Fehlerströme Modul eliminiert Ableitströme und verbessert die EMV

Redakteur: David Franz

In Umrichter-Antrieben verursachen die einzelnen Komponenten Ableitströme, die in Summe den Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen können. Das Modul LeaXield eliminiert diese Ableitströme.

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Das Leistungsmodul LeaXield wurde entwickelt, um Ableitströme zu eliminieren. Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter.
Das Leistungsmodul LeaXield wurde entwickelt, um Ableitströme zu eliminieren. Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter.
(Bild: EPCOS)

In Industrieanlagen wie auch im Gebäude-Management 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 m haben kann. Aus Sicherheitsgründen werden die Antriebssysteme über Fehlerstromschutzschalter mit dem Netz verbunden.

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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 der Amplitude abhängig.

Unter ungünstigen Umständen übersteigt die Summe der Ableitströme die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters (Bild 1).

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 (Bild 2).

Dies führt zu einem unbeabsichtigten Abschalten des Systems, was in Industrieanlagen Produktionsausfälle und hohe Kosten zur Folge haben kann.

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 dieser Maßnahme gegen Ableitströme ist das Platzproblem, das vor allem bei der Nachrüstung mit größeren und zusätzlichen Filtern auftritt.
  • Fehlerstromschutzschalter mit hoher Auslöseschwelle: Diese Maßnahme ist mit erheblichen Risiken verbunden, da durch die höheren Ableitströme Potenzialverschiebungen auftreten und die zulässige Berührungsspannung von maximal 50 VAC überschritten werden kann. Außerdem sind Schäden an den einzelnen Komponenten des Systems möglich.

Weil beide Methoden unbefriedigend sind, ist das Modul LeaXield entwickelt worden, um Ableitströme zu eliminieren (Bild 3). Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter.

Das Funktionsprinzip des LeaXield-Moduls

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 bestimmt.

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 (Bild 4). LeaXield kann Ableitströme von bis zu 1000 mA kompensieren.

Die Reduzierung der Gleichtaktströme mit Hilfe von LeaXield hat einen zusätzlichen 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 258 mm x 80 mm x 100 mm (L x B x H) eignet sich das Modul auch zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen, da es wie ein EMV-Filter in der Anlage installiert wird. Die Leiter-Leiter-Spannung beträgt max. 520 VAC (50/60 Hz) und der Lastwechselstrom max. 150 A.

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