50-Hz-Netz auftretenden Frequenzen 150 Hz, 450 Hz, 750 Hz und 1050 Hz in Phasenlage und Amplitude fixiert, neue Ströme mit einer um 180° gedrehten Phasenlage erzeugt und dem Schutzleiter wieder zugeführt.

Auch hohe Ableitströme in Ein- und Ausschaltsituationen, die meistens durch unsymmetrische Anlagenzuschaltungen ausgelöst werden, können bis zu einer gewissen Amplitudenhöhe durch die sogenannte Buster-Funktion des LEAKCOMP HP ebenfalls kompensiert werden. Der Fehlerstromschutzschalter löst demnach auch nicht bei einer Netzzuschaltung aus.

Ein weiteres, sehr nützliches Merkmal des LEAKCOMP HP ist die ausführliche Darstellung der Werte der vier Frequenz-Anteile des Ableitstromes vor und nach der Kompensation. Er ist sowohl als grafische oder numerische Anzeige im Geräte-Display sichtbar.

Der LEAKCOMP HP bildet in Kombination mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter vom Typ B gewissermaßen einen „Spezial-FI“ für Frequenzumrichter-Anwendungen, der vollen Personen- und Brandschutz bietet, ohne sich von den Eigenschaften der FU-Stromversorgungen irritieren zu lassen.

Das Gerät kann mit 24 VAC oder VDC betrieben werden und kompensiert Ableitströme bis zu 400 mAeff; ein Abgleich ist nicht erforderlich. Der Bediener muss über keinerlei Spezialwissen verfügen.

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Themen des 3. Tages (9. März 2016):

Sensorik, Motion Software, Simulation (Lageregelung, Motoranalyse, EMV und funktionale Sicherheit).

Der allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzschalter wird durch den EPA LEAKCOMP HP von den betriebsbedingten frequenzumrichtertypischen Ableitungen entlastet.

Resümee: Mit der Markteinführung eines EPA LEAKCOMP HP muss keine Frequenzumrichter-Anordnung mehr ohne den Personen- und Brandschutz eines Fehlerstrom-Schutzschalters betrieben werden. Das Kompensationssystem ermöglicht endlich die Verbindung von Betriebssicherheit und Arbeitsplatzschutz. Der Installationsaufwand für die Kompensationslösung ist gering, das kompakte Gerät ist kaum größer als der FI-Schutzschalter selbst und passt noch in jeden Schaltschrank.

* Georg Schmitz ist Fachberater Ableitstrom Technik bei EPA, Bruchköbel.

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