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Elektromagnetische Verträglichkeit

Mit Motorkabeln die Störungen von Frequenzumrichtern bekämpfen

Apha Wire
© Apha Wire

Frequenzumrichter für elektrische Antriebe können starke elektromagnetische Störungen aussenden, die andere Komponenten im System beeinträchtigen oder sogar schädigen können. Motorkabel können diese Störungen nicht nur abstrahlen. Richtig ausgesucht, können sie diese auch bekämpfen.

Frequenzumrichter sind Stromversorgungskomponenten, die eine Spannung in die Motorwicklungen einspeisen, um die Motordrehzahl und bei vektorgesteuerten Adaptionen das abgegebene Drehmoment genau zu regeln. Leider kann es dabei zu unkontrollierten Strömen und anderen elektrischen Phänomenen kommen. Werden diese nicht im Zaum gehalten, können sie andere Komponenten und Systeme im Umfeld des Umrichters schädigen.

Relevante Anbieter

Omron, VFD, 3G3MX2-A2015-V1
Bild 1: Frequenzumrichter wie der 3G3MX2-A2015-V1 von Omron sind für eine Vielzahl von Prozess- und diskreten Automatisierungsanwendungen unverzichtbar. Allerdings erzeugen sie naturgemäß Störsignale erzeugt, die – wenn sie nicht behoben wird – die angrenzende Komponenten stören oder sogar beschädigen können.
© Omron Automation and Safety

Ursache dafür ist Funktionsweise von Frequenzumrichtern. Nachdem sie die eingangsseitige Wechselspannung aus dem Netz gleichgerichtet haben, zerhacken sie diese Zwischenkreisspannung (DC-Link Voltage) wieder in präzise modulierte Impulsfolgen (Pulsbreitenmodulation, PWM). Diese veranlassen den Motor zum Drehen, als ob er eine gleichmäßig modulierte Sinuswelle des Stroms empfängt. Die gegenüber Bipolartransistoren deutlich höhere Schaltfrequenz von IGBTs ermöglicht einerseits eine schnelle, präzise und effiziente Motorsteuerung, andererseits verursacht diese aber auch leitungsgebundene und abgestrahlte elektromagnetische Störungen.

Ursachen und Auswirkungen von Störspannungen

Besonders bei niedrigen Drehzahlen treten Störprobleme auf, denn jeder elektrische Impuls eine Rechteckwelle mit voller Zwischenkreisspannung. Das bedeutet, dass die Spannungsanstiegszeiten (du/dt) sehr kurz sind. Beim Starten verhalten sich die Statorwicklungen des Elektromotors wie eine Drosselspule, in der sich allmählich ein Magnetfeld aufbaut und erst nach und nach immer mehr Strom durchlässt.

Das Kabel, das die elektrische Leistung vom Frequenzumrichter zum Motor führt, weist am Motoranschluss eine Fehlanpassung der Impedanz auf. Hier führen Überschwinger der Spannung dazu, dass ein Teil der Vorderflanken der Spannung an der hochohmigen Verbindung des Kabels mit dem Motor in das Kabel in Richtung Antriebselektronik zurückreflektiert werden.

Design World, VFD
Bild 2: Die rechteckige Wellenform der elektrischen Impulse von Frequenzumrichter mit voller Zwischenkreisspannung verursacht schnelle Spannungsanstiege (du/dt), die verschiedene elektromagnetische Probleme verursachen können.
© Design World

Ein Faktor, der dieses Phänomen verschlimmern kann, sind übermäßig lange, in manchen Fällen aber auch unvermeidbare Kabelwege von der Steuerung zum Motor. Derartige Kabel haben eine hohe Induktivität und bieten mehr Möglichkeiten, dass sich Spannungsspitzen bilden reflektierte Wellen sich überlagern, von als kürzere Kabel. Bei überlagerten Wellen könnte es passieren, dass sich diese aufsummieren, sodass die resultierenden Spannungen und Ströme höher sind als die Ausgangsgrößen.

Reflektierte Wellen und Spannungsspitzen können sowohl den elektrischen Motor selber als auch den Frequenzumrichter beschädigen. Deshalb enthalten viele moderne Motoren Statorwicklungen mit Hochleistungsisolierung und anderen Elementen, die die thermische Gesamtkapazität und (in den meisten Fällen) die Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsspitzen erhöhen. Die Nennwerte sind nach Höhe und Dauer der Stoßspannung geordnet – mit höheren Nennwerten für Designs mit längeren Anstiegszeiten von Spannung und Strom.

Natürlich können auch Motoren, die nicht für den Umrichterbetrieb ausgelegt sind, von einem Frequenzumrichter angetrieben werden. Der Einsatz dieser weniger robusten Motoren sollte jedoch generell auf Anlagen mit mäßig anspruchsvollen Parametern beschränkt sein. Bei solchen Motoren, die von einem Frequenzumrichter angetrieben werden, können auch eine kurze Kabelführung sowie der Einbau von Netzdrosseln und anderen Schutzkomponenten erforderlich sein.


  1. Mit Motorkabeln die Störungen von Frequenzumrichtern bekämpfen
  2. Speziell für Frequenzumrichter entwickelte Kabel

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