Reduzierung von Störströmen

Heut­zu­ta­ge wer­den in der Pro­zes­s­au­to­ma­ti­sie­rung Elek­tro­mo­to­ren aus­schließ­lich mit­tels Fre­quenz­um­rich­ter be­trie­ben. Ne­ben dem Vor­teil der va­ria­blen Dreh­zahl, bie­tet die­se Art der An­steue­rung be­acht­li­che Ver­bess­se­run­gen im Hin­blick auf En­er­gie- und Pro­zes­s­ef­fi­zi­enz. Prin­zip­be­dingt bil­den sich auf­grund der An­steue­rung al­ler­dings un­ter­wünsch­te Ne­ben­ef­fek­te aus und es ent­ste­hen Ab­leit­strö­me. Je mehr Kom­po­nen­ten be­tei­ligt sind, des­to grö­ßer ist das Ri­si­ko von sol­chen Stö­run­gen. Gleich­zei­tig wer­den die Bau­räu­me in Ma­schi­nen und An­la­gen im­mer klei­ner. Um teu­re Pro­duk­ti­ons­aus­fäl­le in der Smart Fac­to­ry zu ver­mei­den, muss da­her am bes­ten schon wäh­rend der Pla­nungs­pha­se das The­ma EMV be­rück­sich­tigt wer­den.

Ka­bel­de­sign neu ge­dacht

Wie Stö­run­gen in­ner­halb von Ver­bin­dungs­lö­sun­gen na­he­zu eli­mi­niert wer­den kön­nen, hat LAPP ge­ra­de im Rah­men des „PE­PA“-For­schungs­pro­jek­tes des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz un­ter Be­weis ge­stellt. Ne­ben LAPP sind an dem Pro­jekt die Fir­men SEW-EU­RO­DRI­VE, BLOCK, Dan­foss, MA­GNE­TEC und die Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Darm­stadt be­tei­ligt. Hier führt LAPP das Ar­beits­pa­ket 4: Kopp­lun­gen zwi­schen be­nach­bar­ten Lei­tun­gen so­wie mit An­la­gen­tei­len. Mes­sun­gen und Op­ti­mie­run­gen der Ka­bel­kon­struk­ti­on. Des­sen Ziel ist es, ei­ne fir­men­über­grei­fen­de For­schung an ei­nem kom­ple­xen The­ma aus der Au­to­ma­ti­sie­rungs-/An­triebs­welt, bei dem es ins­be­son­de­re auf die kor­rek­te Aus­wahl der Ver­bin­dungs­kom­po­nen­ten so­wie der fach­ge­rech­ten In­stal­la­ti­on die­ser an­kommt, zu for­cie­ren.

Ge­gen­stand der Un­ter­su­chung war die Fra­ge, wa­rum es in In­dus­trie­an­la­gen, in de­nen Fre­quenz­um­rich­ter-ge­steu­er­te Mo­to­ren ein­ge­setzt wer­den, sehr oft zu un­er­wünsch­ten Strö­men auf den Po­ten­ti­al­aus­gleichs­lei­tun­gen (PA) oder Schutz­erd­lei­tun­gen (PE) kommt. Durch die ge­tak­te­te An­steue­rung (Puls­wei­ten-Mo­du­la­ti­on) wer­den Stör­strö­me im Be­reich von rund 3 kHz bis 1 MHz an­ge­regt, wel­che über Ge­häu­se­tei­le, PA-/PE-Lei­ter/-Net­ze und im schlimms­ten Fall über die Schir­mung von Da­ten­lei­tun­gen in Rich­tung Erd­po­ten­ti­al be­zie­hungs­wei­se zur Quel­le ab­flie­ßen. Hoch­fre­quen­te Aus­gleich­strö­me mit ei­ner Am­pli­tu­de von 10 A oder mehr sind hier­bei kei­ne Sel­ten­heit. Die Fol­gen sind un­zu­läs­sig ho­he Strö­me auf der Schutz­er­de und da­durch ver­meint­lich feh­ler­haft aus­lö­sen­de FI-Schutz­schal­ter (RCD) oder Be­ein­träch­ti­gung der Da­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on, wenn bei­spiels­wei­se die Aus­gleichs­strö­me über den Kup­fer­schirm ei­ner Da­ten­lei­tung flie­ßen. Die­se Feh­ler sind schwer zu fin­den, da sie kei­ner Sys­te­ma­tik fol­gen. LAPP hat sich da­her zum Ziel ge­setzt, die phy­si­ka­li­schen Kopp­lungs­me­cha­nis­men in­ner­halb von Mo­tor-An­schluss­lei­tun­gen zu un­ter­su­chen und dar­aus ei­ne neu­ar­ti­ge Ka­bel­kon­struk­ti­on ab­zu­lei­ten. Das Er­geb­nis die­ser Ent­wick­lung ist die zero­CM®-Tech­no­lo­gie.

Ka­bel­tech­nik auf dem Prüf­stand

Ur­sprung der In­no­va­ti­on war es, den Sta­tus-Quo in der Ka­bel­tech­nik auf den Prüf­stand zu stel­len: so wa­ren bis­he­ri­ge Kon­struk­tio­nen eher auf ge­rin­ge Au­ßen­durch­mes­ser und ei­ne op­ti­sche Sym­me­trie ge­trimmt. Das Pro­blem EMV wur­de bis da­to im­mer durch Schir­mung ge­löst. LAPP ging mit der zero­CM-Tech­no­lo­gie ei­nen an­de­ren Weg: die Lei­tung ist vom vi­su­el­len Er­schei­nungs­bild un­sym­me­trisch, je­doch wird 100%-ige elek­tro­ma­gne­ti­sche Sym­me­trie er­zielt. Letzt­end­lich wird da­durch so­gar we­ni­ger Schir­mung be­nö­tigt.

Das Ge­heim­nis der zero­CM®-Tech­no­lo­gie ist ei­ne spe­zi­el­le, in­no­va­ti­ve Ver­seil­tech­nik: Drei Pha­sen­lei­ter sind sym­me­trisch an­ge­ord­net und in ei­ner In­nen­la­ge ver­seilt. Er­gän­zend wird min­des­tens ein Schutz­lei­ter in ei­ner Au­ßen­la­ge mit ent­ge­gen­ge­setz­ter Ver­seil­schlag­rich­tung um die drei Pha­sen­lei­ter in ei­nem be­stimm­ten Schlag­län­gen­ver­hält­nis ver­seilt. Die Iso­la­ti­on der Lei­ter ist ka­pa­zi­täts­op­ti­miert und be­steht aus Po­ly­ethy­len, Po­ly­pro­py­len oder aus ei­ner ge­schäum­ten Va­ri­an­te. Zwi­schen der In­nen­la­ge und der Au­ßen­la­ge be­fin­det sich ein tren­nen­des Fleece. Durch die­se Kon­struk­ti­on er­reicht man per­fek­te elek­tri­sche Sym­me­trie, wel­che die ma­gne­ti­sche Ab­strah­lung re­du­ziert und die in­ter­nen Kopp­lun­gen stark ver­rin­gert. Der ers­te Pro­to­typ-Lei­tung mit neu­em Ka­bel­de­sign ist die ÖL­FLEX® SER­VO FD zero­CM. Sie ist spe­zi­ell für den Ein­satz in Ver­bin­dung mit Fre­quenz­um­rich­tern ge­eig­net.

Er­folg­rei­cher Ver­such

Die Wirk­sam­keit der neu­ar­ti­gen Lei­tung ÖL­FLEX® SER­VO FD zero­CM wur­de im Rah­men des PE­PA-For­schungs­pro­jekts bei Ver­suchs­auf­bau­ten bei den Pro­jekt­part­nern be­stä­tigt. Ne­ben der Un­ter­su­chung ei­ner EMV-op­ti­mier­ten In­stal­la­ti­on von Kom­po­nen­ten wur­de un­ter an­de­rem die Rol­le der Aus­gangs­lei­tung be­wer­tet. Zum Ver­gleich wur­den ein iden­ti­scher Ver­suchs­auf­bau mit ei­nem An­triebs­sys­tem mit Po­ten­ti­al­aus­gleich so­wie par­al­le­ler Si­gnal­lei­tung (Pro­fi­Net) ge­wählt. Ver­gli­chen wur­den ei­ne ge­schirm­te PVC-iso­lier­te Stan­dard­lei­tung, ei­ne nie­der­ka­pa­zi­ti­ve Ser­vo­lei­tung, ei­ne sym­me­tri­sche Mo­tor­lei­tung mit drei Schutz­lei­tern so­wie die neu­ar­ti­ge zero­CM®-Lei­tung mit op­ti­mier­tem Auf­bau. Da­bei er­ga­ben sich ein­deu­ti­ge Er­geb­nis­se. Die bes­ten Wer­te hin­sicht­lich Ab­leit­strom am Um­rich­ter-Aus­gang wur­den durch den ka­pa­zi­täts­ar­men Auf­bau der zero­CM®-Lei­tung er­reicht. Die ge­ne­rier­ten Ab­leit­strö­me stel­len ei­ne zu­sätz­li­che Be­las­tung für den Fre­quenz­um­rich­ter und al­le be­tei­lig­ten Kom­po­nen­ten dar und soll­ten da­her so ge­ring wie mög­lich ge­hal­ten wer­den. Wei­ter­hin wur­de der über ei­ne par­al­lel lie­gen­de Si­gnal­lei­tung flie­ßen­de Stör­strom un­ter­sucht: Auch hier be­güns­tigt der Ein­satz der zero­CM®-Lei­tung die Aus­prä­gung von mög­lichst ge­rin­gen Stör­strö­men. Aus den Un­ter­su­chun­gen bei den Pro­jekt­part­ne­ren er­ga­ben sich dar­über hin­aus kla­re Emp­feh­lun­gen für die EMV-op­ti­ma­le In­stal­la­ti­on von Fre­quenz­um­rich­tern, wie bei­spiels­wei­se ein nie­derim­pe­dan­ter, HF-taug­li­cher und ein durch­gän­gi­ger Po­ten­ti­al­aus­gleich zwi­schen Fre­quenz­um­rich­ter und An­trieb. Ei­ne we­sent­li­che Be­deu­tung kommt hier­bei dem Schirm­an­schluss mit EMV-ge­rech­ten Ste­ckern oder flä­chi­ger Schirm­auf­la­ge, wie bei­spiels­wei­se bei den ein­ge­setz­ten EMV-Ver­schrau­bun­gen SKIN­TOP® BRUSH zu.

Län­ge­re Ka­bel­län­gen mög­lich

Zu­sam­men­ge­fasst be­sei­tigt die zero­CM®-Tech­no­lo­gie zwar nicht die Ur­sa­che von EMV-Stö­run­gen, adres­siert je­doch ge­nau ei­ne der si­gni­fi­kan­ten Stel­len, an der Stö­run­gen in das Sys­tem­um­feld ein­ge­bracht wer­den. Ei­ner­seits er­mög­licht der neu­ar­ti­ge Ka­belauf­bau um bis zu 80% re­du­zier­te Aus­gleichs­strö­me am Fre­quenz­um­rich­ter-Aus­gang und auf par­al­le­len Pfa­den wie bei­spiels­wei­se Da­ten­lei­tun­gen. An­de­rer­seits sor­gen re­du­zier­te Ka­bel-Um­la­de­strö­me (ca­ble-char­ging cur­rent) für ver­rin­ger­te Last am und im Um­rich­ter selbst: So kön­nen bei­spiels­wei­se län­ge­re Ka­bel­län­gen ver­legt wer­den, oh­ne dass der Fre­quenz­um­rich­ter au­ßer­halb sei­ner (EMV-)Spe­zi­fi­ka­ti­on be­trie­ben wird. Zu­dem un­ter­bin­det die zero­CM®-Tech­no­lo­gie das Ent­ste­hen von Span­nungs­pe­geln auf dem Mas­se-/Erd­po­ten­ti­al (Ground-Vol­ta­ge) auf der Ver­brau­cher­sei­te. Dies ist be­son­ders wich­tig, wenn bei­spiels­wei­se emp­find­li­che Sen­so­rik wie Ana­log­ge­ber zum Ein­satz kom­men.

Ob­wohl die neue Lei­tung beim ers­ten Kon­fek­tio­nie­ren viel­leicht un­ge­wohnt er­schei­nen mag, bleibt die Ver­ka­be­lung ge­wohnt ein­fach, bzw. der Auf­wand re­du­ziert sich so­gar im Ver­gleich zu den Erd-sym­me­tri­schen Lei­tun­gen mit ge­drit­tel­tem Schutz­lei­ter. Ziel von LAPP ist es nun ein Port­fo­lio mit der zero­CM®-Tech­no­lo­gie aus­zu­stat­ten; als nächs­tes sind Hy­brid­lei­tun­gen dran.