Expositionsschwerpunkte in Industrie und Gewerbe

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Klemens Salzmann
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1 BGIA/BGFE-Workshop Sicherheit in elektromagnetischen Feldern an Arbeitsplätzen Expositionsschwerpunkte in Industrie und Gewerbe Dipl.-Ing. Fritz Börner Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz LVBG-TdA 03_2005

2 Übersicht Einleitung Anlagen der Energietechnik Antriebe und Motoren Kapazitive Erwärmungsanlagen Induktive Erwärmungsanlagen Widerstandsschweißeinrichtungen

3 Einleitung Elektromagnetische Felder werden genutzt um elektrische Energie zu transportieren und umzuformen Werkstücke zu bearbeiten, z. B. trocknen, härten, schmelzen oder verschweißen Hohe Expositionen von Personen können nicht ausgeschlossen werden, wenn Arbeiten an offenen Maschinen mit Feldquellen notwendig sind der Zugang zur Feldquelle möglich ist. Menschen können elektromagnetische Felder und deren Gefahren nicht wahrnehmen.

Anlagen der Energietechnik Trafostation mit Mittel- und Niederspannungsschaltanlage Transformator Es werden E-, H-, und EM-Felder erzeugt, die einen Bezug zur Netzfrequenz f = 50Hz haben.

4 Anlagen der Energietechnik Trafostation mit Mittel- und Niederspannungsschaltanlage Transformator Es werden E-, H-, und EM-Felder erzeugt, die einen Bezug zur Netzfrequenz f = 50Hz haben. Die elektrischen Felder können aufgrund der verwendeten Spannungen in der Regel vernachlässigt werden. Bereich EG-Richtlinie/BGV B11 Zulässiger Wert der magnetischen Flussdichte B in µt Zulässiger Wert der elektrischen Feldstärke E in kv/m Mittelspannungsschaltanlage Niederspannungsschaltanlage Auslösewert Expositionsbereich 2 Expositionsbereich 1 Bereich erhöhter Exposition ,6 21,3 30

5 Anlagen der Energietechnik (f = 50 Hz) Transformator S = 630 kva Schaltanlage I = 800 A 20 cm 50 cm 250 cm Gehäuse Boden 30 µt/20 cm Zugang/Tür 4 µt Gehäuse oben 100 µt/20 cm Sammelschiene 180 µt/50 cm Anschlüsse 150 µt/20 cm Sammelschiene 580 µt/20 cm

6 Antriebe, Motoren Bearbeitungszentrum mit Drehstrom-Linearantrieb Quelle: Siemens AG, SIMODRIVE Projektierungsanleitung

7 Antriebe, Motoren Linearmotoren Montage und Wartung Problem: Wartung und Reparaturarbeiten Kraftwirkungen des magnetischen Feldes auf ferromagnetische Teile zusätzliche Gefahren für Träger von aktiven Implantaten, z. B. Herzschrittmacher

8 Antriebe, Motoren Messwerte und zulässige Werte am Beispiel Bearbeitungszentrum Betriebsart Messort Messergebnis magn. Flussdichte B Stillstand Arbeitsraum Abdeckung zum Motor Innenraum Betrieb Schiebetür außen Bedientableau Wartung Linearmotor-Sekundärteil Direkt auf der Oberfläche In 2 cm Abstand zur Oberfläche (abgedeckt) 530 µt 2) 70 µt 2) 200 nt 1) ; 260 nt 1) 440mT 2) 42 mt 2) 1) Magnetische Flussdichte 50 Hz 2) Magnetische Flussdichte Gleichfeld Bereich der Exposition Zulässige Werte Effektivwert der magnetischen Flussdichte in mt 0 Hz 50 Hz Expositionsbereich 2-0,424 Expositionsbereich 1 67,9 1,358 Bereich erhöhter Exposition 127,3 2,546

9 Antriebe, Motoren Drehzahl gesteuerte Antriebe, z. B. in der Schwerindustrie Schaufelrad-Antrieb U = 6 kv, P = 800 kw Messort Oberfläche direkt Klemmkasten 20 cm von der Oberfläche 50 cm von der Oberfläche Magnetische Flussdichte bei maximaler Förderleistung 120 µt 210 µt 35 µt 10 µt Radband-Antrieb U = 6 kv, P = 650 kw

10 Kapazitive Erwärmungsanlagen Kapazitive Erwärmung wird genutzt, um elektrisch nicht leitende Werkstücke zu trocknen, z. B. bei Bucheinbindungen, Leimbindern, Spanplatten, Garnrollen zu stanzen, z. B. Konturen bei Faltschachteln zu verbinden, z. B. Kunststoffplanen, Textilien, Profileinlagen für orthopädische Anwendungen

11 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Schweißen mit manuell verfahrbarem Oberteil mit elektrischem Fahrwerk zum Schweißen von Profileinlagen

12 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Schweißen Schematischer Aufbau einer Hochfrequenzschweißmaschine Werkstück zwischen den Elektroden wirkt wie ein Dielektrikum in einem elektrischen Wechselfeld. Bei hohen Frequenzen wird das Werkstück aufgrund dielektrischer Verluste erwärmt. Die in Wärme umgesetzte Leistung hängt von der Frequenz, der Spannung und dem Material des Werkstückes ab.

13 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Schweißen Zeitlicher Verlauf des Effektivwertes der elektrischen Feldstärke gemessen im Abstand von 50 cm zu den Elektroden El. Feldstärke E in [V/m] Zeit t in [s]

14 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Schweißen Messergebnisse Technische Daten Hochfrequenzleistung. Technische Daten 10 kw Frequenz: Hochfrequenzleistung: 1027,12 kw MHz Messhöhe: Frequenz: 90 cm 27,12 MHz X [cm] Zulässige Werte nach der EG-Richtlinie und BGV B11 Auslösewert: 61,0 V/m; 0,16 A/m Expositionsbereich 2: 27,5 V/m; 0,08 A/m Expositionsbereich 1: 61,4 V/m; 0,18 A/m Bereich erhöhter Exposition: 2000 V/m; 5,5 A/m 70 Abstand zur El ektrod e [cm] Abstand X-Achse E-Fel d H-Feld [V/m] [A /m) E-Feld H-Feld E- Feld [V/M] Y- Ach se E-Feld Y-Achse H-Fel d [A/m) H-Feld in cm10 20 in 22 V/m in A/m 2, 17 inv/m in A/m , , , , , , , , , , , ,5 0, , ,4 0,012

15 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Trockner HF-Generator Maschinengestell Elektroden Elektrisches Feld Einlauf Werkstück Elektrisches Feld Auslauf Stetigförderer Prinzipieller Aufbau Beispiel für eine HF-Trocknungsanlage aus der Textilindustrie

16 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Trockner Messergebnisse Einlauföffnung Technische Daten: Hochfrequenzleistung: Frequenz: 10 kva 13,55 MHz Abstand zur Achse A Achse B Achse C A chse C Achse B Achse A Auslauföffung E-Feld H-Feld E-Feld H-Feld E-Feld H-Feld in mm in V/m in A/m in V/m in A/m in V/m in A/m , , , , , , , ,01 Zulässige Werte nach der EG-Richtlinie und der BGV B11 Auslösewerte: 61 V/m; 0,16 A/m Expositionsbereich 2: 27,5 V/m; 0,173 A/m Expositionsbereich 1: 61,4 V/m; 0,36 A/m

17 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Trockner Holz Blick auf die HF-Generatoren im Trocknungsbereich Blick auf die Elektroden und auf die Generatoranschlüsse

Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Trockner Holz HF-Trockner Schematischer Aufbau des HF-Trockners Frequenz: Leistung: Anodenspannung: 13,56 MHz 96 KW 9 kv Messstellen Raumschirmung Messhöhe MP 1

18 Kapazitive Erwärmungsanlagen, HF-Trockner Holz HF-Trockner Schematischer Aufbau des HF-Trockners Frequenz: Leistung: Anodenspannung: 13,56 MHz 96 KW 9 kv Messstellen Raumschirmung Messhöhe MP 1 Eingang links MP2 HF-Generator links Messorte MP3 Eingang rechts MP4 HF-Generator rechts [cm] H [A/m] E [V/m] H [A/m] E [V/m] H [A/m] E [V/m] H [A/m] E [V/m] , , , , , , , , , , , , , , , , , , Zulässige Werte nach der EG-Richtlinie und der BGV B11 Auslösewerte: 61 V/m; 0,16 A/m Expositionsbereich 2: 27,5 V/m; 0,173 A/m Expositionsbereich 1: 61,4 V/m; 0,36 A/m

19 Induktive Erwärmungsanlagen Induktive Erwärmung wird genutzt, um elektrisch leitfähige Werkstoffe zu erwärmen, z. B. Werkstücke zu glühen, z. B. Drähte zu verformen, z. B. Rohre zu schmelzen, z. B. Metalle zu härten, z. B. Wellen, Zahnräder

Induktive Erwärmungsanlage, Induktionsofen Spule Werkstück (elektrisch leitend) Magnetfeld Frequenz in Hz Zul. effektiver Spitzenwert der magn.

20 Induktive Erwärmungsanlage, Induktionsofen Spule Werkstück (elektrisch leitend) Magnetfeld Frequenz in Hz Zul. effektiver Spitzenwert der magn. Flussdichte B in µt Messwert der magn. Flussdichte B in µt /1358 2) 500 1) ,22/67,9 2) 30, ) Auslösewert der EU-Richtlinie 2) Zulässiger Wert für den Expositionsbereich 1

21 Induktive Erwärmungsanlage, HF-Induktionshärtungsanlage Beispiel für eine HF- Induktionshärtungsanlage Prinzip des Induktionshärtens

22 Induktive Erwärmungsanlage, HF-Induktionshärtungsanlage Messergebnisse Technische Daten Hochfrequenzleistung: Frequenz Eindringtiefe: Messhöhe: 144 kw 200 khz ca. 1 mm 155 cm Auslöswert der EG-Richtlinie

Widerstandsschweißeinrichtungen Funktionsprinzip Wechselstromquelle Werkstück Elektroden Fügestelle Schweißtransformator Gleichrichter Werkstück wird unter Verwendung von

23 Widerstandsschweißeinrichtungen Funktionsprinzip Wechselstromquelle Werkstück Elektroden Fügestelle Schweißtransformator Gleichrichter Werkstück wird unter Verwendung von Kraft und Wärme verschweißt. Aufgrund des elektrischen Widerstandes wird das Werkstück beim Fließen eines hohen Stromes an der Fügestelle so stark erwärmt, dass es schmilzt.

Widerstandsschweißeinrichtungen Messung magnetischer Felder Typischer Verlauf der magnetischen Flussdichte an einer Wechselstrom- Widerstandsschweißeinrichtung 30000 1400 ms 20000 magnetische

24 Widerstandsschweißeinrichtungen Messung magnetischer Felder Typischer Verlauf der magnetischen Flussdichte an einer Wechselstrom- Widerstandsschweißeinrichtung ms magnetische Flussdichte in µt ms ms Zeit in ms Messbeispiel an einer handgeführten Punktschweißzange S = 100 kva; I = 10 ka Die Messung der elektrischen Feldstärke kann vernachlässigt werden!

25 Widerstandsschweißeinrichtungen Bewertung der Messergebnisse Im Frequenzbereich von 0 Hz bis 91 khz müssen bei impulsförmigen Feldern zur Bewertung der Messergebnisse die zulässigen Werte aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes bzw. der magnetischen Flussdichte ermittelt werden. Schritte der Bewertung Bestimmung der Schweißzeit und Stromflusszeit für einen Schweißvorgang Bestimmung der zeitlichen Dauer eines Impulses/Impulszuges mit anschließender Pause Berechnung des Gewichtungsfaktors V Bestimmung der Frequenz der Feldänderung f P Bestimmung der zulässigen Werte Beurteilung der Exposition Maßnahmen

26 Aktivitäten Auf Initiative der NMBG wird ein Forschungsprojekt gestartet. Dieses umfasst: Messung und Bewertung der magnetischen Felder an Kabelzangen Berechnung der Feldverteilung an einer Kabelzange mittels einer Simulationssoftware Analyse der Wirkungen der magnetischen Felder am Körpermodell Bewertung (Vergleich) der Mess- und Simulationsergebnisse

27 Widerstandsschweißeinrichtungen Beispiele für Widerstandsschweißeinrichtungen Stationäre Einrichtungen Beispiel für eine Buckelschweißmaschine Handgeführte Einrichtungen Beispiel für eine Punktschweißzange

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