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Feldgebundene Störungen durch den Wechselrichter

Die feldgebundenen Störungen werden im wesentlichen durch die schnell schaltenden Leistungshalbleiter des Wechselrichters hervorgerufen. Das Potential der Motorleitungen ändert sich bei einem Schaltvorgang in sehr kurzer Zeit um den Betrag der Zwischenkreisspannung. Über parasitäre Kapazitäten fließen dann entsprechende Umladeströme. Parasitäre Kapazitäten bestehen jedoch nicht nur zwischen der Motorleitung und dem Erdpotential sondern auch zu benachbarten Signalstromkreisen. Diese parasitären Koppelkapazitäten rufen bei Potentialänderungen der Motorleitung störende Umladeströme im benachbarten Stromkreis hervor. Handelt es sich dabei um einen Signalstromkreis, kann es zu unzulässigen Signalverfälschungen kommen. In der Praxis äußert sich das in fehlerhaften Analogsignalen, fehlerhaften Geberrückmeldungen und gestörten Kommunikationsverbindungen.

Die Umladeströme der parasitären Kapazitäten gegen Erde verlaufen im Motorkabel und fließen gegen das Erdpotential ab. Während der Umladung ergibt sich damit für das Motorkabel ein Summenstrom ungleich 0. Als Folge ist das Motorkabel während des Umladevorgangs mit einem wirksamen Magnetfeld umgeben. Der zeitliche Verlauf des Magnetfelds entspricht dem des Umladestroms Ic und ist damit schnell veränderlich. Schnell veränderliche Magnetfelder induzieren in benachbarten Leiterschleifen Störspannungen. Handelt es sich dabei um Signalstromkreise, treten entsprechende Störungen auf.
Neben der Motorleitung ist aber auch die Erdanbindung aller Maschinen- und Schaltschrankelemente von großer Bedeutung. Über sie fließt der Umladestrom der parasitären Leiter-Erde-Kapazitäten zum Sternpunkt des Netztrafos bzw. zum Netzfilter zurück. Während das Motorkabel noch einen geometrisch definierten Strompfad darstellt, sind die Strompfade innerhalb der geerdeten Maschinen- und Anlagenkomponenten unter Praxisbedingungen nicht nachvollziehbar. Diese unkontrollierten Ströme machen passive Konstruktionselemente wie Kabelpritschen, Schaltgerüste, Schaltschränke bzw. deren Elemente zu Störquellen. Die durch diese Elemente fließenden Umladeströme sind ebenfalls mit magnetischen Feldern verbunden, die in benachbarten Stromkreisen Störspannungen induzieren können.

Ob eine Störbeeinflussung stattfindet und wie stark sie ist, hängt sehr stark von der geometrischen Anordnung der verschiedenen Stromkreise ab und damit insbesondere von der Verlegung der Motorleitung und dem Erdungskonzept. Leitungsverlegung und Erdung sind deshalb wesentliche Ansatzpunkte um die feldgebundenen Störaussendungen von Antrieben zu verringern. Da sie in die Kompetenz des Herstellers von Maschinen und Anlagen fällt, trägt er automatisch einen wesentlichen Teil der Verantwortung für die störungsarme Installation von elektrischen Antrieben.

 

Gegenmaßnahmen zur Reduktion der feldgebundenen Störungen

• Durch räumliche Trennung von Signal- und Leistungsstromkreisen werden die parasitären Koppelkapazitäten und -induktivitäten klein gehalten. Zwischen Signal- und Leistungsstromkreisen sollte mindestens ein Abstand von 20 cm eingehalten werden. Die gemeinsame Verlegung von Signal- und Leistungsleitungen in Kabelkanälen und Kabelpritschen ist zu vermeiden.

• Durch Schirmung der Motorleitung und großflächige Anbindung des Schirms an das Erdpotential werden mehrere Effekte erreicht:

  • Der Schirm liegt auf Erdpotential. Damit geht bei Annahme eines ideal leitenden Schirms kein elektrisches Feld mehr vom Schirm aus. Parasitäre Koppelkapazitäten zu benachbarten Stromkreisen verschwinden und die Störwirkung durch elektrische Felder wird unterdrückt. Die parasitären Leiter-Erde-Kapazitäten befinden sich jetzt im Motorkabel. Damit liegen "definierte Verhältnisse" vor.
  • Hochfrequente magnetische Felder rufen im Schirm Wirbelströme hervor, die das magnetische Feld dämpfen. Außerdem dient der Schirm als Rückleiter für den Umladestrom Ic. Damit ist die Summe der Ströme im Motorkabel 0 und in einiger Entfernung vom Motorkabel kompensieren sich die Magnetfelder der einzelnen Ströme näherungsweise. Damit wirkt der Schirm mit zwei Mechanismen dämpfend auf die Ausbreitung magnetischer Felder und ihre Störwirkung wird abgeschwächt.
    
  • Die niederohmige Anbindung des Schirms an das Stellgerät und die niederohmige Verbindung zwischen Stellgerät und Funkentstörfilter sorgen dafür, daß der kapazitive Umladestrom Ic vorzugsweise über das Stellgerät zum Filter fließt. Es wird damit ein definierter Stromweg geschaffen und "vagabundierende" Erdströme werden vermieden. Damit ist die kaum zu beherrschende Störwirkung dieser Ströme beseitigt.

Zwar werden durch den geerdeten Schirm im Motorkabel die parasitären Leiter-Erde-Kapazitäten vergrößert, doch kompensieren die Vorteile der Schirmung diesen Nachteil. Zu Beachten ist jedoch, dass die zulässigen Leitungslängen bei geschirmten Kabeln kürzer sind als bei ungeschirmten Motorleitungen. Mit der Begrenzung der Leitungslänge wird der kapazitive Umladestrom Ic begrenzt und das Stellgerät vor Überlastung geschützt.