T Praxis der Anriebsechnik Band 9 EMV in der Anriebsechnik Ausgabe 04/97 0923 1005 / 0798
Das komplee Programm auf einen Blick Geriebe- und Bremsmooren Sirnradgeriebe/ -mooren Flachgeriebe/ -mooren Kegelradgeriebe/ -mooren Schneckengeriebe/ -mooren Spiroplan -Geriebemooren Spielarme Planeengeriebe/ -mooren Bremsmooren Explosionsgeschüze Drehsrommooren Elekronisch geregele Anriebe Frequenzumricher MOVITRAC MOVIMOT -Geriebemooren Anriebsumricher MOVIDRIVE Servoumricher MOVIDYN Servomooren und -Geriebemooren Gleichsrom-Geriebemooren, -Mooren und -Bremsmooren Mechanische Versellanriebe Breikeilriemen-Versellgeriebemooren VARIBLOC Reibscheiben-Versellgeriebemooren VARIMOT Diensleisungen Technische Beraung Anwender-Sofware Seminare Fachdokumenaion Kundendiens 2
Inhalsverzeichnis 1 Einleiung.... 4 2 Sörmechanismen...... 5 2.1 Verhalen einer Leiung bei höheren Frequenzen.......................... 6 2.2 rsache hochfrequener Sörungen................................ 10 2.3 Sörquellen und ihre Auswirkungen................................ 11 2.3.1 Nezharmonische........................................ 12 2.3.2 Nezschwankungen, Nezunerbrechung, Nezeinbrüche, Überspannungen........... 14 2.3.3 Bliz............................................... 15 2.3.4 Burs............................................... 16 2.3.5 Elekrosaische Enladung.................................... 19 2.3.6 Srahlung............................................ 21 2.4 Koppelmechanismen....................................... 22 2.4.1 Galvanische Kopplung (Leiungskopplung)........................... 24 2.4.2 Indukive Kopplung....................................... 25 2.4.3 Kapaziive Kopplung....................................... 28 2.4.4 Srahlung............................................ 30 2.5 Sörmechanismen bei mrichern................................ 32 2.5.1 Absrahlung........................................... 33 2.5.2 Ableisrom........................................... 34 2.5.3 Nezsromharmonische..................................... 35 3 EMV-Planung... 36 3.1 Einfluß des Sandores der Anlage................................ 37 3.2 Nezqualiä............................................ 38 3.3 Schalschrank-Planung...................................... 39 3.4 Komponenenplanung....................................... 42 3.4.1 Leiungs-Kaegorien....................................... 42 3.4.2 Signalüberragung........................................ 42 4 EMV-Maßnahmen...... 43 4.1 Erdung.............................................. 43 4.2 Verkabelung............................................ 46 4.2.1 Leiungsgruppen und Leiungsauswahl............................. 46 4.2.2 Schirmung............................................ 50 4.2.3 Allgemeine Verkabelungsregeln................................. 53 4.3 Spannungsversorgung...................................... 53 4.3.1 Nezspannung.......................................... 53 4.3.2 Kleinsignalspannungen..................................... 54 4.4 Signalüberragung........................................ 54 4.5 Schalschrankaufbau....................................... 55 4.5.1 Anordnung der Komponenen.................................. 55 4.5.2 Schirmwirkung......................................... 56 4.6 Filereinsaz............................................ 57 4.6.1 Einbauor............................................ 57 4.6.2 Erdung.............................................. 58 4.6.3 Leiungsführung......................................... 58 4.6.4 Filerauswahl........................................... 59 4.7 Einsaz von Ensörkomponenen bei mrichern......................... 61 4.7.1 Nezdrossel........................................... 61 4.7.2 Nezfiler............................................. 64 4.7.3 Ausgangsfiler (Sinusfiler)................................... 66 4.7.4 Ausgangsdrossel........................................ 67 4.7.5 EMV-Modul........................................... 69 4.7.6 Schirmung............................................ 70 5 Normen und Geseze.... 71 5.1 Eineilung in Anwendungsbereiche und deren grundsäzliche Anforderungen.......... 73 5.2 Normen- und Gesezesübersich................................. 75 EMV-Begriffe.... 76 Index... 78 Praxis der Anriebsechnik - Band 9 3
1 Einleiung 1 Einleiung Im Januar 1996 ra innerhalb der Europäischen nion die Richlinie für elekromagneische Verräglichkei (EMV-Richlinie 89/336/EWG) in Kraf. Diese Richlinie ha uner Lieferanen, Anlagenbauern und Bereibern für einige Verwirrung gesorg. SEW biee mi diesem Band aus der Reihe Praxis der Anriebsechnik zusäzliche Informaionen zu dem Thema EMV in der Anriebsechnik. Die Schwerpunkhemen sind hierbei: Sörmechanismen wie es zu EMV-Problemen komm EMV-Planung was schon bei der Projekierung berücksichig werden muß EMV in der Praxis Ausführung und Wirkungsweise von EMV-Maßnahmen Außerdem bieen wir noch einen Überblick über relevane Richlinien und Normen. Weiere Informaionen zu der CE-Kennzeichnung finden Sie in Praxis der Anriebsechnik, Band 8, der sich ausschließlich dem Thema CE-Kennzeichnung in der Anriebsechnik widme. Dieser Band orienier sich nah an prakischen Gegebenheien und Erfahrungen, weshalb auf die wissenschafliche Genauigkei verziche wurde, wenn eine exake Ausführung die Darsellung unnöig komplizier gesale häe. Die Angaben sellen allgemeine Richlinien dar. Aufgrund der Vielfal der Insallaionsmöglichkeien können aber für den Einzelfall keine absoluen Richwere angegeben werden. Für eine exake Projekierung von SEW-Produken nuzen Sie bie die Angaben in den ensprechenden Kaalogen. 4 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 2 Sörmechanismen Die elekromagneische Verräglichkei gewinn in der Anriebsechnik immer mehr an Bedeuung. Beding durch den echnischen Forschri werden immer mehr elekrische und elekronische Komponenen auf immer kleinerem Raum konzenrier. Gleichzeiig seigen die Takfrequenzen der informaionsverarbeienden Geräe und die der Anriebselekronik. Die Gefahr einer gegenseiigen Beeinflussung und dami verbundenen Funkionsbeeinrächigungen wird dadurch immer größer. Bild 1 zeig ein Beispiel für die Beeinflussung einer Meßleiung. 1120 kg 450 kg Bild 1: Beeinflussung einer Meßleiung über Füllsandsmesser, Leiung, Auswerung 100279AXX Dami eine Sörung ensehen kann, müssen grundsäzlich drei Voraussezungen erfüll sein: es muß eine Sörquelle geben es muß eine Sörsenke geben es muß eine Kopplungsmöglichkei zwischen den beiden geben Auch wenn die oben genannen Bedingungen erfüll sind, komm es ers dann zu einer Sörung, wenn die Beeinflussung das zulässige Maß überschreie. Ziel dieses Abschnis is es, die unerschiedlichen Sörquellen sowie die Kopplung der Sörgrößen zu erläuern. Es wird erklär, von welchen Einflußgrößen der Sörpegel abhäng. Außerdem werden Beispiele für die verschiedenen Sörquellen genann. Vorab werden einige Zusammenhänge und Begriffe erklär, um den Zugang zu diesem Kapiel zu erleichern. Die Elekromagneische Beeinflussung ha größeneils ers bei höheren Frequenzen Auswirkungen. Dies bedeue, daß eine sachgemäße Funkion einer Anlage nur dann erreich werden kann, wenn die Insallaion neben den beriebsechnischen Anforderungen auch die Anforderungen der Hochfrequenz (z. B. Erdung, Schirmung, Filerung) erfüll. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 5
2 Sörmechanismen Voraussezungen für den sörungsfreien Berieb einer Anlage sind: eine angemessene Mindes-Sörfesigkei der eingesezen Komponenen eine eingeschränke Söraussendung der eingesezen Komponenen Einen ganz wesenlichen Aneil an der EMV ha die Ar der Insallaion. Am einfachsen kann EMV erreich werden, wenn sie schon bei der Planung berücksichig wird. Nachrägliche Maßnahmen sind im allgemeinen wesenlich umfangreicher. Sie sind of aus Plazgründen überdurchschnilich euer und ziehen zusäzliche Monage- und Sillsandskosen nach sich. Dies gil auch für die Modernisierung und Insandhalung besehender Anlagen. Auch dor ermöglich nur die Berücksichigung in der Planungsphase eine kosengünsige EMV ( Kap. 3). Ampliude [3] [3] = Sörfesigkei [2] [2] = Sörabsand [1] Bild 2: Diagramm mi Söraussendung, Sörabsand und Sörfesigkei Frequenz 200280ADE [1] = Söraussendung Die Auswahl und Insallaion der Komponenen muß für einen sörungsfreien Berieb einen hinreichenden Sörabsand gewährleisen ( Bild 2). 2.1 Verhalen einer Leiung bei höheren Frequenzen m die aufreenden Sörungen zu versehen, is es wichig, das Verhalen einiger Komponenen zu unersuchen. Diese Komponenen können im Niederfrequenz- und Hochfrequenzbereich unerschiedlich reagieren. NF-Bereich = Gleichspannung und Nezwechselspannung HF-Bereich = Frequenzbereich ab 1 MHz, die Grenze is fließend und kann in Abhängigkei von den Abmessungen schon wesenlich iefer beginnen Wesenliche nerschiede im NF- und HF-Bereich werden anhand des Frequenzverhalens einer Leiung gezeig. Berache wird der frequenzabhängige Widersand, die sogenanne Impedanz der Leiung. 6 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Z 100 Ω 10 Ω 1 Ω 100 mω 10 mω 1,5 mm 2 10 mm 2 1mΩ 35 mm 2 100 µω 1 Hz 10 Hz 50 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz Bild 3: Impedanz Z eines Kupferleiers von 1 m Länge in Abhängigkei von der Frequenz f f 300281AXX Das Verhalen der Leiung is durch folgende Punke gekennzeichne: NF-Bereich: der Querschni der Leiung is für die Impedanz enscheidend die Impedanz der Leiung is nur für hermische Gesichspunke wichig (Sromragfähigkei) HF-Bereich: die Länge der Leiung is enscheidend der Querschni der Leiung ha nahezu keinen Einfluß auf die Impedanz die Impedanz der Leiung is ganz wesenlich für das Beriebsverhalen Wodurch is das Verhalen der Leiung zu erklären? Bild 4 zeig einen sromdurchflossenen Leier. I L S B X I = Srom B = Magnefeld L S = Sreuindukiviä X = Leier Y = Isolaion Y Bild 4: Sromdurchflossener Leier 400282AXX m den Leier bau sich ein Magnefeld B auf, das einer Änderung des Sromes I engegenwirk, der Leier wirk wie eine Indukiviä L S. Die Indukiviä für einen geraden, langgesrecken Leier lieg bei ca. 1 µh / m (Länge l >> Durchmesser D). Praxis der Anriebsechnik - Band 9 7
2 Sörmechanismen C P C P C P Bild 5: Zwei Leier uner Spannung 500283AXX Bild 5 zeig zwei Leier mi unerschiedlicher Spannung. Zwischen den Leiern sowie zwischen jedem Leier und Erde bilde sich ein elekrisches Feld aus, die Leier wirken wie die Plaen eines Kondensaors. Die Kapaziä eines solchen ungewollen Kondensaors nenn man Parasiärkapaziä C P. Z 1MΩ L=1mH C=1pF 1kΩ L=1µ H C=1nF C=1µ F L=1nH 1 Ω C=1mF 1mΩ 1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz Bild 6: Impedanz Z eines Kondensaors und einer Spule in Abhängigkei von der Frequenz f f 600284AXX In Bild 6 is die frequenzabhängige Impedanz Z einer Spule und eines Kondensaors dargesell. Das frequenzabhängige Verhalen einer Leiung zeig Bild 7. 8 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 R S L S Ersazschalbild für eine Leiung C P R I R = Serienwidersand S R = Isolaionswidersand I L = Sreuindukiviä S C = Parasiärkapaziä P Z klein L Verhalen einer Leiung im NF-Bereich Z groß Q Z = Längsimpedanz L Z = Querimpedanz Q Z groß L Verhalen einer Leiung im HF-Bereich Z klein Q Bild 7: Ersazschalbild einer Leiung und Verhalen im NF- und HF-Bereich 700285ADE Im NF-Bereich is die Längsimpedanz eines langgesrecken Leiers sehr klein, die Querimpedanz (Isolaionswidersand) hingegen sehr groß. Im HF-Bereich wird die Querimpedanz (Isolaionswidersand) durch die Parasiärkapaziä überbrück. Mi seigender Frequenz wird die Kopplung einer Sörung über die Kabelisolaion immer einfacher, wenn dies nich durch geeignee Maßnahmen unerbunden wird. Die Längsimpedanz nimm mi seigender Frequenz zu. Deshalb werden bei höheren Frequenzen durch geringe Sröme relaiv hohe Spannungsfälle hervorgerufen. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 9
2 Sörmechanismen 2.2 rsache hochfrequener Sörungen Wie kommen hochfrequene Sörungen in eine Anlage, die eigenlich nur mi Gleichspannung oder Nezwechselspannung arbeie? Bild 8 zeig den Frequenzgehal verschiedener Signalformen. Jedes nich-sinusförmige Signal enhäl außer seiner Grundfrequenz auch noch Vielfache der Grundfrequenz, sogenanne Harmonische. Allgemein is der HF-Gehal eines Signals um so größer, je schneller sich die Ampliude des Signals änder. [1] [2] Grundwelle f Grundwelle Oberwellen f Grundwelle Oberwellen f Grundwelle Oberwellen f Bild 8: Signalformen [1] mi ihren Signalspekrumaneilen [2] 800286ADE Dies bedeue, daß z. B. jeder Schalvorgang hochfrequene Signale erzeug, die Sörungen verursachen können. 10 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 2.3 Sörquellen und ihre Auswirkungen Dieser Abschni geh auf unerschiedliche Aren von Sörquellen ein und erläuer anhand von Beispielen den Sörmechanismus sowie dessen Auswirkung. Tabelle 1 zeig eine Auswahl verschiedener Sörquellen. Naürliche Sörquellen z. B. amosphärisches Rauschen galakisches Rauschen Bliz elekrosaische Enladung Tabelle 1: Sörquellen Technische Sörquellen Beabsichige Aussendung z. B. Funkdiense Radar Indukionskochplae Mikrowellenherde HF-Trocknungsanlage nbeabsichige Aussendung z. B. Schaler Leuchsofflampen Mooren Lichbogenschweißanlagen Leisungselekronik Nezgleichricher Digialgeräe (Compuer ec.) Es gib weiere nereilungen nach Frequenzbandbreie (schmalbandig oder breibandig) und Sörverhalen, die je nach Berachungsweise sinnvoll sein können. Gleichsrommoor Seuerung Schaler Leisungselekronik Funkdiense LW MW KW KW TV SAT Radar Leuchsofflampen Bliz Nezgleichricher Compuer 100 Hz 1kHz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz NF-Bereich HF-Bereich Bild 9: Frequenzbereich verschiedener Sörquellen Bild 9 zeig den Frequenzbereich, in dem einige Sörquellen wirksam sind. 900287ADE Bild 10 zeig, bei welchen Abmessungen und Frequenzen leiungsgebundene und eingesrahle Sörungen exisieren: Im Bereich [1] werden Sörsignale haupsächlich über die Anschlußleiungen gekoppel. Sörquelle und Sörsenke sind durch Leiungen mieinander verbunden, die die Sörung ransporieren. Im Bereich [2] wird das Sörsignal zusäzlich von der Sörquelle abgesrahl und kann an der Sörsenke über die Anschlußleiungen oder das Gehäuse eingekoppel werden. Eine direke Verbindung zwischen Sörquelle und Sörsenke is hier nich nowendig. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 11
2 Sörmechanismen l 1000 km 10 km [2] 100 m 1m [1] 1cm 10 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz Bild 10: Bereich von leiungsgebundener [1] und eingesrahler [2] Sörung in Abhängigkei von Sörfrequenz f und Abmessung l (l = Leiungslänge, Geräemaße, Schlizbreie usw.) f 1000767AXX 2.3.1 Nezharmonische Frequenzgehal: haupsächlich im NF-Bereich Energiegehal: energiereich I Z I Z N I N = I Z N N IZ Bild 11: Gleichricher mi Kondensaor am Nez 1100288AXX Bild 11 zeig das Verhalen eines Gleichrichers mi nachgeschaleem Kondensaor am Nez. Da der Kondensaor nur zu den Zeien nachgeladen wird, in denen die Nezspannung höher als die Spannung am Kondensaor is, fließ der Srom in der Zuleiung in Form von kurzen hohen nich-sinusförmigen Nachladespizen. Diese rufen an der Nezimpedanz Z einen Spannungsfall hervor. Dieser mach sich für andere Verbraucher als Verzerrung der Spannung N bemerkbar. Sie is nich mehr sinusförmig ( Kap. 2.1), d. h. sie beinhale Oberwellen, sogenanne Nezharmonische. 12 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Ein Maß für den Oberwellengehal einer Größe (Größe = Srom oder Spannung) is die THD: THD = 50 n= 2 F HG S S n 1 I KJ 2 [F1] THD = oal harmonic disorion (Oberwellengehal) S 1 = Grundwelle von Srom oder Spannung S n = n-e Harmonische von Srom oder Spannung Von Nezharmonischen sprich man bei Nezverzerrungen bis zu einer Frequenz von 2,5 khz. Es handel sich um Sörungen im NF-Bereich. Der Oberwellengehal von Srom oder Spannung is, wie schon in Kap. 2.1 erwähn, um so größer, je schneller die Änderung von Srom oder Spannung is. Ein großer Oberwellengehal kann zu Spizen und Einbrüchen auf der Nezspannung führen, die sark von den normalen Weren abweichen. Die ensehenden Spannungsspizen haben wegen ihrer relaiv langen Dauer von bis zu einigen ms einen hohen Energiegehal und können in Exremfällen zur Zersörung von angeschlossenen Geräen führen. Die Nezharmonischen können permanen oder sporadisch aufreen. Negaives Zusammenwirken von Oberschwingungen und Kompensaionsanlagen Oberschwingungen können im Nez Schwingkreise vorfinden, die in kriischen Fällen zu erheblichen Überspannungen führen. Ein Parallelschwingkreis kann z. B. durch Kondensaoren der Kompensaionsanlage und durch die Haupindukiviä des Versorgungsransformaors gebilde werden. Lieg eine der Harmonischen mi ihrer Frequenz dich an der Resonanzfrequenz, so kann der Nezspannung durch einen Schalvorgang (meis Abschalung von Kondensaoren bei Schwachlas) eine gefährliche Spannungsschwingung überlager werden. m der Gefahr von Nezresonanzen vorzubeugen, empfehlen Kompensaionsanlagen-Herseller ab einem mricher-aneil von ca. 20 25 % der Gesamanschlußleisung verdrossele Kompensaionsanlagen. Nachweis der Schwingungsfähigkei von Nezen, verursach durch Harmonische: Das 50 Hz-Nez wurde durch die 11. Harmonische (= 550 Hz) infolge eines Schalvorganges zum Schwingen angereg. Die Resonanzfrequenz f Res beräg für Phase L1 583 Hz und für Phase L2 592 Hz. 5~=8,4ms = 592 Hz L2 L1 L3 2ms Bild 12: Beispiel für die Schwingungsfähigkei von Nezen 7~=12ms=583Hz 1200745ADE Praxis der Anriebsechnik - Band 9 13
2 Sörmechanismen Beispiele für Erzeuger von Nezharmonischen: Sanfanlasser, Frequenzumricher, Servoumricher, Drehzahlseller Lichbogenofen Indukionsofen Leuchsoffröhren (auch kompensiere) gesäige magneische Kreise (z. B. Transformaor und Drossel in Säigung) Haushalsgeräe wie Radio, Fernseher, Compuer Beispiele für Auswirkungen von Nezharmonischen: Gerä Transformaor Elekromooren Kabel Kondensaoren Meß- und Regeleinrichungen Nullspannungsschaler Auswirkung erhöhe Verluse und Erwärmung, es können Säigungserscheinungen aufreen erhöhe Verluse, Drehzahlschwankungen Erhöhe ohmsche und dielekrische Verluse Erwärmung, Alerung, Resonanzerscheinungen Meßfehler, Funkionseinschränkungen, Funkionsverlus Fehlschalungen Tabelle 2: Auswirkungen von Nezharmonischen Nezharmonische können mi folgenden Maßnahmen verringer werden: mi einer geeigneen Kompensaionsanlage mi einer Nezdrosselspule vor dem Verursacher durch Versorgung mi einem Trennransformaor 2.3.2 Nezschwankungen, Nezunerbrechung, Nezeinbrüche, Überspannungen Frequenzgehal: haupsächlich im NF-Bereich Energiegehal: energiereich [1] [2] [3] [4] 1300289AXX Bild 13: Sörungen im Niederspannungsnez [1] = Nezschwankungen, Flicker [3] = Nezunerbrechung [2] = Nezeinbruch [4] = Nezüberspannung 14 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Bild 13 zeig verschiedene Sörungen im NF-Bereich, die im Niederspannungsnez aufreen können. Geräe, die an einem solchen Nez berieben werden, müssen eine ausreichende Sörfesigkei aufweisen, um einen sörungsfreien Berieb zu gewährleisen. Andererseis muß das Niederspannungsnez eine Mindesqualiä aufweisen, die durch den Bereiber sicherzusellen is. Nezsörungen können folgende rsachen haben: Sörungen mögliche rsachen Auswirkungen Spannungsschwankungen Spannungseinbrüche Spannungsunerbrechungen Überspannungen z. B. Lichbogenöfen, Schweißgeräe, sarke Lasschwankungen (z. B. Fahrsühle, Pressen) Schalen großer Lasen (Anlauf großer Mooren, Elekroheizungen, Elekroöfen usw.), Kurzschlüsse im Spannungsnez... Zuschalen großer Transformaoren, Mooren, Kondensaoren Schalhandlungen im Mielspannungsnez, Gewier, Schalen von unverdrosselen Kompensaionsanlagen Tabelle 3: rsachen von Nezsörungen Beleuchungsschwankungen (Flicker) Drehmomenschwankungen, evl. Beriebssörung Abfall und Prellen von Relais, Abfall der Moorbremse Zersörung von elekronischen Geräen, Beriebssörung 2.3.3 Bliz Frequenzbereich: Auswirkungen im NF- und HF-Bereich Energiegehal: sehr energiereich Magnefeld Vereiler Vereiler Erdschleife 1400290ADE Bild 14: Bliz, direke Einwirkung und Magnefeld Eine der energiereichsen Sörquellen is der Bliz. Er erreich Spannungen im MV-Bereich und Sröme über 100 ka. Bild 14 zeig, daß es haupsächlich zwei Koppelwege für die Blizeinwirkung gib. Einmal is dies bei direkem Einschlag der Srom und der dami aufreende Spannungsfall, der zu erheblichen Überspannungen in der beroffenen Insallaion führen kann. Zum anderen verursach die hohe Blizsromsärke und deren schnelle Änderung sehr sarke Magnefeldänderungen. Ähnlich wie beim Transformaor induzieren diese Magnefeldänderungen in benachbaren Leierschleifen hohe Sröme und Spannungen. Dies kann dazu führen, daß auch hiner einem eingebauem Überspannungsschuz uner ungünsigen Bedingungen unzulässige Überspannungen aufreen. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 15
2 Sörmechanismen Die aufreenden Spannungen können von Funkionssörungen bis zur Zersörung von elekrischen und elekronischen Geräen führen. Durch ein geeignees Konzep bei der Leiungsverlegung können diese Spannungen sehr sark reduzier werden (z. B. Vermaschung und sernförmige Verdrahung). I r = 1,2 µ s 90 % = 50 µ s 90 % d = 8 µ s r = 20 µ s d 50 % 50 % d d r = Ansiegszei d = Impulsdauer / I = Ampliude 10 % 10 % r r Bild 15: Genormer Überspannungspuls nach IEC 801-5 1500799ADE Bild 15 zeig den Normimpuls (Surge oder Hybridimpuls), mi dem die Sörfesigkei gegen die Auswirkung von Blizen im Spannungsnez geese wird. 2.3.4 Burs Frequenzbereich: Auswirkungen haupsächlich im HF-Bereich Energiegehal: gering I M Bild 16: Ensehung eines Burs-Impulses 1600291AXX Mi Burs wird eine Folge schneller ransiener Sörgrößen mi seilen Flanken bezeichne. Burs- Impulse ensehen, wenn elekromechanische Schaler uner Sromfluß geöffne werden. rsache sind in dem Sromkreis vorhandene Indukiviäen, die dafür sorgen, daß der Srom nich sofor auf Null zurückgeh. Diese Indukiviäen können sowohl in konzenrierer Form (Elekromoor, elekrische Bremse, Transformaor, Drossel) als auch in Form einer Zuleiungsindukiviä ( Kap. 2.1) vorliegen. 16 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Der sich öffnende Schaler sell in diesem Fall eine Kapaziä C dar, deren Wer abnimm, wenn der Absand der sich öffnenden Konake zunimm: C = ε A d [F2] C = Kapaziä der Schalerkonake ε = Dielekriziäskonsane A = Fläche der Konake d = Absand der Konake Im Abschalmomen is in der Indukiviä Energie gespeicher. Die Indukiviä präg den Srom nach dem Abschalmomen weier ein. Dieser Srom läd die Kapaziä C des Schalers auf. Es gil dabei folgender Zusammenhang: 1 2 2 1 2 C = W= LI 2 [F3] W = im Sromkreis gespeichere Energie C = Kapaziä der Schalerkonake = Spannung über dem Schalerkonak L = Indukiviä des unerbrochenen Sromkreises I = Srom im Abschalmomen Der durch die Indukiviä eingepräge Srom läd die Schalerkapaziä C auf. Da die Kapaziä des Schalers sehr klein is (einige pf), kann die Spannung über dem Schaler sehr hohe Were erreichen. Wenn der Schaler sich öffne, ha die Lufsrecke zwischen den Konaken noch nich ihre volle Isolaionsfähigkei erreich: es gib einen Überschlag. Der Schalerkondensaor C enläd sich. Nachdem dadurch die Spannung über dem Schaler wieder auf Null gesunken is, wird die Schalerkapaziä erneu durch den Srom aufgeladen. Da sich die Schalerkonake in der Zwischenzei weier voneinander enfern haben, brich die Lufsrecke zwischen den Konaken nun bei einer höheren Spannung durch. Dies wiederhol sich so lange, bis die Isolierfähigkei der Lufsrecke zwischen den Konaken groß genug is, um weiere Überschläge zu verhindern. Der Widersand im Sromkreis (Leiungswidersände, Verbraucher usw.) bedämpf die mladesröme: je größer der Widersand is, deso schneller kling der Burs-Impuls ab. Bild 17: Gemessener Burs-Impuls 1700292AXX Praxis der Anriebsechnik - Band 9 17
2 Sörmechanismen Zwischen den Schalerkonaken kann eine Spannung gemäß Bild 17 gemessen werden. Die Spannung wird um so größer, je größer der Srom im Abschalaugenblick sowie die Indukiviä im unerbrochenen Sromkreis is. Die Spannung wird um so kleiner, je größer die Kapaziä zwischen den Schalerkonaken is. Burs-Impulse erreichen Spannungen von bis zu 10 kv. A B C Bild 18: Beschalungen gegen Burs-Sörungen: A Diodenbeschalung / B Varisorbeschalung / C RC-Beschalung 1800293AXX Bild 18 zeig verschiedene Möglichkeien der Bedämpfung für diese Sörungsar: Variane A beschale die Indukiviä mi einer Diode: der Srom kann sich darüber freilaufen, der Sromfluß in der Indukiviä wird nich unerbrochen und über den Schalkonaken kann sich keine hohe Spannung aufbauen. Diese Beschalung is nur bei Gleichspannung möglich. Variane B beschale die Konake mi einem spannungsabhängigen Widersand, einem sogenannen Varisor. Dieser begrenz die Spannung über dem Schaler. Der Varisor muß dabei so ausgewähl werden, daß er die aufreende Energie W und die Schalhäufigkei verkrafen kann. Die Energie kann mi [F3] abgeschäz werden. Diese Schalungsvariane is für Gleich- und Wechselspannung geeigne. Variane C beschale die Konake mi einem RC-Glied: die Spannung über dem Konak sink mi seigender Kapaziä, der Widersand sorg für ein schnelles Abklingen des aufreenden Schalimpulses. Die Beschalungen B und C können sowohl am Schaler als auch an der Indukiviä vorgenommen werden. Für elekrische und elekronische Geräe wird eine der mgebung angemessene Sörfesigkei gegen Burs-Impulse geforder. Bild 19 zeig den dafür definieren Normimpuls. 90 % 50 % 10 % r d Einzelpuls Parameer: r = 5 ns (Ansiegszei) d = 50 ns (Impulsdauer) f = 2,5 / 5 khz (Wiederholfrequenz) = 0,5 / 1 / 2 / 4 kv (Ampliude) Pulse mi Wiederholfrequenz f 15 ms 285 ms 15 ms 285 ms 15 ms Bild 19: Genormes Burs-Prüf-Signal nach IEC 801-4 1900294ADE 18 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Prinzipiell ähnliche Sörsignale ensehen bei der Verwendung von Halbleierschalern. Dor muß durch geeignee Schalungsmaßnahmen sichergesell werden, daß die aufreenden Überspannungen nich zur Zersörung der Halbleier führen. Die mi Halbleierschalern möglichen hohen Schalraen können zu einem erheblichen Sörpegel führen. Die sehr kurzen Schalzeien erzeugen Sörsignale mi sehr hochfrequenen Aneilen. Beispiele für mögliche Auswirkungen von Burs-Impulsen: Absurz oder Sörung von Compuern und Leirechnern Verfälschung von Analogsignalen Fehlschalungen von Näherungsschalern und anderen Schalern Zersörung von empfindlichen Halbleiern Beim Burs handel es sich um eine hochfrequene Sörung, die leich benachbare Leiungen beeinflussen kann. 2.3.5 Elekrosaische Enladung Frequenzbereich: Auswirkungen im HF-Bereich Energiegehal: gering 18 u max u R - - - - - - - - - + + + + + + + + 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 - - - - - - - - u [s] u max 16 [kv] 14 12 10 8 6 4 2 Gummi-Belag PVC-Belag 0 20 40 60 80 100 Relaive Luffeuchigkei [%] Bild 20: Elekrosaische Aufladung 2000295ADE Beweg sich eine Person mi Gummisohlen über einen synheischem Teppich, so kann eine elekrosaische Aufladung beobache werden. Dieser Effek ri auch bei anderen Maerialien auf. Näher sich diese Person einem ungeladenen leienden geerdeen Gegensand, so erfolg eine elekrosaische Enladung (engl. ESD = elecrosaic discharge). Elekrosaische Aufladung erfolg durch das Trennen zweier sich berührender Maerialien, von denen zumindes eines ein Isolaor sein muß, da die Ladungen ansonsen gleich wieder abfließen. Elekrosaische Aufladungen ensehen zum Beispiel beim Gehen auf isolierenden Teppichen, beim Aufsehen von Sühlen, bei der Handhabung von Kunssoffeilen, beim Ablaufen von Kunssoff- und Papierbahnen von Rollen, beim Fließen isolierender Flüssigkeien durch Leiungen usw. Bei ungünsiger Maerialkombinaion und geringer Luffeuchigkei können Spannungen bis zu 30 kv beobache werden. Beim Enladen ensehen sehr schnelle, impulsförmige Sröme, die Sörungen verursachen können. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 19
2 Sörmechanismen Elekrosaische Enladungen können auch in und an Geräen aufreen, wenn die Voraussezungen dafür vorhanden sind. 100 % 90 % 50 % 10 % 0,5-5 ns 30 ns 60 ns Bild 21: Genormer ESD-Impuls nach IEC 801-2 2100296ADE Für elekrische und elekronische Geräe wird eine der mgebung angemessene Sörfesigkei gegen ESD geforder. Bild 21 zeig den Normimpuls. Die Enladung erfolg in sehr kurzer Zei, der Impuls ha ein hochfrequenes Spekrum. Der hochfrequene Sromsoß, der bei der Enladung enseh, kann vor allem Halbleierschichen beschädigen oder zersören. Die elekrosaische Aufladung kann durch leiende Bodenbeläge, spezielle Schuhe, Erdungsbänder und ähnliches vermieden werden. Mögliche Auswirkungen: Sörungen von Digialsysemen Zersörung von Halbleiern, schleichende Defeke Bei ESD handel es sich um eine hochfrequene Sörung, die leich benachbare Leiungen beeinflussen kann. 20 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 2.3.6 Srahlung Frequenzbereich: HF-Bereich Energiegehal: meis gering, kann jedoch in Sonderfällen sehr groß werden (z. B. in direker Nähe zu Fernseh- und Radiosendern) 1120 kg 450 kg Bild 22: Sörung durch Srahlung über Füllsandsmesser, Leiung, Anzeige 2200279AXX Bild 22 zeig, wie eine Sörung durch Srahlung über eine Leiung auf eine Sörsenke koppeln kann. Die Meßleiung wirk in diesem Fall als Empfangsanenne. Wesenlich für die Särke der Kopplung is dabei die Wellenlänge λ der Srahlung und die Länge der Leiung. Es gil folgender Zusammenhang: λ= c f [F4] λ = Wellenlänge der Srahlung in Luf in m, z. B. 30 m bei 10 MHz c = Lichgeschwindigkei (ca. 300.000.000 m/s) f = Frequenz der Srahlung in Hz Als Fausregel kann davon ausgegangen werden, daß die Leiung wesenliche Srahlungskomponenen empfangen kann, sobald ihre Länge ein Zehnel der Wellenlänge erreich. Die Leiung wirk als Empfangsanenne. mgekehr gil, daß eine Leiung, die ein hochfrequenes Signal ransporier, ab einer Länge von einem Zehnel der Wellenlänge merklich mi dem Absrahlen des Signals beginn. Sie wirk als Sendeanenne. Als Gegenmaßnahme können Geräe in Meallgehäuse monier werden (Faradayscher Käfig), Leiungen können geschirm werden ( Kap. 4.2.1). Über Schirmunerbrechungen, Gehäuseschlize und Praxis der Anriebsechnik - Band 9 21
2 Sörmechanismen Gehäusedurchbrüche, die 10 % der Wellenlänge erreichen, können jedoch wieder merkliche Signalaneile abgesrahl oder empfangen werden. Mögliche Sörsender: Radiosender, Fernsehsender, Mobilelefon, Sprechfunkgeräe HF-Maerialrocknungsanlagen, Mikrowellenöfen Lichbogenschweißgeräe kurze, pulsförmige Sörungen (ESD, Burs...) hochfrequen geakee Syseme (Compuer, Prozeßrechner ec.) Mögliche Auswirkungen: verfälsche Analogsignale Fehlfunkionen Fehlmessungen 2.4 Koppelmechanismen Im lezen Abschni wurden verschiedene Sörquellen beschrieben. Hier soll nun berache werden, auf welchen Wegen die Sörungen S zur Sörsenke gelangen. Es werden vier Kopplungsaren unerschieden, wobei es sich bei den lezen drei im Prinzip um unerschiedliche Erscheinungsformen der Srahlungskopplung handel: galvanische Kopplung indukive Kopplung kapaziive Kopplung Srahlung Je nach Ausbreiungsweg der Sörung werden zwei unerschiedliche Sörungsaren unerschieden: Gegenaksörung (Bild 23) Gleichaksörung (Bild 24) Gegenaksörung (symmerische Sörung): Sie dominier bei niedrigen Frequenzen; der Sörsromkreis wird durch die vorhandenen Leiungen geschlossen. Ein Sörsrom I S verursach hier direk einen Sörspannungsfall am Meßwidersand R. S I S + IS R R I S Bild 23: Gegenaksörung 2300297AXX S = Sörung I S = Sörsrom 22 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Gleichaksörung (unsymmerische Sörung): Der Sörsromkreis wird hier durch parasiäre Kapaziäen C P geschlossen. Da diese bei niedrigen Frequenzen eine hohe Impedanz besizen, können Gleichaksörungen im NF-Bereich vernachlässig werden. Nennenswere Sörsröme I S1 und I S2 fließen ers bei höheren Frequenzen. Am Meßwidersand R wirk sich hier der unerschiedliche Spannungsfall an Hin- und Rückleier S1 S2 aus. Im HF-Bereich sellen Gleichaksörungen das Haupproblem dar. Sie sind of sehr schwierig zu ermieln, da nich immer ersichlich is, wo der Sörsromkreis durch parasiäre Kapaziäen geschlossen wird. S I S1 R I S2 C P S1 S2 CP I S1 + I S2 Bild 24: Gleichaksörung 2400298AXX S = Sörung I S1 = Sörsrom 1 I S2 = Sörsrom 2 C P = Parasiärkapaziä Praxis der Anriebsechnik - Band 9 23
2 Sörmechanismen 2.4.1 Galvanische Kopplung (Leiungskopplung) Frequenzbereich: sowohl im NF- als auch im HF-Bereich wirksam I I & A Z 1 1 B 1 = I Z 1 I Z Bild 25: Beispiel für galvanische Kopplung 2500299AXX Galvanische Kopplung ri auf, wenn mehrere Sromkreise sich Spannungsquellen, Leierzüge, Leiungen o. ä. eilen. Bild 25 zeig das zugrunde liegende Prinzip. Der Srom in Sromkreis A (Digialschalung) verursach an der gemeinsamen Impedanz Z einen Spannungsfall. Dieser Spannungsfall mach sich in Sromkreis B (Analogschalung) als Versorgungsspannungseinbruch bemerkbar. Der Spannungsfall is um so größer, je größer der Srom und je größer die gemeinsame Koppelimpedanz Z is. Die galvanische Kopplung zwischen zwei Sromkreisen kann mi folgenden Maßnahmen verringer werden: gerenne Versorgung von Leisungssromkreisen und Kleinsignalsromkreisen Verringerung der Koppelimpedanz Z durch sernförmige Verdrahung; der Sernpunk solle so nah wie möglich an der Versorgungsquelle liegen, da für höhere Frequenzen die Impedanz der Zuleiung in erser Linie durch deren Länge besimm wird ( Kap. 2.1, Bild 3). 24 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 2.4.2 Indukive Kopplung Frequenzbereich: sowohl im NF- als auch im HF-Bereich wirksam I L + S B S Bild 26: Indukive Kopplung zwischen Moorzuleiung und Seuersromkreis auf Leierplae 2600300AXX I L = Srom in der Moorzuleiung B = Magnefeld S = Sörspannung In Kap. 2.1 wurde beschrieben, daß sich um jeden sromdurchflossenen Leier ein Magnefeld B aufbau, das dem Srom I L durch den Leier proporional is. Durchdring dieses Magnefeld eine senkrech dazu liegende Leierschleife, so wird dor eine Spannung induzier, wenn das Magnefeld seine Särke änder (Transformaor-Prinzip). Die Spannung is proporional der Leierschleifen-Fläche und der Särke der Magnefeldänderung. Dies bedeue, daß eine Sörspannung nur induzier wird, wenn sich die Sromsärke im Laskreis änder (Wechselsrom oder geschaleer Gleichsrom). Ein konsaner Gleichsrom verursach hier keine Sörspannung. Folgende Fakoren haben Einfluß auf die Sörspannung: Der Absand: Die Sörspannung sink mi wachsendem Absand zwischen Laskreis und gesörem Kreis. Die Orienierung: Lieg die Leierschleife parallel zu den Magnelinien, so wird keine Sörspannung induzier. Bei einem rechen Winkel zwischen Leierschleife und Magnelinien ri die maximale Sörspannung auf. Die Frequenz: Mi seigender Frequenz des Lassromes wird die Sörspannung größer. Die Fläche der Leierschleife: Die Sörspannung is proporional der Fläche der Leierschleife. Sörspannungen können sich auch ausbilden, wenn die Leierschleife im Magnefeld beweg wird (Dynamo-Prinzip), z. B. durch Vibraion. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 25
2 Sörmechanismen Maßnahmen gegen indukive Kopplung Verdrillung Besonders effekiv zur Verringerung der indukiven Kopplung is die Verdrillung von Hin- und Rückleier (Bild 28). Es werden dabei viele kleine Flächen A gebilde, in die Teilsörspannungen mi abwechselnden Vorzeichen induzier werden. Am Meßwidersand is nur noch eine kleinere Sörspannung wirksam. Die Sörspannung wird im allgemeinen nich exak null, da die Schleifenflächen A nich gleich sind und weil das Magnefeld B in den Schleifen unerschiedlich is (z. B. wegen unerschiedlichem Absand zur Sörquelle). Die Verdrillung wird effekiver, je kleiner die Schleifenflächen sind. Dies erreich man durch eine größere Schlagzahl. B A A A A A A A A S S S S S S S B S S S S S S S = + + + + + + + B A S S S S S S S 2700696AXX Bild 27: nverdrille Zuleiung mi Magnefeld B, Schleifenflächen A und Teilsörspannungen S B A A A A A A A A S S S S S S S B S S S S S S S = + - + - + - + B A S S S S S S S 2800697AXX Bild 28: Verdrille Zuleiung mi Magnefeld B, Schleifenflächen A und Teilsörspannungen S 26 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Schirmung B S A R A R A E E E Bild 29: Schirmung gegen magneische Felder 2900698ADE B = Magnefeld E = Schirmerdung A E = Erdschleifenfläche A R = Resschleifenfläche S = Schirm Bild 29 zeig, wie ein Schirm aus elekrisch leifähigem Maerial gegen indukive Kopplung wirk, indem er die für die Kopplung wirksame Fläche verkleiner (Schirme aus magneischem Maerial werden in Abschni 2.4.4 erklär). Dies bedeue auch, daß ein Schirm aus nichmagneischem Maerial nur dann wirken kann, wenn der Schirm an beiden Enden aufgeleg wird, da er ansonsen keine Kurzschlußschleife für das Sörmagnefeld bilde. Am Meßwidersand fäll nur eine kleine Sörspannung ab. Der Schirm schließ den Haupeil der Sörspannung kurz, auf dem Schirm fließ ein Kurzschlußsrom, der hohe Were erreichen kann. Zur Vermeidung zu großer Schleifensröme kann ein Ende des Schirmes über einen Kondensaor aufgeleg werden. Bild 30: Ein Schirmende über Kondensaor aufgeleg 3000870AXX Die Schirmung is um so effekiver, je kleiner die Resschleifenfläche is. Deshalb müssen die ungeschirmen Anschlüsse der Leiungen möglichs kurz gehalen werden. Auch die Anschlußlängen des Schirms müssen möglichs kurz gehalen werden. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 27
2 Sörmechanismen 2.4.3 Kapaziive Kopplung Frequenzbereich: HF-Bereich L S C P C P C P I S R M I M M = I R M M S I R Bild 31: Kapaziive Kopplung zwischen Leisungs- und Signalleiung 3100699AXX Zwei benachbare Leiungen besizen eine Parasiärkapaziä ( Kap. 2.1). Finde auf einer Leiung eine Spannungsänderung sa, so fließ über die Parasiärkapaziä C P ein Sörsrom I S in die benachbare Leiung und ruf am Meßwidersand eine Sörspannung hervor. Für den Sörsrom gil folgende Formel: IS = CP [F5] I S = Sörsrom C P = Parasiärkapaziä = Spannungsänderung auf der sörenden Leiung = Dauer der Spannungsänderung Folgende Fakoren haben einen Einfluß auf den Sörsrom: Der Eingangswidersand R: Je hochohmiger der Eingangswidersand is, um so höher is die Sörspannung, die durch den Sörsrom verursach wird. Der Absand der Leiungen: Je größer der Absand, deso kleiner die Parasiärkapaziä, um so kleiner der Sörsrom. Die Parasiärkapaziä wächs mi kleinerem Leiungsabsand (dies ensprich dem Absand der Kondensaorplaen) und mi der Länge, über die die Leiungen parallel liegen (die Länge mal dem Leierdurchmesser ensprich in ewa der Fläche der Kondensaorplaen) ( Kap. 2.3.4, [F2]). Die Ampliude der Sörspannung: Der Sörsrom wächs mi seigender Ampliude der Spannung auf der sörenden Leiung. Die Flankenseilhei der Sörspannung (Änderungsgeschwindigkei): Der Sörsrom seig mi seigender Flankenseilhei der Sörspannung. 28 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Maßnahmen gegen kapaziive Kopplung Schirmung C P C P C P I S I M Bild 32: Einseiige Schirmerdung 3200700AXX Für die Schirmung gegen kapaziive Kopplung genüg es heoreisch, den Schirm nur an einem Ende aufzulegen, da der geerdee Schirm den Gegenpol des parasiären Kondensaors bilde. Der abgeschirme Innenleier befinde sich in einem Faradayschen Käfig. Der Sörsrom fließ nun über den Schirm ab. Die einseiige Schirmerdung wirk jedoch nich gegen Magnefelder ( Kap. 2.4.2); es empfiehl sich daher prakisch immer die beidseiige Schirmerdung. Die zur Kopplung nowendigen parasiären Kondensaoren werden ers bei hohen Frequenzen niederohmig, so daß die kapaziive Kopplung prakisch nur im HF-Bereich aufri. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 29
2 Sörmechanismen 2.4.4 Srahlung Durch Srahlung können Sörungen auf einer Signalleiung in einen Sromkreis überragen werden ( Bild 1 und 22). Die Leiungen und Sromkreise wirken dabei wie Sende- und Empfangsanennen. Elekrisches Feld Magneisches Feld Ausbreiungsrichung Bild 33: Elekromagneische Welle 3300701ADE Bei höheren Frequenzen werden Signale in zunehmendem Maße abgesrahl und bewegen sich in Form einer Welle for (abhängig von der Leiungslänge ( Kap. 2.3.6)). Beispiel: Frequenz: f = 30 MHz ( Kap. 2.3.6, [F4]) Wellenlänge: λ =10m Eine Leiung der Länge λ / 10 = 1 m srahl schon merklich ab und empfäng schon merkliche Signalaneile. Bild 33 zeig, daß elekromagneische Wellen eine magneische und eine elekrische Komponene besizen. Die Komponenen sind fes mieinander verknüpf, d. h. ein magneisches HF-Feld erzeug ein elekrisches HF-Feld und umgekehr. Die Energie der Welle pendel zwischen den beiden Komponenen. Wird eine Komponene gedämpf, so wird die gesame Welle gedämpf. Das Verhälnis der beiden Komponenen wird Wellenwidersand Z genann und is abhängig vom Ausbreiungsmedium und vom Absand zum Sender: Z E = H [F6] Z = Wellenwidersand (in Luf, wei weg vom Sender: 377 Ohm) E = Feldsärke des elekrischen Feldes H = Feldsärke des magneischen Feldes 30 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Im wesenlichen gib es zwei Grundformen von Anennen: Magneisches Feld Elekrisches Feld I Magneischer Dipol I Leierschleife = Empfangsanenne Leierschleife = Sendeanenne Leier = Empfangsanenne I Elekrischer Dipol Leier = Sendeanenne I Bild 34: Magneischer Dipol und elekrischer Dipol 3400702ADE Magneischer Dipol: Jede Leierschleife kann sowohl als Sende- als auch als Empfangsanenne wirken. Sie wirk dabei als magneischer Dipol, der ein magneisches Feld absrahl oder empfäng. rsache für die Absrahlung is der Srom, der in der Leierschleife fließ. Beim Empfang wird ein Srom in der Schleife induzier. Die unere Grenzfrequenz lieg um so iefer, je größer die Fläche der Schleife is. Nahe am magneischen Dipol is das Magnefeld die dominierende Komponene der Welle. Ensörmaßnahmen wirken daher nahe am magneischen Dipol nur dann effekiv, wenn sie das Magnefeld beeinflussen. Elekrischer Dipol: Jeder Leier kann sowohl als Sende- als auch als Empfangsanenne wirken. Er wirk dabei als elekrischer Dipol, der elekrische Felder absrahl oder empfäng. rsache für die Absrahlung is der Spannungsfall, der längs der Leiung aufri. Beim Empfang wird eine Spannung in dem Leier induzier. Die unere Grenzfrequenz lieg um so iefer, je länger der Leier is. Nahe am elekrischen Dipol is das elekrische Feld die dominierende Komponene der Welle. Ensörmaßnahmen wirken daher nahe am elekrischen Dipol nur dann effekiv, wenn sie das elekrische Feld beeinflussen. Maßnahmen gegen Srahlung: Schirmung Ein wirksames Miel gegen elekromagneische Srahlung is die Schirmung. Der Schirm wirk im wesenlichen dadurch, daß er eine Komponene der elekromagneischen Welle kurzschließ. Da beide Komponenen mieinander verknüpf sind, wird dadurch die andere Komponene mi bedämpf. Mi einem elekrisch leifähigen Schirm (meis Kupferschirm) wird die elekrische Feldkomponene kurzgeschlossen und mi einem magneisch leifähigen Schirm (meis hochpermeable Maerialien) die magneische Komponene. Der elekrisch leifähige Schirm is überall dor effekiv, wo die Welle eine wesenliche elekrische Komponene ha. In der Nähe eines magneischen Dipols besiz er nur eine sehr geringe Wirksamkei, die allerdings mi seigender Schirmdicke zunimm (das Magnefeld wird durch Wirbelsröme, die sich im Maerial ausbilden, kompensier). Dünne Folien und aufgebrache Meallschichen sind aus diesem Grund für eine effekive Schirmung dor nich geeigne. Der elekrisch leifähige Schirm is vor allem für den höherfrequenen Bereich geeigne. Die wesenliche Eigenschaf des magneisch leifähigen Schirms is die Permeabiliä des Maerials. Da die Permeabiliä bei hohen Frequenzen sark nachläß, wird der magneische Schirm haupsächlich bei ieferen Frequenzen in der Nähe von magneischen Dipolen eingesez. Die Wirkung bei höheren Frequenzen beruh haupsächlich auf Magneisierungsverlusen im Schirmmaerial, der magneische Schirm wirk wie ein Bedämpfungswidersand für die Welle. Da der magneische Schirm gegenüber dem elekrischen Schirm relaiv euer is, finde er nur in wenigen Fällen Anwendung. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 31
2 Sörmechanismen 2.5 Sörmechanismen bei mrichern Beim Berieb von mrichern mi Gleichspannungs-Zwischenkreis reen einige Effeke auf, die nur mi genauer Kennnis der Funkionsweise erklärbar sind. Ein mricher erzeug aus der sinusförmigen Nezwechselspannung eine Ausgangsspannung, deren Ampliude und Frequenz in einem weien Bereich versell werden kann. Hierzu wird die Nezspannung zu der sogenannen Zwischenkreisspannung gleichgeriche. Aus dieser Zwischenkreisspannung wird mi Hilfe eines Wechselrichers eine pulsförmige Ausgangsspannung erzeug. Mi einem Regler wird die Pulsbreie der Ausgangsspannung so variier, daß sich an der Indukiviä des Moors ein annähernd sinusförmiger Srom einsell (Pulsweienmodulaion = PWM). Das Schalen der Ausgangsspannung is nowendig, um die Verluse im Wechselricher klein zu halen und dami einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Bild 35 zeig das Prinzipschalbild eines mrichers mi Gleichspannungs-Zwischenkreis. M Bild 35: Prinzipschalbild eines mrichers mi Gleichspannungs-Zwischenkreis 3500769AXX Die geakee Ausgangsspannung und der Ausgangssrom sind in Bild 36 dargesell. Die Flankenseilhei der Recheckimpulse is sehr groß, es werden Were von einigen kv/µs erreich. I Bild 36: Ausgangsspannung und Ausgangssrom eines mrichers 3600770AXX 32 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 Gemäß Kap. 2.2 enhäl ein Signal um so mehr hochfrequene Aneile, je größer die Spannung und die Flankenseilhei des Signals is. Da bei einem Frequenzumricher beide Größen sehr hohe Were annehmen, is der Sörpegel ensprechend hoch. Bild 37 zeig ein ypisches Frequenzspekrum der Ausgangsspannung. Takfrequenz des mrichers 100 V Abfall proporional 1/f 1 Ansiegszei der Ausgangsspannung 1 V Abfall proporional 1/f 2 10 mv 100 µ V 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHZ Bild 37: Hüllkurve des Frequenzspekrums der Ausgangsspannung eines mrichers f 3700771ADE Die grundsäzliche Funkionsweise eines mrichers ha einige ypische Sörmechanismen zur Folge, die nun genauer berache werden sollen. 2.5.1 Absrahlung Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichers enhäl funkionsbeding hochfrequene Komponenen. In Abhängigkei von der Schalgeschwindigkei der Leisungshalbleier im Wechselricher (meis IGBTs) besizen die Spannungskomponenen nich vernachlässigbare Aneile bis zum Frequenzbereich um 100 MHz. Gemäß Kap. 2.3.4 [F2] erfolg also schon bei kleinen Leiungslängen eine merkliche Absrahlung. Dies kann dazu führen, daß für das Einsazgebie exisierende Absrahlungsgrenzwere überschrien werden und Sörungen auf benachbare Leiungen koppeln können. Folgende Maßnahmen wirken dem engegen: Schirmung Durch sachgereche Schirmung kann die Absrahlung deulich verminder werden. Der Schirm muß dazu beidseiig aufgeleg werden ( Kap. 4.2.2). Die Schirmwirkung kann bei größeren Leiungslängen dadurch verbesser werden, daß der Schirm über der Länge mehrmals aufgeleg wird. Auch die Verlegung mi einer Sahlarmierung, in einem meallischen Rohr oder in einem meallischen Kabelkanal dämpfen die Absrahlung, wenn auch nich so effekiv wie ein Kupferschirm. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 33
2 Sörmechanismen Ferrikerne Ferrikerne wirken für hohe Frequenzen wie die Serienschalung einer Indukiviä und eines Widersandes. Zusammen mi der Leiungskapaziä bilde der Ferrikern einen Tiefpaßfiler, mi dem die Flanken der Ausgangsspannung verschliffen werden. Es is dami bei geeigneer Auslegung möglich, die exisierenden Absrahlungsgrenzwere zu erfüllen. Auch das Sörpoenial der Ausgangsleiung wird dadurch deulich verringer. Denselben Effek ha ein sogenannes Flankenbrecher-Filer; dor sind schon kleine Kondensaoren eingebau. Ausgangsfiler (Sinusfiler) Ein Sinusfiler erzeug aus der geakeen Ausgangsspannung eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung. Bei geeigneem Fileraufbau wird der Sörpegel auf der Leiung und dami auch die Absrahlung sehr sark verringer. 2.5.2 Ableisrom I I Nez- Trafo Nezzuleiung mricher Moorleiung Ableisrom Ableisrom M Ableisrom Ableisrom Bild 38: mricher mi Ausgangsleiungen und Moor 3800772ADE Wie in Kap. 2.1 dargesell, besiz jede Leiung eine Parasiärkapaziä. Über diese Kapaziä fließen, verursach durch die geakee Ausgangsspannung, hochfrequene Sröme gegen Erde ab, sogenanne Ableisröme. Diese Sröme können in Form von kurzen, spizen Nadelimpulsen gemessen werden. In einer Anlage mi ungenügendem, nich HF-gerechem Poenialausgleich können diese Ableisromspizen Poenialsprünge hervorrufen, die zu Sörungen führen. Die Ableisröme verursachen außerdem hochfrequene Magnefelder, die in Leierschleifen Sörspannungen induzieren können. Die Parasiärkapaziä einer Leiung wird durch Schirmung deulich (ypisch Fakor 2 3) erhöh. Es kann daher in ungünsigen Fällen durch Schirmung der Ausgangsleiungen zu Sörungen kommen, da durch eine Erhöhung der Parasiärkapaziä die Ableisröme zunehmen und einen größeren HF-Aneil bekommen. In solchen Fällen müssen Ausgangsfiler oder Ferrikerne ansa geschirmer Leiungen zur Ensörung verwende werden. Das wichigse Ensörmiel gegen die Auswirkungen von hochfrequenen Ableisrömen is ein hochfrequenzgereches Erdungskonzep in Schalschrank und Anlage. Bei mrichern lieg der Ableisrom üblicherweise über 3,5 ma. Dies sell besondere Ansprüche an die Erdung ( Kap. 3.3). 34 Praxis der Anriebsechnik - Band 9
Sörmechanismen 2 2.5.3 Nezsromharmonische Bild 35 zeig den prinzipiellen Aufbau eines mrichers. Im Nezeingang arbeie ein Gleichricher auf einen Zwischenkreiskondensaor zur Energiepufferung. Diese Anordnung kann nur dann vom Nez nachgeladen werden, wenn der Momenanwer der Nezspannung über dem Momenanwer der Zwischenkreisspannung lieg (Bild 39). gleichgerichee Nezspannung Spannung am Zwischenkreiskondensaor I Nezspannung Phase-Phase Nezsrom Bild 39: Spannungen und Sröme im mricher 3900773ADE Der Nezsrom is nich sinusförmig, er enhäl hochfrequene Harmonische, die zu einer Verzerrung der Nezspannung führen. Wie in Kap. 2.3.1 ausgeführ, ha dies erhöhe Verluse und Funkionseinschränkungen zur Folge. Die Nezharmonischen verursachen außerdem einen im Vergleich zum Ausgangssrom deulich höheren Nezsrom. Tabelle 4 zeig den ypischen Aneil von Harmonischen im Nezsrom verschiedener Frequenzumricher bei Vollas. Harmonische herkömmliches Gerä herkömmliches Gerä mi Nezdrossel 5. 86 % 42 % 25 % 7. 72 % 17 % 13 % 11. 42 % 8 % 9 % Ausgangssrom 7,3 A 7,3 A 7,3 A Nezsrom 9,4 A 6,9 A 6,7 A modernes Gerä mi schlankem Zwischenkreis (z. B. MOVITRAC 31) Tabelle 4: Aneil der Nezharmonischen bezogen auf die Grundwelle bei verschiedenen 3 kw-mrichern Die Were moderner mricher mi schlankem Zwischenkreis liegen nahe dem heoreischen Wer, der mi Nezgleichrichung erreich werden kann; auch mi einer Nezdrossel kann hier keine weiere Verbesserung erreich werden. Bessere Were sind nur noch durch Verwendung eines Trennransformaors oder durch eine sehr aufwendige Eingangsbeschalung mi sinusförmiger Nezsromennahme zu erreichen. Durch eine Kompensaionsanlage kann der Oberwellengehal verringer werden. Kompensaionsanlagen-Herseller empfehlen ab einem mricher-aneil von ca. 20 25 % der Gesamanschlußleisung verdrossele Kompensaionsanlagen, um der Gefahr von Nezresonanzen zu begegnen. Praxis der Anriebsechnik - Band 9 35