Elektromagnetische Verträglichkeit
Mit Motorkabeln die Störungen von Frequenzumrichtern bekämpfen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Speziell für Frequenzumrichter entwickelte Kabel
Phasengleiche überlagerte Wellen mit ausreichend hoher Spannung können nicht nur den Frequenzumrichter bedrohen, sondern auch ein unsachgemäß verwendetes Allzweckkabel beschädigen. Insbesondere Spannungsspitzen können die Isolierung des Kabels belasten, erhitzen und sogar einen elektrischen Überschlag auslösen. Um dieses Problem zu vermeiden, gibt es speziell dafür entwickelte Kabel:
- Starkstromleiter (kleine AWG-Werte), die für alle zu erwartenden Spitzenspannungen ausgelegt sind,
- ausreichend dicke Grenzflächen und Isolierung aus speziellem vernetztem Polyethylen oder (in einigen Fällen weniger bevorzugt) Polyvinylchlorid und
- Ummantelungen und andere Elemente zur Streuung und Erdung von VFD-generierten Spannungsspitzen und Störungen.
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Ein quantifizierbares Maß für den Widerstand eines Kabels gegen reflektierte Wellen ist seine Korona-Absorptionsspannung – oft in Kilovolt spezifiziert. Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass die Korona eine plötzliche Ionisierung der Luft in der Nähe einer hohen elektrischen Spannung. Diese Ionisierung kann, wenn sie nicht durch eine ausreichende Isolierung um den Leiter herum verhindert wird, Ozon und verschiedene Nitratverbindungen erzeugen, die ein unsachgemäß angebrachtes Kabel schnell beschädigen können.
Aus diesem Grund sollten dick isolierte, für Frequenzumrichter geeignete Kabel verwendet werden – Kabel, die die von den Lieferanten des Umrichters spezifizierten Anforderungen erfüllen oder übertreffen und weit über die Normen des National Electric Code (NEC) für thermoplastische, hochhitzebeständige, nylonbeschichtete Allzweckkabel (THHN) hinausgehen. Wenn Frequenzumrichter im Freien oder an anderen feuchten Orten betrieben werden, sind Isolierungen aus Polyethylen am besten geeignet. Unter [1] finden sich weitere Informationen zu anderen Phänomenen, die sich auf Designs mit Frequenzumrichter und ihre Kabel auswirken, einschließlich Einschaltströme und Gleichtaktströme.
Bewährte Methoden für die Verkabelung
Neben der Beschränkung der Kabellängen bei Frequenzumrichtern auf ein notwendiges Minimum – nach Möglichkeit kürzer als 15 Meter – ist es auch wichtig, alle Teile einer solchen Anlage ordnungsgemäß zu erden, einschließlich der Steuer- und Maschinentafeln. Dies bedeutet, dass ein gemeinsamer Erdungsblocks oder ein Master-Potenzial verwendet werden sollte, das die schädlichen Auswirkungen von Erdschleifen verhindert, die durch unterschiedliche Massepotenziale zwischen verschiedenen Maschinenpunkten zu Erde entstehen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Rückkopplung von der Maschine auf Spannungsreferenzen beruht, die – wenn sie nicht gegen Störströme gegen Erde geschützt sind – falsche Werte melden könnten. Dieses Thema wird in [2] ausführlicher behandelt.
Tatsächlich benötigen viele Designs zusätzlich Komponenten wie Filter, kabelseitige Ferritringe und Erdungsringe für die Motorwelle sowie Abschirmungen, um die Störabstrahlung umfassend zu reduzieren. Ein typisches Beispiel: Ein einfaches ergänzendes Teil, auf das man bei Installationen von Frequenzumrichtern oft nicht verzichtbar kann, ist das Erdungsband. Dieses flache Bauteil besteht aus einem Streifen aus geflochtenem verzinntem Kupfer mit einer Ringklemme an jedem Ende. Wenn sie in ein motorgetriebenes Design integriert sind, verbinden solche Bänder den Anschluss für die Schutzerde an der Motorsteuerung, die bei allen Frequenzumrichtern enthalten ist, mit dem Erdpotenzial und leiten hochfrequentes elektrisches Rauschen viel besser zur Erde ab als ein runder Erdungsdraht. Seine relativ große Oberfläche kommt der Art und Weise entgegen, wie Wechselströme besonders bei hohen Frequenzen fließen, nämlich an den Oberflächen oder der Haut eines Leiters – daher der Begriff Skin-Effekt.
Eine weitere Einschränkung: Neben dem Schutz gegen leitungsgebundene Störungen sollte das Design auch gegen kapazitiv eingekoppeltes Rauschen bei hohen Frequenzen geschützt werden. Dazu gehören Störungen, die durch Elemente wie Erdungsbänder und ungeschirmte Motorkabel in Metallrohren in den Motorschaltkreis des Frequenzumrichters eindringen können. Denn alle diese leiten leicht Störspannungen und erzeugen Erdschleifen. Ein weiterer Bereich, in dem kapazitiv eingekoppelte Störungen entschärft werden müssen, ist zwischen den Motorwicklungen und dem Motorgehäuse gegen Erde.
Referenzen
[1] Digi-Key: Das richtige Kabel für eine industrielle Anwendung
[2] Art Pini: Messung kleiner Signale auf hohen Spannungen und Vermeidung von Masseschleifen in Sensoren
- Mit Motorkabeln die Störungen von Frequenzumrichtern bekämpfen
- Speziell für Frequenzumrichter entwickelte Kabel
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