Nachrüstbares Filtermodul kompensiert Ableitströme bis 1 A

| Autor / Redakteur: Christoph Jehle * / Gerd Kucera

Bild 1: Oft ist die Summe aller Ableitströme so groß, dass der Fehlerstromschutzschalter (RCD: Residual Current Device) ungewollt auslöst.
Bild 1: Oft ist die Summe aller Ableitströme so groß, dass der Fehlerstromschutzschalter (RCD: Residual Current Device) ungewollt auslöst. (Bild: TDK)

In frequenzgeregelten Antrieben entstehen Ströme mit hohem Oberwellenanteil. Da sie auch im fehlerfreien Betrieb auftreten, sind sie keine Fehlerströme, können aber den FI-Schutz auslösen.

Bei frequenzgeregelten Antrieben treten Ableitströme als Folge von notwendigen EMV- und Filtermaßnahmen auf. In Summe können sie zum Auslösen des Fehlerstromschutzschalters führen. Mit dem weiterentwickelten Modul EPCOS LeaXield präsentiert TDK eine Lösung, die Ableitströme deutlich reduzieren soll. Dadurch kann der Einsatz eines Fehlerstromschutzschalters ermöglicht und die Anlagenverfügbarkeit erhöht werden.

In Industrieanlagen werden drehzahlvariable Antriebe in der Regel aus dreiphasigen TN-Netzen gespeist. Anwendungen sind etwa Werkzeugmaschinen, Pumpen, Kompressoren, Beförderungssysteme, aber auch nicht ortsfest betriebene Geräte. Ein komplettes Antriebssystem besteht aus einem EMV-Netzfilter, 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.

Ein wesentliches Problem von drehzahlvariablen Antrieben ist ein betriebsbedingter Ableitstrom, insbesondere durch den Umrichter erzeugt. Die Höhe des Ableitstroms hängt von den Entstörkondensatoren und den parasitären Kapazitäten gegen Erde, der Kommutierung der B6-Gleichrichterschaltung sowie den Schaltvorgängen der Leistungshalbleiter ab. In vielen Anwendungsfällen übersteigt die Summe der Ableitströme die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters (Bild 1).

Übliche Fehlerstromschutzschalter für drehzahlvariable Antriebe haben zum Beispiel eine Auslöseschwelle von 30 mA für Ströme im Frequenzbereich <100 Hz, die im Bereich >100 Hz deutlich ansteigt. In Bild 2 ist die Auslösekennlinie eines typischen Fehlerstrom-Schutzschalters dargestellt, wobei die Grenze für Frequenzen >1 kHz bei 300 mA liegt. Variable Ableitströme, die durch die Schaltvorgänge im Umrichter erzeugt werden, können dazu führen, dass die 300-mA-Schwelle überschritten wird. In Bild 2 ist dies zum Beispiel bei 2,7 kHz der Fall.

Stationäre Ableitströme hingegen, die durch die Kommutierung der B6-Gleichrichterschaltung erzeugt werden, treten schon bei einer deutlich niedrigeren Frequenz von 100 Hz bis 1 kHz auf, wo die Auslöseschwelle bereits deutlich niedrigere Werte annimmt. In Bild 2 liegt der 150 Hz-Anteil bei rund 90 mA, was in jedem Fall zu einem Auslösen des Fehlerstromschutzschalters führt. Hinzu kommen schließlich noch transiente Ableitströme, wie sie etwa während des Ein- und Ausschalten der Netzspannung auftreten. In Summe führen die genannten Ableitstromanteile in vielen Anwendungsfällen zu einem unbeabsichtigten Auslösen des Fehlerstromschutzschalters, was in Industrieanlagen Produktionsausfälle und hohe Kosten zur Folge haben kann.

Eine umfassende Lösung den unterschiedlichen Ursachen von Ableitströmen zu begegnen, gab es bisher nicht. Häufig wird versucht, die im System befindliche Gesamtkapazität gegen Erde zu variieren. So kann zum Beispiel durch Abschalten des Filterkondensators im Umrichter der 150-Hz-Anteil des Ableitstroms verringert werden. Allerdings ist dann in vielen Fällen die EMV-Kompatibilität nicht mehr gewährleistet. Werden hingegen die Kapazitäten der Y-Kondensatoren im EMV-Filter verringert, so sinkt zwar der 50-Hz-Ableitstrom, jedoch wird auch der taktfrequente Ableitstromanteil erhöht.

Die Verwendung eines Trenntrafos bietet zwar eine technische Lösung, jedoch machen Kosten und Bauraumbegrenzungen einen Einsatz oft unmöglich. Auf den Fehlerstromschutzschalter zu verzichten, stellt keinesfalls eine Alternative dar, da dies erhebliches Gefahren- und Unfallpotenzial birgt. Die beschriebenen Methoden sind technisch beziehungsweise ökonomisch unbefriedigend.

Bild 3: Ein um 180° phasenverschobener Strom wird kapazitiv auf die jeweiligen Phasen eingekoppelt. Durch die entstehende Stromsenke werden die Ableitströme zur Quelle zurückgeführt.
Bild 3: Ein um 180° phasenverschobener Strom wird kapazitiv auf die jeweiligen Phasen eingekoppelt. Durch die entstehende Stromsenke werden die Ableitströme zur Quelle zurückgeführt. (Bild: TDK)

Geschaltet wird das LeaXield-Modul zwischen den Fehlerstrom-Schutzschalter und den EMV-Netzfilter. Bild 3 zeigt das Prinzipschaltbild. Zur Messung des Differenzstroms über die drei Phasen ist lastseitig ein Stromsensor im LeaXield integriert. Über einen Operationsverstärker wird dann ein entsprechend 180° phasenverschobener Strom mit identischer Amplitude erzeugt, der kapazitiv auf die jeweiligen Phasen eingekoppelt wird.

Durch die entstehende Stromsenke werden die Ableitströme ins System zurückgeleitet. Damit ist vermieden, dass sie durch den Fehlerstromschutzschalter fließen und diesen ungewollt auslösen. LeaXield kann Ableitströme von bis zu 1 A kompensieren. Die Kompensationswirkung erstreckt sich über einen breiten Frequenzbereich von 150 Hz bis etwa 30 kHz.

Bild 4: Die ungefilterten Ableitströme (rot) werden durch Einsatz des LeaXields gedämpft (grün) und sinken unter die FI Auslöseschwelle.
Bild 4: Die ungefilterten Ableitströme (rot) werden durch Einsatz des LeaXields gedämpft (grün) und sinken unter die FI Auslöseschwelle. (Bild: TDK)

In Bild 4 ist ein ungefilterter Ableitstrom (rot) im spektralen Bereich einem durch das EPCOS LeaXield gefilterten Ableitstrom (grün) gegenübergestellt. Letzterer liegt weit unter der FI-Auslöseschwelle, wodurch ein unbeabsichtigtes Auslösen des Fehlerstromschutzschalters verhindert wird.

Aufgrund seiner geringen Abmessungen von nur 270 mm x 60 mm x 119 mm eignet sich LeaXield auch sehr gut zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen. Da zudem keine externe Spannungsversorgung für den Betrieb erforderlich ist, ist der Installationsaufwand gering. Somit bietet LeaXield eine kompakte und kostengünstige Lösung zur Kompensation von Ableitströmen in einem breiten Frequenzbereich; der Einsatz eines Fehlerstromschutzschalters ist sicher möglich, was schließlich die Anlagenverfügbarkeit erhöht.

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* Christoph Jehle Manager Technology & Product Communications bei TDK Electronics, München.

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