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Anforderungen an die Herstellungelektrischer Betriebsmittel, Geräteund Anlagen

100

Systeme mitFehlerstrom-Schutzeinrichtungen

106

Regenerative Energie 111

Applikationsbeispiele 115

Filter und Drosseln fürFrequenzumrichter

120

Filter für Schaltnetzteile 133

Entstörung von Anlagen 137

Anwendungsbeispiele

99 02/14Bitte beachten Sie die Wichtigen Hinweise auf Seiteund die Warn- und Sicherheitshinweise auf Seite 13.

1 Anforderungen an die Herstellung elektrischer Betriebsmittel, Geräte und Anlagen

1.1 Verantwortung für die Nutzung von EMV-Filtern

Hersteller von elektrischen Betriebsmitteln, Geräten oder Anlagen sind verpflichtet, bei der Ent-wicklung und Fertigung nach dem Stand der Technik sowie geltenden Normen und Gesetzen zuhandeln und ihre Produkte in einem sicheren Zustand an den Kunden zu liefern. Sicher nach derin der Europa geltenden Niederspannungsrichtlinie (2006/95/EWG) heißt, die Produkte müssenso konzipiert und beschaffen sein, dass Menschen und Nutztiere vor den Gefahren einer Verlet-zung durch direkte oder indirekte Berührung geschützt sind. Ebenso sind nichtelektrische Gefähr-dungen wie mechanische Einwirkungen, Temperatur, Lichtbogen, Strahlung zu berücksichtigen.

Bei vielen Produkten hängt die Sicherheit jedoch weitgehend davon ab, wie Bauteile in das End-produkt eingebaut sind und welche Gesamtmerkmale das Endprodukt hat. Aus diesem Grundwurden z. B auch Induktivitäten und Filter bewusst aus dem Geltungsbereich der Niederspan-nungsrichtlinie ausgenommen.

Der Hersteller von Produkten hat mit der entsprechenden Sorgfalt die Anforderungen an die Bau-elemente im konkreten Applikationsfall zu bestimmen und diese entsprechend auszuwählen. Ne-ben den Standardkriterien wie Bemessungsstrom, -spannung, -temperatur, Umgebungsbedingun-gen und Netzart sind auch mögliche Kurzschlusströme und im System auftretende Überspannun-gen zu berücksichtigen.

1.2 Bedeutung von Sicherheitsrichtlinien weltweit

Weltweit besteht das Bestreben, einheitliche Standards für Produkte und Anlagen festzulegen(Harmonisierung von Normen). Dieses geschieht zunehmend in IEC-Normen durch die Internatio-nal Electronical Commission. Diese Normen werden in den meisten Fällen in regionale (z. B. EN= Europa Normen) sowie nationale Normen mit zum Teil spezifischen Anmerkungen untersetzt.IEC-Normen legen dabei die Mindestsicherheitsanforderungen der Produkte fest. Technische De-tails der Umsetzung bleiben meist in der Verantwortung der Hersteller.

Abweichend dazu ist die Verfahrensweise im nordamerikanischen Markt. Hier werden in einemSicherheitssystem die Interessen der Behörden, Hersteller, Versicherungen und Endkunden ein-geschlossen. Die nationale Gesetzgebung erfolgt durch NEC (National Electrical Code), CEC(Canadian Electric Code), NFPA (National Fire Protection Association), aber auch durch individu-elle Ergänzungen lokaler Behörden. So bedarf es z. B. in den USA einer Zulassung für alle elek-trisch gesteuerten Geräte und Systeme. Diese Zulassung kann durch anerkannte Testlabore wieUL und CSA erfolgen.

EPCOS hat eine hohe Zahl von Produkten mit entsprechenden Approbationen. Bitte sprechen Siebei Bedarf mit Ihrer zuständigen Vertriebs- bzw. Verkaufsabteilung. Das auf EPCOS-EMV-Filternnach Approbation oft verwendete Symbol ist z. B. das gespiegelte UR-Zeichen.

Bild 1: Prüfzeichen bei Prüfung durch UL-Prüforganisation nach UL- und CSA-Vorschriften

Anwendungsbeispiele


Dieses gespiegelte UR-Zeichen gilt für Komponenten, die Bestandteil eines Produkts oder Sys-tems sind. Diese sind zum Beispiel Funkentstörfilter in Frequenzumrichtern. Bedingt durch ihretechnische und konstruktive Auslegung haben diese Komponenten Einschränkungen und dürfennur von Fachpersonal eingebaut werden.

1.3 Kurzschlussströme

1.3.1 Ursachen und Schutzmöglichkeiten

Seit dem Entstehen von Stromversorgungssystemen wurden Fehlerzustände wie der unbeab-sichtigte Kurzschluss in die Betrachtung der Sicherheitssysteme einbezogen. Für den Kurz-schlussfall können verschiedene Ursachen wie Isolationsbruch, Isolationsänderung aber auchmenschliches Versagen in Frage kommen. Um die negativen Auswirkungen dieses Fehlers zubegrenzen, werden üblicherweise Fehlerstromschutzeinrichtungen, wie Sicherungen, Leitungs-schutzschalter, Leistungsschalter u. ä., eingesetzt. EPCOS schreibt für den Betrieb der Bauele-mente entsprechende Überstromschutzeinrichtungen vor. Diese begrenzen zeitlich die Einwir-kung der hohen Kurzschlussströme und damit die Beanspruchung durch thermische Wirkungensowie durch elektromagnetische Kräfte.Die Berechnung der möglichen Kurzschlussströme und die daraus resultierende Auswahl geeig-neter Bauelemente und Betriebsmittel stellt seit Jahrzehnten ein übliches Verfahren in europäi-schen Ländern dar. So beschäftigt sich die IEC 60909 in mehreren Teilen mit Kurzschlussströ-men in Drehstromnetzen bzw. die Normenteile der IEC 60865 mit der Berechnung der Wirkungvon Kurzschlussströmen. Ziel ist es, im Fehlerfall „Kurzschluss“ die Anlagenteile möglichst vor ei-ner Schädigung oder Zerstörung zu schützen.

1.3.2 Berechnung und Auswahl von Komponenten

Für eine genaue Berechnung der Kurzschlussströme sind sehr viele Detailkenntnisse der Strom-versorgungseinrichtungen einschließlich der Kabel- und Leitungssysteme notwendig. Details sindunter anderem in den Normen IEC 60909 „Kurzschlussströme in Drehstromnetzen“ zu finden.

Eine überschlägige Berechnung ist bereits mit den Kenntnissen der elektrischen Parameter desspeisenden Transformators möglich. Aus Nennleistung, Kurzschlussspannung, Nennspannungund Frequenz des Transformators kann der Kurzschlussstrom IK ermittelt werden. Dabei ist IK derTransformator-Anfangskurzschlusswechselstrom beim Anschluss an ein Netz mit unbegrenzterKurzschlussleistung.

Aber auch der Leitungsweg dämpft die Kurzschlussströme. Zur Verbesserung der Genauigkeitsollten die induktive und ohmsche Komponente der Leitungswege in die Berechnung einbezogenwerden. Der als Ergebnis vorliegende Kurzschlussstrom sollte bei der Auswahl der Komponentenberücksichtigt werden.

Anwendungsbeispiele


1.3.3 Begriffsbestimmungen Kurzschlussströme

Die bei einem Kurzschluss auftretenden Ströme werden sehr unterschiedlich definiert. Deshalbist in der Kommunikation die Verwendung klar definierter Begriffe notwendig. Diese Definitionenstehen in den entsprechenden Normen und werden teilweise bevorzugt in Verbindung mit spezi-ellen Fachbereichen verwendet (z. B. Niederspannungs-Schaltgeräte).

Nachstehend die Kurzdefinition einiger wichtiger Kurzschlussströme. Details sind den angegebe-nen Normen zu entnehmen:

Icw = Bemessungskurzzeitstromfestigkeit

Die Bemessungskurzzeitstromfestigkeit charakterisiert als Effektivwert des Kurzschlussstromesdie thermische Festigkeit eines Stromkreises bei einer kurzzeitigen Belastung; Angabe normaler-weise für die Dauer von 1 s; abweichende Zeitwerte sind anzugeben. [IEC 60439-1; 4.3]

Ipk = Bemessungsstoßstromfestigkeit

Die Bemessungsstoßstromfestigkeit charakterisiert als Scheitelwert des Stoßstromes die dynami-sche Festigkeit eines Stromkreises. [IEC 60439-1; 4.4]

Icc = Bedingter Bemessungskurzschlussstrom

Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom ist der unbeeinflusste Kurzschlussstrom, den einStromkreis nach einer Kurzschlussschutzeinrichtung ohne Schaden für eine bestimmte Zeit füh-ren kann. [IEC 60439-1; 4.5]

1.3.4 SCCR

Der Begriff SCCR kommt aus dem nordamerikanischen Sprachraum und steht als Abkürzung fürden Begriff Short Circuit Current Rating. Dieser Begriff entspricht in etwa der IEC-Definition desIcw-Wertes.

Maschinensteuerungen und Schaltanlagen (Industrial Control Panels) müssen in Nordamerika mitdem SCCR-Wert für die Kurzschlussfestigkeit gekennzeichnet werden. Zu beachten ist, dass sichdieser SCCR-Wert nicht nur auf die netzseitige Absicherung sondern auch auf nachgeschalteteKomponenten bezieht. Ausnahme bildet die schaltschrankinterne Verdrahtung. Der NEC 2008 Ar-tikel 409 beschreibt die Bestimmungen der Kurzschlussfestigkeitsmarkierung unter Berufung aufUL 508A, SB4.

Es wird unterschieden zwischen:

Verteilerstromkreis (Feeder Circuit) = Stromkreis vor der ersten Überstromschutzeinrichtung

Abzweigstromkreis (Branch Circuit) = Stromkreis von der ersten Überstromschutzeinrichtungbis zur Last. Da Filter mit Überstromschutzeinrichtungen zu sichern sind, werden diese dem„Branch Circuit“ zugeordnet.

Anwendungsbeispiele


Für Frequenzumrichter werden nach der nordamerikanischen Richtlinie UL 508C (Power Conver-sion Equipment) folgende Mindestwerte für die SCCR-Werte gefordert:

Leistung1) Motorstrom dreiphasig bei Spannung2) SCCR1)

360 … 380 V 440 … 480 V 550 … 600 V

hp kW A A A kA

15 ... 50 1.1 ... 37.3 3.3 ... 83 3.0 ... 65 2.4 ... 52 5

51 ... 200 39 ... 149 ... 320 ... 240 ... 192 10

201 ... 400 150 ... 298 ... 636 ... 477 ... 382 18

401 ... 600 299 ... 447 ... 786 ...3) ... 590 ...3) ... 472 ...3) 30

601 ... 900 448 ... 671 ... 1290 ... 1060 ... 850 42

901 ... 1600 672 ... 1193 ... 2300 ... 1880 ... 1500 85

1601 1194 ... 2301... 1881... 1501 ... 100

125

200

1) Entsprechend UL 508C Tabelle 45.12) Entsprechend UL 508C Tabelle 42.13) Angabe Motorstrom für 500 hp

In dem für EMV-Filter zuständigen UL-Standard UL 1283 wird im Kapitel 39 ebenfalls ein Kurz-schlusstest festgelegt. Somit gelten alle nach UL 1283 Edition 5 geprüften Filter bezüglich Kurz-schluss als geprüft, wobei der Prüfstrom ASCC (Available short-circuit current) von den Vorgabender UL 508C abweicht.

Darüber hinaus werden Typenreihen der von EPCOS hergestellten Filter mit den für den Praxis-einsatz notwendigen Kurzschlussströmen bezüglich der thermischen und elektromagnetischenBeanspruchung geprüft, begleitet von entsprechenden Modellrechnungen und Simulationen. AufWunsch sind über den für Sie zuständigen Vertriebsansprechpartner detaillierte Informationenverfügbar.

1.4 Überspannungen

1.4.1 Überspannungsschutz elektrischer Betriebsmittel

Überspannungen können elektrische Anlagen und Geräte beschädigen und ihre Funktion beein-trächtigen. Die Ursachen dafür können sein:

Blitz; Blitzstrom- und ÜberspannungswanderwelleInduktion bedingt durch induktive Kopplung (Einfluss Magnetfelder)Influenz bedingt durch kapazitive Kopplung (Einfluss elektrischer Felder)Elektrostatische LadungenSpannungsänderungen aufgrund von Schaltvorgängen

Anwendungsbeispiele


Dabei ist mit folgenden Auswirkungen zu rechnen:

BrandZerstörung des GerätsDatenverlustFehlfunktionen in AnlagenAuslösung von gefährlichen Betriebszuständen

Bei Entwurf, Planung und Herstellung elektrischer Geräte und Einrichtungen hat der Hersteller dieverwendeten Komponenten so auszuwählen, dass sie für die zu erwartende Beanspruchung inder Applikation geeignet sind und Gefahren vermieden werden.

1.4.2 Überspannungskategorien und Bemessungsstoßspannungen

Zur Auswahl von Komponenten wird in der Norm IEC 60664-1 dem Hersteller eine Informationüber zu erwartende Beanspruchungen mit Angabe der Höhe der Bemessungsstoßspannung inAbhängigkeit des Stromversorgungssystems und dem Einbauort gegeben. Die Einbauorte wer-den in Abhängigkeit der Gefährdung in Überspannungskategorien zusammengefasst.

Überspannungskategorie Beschreibung Beispiele

IV An oder in der Nähe derelektrischen Einspeisung; vorder Hauptverteilung (inStomrichtung gesehen)

Elektrizitätszähler;Überstromschutzschalter;Rundsteuergeräte

III Geräte, die Bestandteil derfesten Installation sind oderGeräte, bei denen eine erhöhteVerfügbarkeit erwartet wird

Verteilertafeln;Leistungsschalter;Verteilerkästen; Geräte für denindustriellen Einsatz; stationäreMotoren

II Geräte, die zum Anschluss andie feste Installation einesGebäudes bestimmt sind

Haushaltsgeräte; tragbareWerkzeuge

I Betriebsmittel, die anStromkreise angeschlossenwerden, für die bereitsMaßnahmen zur Begrenzungder transientenÜberspannungen getroffenwurden

Elektrische Steuergeräte, dieintern keine Maßnahmen zumÜberspannungsschutzbeinhalten

Anwendungsbeispiele


Den Überspannungskategorien wird in der nachstehenden Tabelle entsprechend dem Stromver-sorgungssystem eine zu erwartende Bemessungsstoßspannung zugeordnet (in Anlehnung anIEC 60664-1):

Stromversorgungssystem Spannung Leiter-Erde ÜberspannungskategorieI II III IV

dreiphasig einphasig Bemessungsstoßspannung

V

50 330 500 800 1500

100 500 800 1500 2500

230/400 120 ... 240 150 800 1500 2500 4000

277/480 300 1500 2500 4000 6000

400/690 600 2500 4000 6000 8000

1000 1000 4000 6000 8000 12000

1.4.3 Überspannung an EMV-Filtern

Mit Ausnahme weniger Sonderapplikationen entsprechen die EPCOS-EMV-Filter dem StandardIEC 60939. Somit ist die Verwendung von geeigneten Entstörkondensatoren vorgeschrieben.Diese Art der Kondensatoren wird für Impulsspannungen im Netz konzipiert und entsprechendIEC 60384-14 einer Impulsprüfung bei der Bauartzulassung unterzogen (siehe nachstehende Ta-belle; auszugsweise).

Klasse Spannungsfestigkeit Impulsprüfung4) Bemerkungen

X1 4.3 x UR 4.0 kV Einsatz bei hohen Spitzenspannungen

X2 4.3 x UR 2.5 kV Allgemeine Anforderungen

Y2 1500 V AC 5.0 kV Basisisolierung oder zusätzliche Isolierung

4) gilt für C ≤ 1.0 µF

Damit ist durch die Reihenschaltung zweier Kondensatoren in vielen Applikationsfällen die ausrei-chende Spannungsfestigkeit für die notwendige Überspannungskategorie gegeben. Aufgrund un-terschiedlicher Kapazitätswerte ergeben sich aber sehr unterschiedliche Spannungsverhältnissean den Kondensatoren, die im Einzelfall geprüft werden müssen.

Für den Einsatz in industriellen Geräten mit erhöhter Beanspruchung oder bei erwarteter höhererZuverlässigkeit empfehlen wir einen zusätzlichen Überspannungsschutz. Bei kundenspezifischenLösungen werden in vielen Fällen Varistoren und Gasableiter in die Filter integriert.

Anwendungsbeispiele


2 Systeme mit Fehlerstromschutzeinrichtungen

2.1 Begriffserklärung

Ein Fehlerstromschutzschalter trennt beim Überschreiten eines definierten Differenzstroms denüberwachten Stromkreis allpolig (mit Ausnahme des Schutzleiters). Oft wird die englischsprachi-ge Kurzbezeichnung RCD (residual current protective device) für Fehlerstromschutzeinrichtungbzw. RCCB (residual current operated circuit-breaker) für Fehlerstromschutzschalter bzw. FI-Schutzschalter auch im deutschen Sprachraum verwendet. Genaue Definitionen sind in der Nor-mengruppe IEC 61008 festgelegt. Darüber hinaus gibt es Differenzstrom-ÜberwachungsgeräteRCM (residual current monitor), die jedoch keine eigene Abschalteinheit des Laststromkreisesbesitzen.

2.2 Prinzip der Fehlerstromschutzeinrichtung

Das Funktionsprinzip nutzt die Eigenschaft, dass im idealen Stromkreis die Summe der hin- undzurückfließenden Ströme Null ist. Ein Summenstromwandler über den Leitungen von Phase undNull erfasst somit die Fehlerströme. Eine zusätzliche Wicklung auf dem Wandler gehört zum Aus-lösekreis und bewirkt bei Erreichen des Grenzwertes die mechanische Öffnung des Schaltschlos-ses mit den Kontakten. Nachstehende Skizze zeigt das Prinzip.

Bild 2 Prinzip FI-Schutzschalter

Anwendungsbeispiele


2.3 Beispiel eines elektrischen Antriebssystems

Um Energie effektiv zu nutzen, werden in zunehmender Zahl elektrische Antriebssysteme (PDS =power drive system) verwendet. Diese besitzen die Möglichkeit, die Motordrehzahl stufenlos zuverändern. Im Prinzip wird eine Wechselspannung gleichgerichtet, im Zwischenkreis geglättetund über elektronische Schaltelemente bezüglich der Pulsform und Frequenz umgeformt. Damitverbunden ist unter anderem eine leitungsgebundene Störaussendung. Entsprechend internatio-nalen Normen sind die Störpegel zu begrenzen, was in der Regel die Verwendung von EMV-Fil-tern bedingt. Bild 3 zeigt ein solches Antriebssystem im Prinzipschaltbild.

Bild 3 Prinzipschaltbild Antriebssystem

Die Betrachtung des Prinzipschaltbildes zeigt, dass die Ableitströme in diesem Antriebssystemnicht identisch sind mit der Angabe des Ableitstromes im Datenblatt des EMV-Filters. Diese An-gabe wurde in der Norm IEC 60939 im Jahr 2010 als Rechenverfahren vereinheitlicht, berück-sichtigt aber nur den Ableitstrom mit Bezug auf die Netzfrequenz beim Anschließen des Filters andas Versorgungsnetz. Hinzu kommen die Ableitströme durch die zusätzlichen Komponenten wieUmrichter, Kabel und Motor.

In Abhängigkeit des Gleichrichtungsverfahrens beinhalten diese Ableitströme Frequenzanteile alsMehrfaches der Netzfrequenz; zum Beispiel eine dreiphasige B6-Schaltung bewirkt typische An-teile von 150 Hz, 450 Hz und 750 Hz. Die oft im Bereich von 1 kHz ... 16 kHz liegenden Taktfre-quenzen verursachen besonders in den Leitungs- und Motorkapazitäten deutlich höherfrequenteAbleitströme.

Anwendungsbeispiele


5) FI = Fehlerstrom

2.4 Unterscheidung der Differenzströme

Differenzströme sind die Summe der Leiterströme (3 Phasen + Neutral). Der Differenzstrom wirdnach Ursache in Ableitstrom, Schutzleiterstrom, Berührungsstrom und Fehlerstrom unterschie-den.Ableitstrom: Den größten Anteil bilden dabei meist die betriebsbedingten taktfrequenten Stör-ströme. Sie werden von den Schaltimpulsen der IGBT-Taktung angeregt und finden den Strom-weg über die parasitären Kapazitäten der Kabel und Motoren. Der netzfrequente Anteil der Ab-leitströme wird verursacht durch die Gleichrichtung sowie die auf der Netzseite vorhandenenEntstörkondensatoren.

Schutzleiterstrom: Der Strom durch den Schutzleiter ist aus Sicherheitsgründen zu begrenzen.Grenzwerte in Abhängigkeit, ob es sich um ein ortsfestes oder ortsveränderliches Betriebsmit-tel handelt, sind z. B. in der IEC 61140 genannt.

Fehlerstrom: Im Fall einer niederohmigen Verbindung der spannungsführenden Teile mit Erdefließt ein Fehlerstrom. Ursache könnte Verschmutzung, Feuchtigkeit oder eine defekte Isolie-rung sein. Zu unterscheiden ist der Fehlerfall auf der Netzseite und auf der Umrichterseite.

Berührungsstrom: Der Berührungsstrom fließt beim Berühren des Gehäuses durch eine Personbei unterbrochener PE-Verbindung. Ein typischer Grenzwert ist 3.5 mA. Bei Überschreiten desWertes sind geeignete Maßnahmen zu treffen, z. B. bei ortsfesten Geräten einen Schutzleiter-querschnitt von mindestens 10 mm² Cu. Der Berührungsstrom ist ebenfalls ein Fehlerstrom,der Ableitstrom jedoch nicht.

2.5 Schutzziele der FI-Schutzschalter

Der Einsatz von FI-Schutzschaltern5) hat zwei wesentliche Ziele: Die Herabsetzung des Gefähr-dungspotenzials zum Schutz gegen elektrischen Schlag und zur Brandverhütung.

Der Personenschutz (Schutz gegen elektrischen Schlag) besteht in der Regel aus der Kombinati-on zweier Schutzvorkehrungen. Der Basischutz (Schutz gegen direktes Berühren) verhindert dasBerühren unter Spannung stehender Teile z. B. durch Isolation. Der Fehlerschutz (zusätzlicherSchutz bei indirektem Berühren) soll im Fehlerfall ein Anstehen einer Spannung innerhalb festge-legter Zeiten verhindern, z. B. durch Abschaltung der Versorgungsspannung.

Die Grenzwerte für den maximal zulässigen Strom ergeben sich aus den Angaben der IEC TS60479 „Wirkung des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere“. Hierbei werden in Ab-hängigkeit der Frequenz unterschiedliche hohe Stromstärken angegeben, die jedoch einen gleichhohen Schutzpegel darstellen. Diese Differenzierung ermöglichen „intelligente“ FI-Schutzschalter.Typisch werden drei Bereiche unterschieden:

0.1 ... 100 Hz mit z. B. 30 mA-Grenze100 ... 1000 Hz mit z. B. ansteigender Grenze von 30 … 300 mA1 ... 100 kHz mit z. B. 300 mA-Grenze

Zur Verhütung von Bränden ist in verschiedenen Vorschriften der Grenzwert 300 mA genannt.Unter Nutzung dieser Grenze können auch Systeme mit Taktfrequenzen im kHz-Bereich über FI-Schutzschalter geschützt werden.

Anwendungsbeispiele


Bild 4 Beispiel Auslösecharakteristik RCCB

2.6 Typenspektrum FI-Schutzschalter

Typ AC = wechselstromsensitiv: Erfasst nur sinusförmige Wechselfehlerströme!ACHTUNG! In einigen Ländern nicht für die FI-Schutzmaßnahme zugelassen!

Typ A = pulsstromsensitiv: Erfasst sinusförmige Wechselfehlerströme + pulsierende Gleichfeh-lerströme.Anwendung: einphasige Gleichrichter, einphasige Thyristorsteller.

Typ B = allstromsensitiv: Fehlerströme wie Typ A + glatte Gleichfehlerströme.Anwendung: mehrphasige Systeme und Gleichrichterschaltungen.

Typ B+ = allstromsensitiv: Eigenschaften des Typs B + Auslösebedingungen bis 20 kHz.

Kurzzeitverzögerte Typen: Abschaltzeit geringfügig verzögert (ca. 10 ms).Anwendung: bei kurzzeitigen Impulsströmen im Rahmen des normalen Betriebs.

Selektive Typen /S/: Definierte Abschaltzeitverzögerung.Anwendung: Reihenschaltung mehrer Schutzeinrichtungen, um selektive Abschaltreihenfolgezu gewährleisten.

2.7 Lösungsvorschläge für die Praxis

Da beim Einsatz von Frequenzumrichtern die Unterscheidung von Fehlerströmen und betriebsbe-dingten Ableitströmen schwierig ist, kann es zum ungewollten Auslösen der Schutzeinrichtungkommen und somit die Anlagenverfügbarkeit verringert bzw. das Ausfallrisiko erhöht werden.

Lösungsvorschläge:

Messen Sie die Ableitströme im System; Ursachenermittlung erleichtert die Auswahl der Maß-nahmen. Benutzen Sie dazu geeignete Messmittel. Die obere Grenzfrequenz der Messeinrich-tung sollte für die zu erwartenden nennenswerten Ableitstromanteile ausreichend bemessensein.

Anwendungsbeispiele


Wählen Sie einen geeigneten Typ des FI-Schutzschalter für Ihre Applikation.

Schaltvorgänge in Mehrphasensystemen können durch mechanische Kontakte zeitlich versetztschalten und somit Netztransiente verursachen. Nutzen Sie in diesem Fall kurzzeitverzögerteFehlerstromschutzeinrichtungen.Klären Sie mit Ihrem EMV-Experten die richtige Auswahl der EMV-Filter. Bitte beachten Sie,dass ableitstromarme Filter bei gleichen Dämpfungseigenschaften aufwändiger aufgebaut undin der Regel teurer sind.

Vergleichen Sie die technischen Daten der eingesetzten Motorkabel besonders bezüglich derKapazitäten. Kostengünstigere, aber mit höherem Kapazitätsbelag behaftete Kabel müssen un-ter Umständen mit teuren Maßnahmen kompensiert werden.

Soweit möglich, sollten Sie eine optimale Schaltfrequenz am Umrichter wählen.

Induktivitäten am Umrichterausgang (Ausgangsdrosseln und Ausgangsfilter) können den Ab-leitstrom reduzieren; besonders die EPCOS SineFormer-Filterreihe B84143V*R127 hat sich inder Praxis bereits vielfach bewährt. Bitte beachten Sie die besonderen Anforderungen Ihrer Ap-plikation z. B hinsichtlich der Motordynamik.

Vermeiden Sie unnötige Motorleitungslängen. Legen Sie den Schirm der Motorleitung großflä-chig und beidseitig auf die Masse von Umrichter und Motor.

Verwenden Sie für jeden Umrichter eine eigene Fehlerstromschutzeinrichtung.

Halten Sie Einschaltströme mit technischen Maßnahmen gering (Einschaltstrombegrenzung).

Anwendungsbeispiele


3 Regenerative Energie

Damit Volkswirtschaften prosperieren können, ist der Zugang zu Energie eine unverzichtbare Not-wendigkeit. Das Vorkommen an fossilen Energieträgern nimmt bei kontinuierlicher Entnahme ab.Gleichzeitig wächst in den meisten Ländern das Umweltbewusstsein. Zunehmend werden Strate-gien zur Verringerung der Emission von Treibhausgasen und gegen die globale Erwärmung derErde entwickelt und auch bereits in der Praxis umgesetzt. Mit der zeitlichen Verfügbarkeit einigererneuerbarer Energien spielen Energiespeicher und intelligenter Stromverbrauch eine zuneh-mend bedeutendere Rolle. Auch hier hat EPCOS bereits an verschiedenen Projekten mitgearbei-tet und Lösungen angeboten. Wir tragen als Unternehmen eine gesellschaftliche Verantwortungund bekennen uns zum Umweltschutz.

3.1 Energieformen

Wasserkraft

Wasserkraft wird allgemein als besonders ökologisch anerkannt. Trotzdem ist der Bau von neuenSystemen meist mit einem erheblichen Eingriff in die Natur und Landschaft verbunden. InDeutschland stagniert der Anteil an Wasserkraft in den letzten 10 Jahren bzw. ist sogar leichtrückläufig.

Windenergie

Windenergie ist die Art der Energieerzeugung, die in Deutschland die höchste Steigerungsrate er-zielte und auch prozentual bei den erneuerbaren Energien den höchsten Anteil an der Gesamt-energieerzeugung hat. Um die starken Schwankungen der Windgeschwindigkeiten auszuglei-chen, wurden in den letzten 10 Jahren sehr viele neue und effizientere Lösungen entwickelt.

Photovoltaik

Mit Förderprogrammen in vielen europäischen Ländern ist im Ergebnis die Effizienz von Solarge-neratoren und der Wirkungsgrad der Solarumrichter deutlich verbessert worden. An vielen Stellenwerden Dach- oder Freiflächen für die Energieerzeugung mittels Photovoltaik genutzt.

Anwendungsbeispiele


Sonstige alternative Energieformen

Weitere alternative Energieformen sind Energie aus Biomasse, wo heute bereits mit gutem Wir-kungsgrad die Beseitigung von biologischen Abfällen mit der Erzeugung elektrischer Energiekombiniert wird. Bei den Steuerungselementen beginnend, ist auch hier ein breites Anwendungs-gebiet für EMV-Entstörbauelemente zu finden. Die Aufzählung lässt sich beliebig erweitern, je-doch ist der Anteil anderer Systeme bedeutend geringer. In der Zukunft werden ständig neuetechnische Lösungen auf diesem Gebiet auf den Markt kommen. Ein Beispiel dafür sind Brenn-stoffzellen-Wechselrichter.

3.2 Applikationsbeispiel für Photovoltaik

Für die steigende Anzahl von Photovoltaik-Applikationen bietet EPCOS zahlreiche Standard-EMV-Filter aus dem Fertigungsprogramm an. Mit den steigenden Stückzahlen für Solarinverterwerden aber auch viele kundenspezifische Lösungen erarbeitet und diese werden wirksamer Be-standteil des Gesamtkonzepts. Die Entwicklung begann bei Hausanlagen im Bereich 1 ... 5 kW,führte über mittelgroße Anlagen im Bereich einiger zehn kW zu Zentralwechselrichtern mit Ein-speisung in das Mittelspannungsnetz bis in den Bereich von einigen Megawatt.

Wie bei allen Systemen, sind die Produktnormen durch das Gesamtsystem einzuhalten. Für Pho-tovoltaik-Wechselrichter existieren aber zurzeit noch keine EMV-Produkt- bzw. Produktfamili-ennormen; entsprechend sind die allgemeinen Fachgrundnormen anzuwenden.

Wohnbereiche; Geschäfts- und Gewerbebereiche Industriebereich

Störaussendung EN 61000-6-3 EN 61000-6-4

Störfestigkeit EN 61000-6-1 EN 61000-6-2

Bei netzgekoppelten Einrichtungen sind somit Forderungen auf der AC-Seite bezüglich Störspan-nungsgrenzen klar definiert. Abweichend dazu befindet sich auf der DC-Seite die Definition derGrenzwerte noch in der Phase des Normentwurfs. In der Fachgrundnorm für Störaussendung inWohngebieten (EN 61000-6-3) wird die Messung der Störausendung an DC-Anschlüssen unterbestimmten Umständen vorgeschrieben. In den Ausgaben der Fachgrundnorm ab 2007 werdenAC-Netznachbildungen (Impedanz 50 Ohm || 50 µH) für den Messaufbau vorgeschrieben, derengroße Erdkapazitäten bei trafolosen Geräten Probleme bereiten können.

Aufgrund der oft nicht geringen Leitungslängen zu den Solarpanelen wirken diese Leitungen alsAntenne und abgestrahlte Störfelder können zu Störungen in anderen Systemen, z. B. Rundfunk,führen. Viele verantwortungsbewusste Solarinverter-Hersteller achten deshalb schon jetzt auf ge-ringe Störpegel, um die Beeinflussung von Nachbarsystemen zu vermeiden. EPCOS-DC-Filterhelfen nicht nur wirksam die Störabstrahlung ausgedehnter Leitungsstrukturen zu den Photovol-taikpanelen zu verringern, sondern reduzieren ebenfalls hochfrequente Stör- und Ableitströme.Diese Maßnahme hilft auch, die Lebensdauer von PV-Modulen zu erhöhen.

Anwendungsbeispiele


Bild 5 Beispiel für Photovoltaikanlage

Komponenten der Photovoltaik-Applikation aus Bild 5:

1) EPCOS 4-Leiter-Filter AC2) EPCOS 2-Leiter-Filter DC3) EPCOS Überspannungsschutz AC (wahlweise in Filter integriert)4) EPCOS Überspannungsschutz DC (wahlweise in Filter integriert)5) Solargenerator (Solarmodule)6) Solarverkabelung7) SPD (Surge protective device; Überspannungsableiter) Typ 2 optional8) Solarwechselrichter mit EPCOS Leistungs-Induktivitäten und Transformatoren9) Strom-Verteilungssystem (typisch öffentliches Energienetz)

Betreiber von Photovoltaikanlagen sichern in vielen Fällen die Investition durch Versicherung ge-gen Anlagenausfall. So wird im Zusammenspiel aller Komponenten eine erhöhte Systemzuverläs-sigkeit erwartet. In diesem Zusammenhang werden auch Filter mit integriertem Überspannungs-schutz eingesetzt. Durch den Einsatz von hochwertigen Bauelementen bei der Filterherstellung inder Kombination mit jahrzehntelangen Erfahrungen auf den Gebieten EMV und Überspannungs-schutz sowie einem sorgfältigen Herstellungsprozess werden diese Anforderungen der erhöhtenSystemzuverlässigkeit erfüllt. Auf Wunsch stellt EPCOS Zuverlässigkeits-Erwartungswerte zurVerfügung.

EMV-Schutzziele und Systemzuverlässigkeit können aber nur im richtigen Zusammenspiel allerKomponenten erreicht werden. So ist zum Beispiel im Bereich der Solarmodule auf eine flächen-

Anwendungsbeispiele


minimierte Leitungsverlegung zu achten. Durch die Vermeidung großer Leiterschleifen und durchinduktionsarme Verlegung werden induzierte Ströme minimiert. Evt. sollten gitterförmige, ge-schlossene Modultragegestelle mit kompensierend verschalteten Photovoltaikmodulen zum Ein-satz kommen.

Die ökonomische Effektivität der Solaranlagen wird wesentlich beeinflusst von dem Gesamtwir-kungsgrad der Einrichtung. Hier kann ebenfalls durch ein entsprechendes Design der Filter undInduktivitäten zur Minimierung der Verlustleistung beigetragen werden. Die geringen Mehrkostenwerden in der Lebensdauer von den Einsparungen überkompensiert. Entsprechend unseren Leit-linien für umweltgerechte Produktgestaltung werden umweltbezogene Kundenwünsche berück-sichtigt, die Umweltauswirkungen über den gesamten Produktlebensweg abgeschätzt und darausdie Entwicklungsziele abgeleitet.

Neben einem umfangreichen Spektrum an Standardkomponenten bietet EPCOS kundenspezifi-sche Filter und Drosseln, die auf die Applikation maßgeschneidert werden. Bitte kontaktieren Siehierzu Ihren EPCOS-Vertriebsansprechpartner.

Anwendungsbeispiele


4 Applikationsbeispiele

4.1 Industrieapplikationen

EPCOS-EMV-Filter werden mit hohen Qualitätsstandards unter Auswahl hochwertiger Bauteileund Materialien hergestellt. Das Design erfolgt in Übereinstimmung mit den geltenden Standardsund einer Auslegung für Dauerbetrieb unter den spezifizierten Extrembedingungen. So wird ge-währleistet, dass die Filter den Lebensdauererwartungen unter Industriebedingungen entspre-chen.

Die im Bild dargestellten Antriebe in einem Walzwerk sind ein Beispiel, bei dem es nicht nur aufdie Einhaltung von Normen ankommt, sondern auch Sicherheitsaspekte zu beachten sind. Elek-tronische Systeme steuern hier große Antriebssysteme, deren Fehlfunktion große Kräfte freiset-zen und somit ein erhebliches Gefahrenpotenzial darstellen würde. Elektromagnetische Verträg-lichkeit war also hier, wie in vielen anderen Einsatzgebieten, auch eine Frage des Arbeitsschut-zes der beschäftigten Mitarbeiter.

Zur Verbesserung der Steuerung technologischer Parameter werden zunehmend drehzahlverän-derbare Antriebe in der Industrie eingesetzt. Dabei erschließen immer neue Bauelemente, z. B.neue IGBT-Entwicklungen, Leistungsbereiche bis in den Megawattbereich von Umrichterantrie-ben. Neben den technologischen Vorteilen durch veränderbare Drehzahlen ergeben sich auchdeutliche Energieeinsparungen und somit ökologische Vorteile. Die ökonomischen Einsparungensind in vielen Fällen so groß, dass eine Rentabilität der Neuinvestitionen oft nach wenigen Nut-zungsjahren erreicht wird.

In vielen Firmen von Industrie und Handwerk hat es sich durchgesetzt, ausschließlich Einrichtun-gen, Anlagen und Geräte mit dem Nachweis der Einhaltung der EMV-Grenzwerte bezüglichStöraussendung und Störfestigkeit einzusetzen. Dadurch wird die Funktionalität der Maschinensichergestellt und die Zuverlässigkeit wesentlich erhöht. Eine Maßnahme, die zwar in der Investi-tionsphase etwas teurer ist, sich aber in der Summe „rechnet“.

Anwendungsbeispiele


6) IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor

4.2 Filter für rückspeisefähige Umrichter (AFE = Active Front End)

Im Gegensatz zu herkömmlichen Umrichtern werden bei rückspeisefähigen Umrichtern alsGleichrichter Halbleiterschalter (z. B. IGBTs6)) anstelle der sonst üblichen Diodenbrücken verwen-det. Die Schalter können zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden. Erfolgtdie Ansteuerung in geeigneter Weise, reduziert sich die Amplitude der erzeugten Oberschwingun-gen, und der Strom, der vom Umrichter aufgenommen wird, ist annähernd sinusförmig. Ein weite-rer Vorteil besteht darin, dass die Zwischenkreisspannung bis zum Scheitelwert der Netzspan-nung variiert werden kann. Zusätzlich sind viele rückspeisefähige Umrichter in der Lage, z. B.beim Abbremsen eines Motors, Energie aus dem Zwischenkreis ins Netz zurückzuspeisen.

Bild 6 Prinzipschaltbild eines rückspeisefähigen Umrichters

Allerdings macht sich die Taktfrequenz der Halbleiterschalter auf der Netzseite des Frequenzum-richters störend bemerkbar: Es tritt ein erheblicher Spannungsripple zwischen den einzelnen Pha-sen auf. Zusätzlich fließen asymmetrische Ströme zwischen Umrichter und Netz, deren Größevon der Gesamtlänge der Motorleitung abhängig ist. Beim Rückspeisebetrieb verstärken sich dieEffekte.

Durch den Einsatz geeigneter Filter und Drosseln von EPCOS werden diese Störungen so be-dämpft, dass eine Beeinflussung zwischen Umrichter und benachbarten Geräten ausgeschlossenwird. Die Einhaltung der Grenzwerte für die Störspannung wird sichergestellt. Für besondere An-forderungen, wie z. B. maximal zulässige asymmetrische Ströme oder max. Ableitströme, hatEPCOS Lösungen entwickelt, die bereits zum Patent angemeldet sind.

Anwendungsbeispiele


4.3 Applikationen im Verkehrswesen

Traktionsanwendungen wie Straßenbahnen, Oberleitungsbusse, Elektrolokomotiven und moder-ne Triebzüge stellen gegenüber anderen Einsatzgebieten in der Industrie oft deutlich abweichen-de Anforderungen. Diese Abweichungen betreffen sowohl elektrische Parameter als auch Um-weltanforderungen bezüglich Stoß, Vibration, mechanischer Festigkeit, Verschmutzung und Be-tauung.

EMV-Filter von EPCOS werden als Standardfilter für einige Einsatzgebiete wie z. B. Eingangsfil-ter für Spannungen bis 1500 V DC und Ströme bis 1600 A angeboten. Darüber hinaus stehenzahlreiche Sondertypen außerhalb des Datenbuchspektrums zur Verfügung. Falls erforderlich, er-arbeiten wir zusammen mit dem Kunden eine angepasste Lösung.

Neue Entwicklungen für moderne Motoren mit geringem Leistungsgewicht und somit großer Volu-menleistung sowie neue Techniken für Umrichter wurden inzwischen zum Standard für einige Ma-rine-Applikationen. So zählen dieselelektrische Antriebe zum Komfortmerkmal großer Passagier-schiffe und sind bei hohen Anforderungen an die Manövrierfähigkeit, wie z. B. bei Bohrschiffen,unverzichtbar.

Mit dem jetzigen Stand der Technik wird der Wirkungsgrad bei Teillast deutlich verbessert, einegleichmäßige Leistungsabgabe unabhängig von der stufenlos regelbaren Drehzahl erreicht undein schnelles Umsteuern für Schubumkehr ermöglicht, um nur einige Beispiele zu nennen.

Anwendungsbeispiele


Für Schiffs-Bordstromversorgungen gelten in vielen Fällen die Bedingungen für IT-Netze, und so-mit sollten auch die eingesetzten EMV-Filter den Bedingungen für IT-Netze genügen. EPCOSbietet aber auch Lösungen für Anwendungen mit extrem geringen Ableitströmen. Diese werdenaufgrund des metallischen Körpers des Schiffes teilweise im Marine-Einsatz für erhöhten Perso-nenschutz gefordert.

4.4 Kundenspezifische Lösungen – Beispiel Telekommunikation

Bei komplexen Anlagen besteht oft die Aufgabe, neben der EMV-Filter-Eigenschaft weitere Funk-tionen in die Baueinheit zu integrieren. Für kundenspezifische Lösungen, zum Beispiel im Tele-kommunikationsbereich, sind folgende Zusatzfunktionen als Lieferbestandteil von EPCOS denk-bar:Spezielle Steckverbinder für Stromversorgungseinheit AC und DC mit unterschiedlichen Span-nungsebenenSchalter (Netz-Hauptschalter; Funktionsschalter)Überspannungsschutz (integrierte Lösungen; Überspannungsschutzmodule wechselbar)Überlastschutz (Sicherungen; Leistungsschutzschalter)Anzeigen; Mess- und ÜberwachungsmoduleElektrische Schnittstellen in gewünschter Form (Klemmen, Bolzen, Leitungen)Datenschnittstellen (z. B. LAN mit RJ45-Steckverbindern)Temperaturüberwachung

Bild 7 Blockschaltbild Telekommunikationsmodul

Anwendungsbeispiele


Bitte beachten Sie auch die Hinweise unter „Dienstleistungen und EMV-Labor“ im Abschnitt „3Kundenspezifische Filter- und Drosselanpassung“, Seite 141.

Bild 8 Telekommunikationsmodul

Anwendungsbeispiele


7) Insulated Gate Bipolar Transistor

5 Drosseln und Ausgangsfilter für Frequenzumrichter

Frequenzumrichter mit IGBT7) werden zunehmend in der Industrie eingesetzt, da sie zusammenmit Drehstrom-Asynchronmotoren hervorragende, robuste Antriebssysteme ergeben. EPCOS bie-tet rund um den Frequenzumrichter das komplette Lösungsspektrum sowohl als Standardausfüh-rung als auch kundenspezifisch an. Dazu gehören:EMV-NetzfilterNetzdrosseln (Kommutierungsdrosseln)für Standardumrichter mit Gleichrichtereingang

Filterdrosselnfür rückspeisefähige Umrichter

DC-Zwischenkreisdrosselndu/dt-Drosselndu/dt-Filter (auf Anfrage)SinusfilterEMV-Sinusfilter (SineFormer)

Anwendungsbeispiele


Komplettlösungen rund um den Frequenzumrichter

Netzdrossel du/dt-Drossel Sinusfilter

Netzfilter SineFormer

Bild 13 Blockschaltbild eines Frequenzumrichters mit Kommutierungsdrossel, Eingangsfiltersowie Ausgangsfilter bzw. -drossel

Ein Umrichter erzeugt aus einer Einspeisung mit konstanter Spannung und Frequenz eine Aus-gangsspannung, die in Amplitude und Frequenz in weiten Bereichen verändert werden kann. Da-zu wird die Eingangsspannung gleichgerichtet und in einem Zwischenkreis geglättet. Diese Zwi-schenkreisspannung speist eine Halbleiter-Brückenschaltung. Die Einschaltdauer der Halbleiterwird von der Regelung des Umrichters so gesteuert, dass in Verbindung mit induktiven Lastensich ein sinusförmiger Strom einsstellt (Pulsweitenmodulation = PWM). Auf der Eingangsseite desFrequenzumrichters ergeben sich beim Kommutierungsvorgang der gleichrichtenden Halbleiterkleine Kurzschlüsse, die Spannungseinbrüche auf der Netzseite bewirken. Diese Netzrückwir-kung kann mit einer Kommutierungsdrossel auf der Eingangsseite des Frequenzumrichters ver-ringert werden.

Auf der Ausgangsseite ist die Ansteuerung der einzelnen Halbbrücken so versetzt, dass man amUmrichterausgang eine dreiphasige Wechselspannung erhält.

Anwendungsbeispiele


Spannung Strom

Bild 16 Leiterspannung und Strom am Umrichterausgang ohne Filter

Sind der Umrichter und der Motor zu einer Einheit zusammengebaut, ist dieses im Hinblick aufdas EMV-Verhalten am günstigsten. Meistens sind sie jedoch über eine längere Leitung verbun-den.

Die Leitung hat parasitäre Kapazitäten zwischen den Leitern und gegen Erde. Da die Anstiegszeitder Rechteckimpulse der Umrichterausgangsspannung im Bereich 5 bis 10 kV/µs liegt, fließen beijedem Schaltvorgang hochfrequente Ströme in der Leitung. Diese können bei langen Leitungenso groß werden, dass die Überstromschutzschaltung des Umrichters anspricht. In jedem Fall ver-ringern sie jedoch den dem Motor zur Verfügung stehenden Strom. Der Umrichter muss also grö-ßer dimensioniert werden. Außerdem verursachen diese Ströme mit ihrem hohen Schaltfrequenz-gehalt Verluste in der Leitung und im Motor.

Da ein Teil der hochfrequenten Ströme gegen Erde fließt, verursachen sie asymmetrische Störun-gen. Bei Verwendung ungeschirmter Motorleitungen würden unzulässig hohe Störfelder erzeugt.Diese Störfelder bedingen daher die Verwendung geschirmter Motorleitungen oder es werden Si-nus-EMV-Filter der SineFormer-Reihe B84143V*R127 am Umrichterausgang eingesetzt.

Die hohe Flankensteilheit der Umrichterspannung regt parasitäre Schwingkreise bestehend ausKabel- und Motorkapazitäten sowie Leitungsinduktivitäten an, deren Ausschwingvorgänge sichder Umrichterspannung überlagern.

Anwendungsbeispiele


Dies führt vor allem auf der Motorseite zu kurzzeitigen Spannungsüberhöhungen, welche die Mo-tor-Nennspannung weit überschreiten können (Bild 17). Diese Spannungsüberhöhungen belastendie Motorisolation durch Teilentladungen und führen vor allem bei älteren Motoren zu vorzeitigemAusfall.

Bild 17 Spannungsüberhöhung durch eine Leitung

So ergeben sich folgende Effekte beim Betrieb von Umrichtern:Große hochfrequente Blindströme in der MotorleitungÜberspannung am Motor durch die hohe Spannungssteilheit und die lange MotorleitungLagerschäden durch Ableitströme über die MotorlagerMotorgeräuscheEMV-ProblemeBeschädigung der Motorisolation

Um diese Probleme zu verringern, finden je nach Problemstellung vier Lösungsansätze Anwen-dung:

1. du/dt-Drosseln2. du/dt-Filter3. Sinusfilter4. EMV-Sinusfilter

Hinweis für den Anwender:

Umrichter müssen für den Betrieb mit Ausgangsdrosseln oder -filtern parametriert werden, da sieunter bestimmten Betriebsbedingungen zu Eigenschwingungen angeregt werden können. Die indiesem Datenbuch vorgestellten Filter wurden an verschiedenen Umrichtern erprobt. Sie stellennur einige Beispiele dar. Weitere Filter sind auf Anfrage erhältlich.

Anwendungsbeispiele


8) Höhe des Spannungsabfalls über der Drossel in Prozent bezogen auf die anliegende Strangspannung

5.1 Netzdrosseln/ Kommutierungsdrosseln

Die Kommutierungsdrossel ist eine Längsdrossel mit einem uk -Wert8) von typischerweise1% ... 5 %, die im Versorgungsstrang des Frequenzumrichters liegt. Durch sie fließt der gesamteNetzstrom. Es gibt sie in zwei Ausführungen:

Umrichter mit einer Diodengleichrichterschaltung:Hier wirkt sie mit ihrer Induktivität den Spannungseinbrüchen entgegen, die zum Zeitpunkt derKommutierung entstehen.Umrichter, die in der Lage sind, Energie in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen:AnlaufstrombegrenzungVerringerung von Oberschwingungen

Bild 18

Schaltbild einerKommutierungsdrossel

5.2 Ausgangsdrosseln/du/dt-Drosseln

Die du/dt-Drossel ist eine Längsdrossel auf der Motorseite des Frequenzumrichters. Durch siefließt der gesamte Motorstrom. Steile Spannungs- und Stromflanken werden durch die Induktivitätetwas abgeflacht. Die parasitären Kapazitäten des angeschlossenen Kabels werden wenigerstark be- und entladen. Gegenüber dem Schutzleiter hat die Drossel praktisch keine Wirkung.Der Ableitstrom und die gestrahlten Störungen werden nicht verringert.

In der Regel sind Motorleitungen bis 50 m möglichEine Abschirmung der Motorleitung ist notwendigKaum Verbesserung der EMV-Störungen

Datenblätter zu du/dt Drosseln finden Sie auf Seite 465.

Bild 19

Schaltbild einer du/dt-Drossel

Anwendungsbeispiele


5.3 du/dt-Filter

Das du/dt-Filter besteht im Wesentlichen aus einem LC-Tiefpass mit einer Grenzfrequenz, diegrößer ist als die Taktfrequenz des Umrichters (Prinzipschaltbild, Bild 20).

Das Filter vergrößert die Anstiegszeit der Spannungsimpulse auf der Leitung, die Spannungsspit-zen am Motor werden kleiner, das du/dt der Ausgangsspannung sinkt.

Die Wirkung des Filters beschränkt sich auf die Spannungssteilheit zwischen den Leitern. Gegen-über dem Schutzleiter hat das Filter praktisch keine Wirkung, der Ableitstrom und die gestrahltenStörungen werden nicht verringert.

Typischerweise sind Motorleitungen bis 100 m Länge möglich

Eine Abschirmung der Motorleitung ist notwendig

Kaum Verbesserung der EMV-Störungen

du/dt-Filter müssen in der Regel an den Umrichter bzw. die Applikation angepasst werden.EPCOS bietet auf Wunsch kundenspezifische Lösungen an.

Bild 20 Prinzipschaltbild des du/dt-Filters und des Sinusfilters

Anwendungsbeispiele


5.4 Sinusfilter

Das Sinusfilter hat die gleiche Prinzipschaltung wie das du/dt-Filter (Bild 20), jedoch wird dieGrenzfrequenz zwischen Ausgangs- und Umrichtertaktfrequenz gelegt. Dadurch werden die Wer-te für die Induktivitäten und Kapazitäten größer, das Filter hat aber auch eine bessere Wirkung.Der Anteil der Schaltfrequenz an der Leiterspannung verschwindet fast völlig (Bild 21).

Spannung Strom

Bild 21 Leiterspannung und Strom nach dem Sinusfilter

Da das Sinusfilter hauptsächlich auf symmetrische Störungen zwischen den Leitungen wirkt, wer-den Störungen gegen den Schutzleiter kaum verringert (Bild 22).Motorleitungen von mehr als 100 m Länge sind möglichAuf eine Abschirmung der Motorleitung kann nicht verzichtet werdenDie Motorgeräusche und Wirbelstromverluste werden reduziertEine Reduzierung des netzseitigen Filteraufwands ist möglich

Bild 22 Spannung Leiter gegenErde nach dem Sinusfilter

Datenblätter für Sinusfilter siehe Kapitel "Netz- und Ausgangsdrosseln, Ausgangsfilter".

Anwendungsbeispiele


5.5 EMV-Sinusfilter SineFormer

Um die asymmetrischen Störungen auf der Motorleitung soweit zu reduzieren, dass auf die Schir-mung der Motorleitung verzichtet werden kann, muss ein EMV-Sinusfilter verwendet werden. Da-bei wird das Sinusfilter durch eine stromkompensierte Drossel mit Kondensatoren gegen Masseergänzt.

Bild 23

Prinzipschaltbild desEMV-SinusfiltersSineFormer

Weitere technische Daten der SineFormer-Filter siehe Datenblatt B84143V*R127

Technische Vorteile des EMV-Konzepts mit SineFormer:

Verringerung des du/dt auf <500 V/µsReduzierung der Geräuschentwicklung des MotorsDeutliche Verminderung der WirbelstromverlusteWesentliche Verringerung der MotorlagerströmeVermeidung von Kopplungen der Störungen von der Motorleitung zu anderen Netz- und Signal-leitungenFunkstörstrahlung ausgehend von der Motorleitung innerhalb der üblichen normativen GrenzenBestmögliche Reduzierung der Störungen (leitungsgebunden und abgestrahlt) im Vergleich zuanderen AusgangsfilterlösungenKeine Rückführung zum Umrichterzwischenkreis notwendig

Wirtschaftliche Vorteile des EMV-Konzepts mit SineFormer:

Ungeschirmte Motorleitungen können eingesetzt werden, wodurch sich der Montageaufwandverringert, die Lebensdauer erhöht und niedrigere Kabelkosten entstehenMotorgröße kann reduziert werdenMotorlebensdauer kann deutlich erhöht werdenLängere Motorkabel sind möglich (bis 1000 m ungeschirmt gemessen)Kein Wartungsaufwand, da die SineFormer ohne Zwangskühlung aufgebaut sindKompaktfilter (kein Baukastensystem), dadurch geringeres Volumen und GewichtReduzierte Anforderungen an NetzfilterErhöhung der AnlagenverfügbarkeitAuch als Nachrüstsatz geeignet

Anwendungsbeispiele


SineFormer entstören optimal und senken Systemkosten

Gerade der mögliche Verzicht auf geschirmte Leitungen hat einen besonderen Vorteil, denn ab-hänging von Querschnitt und Länge der Leitung ist der Einsatz der SineFormer kostengünstigerals die Verwendung geschirmter Leitungen. Häufig sind die Kosten für das Filter bereits ab einerLeitungslänge von rund 100 m mit der Verwendung eines ungeschirmten Kabels kompensiert.Werden allein die Preise des SineFormer und der ungeschirmten Leitungen mit den Kosten einesSinusfilters und geschirmter Leitungen verglichen, kann der Break-even bereits bei Leitungslän-gen von weniger als 50 m erreicht werden, wobei der höhere Montageaufwand für geschirmteLeitungen noch nicht berücksichtigt ist.

Bild 24 zeigt die netzseitige Störspannungsmessung an einem Frequenzumrichter mit EMV-Netzfilter und 100 m ungeschirmter Motorleitung ohne Ausgangsfilter. (Messergebnisse abhängigvon der Lage der Motorleitung, Bezug auf Grenzwerte nach EN 55011 Klasse A/Gruppe 1 bzw.EN 61800-3 Kategorie C2.)

Bild 24

Störspannungsmessungmit ungeschirmterLeitung

Anwendungsbeispiele


Bild 25 zeigt im Vergleich zu Bild 24 eindrucksvoll die Wirkungsweise der SineFormer-Technologie. Auch bei gekreuzter Verlegung von Netzleitung, ungeschirmter Motorleitung undselbst bei Parallelführung über 80 cm entsprechend den Vorgaben der EN 61800-3 werden dieGrenzwerte sicher eingehalten (hier nach EN 55011, Klasse A/Gruppe 1 beziehungsweiseEN 61800-3 Kategorie C2). Dass so gut wie keine Kopplungen auftreten, zeigt eindeutig die opti-male Wirksamkeit der neuen Filtertechnologie. Durch die Verwendung von SineFormer-Filternkann der Einsatz von geschirmten Leitungen endgültig der Vergangenheit angehören. Somit las-sen sich die Systemkosten senken und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen.

Bild 25

Störspannungsmessungam SineFormerTrotz ungeschirmterKabel werden diezulässigen Grenzwerteeingehalten.

Gleichtaktstörungen erzeugen durch die parasitären Kapazitäten im Motor Lagerströme. DieseLagerströme können die Motorlebensdauer deutlich reduzieren. Durch die SineFormer-Technologie werden die Gleichtaktstörungen unterdrückt und dadurch die Lagerströme im Motorminimiert. Dies führt zu einer bestmöglichen Erhöhung der Motorlebensdauer.

Bild 26 zeigt typische Messwerte an dem Ausgang eines Frequenzumrichters im Zeitbereich undim Frequenzbereich. Deutlich sind die hohen asymmetrischen Ströme erkennbar, die hier als La-gerströme gemessen werden.

Anwendungsbeispiele


Bild 26

Lagerströme ohneAusgangsfilter

Bild 27 zeigt die asymmetrischen Ströme bei Einsatz eines Sinusfilters. Die Lagerströme werdennur teilweise reduziert und können zu keiner wesentlichen Lebensdauererhöhung des Motors bei-tragen. Siehe vergleichend Bild 26.

Bild 27

Reduzierung derLagerströme mitSinusfilter

Anwendungsbeispiele


Bild 28 zeigt nun typische Werte der Lagerströme bei Einsatz eines EMV-Sinusfilters SineFormer.Im Vergleich mit den Bildern 26 und 27 sind die deutlichen Verbesserungen erkennbar: Nur EMV-Sinusfilter SineFormer können die Motorlagerströme minimieren. Siehe vergleichend Bild 26.

Bild 28

Minimierung derLagerströme mitEMV-SinusfilterSineFormer

Anwendungsbeispiele


5.6 Schlussfolgerung

Zusammenfassend kann man feststellen:Die du/dt-Drossel verringert die Flankensteilheit der Ausgangsspannung (Leiter/Leiter). Damitwird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Motoren gesenkt.Das du/dt-Filter verringert die Flankensteilheit der Ausgangsspannung (Leiter/Leiter) stärker alsdie Drossel. Damit wird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Motoren gesenkt.Das Sinusfilter bietet bei geringem Mehraufwand eine sinusförmige Phasenspannung.Gleichzeitig wird die erdbezogene hochfrequente Störspannung etwas reduziert.Der EMV-Sinusfilter SineFormer ist die beste und auf den ersten Blick auch teuerste Lösung,wenn nur die Komponentenpreise der verschiedenen Ausgangsfilterlösungen verglichen wer-den. Bei Betrachtung der Systemkosten (Leitung, Filter, Motor) ergeben sich aber dann die ein-deutigen Kostenvorteile für die SineFormer-Technologie: Die SineFormer FilterreiheB84143V*R127 hat das beste Preis-Leistungs-Verhältnis aller Ausgangsfilter- und Drossellö-sungen!

SpannungLeiter/Leiter

SpannungLeiter/Erdleiter

GestrahlteStörungen

Reduzierung derMotorlagerströme

du/dt-Filter KaumVerbesserung

Keine

Sinusfilter WenigVerbesserung

Gering

EMV-SinusfilterSineFormer

Fast beseitigt Bestmöglich

Bild 29 Zusammenfassung der Filtereigenschaften

Anwendungsbeispiele


6 Filter für Schaltnetzteile

Schaltnetzteile ersetzen in der Elektrotechnik immer mehr konventionelle Stromversorgungen mitNetztransformatoren und Linearreglern. Diese sind zwar meist kostengünstig, haben aber eingroßes Bauvolumen und einen schlechten Wirkungsgrad.

Beim Schaltnetzteil wird die Eingangsspannung gleichgerichtet und in einem Gleichspannungs-zwischenkreis geglättet. Mit Hilfe von Halbleiterschaltern wird diese Gleichspannung nun wiederzerhackt, über einen Transformator übertragen, gleichgerichtet und geglättet. Die Schaltfrequenzliegt üblicherweise im Bereich von ca. 20 kHz bis zu einigen hundert kHz. Dadurch können Trans-formatoren und Siebschaltungen sehr klein gehalten werden. Da nur Schalt- und Durchlassverlus-te auftreten, ist der Wirkungsgrad im Vergleich zu linearen Lösungen sehr hoch.

Man unterscheidet zunächst einmal zwischen primär getakteten und sekundär getakteten Wand-lern. Die primär getakteten Wandler teilen sich weiter auf in Sperrwandler, Eintakt-Durchflusswandler und Gegentakt-Durchflusswandler. Hauptvertreter der sekundär getaktetenWandler sind der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller. Alle Wandler haben ein eigenes Schalt-verhalten, das sich in unterschiedlichen Spannungs- und Stromverläufen während eines Schalt-vorgangs niederschlägt.

Den Vorteilen, die sich durch diese Schaltungstechnik in Größe, Wirkungsgrad und Lastregelungergeben, stehen erhöhte EMV-Probleme gegenüber. Hauptstörquellen sind die Halbleiterschalter,die ein- und ausgangseitigen Gleichrichterschaltungen und nicht zuletzt die Ansteuerschaltungenmit z. B. Mikrocontroller. Grundstörfrequenz ist die Taktfrequenz des Wandlers.

Ein großer Teil der Verluste entsteht während des Ein- und Ausschaltens der Halbleiterschalter.Dabei durchlaufen die Halbleiter für kurze Zeit einen linearen Zustand, in dem sowohl hohe Span-nungen anliegen als auch Strom fließt. Um diese Zeit klein zu halten, werden die Halbleiterschal-ter sehr hart geschaltet, d. h. sie gehen in etwa 50 bis 100 ns vom gesperrten in den leitendenZustand über.

Anwendungsbeispiele


Es ergeben sich Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten du/dt von einigen kV/µs. Das HF-Spektrum reicht bis zu über 100 MHz.

Wird die Spannung an den Gleichrichterdioden von Durchlass- in Sperrrichtung umgepolt, sofließt der Diodenstrom bedingt durch den Träger-Speicher-Effekt kurzzeitig weiter, bis er nach Ab-bau der Ladungsträger in der Sperrschicht plötzlich Null wird. Dieser Stromabriss bei gleichzeitiganliegender Sperrspannung erzeugt eine Störspannung mit Grundfrequenzen im Bereich von ei-nigen MHz.

Im Bereich bis zu einigen hundert kHz liegen die Störungen meist vor allem als symmetrischeStörungen (differential mode) zwischen den Leitungen vor. Sie werden durch die Streuinduktivitä-ten der stromkompensierten Drossel des Filters und durch X-Kondensatoren gedämpft.

Reicht die symmetrische Dämpfung im Bereich unter hundert kHz nicht aus, so kann sie durchEinbau von symmetrisch wirkenden Pulverkerndrosseln erhöht werden (Bild 30).

Filter ohne symmetrische DrosselB84114D*A030

Filter mit zusätzlicher symmetrischerDrossel B84115E*A030

Bild 30 Vergleich zweier Filter, ohne und mit symmetrischer Drossel (Pulverkerndrossel)

Anwendungsbeispiele


Bei höheren Frequenzen ab einigen 100 kHz liegen in der Regel vor allem asymmetrische Stö-rungen (common mode) vor. Dabei fließen die Störströme zwischen den Leitungen und der Be-zugsmasse. Große Störquellen sind die Halbleiter, da sie durch die Kühlkörpermontage einegroße Koppelkapazität gegen Erde haben und ein hohes du/dt gegen das Gehäuse aufweisen.

Zur Entstörung werden stromkompensierte Drosseln verwendet. Bei diesen fließt der Nutzstromso durch die Wicklungen der Drossel, dass sich die magnetischen Flüsse im Kern kompensieren.Für die asymmetrische Störung wirkt die volle Induktivität. Hinzu kommen noch Y-Kondensatoren,um die Störströme gegen Masse kurzzuschließen. Sie werden vorwiegend auf der zur Störquellegewandten Seite des Filters gegen die Bezugsmasse geschaltet (Bild 31).

Bild 31 Schaltungsaufbau eines Entstörfilters mit stromkompensierter Drossel

Da in vielen Anwendungen der Ableitstrom des Gerätes durch Normen begrenzt wird (z. B. alsBerührungsstrom auf 0.5 oder 3.5 mA), ist auch die Kapazität der Y-Kondensatoren in diesen Fäl-len begrenzt. Dann muss die Entstörwirkung durch eine entsprechend größere Drossel erbrachtwerden.

Bei Frequenzen von einigen MHz wird ein Teil der Störungen auch durch elektrische und magne-tische Felder übertragen. Um eine hohe Dämpfung zu erhalten, sollte das Filter und oft auch dieStromversorgung geschirmt sein, da die hochfrequenten Störungen am Filter vorbei auf die Ein-gangsleitung überkoppeln können.

EPCOS bietet mit seinen SIFI-Reihen ein Baukastensystem mit unterschiedlichen Dämpfungenund Bemessungsströmen an. Kurz gesagt: Standardmäßige Lösungen für nahezu jede Anwen-dung. (Datenblätter siehe Kapitel "2-Leiter-Filter", Serien B84111A ... B84115E.)

Anwendungsbeispiele


Damit das Filter bei hohen Frequenzen noch wirkt, muss es für höhere Frequenzen niederinduktivmit der Bezugsmasse verbunden werden. Es genügt nicht, den Erdanschluss des Filters übereinen Leiter mit der Bezugsmasse zu verbinden, da das Filter dann bei höheren Frequenzen fastwirkungslos wird (Bild 32). Anzustreben ist ein flächiger Kontakt des Filtergehäuses mit der Be-zugsmasse.

Beispiel:Masseverbindung: 10 cm Draht10 cm Draht = 140 nH140 nH = 17 Ω bei 20 MHzCy = 10 nF10 nF = 1.3 Ω bei 20 MHz

d. h., das Filter ist bei 20 MHz fastwirkungslos

Bild 32 Auswirkung einer falschen Filtermontage

Für die Auswahl eines Filters ergeben sich somit folgende Punkte:

Die Gesamtanforderungen bestimmt die untere Einsatzfrequenz des Entstörfilters.

Die Spannungssteilheit du/dt der Halbleiterschalter sowie evtl. vorhandene hochgetaktete Mi-krocontroller-Schaltungen sind für die Dämpfungsanforderungen bei hohen Frequenzen be-stimmend.

EMV-Filter und Gerät müssen als Einheit betrachtet werden. Oft können bereits kleinere Ände-rungen in der Schaltung (z. B. geänderte Leiterbahnführung, etwas größere Einschaltzeiten)dazu führen, dass ein kleineres günstigeres EMV-Filter verwendet werden kann.

Anwendungsbeispiele


7 Entstörung von Anlagen

Jedes Gerät, welches elektrische oder elektronische Bauteile beinhaltet, unterliegt EMV-Anforderungen auf Grund von EU-Richtlinien wie der EMV-Richtlinie und den nationalen EMV-Gesetzen. Die EMV-Richtlinie fordert die Einhaltung von Schutzanforderungen, welche aus har-monisierten Normen abgeleitet werden können.

Gibt es zu einem Betriebsmittel keine eigene EMV-Produktnorm, so greift die jeweilige Produktfa-miliennorm, die die Grenzwerte und anzuwendenden Messanordungen und -verfahren be-schreibt. Betriebsmittel (z. B. große Druckmaschinen, Bearbeitungszentren, etc.), denen man kei-ne Produkt- und Produktfamiliennorm zuordnen kann, unterliegen der Fachgrundnorm (siehe Ta-bellen auf den Seiten 24 ff).

Betriebsmittel im Sinne der EMV-Richtlinie (2004/108/EG) sind Geräte und ortsfeste Anlagen. Un-ter Geräten versteht man entsprechend dieser Richtlinie Apparate, die für Endnutzer bestimmtsind und elektromagnetische Störungen verursachen oder durch solche beeinträchtigt werdenkönnen [Artikel 2, Absatz (1) b)]. Darunter fallen auch Baugruppen, die als Funktionseinheiten da-zu bestimmt sind, vom Endnutzer in ein Gerät eingebaut zu werden, sowie bewegliche Anlagenals Kombination von Geräten und gegebenenfalls weiteren Einrichtungen, die für den Betrieb anverschiedenen Orten bestimmt sind [Artikel 2, Absatz (2)].

Bei einer ortsfesten Anlage handelt es sich um eine besondere Kombination von Geräten undweiteren Einrichtungen, die miteinander verbunden oder installiert werden und dazu bestimmtsind, auf Dauer an einem bestimmten Ort betrieben zu werden [Artikel 2, Absatz (1) c)].

Anwendungsbeispiele


Für Betriebsmittel – also Geräte und ortsfeste Anlagen – wird die Einhaltung der grundlegendenAnforderungen nach Anhang I der EMV-Richtlinie gefordert:

1. SchutzanforderungenBetriebsmittel müssen nach dem Stand der Technik so konstruiert sein, dass

a) die von ihnen verursachten elektromagnetischen Störungen keinen Pegel erreichen, beidem ein bestimmungsgemäßer Betrieb von Funk- und Telekommunikationsgeräten oderanderen Betriebsmitteln nicht möglich ist;

b) sie gegen die bei bestimmungsgemäßem Betrieb zu erwartende elektromagnetischenStörungen hinreichend unempfindlich sind, um ohne unzumutbare Beeinträchtigungbestimmungsgemäß arbeiten zu können.

2. Besondere Anforderungen an ortsfeste AnlagenInstallation und vorgesehene Installation der Komponenten:

Ortsfeste Anlagen sind nach den anerkannten Regeln der Technik zu installieren, und imHinblick auf die Erfüllung der Schutzforderungen des Abschnitts 1 sind die Angaben zurvorgesehenen Verwendung der Komponenten zu berücksichtigen. Diese anerkannten Regelnder Technik sind zu dokumentieren, und der Verantwortliche/die Verantwortlichen halten dieUnterlagen für die zuständigen Behörden zu Kontrollzwecken zur Einsicht bereit, solange dieortsfeste Anlage in Betrieb ist.

Ortsfeste Anlagen unterliegen nicht der CE-Kennzeichnungspflicht, jedoch kann die elektroma-gnetische Verträglichkeit schwerlich anders als durch Prüfungen sichergestellt werden.

Die EMV von Anlagen ist in der Regel schwer zu beurteilen, da die Gerätenormen nur für frei er-hältliche Geräte konzipiert wurden und die gesamte elektromagnetische Umgebung einbezieht.Für Anlagen gibt es keine allgemeingültige Norm. Daher muss die EMV von Fall zu Fall geprüftund sichergestellt werden. Treten Probleme beim Betrieb der Anlage auf, so wird man versuchen,den Störer zu ermitteln und zu entstören, bis die Beeinflussung behoben ist.

Anlagenbetreiber sollten grundsätzlich ihre Anlagenlieferanten und diese ihre Gerätelieferantendazu bewegen, im Sinne der Funktionssicherheit ihrer Anlagen ausschließlich nur EMV-konformeGeräte einzusetzen und dies durch Prüfungen belegbar zu dokumentieren.

Vorgaben in Verträgen zur Einhaltung der EMV dienen vorausschauend allen Parteien. Der zubetreibende Aufwand zur Nachbesserung von problembehafteten Anlagen ist ungleich höher alsdie Berücksichtigung der EMV-Komponenten und der Filter bereits in der Planungsphase.

Für eine optimale und kostengünstige EMV-Lösung muss die Anlage vom Hersteller und EMV-Experten untersucht, und es müssen geeignete EMV-Maßnahmen (z. B. Filter, Kabelführung,Wartung) ergriffen werden. Hierfür stehen Filter aus dem Datenbuch und kundenspezifische Fil-terlösungen zur Verfügung.

Geeignete Filter bei der Entstörung von einzelnen Geräten der Anlage können aus den Auswahl-tabellen und Applikationshinweisen dieses Datenbuches ausgesucht und eingesetzt werden. Fallsnötig kann ein EMV-Filter kundenspezifisch angepasst werden. Die Filter müssen der jeweiligenAnforderung der Anwendung entsprechen.

Anwendungsbeispiele


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