Gerätemontage fehlerfreier machen

Ein Softwarepaket soll in der den Testroutinen vorgeschalteten Gerätemontage verhindern, dass falsche Komponenten eingebaut oder Arbeitsschritte vergessen werden. Dieses Konzept ist nicht auf die Elektronikfertigung und den Testsektor beschränkt.

Bei modernen Frequenzumrichtersystemen entstehen zwangsläufig starke elektromagnetische Störfelder. Dies hat nicht nur Konsequenzen für den Umrichter selbst, sondern ebenso für die Konzeption der Anschlussleitungen.

Neben den Modulen "Repair für Windows" und "QIS" verfügt die Software "COMPASS" von SPEA jetzt auch über ein eigenständiges Modul zur Konfiguration und Montagekontrolle kompletter Geräte. Dieses Modul kann völlig unabhängig eingesetzt werden und ist nicht auf die Elektronikfertigung beschränkt.

Es überwacht und kontrolliert die Montage kompletter Geräte. Dabei wird überprüft, ob Montage- und Arbeitsanweisungen vollständig und in der korrekten Reihenfolge durchgeführt werden. Auch hier garantieren Verriegelungsmechanismen, dass nur für das Projekt zugelassene Baugruppen und Einzelteile in vorgegebenen Arbeitsschritten verwendet und montiert werden.

Der Einbau von "Fail-Baugruppen" oder ein "Vergessen" einzelner Arbeitsschritte ist ausgeschlossen. Die Arbeits-, Inhalts- und Montageanweisungen können vom Anwender frei konfiguriert und als Geräteprojekt abgespeichert werden - das gewährleistet den universellen Einsatz des Moduls. Die Anweisungen beinhalten alle Baugruppen, Einzelteile und Arbeitsschritte.

Die Software COMPASS ist eine Komplettlösung für Datenerfassung, Reparaturunterstützung, Qualitätsmanagement und Prozessoptimierung. Sie kontrolliert über Einzelbaugruppen hinaus den gesamten Prozessfluss sowie die Konfiguration und Montage kompletter Geräte. Alle Auswertungen und Analysen erfolgen in Echtzeit. Mit der ODBC-Schnittstelle zur Anbindung an Client-Server-Datenbanken bietet die Software mit den gesammelten Prüf- und Reparaturdaten eine praxisgerechte Unterstützung von MES-, ERP- und Traceability-Systemen.


Productronica
Halle A1, Stand 255
www.spea-ate.de

Bei Servoantriebssystemen erfolgt die Steuerung und Regelung der Motordrehzahl des Drehstrommotors stufenlos über einen Frequenzumrichter mit Steuerkreis. Dieser Umrichter erzeugt die eingespeiste Motorspannung und Motorfrequenz für den Drehstrommotor und ist somit zentrales Element für jeden drehzahlgesteuerten Antrieb. Er setzt sich aus zwei IGBT Transistor-gesteuerten Einheiten zusammen: dem Gleichrichter, der an ein Drehstromversorgungsnetz mit 50 Hz angeschlossen ist und eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, sowie dem Wechselrichter, der die Gleichspannung in eine neue Wechselspannung mit variabler Frequenz von 0 bis 400 Hz umwandelt. Mit dieser Frequenz lässt sich die Drehzahl des Servomotors über die Motoranschlussleitung präzise steuern.

Allerdings treten beim Einsatz der Frequenzumrichtertechnik vor allem drei Probleme auf: die Emission starker elektromagnetischer Störfelder über die Motoranschlussleitung, die hohe Überspannung in der Leitung sowie große Ableit- und Störströme.

Die elektromagnetischen Störfelder

Moderne Frequenzumrichtersysteme erzeugen starke elektromagnetische Störfelder. Die Ursache hierfür liegt in den im Nanosekunden-Bereich liegenden kurzen Ein- und Ausschaltzeiten der IGBT-Transistoren sowie in der maximal 20 kHz betragenden Taktfrequenz der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung. Hieraus resultiert ein sehr hoher Oberwellenanteil der sinusförmigen Ausgangsspannung. Folge dieser starken elektromagnetischen Emission vor allem an der Motorversorgungsleitung sind erhebliche Störungen sowohl im Leitungsnetz als auch in den Geräten und in der Datenübertragung.

Die Norm EN 61 800-3 vom Juli 2005 legt die Höhe des maximalen Störpegels des Antriebssystems fest, bei dem die Störsicherheit der Signalübertragung noch gewährleistet ist. Die maximalen Grenzwerte - die Quasi-Spitzenwerte - sind für den Störpegel der Funkstörspannung mit 0,15 bis 30 MHz und für die elektromagnetische Störstrahlung mit 30 bis 1000 MHz definiert, jeweils für den Bereich Wohnbezirke (Kategorie C1) und für den Industriebereich (Kategorie C3). Diese EMV-Grenzwerte müssen von drehzahlveränderbaren elektrischen Antriebssystemen auf jeden Fall eingehalten werden. Unterschiede werden dabei zwischen einem Einsatz der Systeme in Wohn- und Industriebereichen gemacht: So kann zum Beispiel die gleiche von einem Frequenzumrichter gesteuerte Heizumwälzpumpe in einem Industriebetrieb oder im Keller eines Wohngebäudes eingebaut werden. Die Pumpe im Wohnbereich muss allerdings den strengeren Anforderungen nach C1 genügen, während im Industriebetrieb C2 genügt.

Beanspruchung durch Überspannungen

Die vom Frequenzumrichter an die Motorversorgungsleitung abgegebene Spannungsgrundwelle hat angenähert einen sinusförmigen Verlauf und eine Frequenz von 0 bis 400 Hz, wie sie von der Motordrehzahl gefordert wird. Bei einer Änderung des Wellenwiderstandes am Anfang und Ende der Motorversorgungsleitung entstehen Stoßwellen, die wiederum Überspannungen durch Reflexion der Oberwellen zur Folge haben. Dies tritt allerdings nur auf, wenn die Motoranschlussleitung länger ist als die Wellenlänge der Oberschwingung. Bei kurzen Leitungslängen, wenn also die Leitungslänge kürzer als die Wellenlänge ist, kommt es zu Einschwingvorgängen am Frequenzumrichter-Ausgang. Dies hat zur Folge, dass Spannungen vom zwei- bis dreifachen Werte der Motorspannung auftreten - als Spannungsspitzen belasten sie regelmäßig die Isolierung der Motoranschlussleitung sowie die Spulenwindungen des Motors.

Kapazitive Ableitströme und Störströme

Infolge der hohen Frequenzen am Umrichterausgang entstehen hohe kapazitive Ableitströme, die über den Schirm und das Motorgehäuse zur Erde fließen. Im ungünstigsten Fall durchfließen diese Störströme auch die Kugellager der Motorwelle, wodurch die Kugellagerringe beschädigt werden.

Darüber hinaus entstehen infolge hoher Erdkapazitäten vor allem bei langen Leitungen große Blindströme. Diese belasten den Frequenzumrichter derart, dass infolge der Überstrombegrenzung des Wechselrichters die benötigte Wirkleistung nicht mehr zum Motor übertragen werden kann. Ergo fehlen diese Ströme der Drehmomentbildung am Motor.

Wie müssen nun EMV-Motorversorgungsleitungen konzipiert sein, um die Nachteile der Frequenzumrichtertechnik zu kompensieren beziehungsweise um die Anforderungen der EN 61 800-3 zu erfüllen?

Grundsätzlich sind speziell abgeschirmte Leitungen und in einigen Fällen auch der zusätzliche Einbau von Netzfiltern nötig. Die Isolierung der Motoranschlussleitung muss zudem so dimensioniert sein, dass Spannungsspitzen vom Zwei- bis Dreifachen der Nennspannung auftreten können. Last but not least bestimmen die Ableit- und Störströme den Querschnitt der Abschirmgeflechte sowie der Schirmanschlüsse, da der Schirm so konstruiert sein muss, dass der durchfließende Strom ihn nicht übermäßig erhitzt.

Wie sich diese Anforderungen in der Praxis umsetzen lassen, lässt sich anhand zweier Leitungs-Varianten von Helukabel - Topflex EMV und Motorflex EMV - demonstrieren. Helukabel setzt bei diesen Leitungen auf eine doppelte Abschirmung: Sie besteht aus einer Alu-kaschierten Polyestherfolie mit guten mechanischen Eigenschaften und einem Schirmgeflecht aus verzinnten Kupferdrähten mit einem optischen Bedeckungsgrad von rund 80 %. Vergleichsmessungen der elektromagnetischen Störstrahlung an ungeschirmten Anschlussleitungen und geschirmten EMV-Anschlussleitungen im Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz belegen die hohe elektromagnetische Verträglichkeit der geschirmten Leitungen. Für den niedrigen Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz lässt sich die elektromagnetische Verträglichkeit geschirmter Motoranschlussleitungen mit Hilfe der Messungen des Kopplungswiderstandes belegen. Dieser Kopplungswiderstand ist ein Kriterium für die Schirmwirkung einer elektrischen Abschirmung: Je niedriger er ist, desto geringer ist die Störspannung der Stromversorgungs-Schnittstelle und desto besser ist die Abschirmwirkung.

Die Ader-Isolierung von Motoranschlussleitung sollte aus elektrisch hochwertigem Polyethylen (PE) bestehen aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften wie hoher Durchschlagsfestigkeit, kleiner Dieelektrizitätszahl und des hohen Isolationswiderstandes. Zudem hat dieser Werkstoff gute mechanische Eigenschaften: Er ist robust und bietet eine geringe Wasseraufnahme sowie gute Flexibilität. Polyethylen ist gut zu verarbeiten und preiswert in der Beschaffung. Bei Helukabel ist die Wanddicke der PE-Isolierung so ausgelegt, dass die permanenten Spannungsspitzen vom zweifachen Wert der Umrichter Nennspannung ausgehalten werden. Durch die niedrige Dielektrizitäts-Konstante von 2,3 der PE-Ader Isolierung (2Y) wird in der EMV-Motoranschlussleitung im Vergleich zu älteren PVC-isolierten Motoranschlussleitungen eine niedrige Betriebs- und Schirmkapazität erreicht. Dadurch lassen sich die kapazitiven Störströme reduzieren und eine verlustarme Leistungsübertragung vom Umrichter zum Motor ermöglichen. Darüber hinaus erhöht die PE-Isolierung die Lebensdauer der Leitung. Durch einen symmetrischen Ader-Aufbau mit drei Versorgungsadern und einem gedrittelten Schutzleiter (3 + 3-adriger Aufbau) lassen sich die Eigenschaften optimieren und die Betriebskapazität, die Induktivität sowie die kapazitiven Störströme reduzieren. im

Nähere Informationen:
www.helukabel.de

Kabelbuch

Helukabel hat das bislang von Wirescout präsentierte Kabelbuch in Eigenregie neu aufgelegt. Auf mehr als 300 Seiten stellt das Buch die wichtigsten Grundlagen der Kabel- und Elektrobranche zusammen: Im vorderen Teil werden die verschiedenen Kabel- und Leitungs- Produktkategorien kurz vorgestellt. Der anschließende technische Teil enthält neben Formelsammlungen und Kurzzeichenübersichten die wichtigsten Grundlagen der Kabel- und Elektrotechnik. Den Abschluss des Buches bildet ein Fachlexikon, das die gebräuchlichsten Begriffe der Branche mit entsprechender Erklärung samt englischer Übersetzung beinhaltet. Eine Bestellung des Kabelbuches ist via Internet möglich:

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Wolfram Schröder

ist Projektmanager Energieversorgungskabel bei Helukabel in Hemmingen.