Eckdaten

Ein wesentliches Problem von Umrichter-basierten Antrieben ist ein betriebsbedingter Ableitstrom (Schutzleiterstrom) durch parasitäre Kopplung. TDK entwickelte das LeaXield-Modul, um Ableitströme zu eliminieren. Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter. Es kompensiert Ableitströme von bis zu 1000 mA. Die Dämpfung des 258 × 80 ×100 mm3 großen Moduls liegt bei 4 kHz bei bis zu 30 dB, bei 10 kHz sogar bei bis zu 40 dB und bei 150 kHz bei bis zu 15 dB.

In Industrieanlagen wie auch im Gebäudemanagement werden drehzahlvariable Antriebe für vielfältige Aufgaben eingesetzt und in der Regel aus dreiphasigen TN-Netzen gespeist. Ein komplettes Antriebssystem besteht aus einem EMV-Eingangsfilter, dem Frequenzumrichter und dem Motor. Eine ebenso wichtige Komponente, die man bei der Systembetrachtung oft vernachlässigt, ist das geschirmte Kabel zwischen Umrichter und Motor, das häufig Längen von mehr als 200 Metern hat. Aus Sicherheitsgründen werden die Antriebssysteme über Fehlerstromschutzschalter mit dem Netz verbunden.

Bild 1: Auslösen des Fehlerstromschutzschalters.

Bild 1: Auslösen des Fehlerstromschutzschalters.TDK

Ein wesentliches Problem von Umrichter-basierten Antrieben ist ein betriebsbedingter Ableitstrom (Schutzleiterstrom) durch parasitäre Kopplung. Sie ist neben der Systemtopologie auch stark von der Flankensteilheit der Frequenz und Amplitude abhängig. Unter ungünstigen Umständen übersteigt die Summe der Ableitströme die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters (Bild 1).

Übliche Fehlerstromschutzschalter haben zum Beispiel eine Auslöseschwelle von 30 mA für Ströme im Frequenzbereich <100 Hz, die auf 300 mA für Ströme mit Frequenzen >1000 Hz steigt. Besonders lange Motorleitungen können bewirken, dass die 300-mA-Schwelle überschritten wird (Bild 2). Dies führt zu einem unbeabsichtigten Abschalten des Systems, was in Industrieanlagen Produktionsausfälle und hohe Kosten zur Folge hat.

Bild 2: Frequenz- und Amplitudenspektrum der Ableitströme.

Bild 2: Frequenz- und Amplitudenspektrum der Ableitströme.TDK

Bisher gab es zwei Möglichkeiten, das Auslösen des Fehlerstromschutzschalters durch zu hohe Ableitströme zu verhindern:

Umfangreiche EMV-Befilterung:

  • Umfangreiche EMV-Befilterung:
    Durch die Verwendung von größeren und oft überdimensionierten Filtern ist es möglich, insbesondere die hochfrequenten Ableitströme zu reduzieren. So lassen sich etwa wirksamere EMV-Eingangsfilter in Kombination mit zusätzlichen Ausgangsfiltern einsetzen, was allerdings mit vergleichsweise höheren Kosten verbunden ist. Ein weiterer Nachteil sind Platzprobleme, die vor allem bei der Nachrüstung mit größeren und zusätzlichen Filter auftreten.
  • Fehlerstromschutzschalter mit hoher Auslöseschwelle:
    Diese Maßnahme ist mit erheblichen Risiken verbunden, da durch die höheren Ableitströme Potenzialverschiebungen auftreten und die zulässige Berührungsspannung von maximal 50 VAC überschritten werden kann. Außerdem können Schäden an den Systemkomponenten auftreten.

Beide Methoden sind also unbefriedigend und einer Lösung mit Leaxield unterlegen.

Ableitströme eliminieren

TDK entwickelte das LeaXield-Modul, um Ableitströme zu eliminieren, (Bild 3). Geschaltet wird das Modul zwischen den Fehlerstromschutzschalter und den EMV-Eingangsfilter.

Bild 3: Das Prinzipschaltbild von LeaXield.

Bild 3: Das Prinzipschaltbild von LeaXield.TDK

Zum Funktionsprinzip: Lastseitig, also an den Anschlüssen zum EMV-Filter, befindet sich ein Strommessübertrager, der die Ströme der drei Phasen erfasst und somit aus den entsprechenden Differenzen auch die Ableitströme. Diese Information erhält ein Verstärker. Über ein Kondensatornetzwerk speist der Verstärker Ströme auf die drei Phasen ein, die um 180° zu den ursprünglichen Ableitströmen verschoben sind und annähernd dieselbe Amplitude aufweisen. Dadurch kommt es zu einer Eliminierung der ursprünglichen Ableitströme (Bild 4). LeaXield kompensiert Ableitströme von bis zu 1000 mA.

Deutliche Verbesserung der EMV

Die Reduzierung der Gleichtaktströme mithilfe von LeaXield hat noch einen weiteren positiven Effekt: Die leitungsgebundene EMV, die in der Regel im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz einzuhalten ist, kann aufgrund der integrierten Gleichtaktdrossel insbesondere im Bereich bis etwa 500 kHz deutlich verbessert werden. In typischen Versuchsaufbauten ließ sich bei einem Umrichtersystem, das auf die Einhaltung der Grenzwertklasse C2 nach EN 61800-3 ausgelegt war, mit dem Vorschalten von LeaXield die Grenzwertklasse C1 erreichen.

Bild 4: Eliminierung der Ableitströme durch LeaXield.

Bild 4: Eliminierung der Ableitströme durch LeaXield.
TDK

Auch im Bereich unterhalb von 150 kHz entfaltet LeaXield bereits seine Wirkung: So liegt die Dämpfung bei 4 kHz bei bis zu 30 dB, bei 10 kHz sogar bei bis zu 40 dB und bei 150 kHz bei bis zu 15 dB. Dieser Vorteil kommt besonders bei Neuinstallationen zum Tragen, da die zusätzliche Störunterdrückung durch Leaxield den Einsatz kostengünstigerer EMV-Filter ermöglicht.

Aufgrund seiner geringen Abmessungen von nur 258 × 80 ×100 mm3 (L × B × H) eignet sich LeaXield auch sehr gut zur Nachrüstung in bestehenden Anlagen, da das Modul wie ein EMV-Filter in der Anlage installiert wird.

Kenndaten von LeaXield.

Kenndaten von LeaXield.TDK