EMV-gerechte Verkabelung von FU und Motor

Der FU macht aus dem starren Drehstromnetz eine in Frequenz und Spannung einstellbare Versorgung für den Motor. Im Zwischenkreis liegt eine Gleichspannung an, und ein schneller elektronischer Schalter – der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – schaltet diese Gleichspannung tausende Male pro Sekunde auf die Motorklemmen. Aus dieser gepulsten Spannung formt der Motor durch seine Induktivität wieder einen nahezu sinusförmigen Strom. Dieses Verfahren heißt PWM (Pulsweitenmodulation). Wie genau das funktioniert, steht im eigenen Beitrag zum Frequenzumrichter – hier interessiert uns nur eine Eigenschaft davon.

Diese eine Eigenschaft ist der Knackpunkt: Der IGBT schaltet die volle Zwischenkreisspannung – mehrere hundert Volt – in extrem kurzer Zeit ein und aus. Die Spannung springt also nicht gemächlich, sondern in wenigen Mikrosekunden oder schneller von null auf den vollen Wert. Diese Steilheit beschreibt man als du/dt, die Spannungsänderung pro Zeit. Je steiler die Flanke, desto besser für den Wirkungsgrad des Umrichters – und desto schlimmer für die EMV.

Warum? Eine steile Flanke ist mathematisch nichts anderes als ein Signal, das sehr viele hohe Frequenzanteile enthält. Ein langsamer Sinus von 50 Hz is EMV-technisch harmlos. Eine Rechteckflanke mit steiler du/dt enthält Frequenzanteile bis weit in den Megahertz-Bereich hinein. Und Signale im MHz-Bereich verhalten sich völlig anders als der Strom in der Steckdose: Sie koppeln über kleinste Kapazitäten, strahlen von Leitungen ab und suchen sich Wege zurück zur Quelle, die man auf einem normalen Stromlaufplan gar nicht sieht.

Hier hilft eine Unterscheidung, die den ganzen Beitrag durchzieht. Ein Gerät kann in zwei Rollen auftreten. Emission ist das, was es an Störung aussendet – beim FU is das die steile Schaltflanke. Störfestigkeit (auch Störfestigkeit oder Immunität genannt) ist die Fähigkeit, von außen kommende Störungen auszuhalten – das braucht etwa der empfindliche Sensor daneben. EMV bedeutet, beide Seiten in den Griff zu bekommen: die Quelle leiser machen und die Senke unempfindlicher.

Und noch eine zweite Unterscheidung ist wichtig, weil sie später die Gegenmaßnahmen bestimmt. Eine Gegentaktstörung fließt auf dem Hinleiter hin und auf dem Rückleiter zurück – sie bleibt im Nutzstromkreis. Eine Gleichtaktstörung dagegen fließt auf allen Leitern in dieselbe Richtung und schließt sich über die Erde wieder zurück. Genau diese Gleichtaktstörung ist beim FU das große Thema.

Der Grund liegt in den parasitären Kapazitäten. Zwischen den Motorwicklungen und dem geerdeten Motorgehäuse, und ebenso zwischen den Adern der Motorleitung und ihrer Umgebung, besteht immer eine kleine, ungewollte Kapazität – ein Kondensator, den niemand eingebaut hat, der aber trotzdem da ist. Bei 50 Hz ist diese Kapazität bedeutungslos. Bei den steilen Schaltflanken mit ihren hohen Frequenzanteilen aber wird sie zum Durchgang: Bei jeder Flanke fließt ein kurzer Stromimpuls über diese Kapazität ins Gehäuse und von dort über die Erde zurück zum FU. Dieser Ableitstrom ist der eigentliche Störstrom. Er ist der Grund, warum ein FI auslösen kann, obwohl gar kein Fehler vorliegt, und er ist der Strom, dem wir mit der gesamten Verkabelung einen sauberen, kontrollierten Rückweg bauen müssen.

Eine Störung muss von der Quelle zur Senke gelangen. Den Weg dorthin nennt man Kopplung. Wer das Problem lösen will, muss zuerst wissen, über welchen dieser Wege die konkrete Störung wandert – denn jede Kopplung hat ihre eigene Gegenmaßnahme.

Ganz grob teilt man zunächst in zwei Welten: leitungsgebundene Störungen wandern entlang von Leitern – Kabel, Schienen, Schirme, Erdverbindungen. Gestrahlte Störungen breiten sich als elektromagnetische Welle durch den Raum aus, ganz ohne durchgehenden Leiter. Beim FU-Antrieb hat man fast immer beides, und die lange Motorleitung spielt in beiden Welten eine Hauptrolle.

Im Detail unterscheidet man vier Kopplungsmechanismen.

Die galvanische Kopplung entsteht über einen gemeinsam genutzten Leiter. Wenn der Störstrom des FU und ein Signalstromkreis denselben Erdungs- oder Rückleiter teilen, erzeugt der Störstrom an dessen Widerstand einen Spannungsabfall – und dieser Spannungsabfall liegt dann ungewollt auch im Signalkreis. Typisches Beispiel: Mehrere Geräte hängen hintereinander an derselben Erdungsleitung statt jedes für sich am zentralen Punkt.

Die kapazitive Kopplung überträgt über das elektrische Feld. Zwei nebeneinanderliegende Leiter bilden den schon erwähnten parasitären Kondensator. Eine schnelle Spannungsänderung auf der einen Leitung schiebt über diese Kapazität einen Störstrom auf die benachbarte. Je steiler die Flanke und je näher und länger die parallele Verlegung, desto stärker. Das ist der Grund, warum man die Motorleitung niemals dicht und lang parallel zu Signalleitungen legt.

Die induktive Kopplung überträgt über das magnetische Feld. Der pulsierende Strom in der Motorleitung baut ein wechselndes Magnetfeld auf, und dieses Feld induziert in einer benachbarten Leiterschleife eine Störspannung – genau das Induktionsprinzip aus den Grundlagen, hier in unerwünschter Form. Große aufgespannte Schleifen und parallele Nähe verstärken den Effekt.

Die Strahlungskopplung schließlich ist die gestrahlte Variante: Bei den hohen Frequenzanteilen wirkt eine ungeschirmte Motorleitung wie eine Antenne. Sie sendet ein elektromagnetisches Feld aus, das weiter entfernte Geräte direkt erreicht, ohne dass eine Leitung dazwischen liegen muss.

Ein eigenes, hartnäckiges Problem sind Erdschleifen. Wenn zwei Geräte an unterschiedlichen Stellen geerdet sind und zusätzlich durch eine Signalleitung verbunden, entsteht eine große geschlossene Schleife. In diese Schleife koppelt jedes Störfeld bereitwillig ein. Erdschleifen sind eine der häufigsten Ursachen für unerklärliche Signalstörungen.

Wenn man aus diesem Beitrag nur eine einzige Maßnahme mitnimmt, dann diese: eine geschirmte Motorleitung, beidseitig großflächig aufgelegt. Damit ist der größte Teil der EMV-Arbeit erledigt. Alles andere ist Feinschliff.

Eine geschirmte Motorleitung besteht aus den drei Leistungsadern (und dem Schutzleiter) und einem darüberliegenden Schirmgeflecht – einem Metallgeflecht, das die Adern umschließt. Gute Motorleitungen sind zudem symmetrisch aufgebaut: Die drei Außenleiter sind gleichmäßig angeordnet, oft mit drei symmetrisch verteilten Schutzleitern dazwischen. Diese Symmetrie sorgt dafür, dass sich die Magnetfelder der drei Phasen nach außen weitgehend aufheben.

Der entscheidende Punkt ist, was der Schirm leisten soll. Er ist nicht nur eine passive Abschirmung gegen abstrahlende Felder. Seine wichtigste Aufgabe ist es, dem Ableitstrom – jenem Gleichtakt-Störstrom aus Kapitel 1 – einen definierten, kurzen Rückweg zur Quelle zu bieten. Der Störstrom soll im Schirm zum FU zurücklaufen, eng entlang der Adern, statt sich einen weiten, unkontrollierten Weg über fremde Erdverbindungen und Gehäuse zu suchen. Damit das funktioniert, muss der Schirm an beiden Enden mit dem Gehäuse verbunden sein: am FU und am Motor.

Hier liegt ein häufiger Streitpunkt. In der reinen Signaltechnik legt man Schirme manchmal nur einseitig auf, um Erdschleifen zu vermeiden. Bei der FU-Motorleitung ist das anders: Hier wird der Schirm beidseitig aufgelegt. Nur so kann der hochfrequente Ableitstrom zurückfließen. Die Sorge vor der Erdschleife tritt hier hinter die Notwendigkeit des HF-Rückwegs zurück.

Genauso wichtig wie das Ob ist das Wie der Schirmauflage. Der Schirm muss großflächig und rundum (360°) mit dem Gehäuse oder einer Schirmschiene verbunden werden – idealerweise mit einer EMV-Verschraubung oder einer Schirmschelle, die das Geflecht ringsum kontaktiert. Der klassische Fehler ist das Pigtail: Man dreht das Schirmgeflecht zu einem dünnen Zopf zusammen und klemmt es mit einer Aderendhülse irgendwo an. Für die niedrigen Netzfrequenzen reicht das, für die hochfrequenten Störströme aber nicht: Ein solcher Zopf hat für hohe Frequenzen eine viel zu hohe Impedanz und macht die gesamte aufwändige Schirmung praktisch wirkungslos. Schon wenige Zentimeter Pigtail können den Schirm um ein Vielfaches schlechter machen.

Neben der Schirmung selbst entscheidet die Verlegung über den Erfolg. Drei Leitungsgruppen sollten getrennt geführt werden: Leistungsleitungen (Netz, Motor, Bremswiderstand), Steuerleitungen (24 V, Schützansteuerung) und empfindliche Signalleitungen (Analogwerte, Encoder, Bus). Diese Trennung gibt es im eigenen Beitrag zur Leitungsverlegung ausführlich – für den FU gilt verkürzt: möglichst großer Abstand zwischen Leistungs- und Signalleitung, keine lange parallele Führung, und wenn sich Leitungen kreuzen müssen, dann im rechten Winkel. Bei einer Kreuzung im 90°-Winkel ist die gemeinsame Koppelstrecke minimal, die kapazitive und induktive Kopplung damit am kleinsten.

Als grobe Orientierung dienen folgende Richtwerte aus gängigen Installationsempfehlungen. Sie sind Erfahrungswerte, keine berechenbaren Größen – die genauen Vorgaben des FU-Herstellers gehen immer vor.

Ein Wort zur Leitungslänge: Je länger die Motorleitung, desto größer die wirksame Antennenfläche, desto höher die parasitäre Kapazität und damit die Ableitströme. Jeder FU-Hersteller gibt eine maximal zulässige geschirmte Leitungslänge an. Wird sie überschritten, sind Zusatzmaßnahmen wie Drosseln oder Filter nötig (siehe Kapitel 5). Eine unnötig lange, aufgerollte Reserveschleife ist EMV-technisch eine schlechte Idee.

Schirmung und Erdung gehören untrennbar zusammen. Der beste Schirm nützt nichts, wenn der Störstrom danach keinen niederimpedanten Weg zurück findet. Beim FU-Antrieb geht es bei der Erdung um zwei verschiedene Dinge, die man auseinanderhalten muss.

Das eine ist der Schutzleiter und der Potentialausgleich im klassischen Sinn – der Personenschutz, behandelt im eigenen Beitrag dazu. Das andere ist die HF-Erdung: eine Erdung, die nicht nur bei 50 Hz, sondern auch bei den Störfrequenzen im MHz-Bereich niederohmig ist. Und genau hier liegt der Unterschied, den man verinnerlichen muss: Für hohe Frequenzen zählt nicht der Querschnitt eines Drahtes, sondern seine Impedanz – und die wird bei einem langen, dünnen Draht durch dessen Induktivität schnell groß. Ein dicker, aber langer Erdungsdraht kann bei 50 Hz ausgezeichnet und bei einem MHz fast eine Sperre sein.

Daraus folgt die zentrale Regel der HF-Erdung: Fläche statt Draht, kurz statt lang. Eine breite, kurze, flächige Verbindung hat eine niedrige Impedanz auch für hohe Frequenzen. Deshalb ist die blanke, leitfähige Montageplatte im Schaltschrank das Rückgrat des EMV-Konzepts. FU, Netzfilter und Drossel werden mit ihrer Metallrückseite großflächig und blank – also nicht über lackierte Flächen – direkt auf diese Platte geschraubt. Lack ist ein Isolator; an der Kontaktstelle muss er entfernt sein.

Für den Potentialausgleich gilt eine sternförmige Anordnung mit einem zentralen Erdungspunkt. Alle Erdverbindungen laufen auf einen Punkt zu, statt von Gerät zu Gerät durchgeschleift zu werden. Das verhindert die galvanische Kopplung aus Kapitel 2: Wenn jedes Gerät seinen eigenen Weg zum zentralen Punkt hat, teilen sich Störstrom und Signalstrom keinen gemeinsamen Leiter mehr.

Der Aufbau im Schaltschrank folgt dem Gedanken, „schmutzige“ und „saubere“ Bereiche zu trennen. Der schmutzige Bereich ist alles rund um den FU und die Leistungsverkabelung – die Störquelle. Der sauberer Bereich beherbergt Steuerung, SPS und empfindliche Signalverarbeitung. Diese beiden Bereiche werden räumlich getrennt, und auch die zugehörigen Leitungen werden getrennt geführt. Das Netzfilter gehört dabei direkt an den Schrankeintritt der Netzleitung und mit kurzer, flächiger Anbindung an die Montageplatte – steht es mitten im Schrank, koppelt die noch ungefilterte Netzleitung ihre Störung längst in den Rest ein, bevor das Filter überhaupt wirkt.

Schließlich die Schirmschiene: eine an die Montageplatte angebundene Metallschiene, an der die Schirme von Motor- und Signalleitungen mit Schirmschellen großflächig aufgelegt werden. Sie ist der praktische Ort, an dem die 360°-Schirmauflage aus Kapitel 3 im Schrank stattfindet, am besten direkt am Eintritt der Leitung in den Schaltschrank.

Geschirmte Leitung, saubere 360°-Auflage und eine flächige HF-Erdung lösen die meisten Fälle. Reicht das nicht – etwa bei langen Motorleitungen, vielen Antrieben oder besonders empfindlicher Umgebung – kommen Zusatzkomponenten ins Spiel. Sie ersetzen die Grundmaßnahmen nicht, sondern ergänzen sie.

Das Netzfilter (EMV-Filter) sitzt zwischen Netz und FU und dämpft die leitungsgebundenen Störungen, die der FU sonst ins Versorgungsnetz zurückschickt. Viele FU haben bereits ein Filter integriert; für strengere Anforderungen gibt es externe Filter mit höherer Dämpfung.

Eine Netzdrossel auf der Netzseite glättet den Stromverlauf, reduziert Netzrückwirkungen und Oberschwingungen und schützt den Zwischenkreis. Eine Motordrossel auf der Motorseite verringert die Steilheit der Spannungsflanken, die am Motor ankommen – sie senkt also das du/dt und damit die Ableitströme und die Belastung der Motorisolation. Geht es gezielt um die Flankensteilheit, spricht man von einem du/dt-Filter. Die stärkste, aber auch aufwändigste Variante ist das Sinusfilter: Es formt aus der gepulsten Spannung am FU-Ausgang wieder eine nahezu sinusförmige Spannung. Damit verschwindet das Flankenproblem weitgehend, lange Motorleitungen werden möglich und der Motor läuft leiser – um den Preis von Baugröße, Kosten und etwas Verlustleistung.

Für einzelne hartnäckige Störungen sind Ferritkerne (Klappferrite) ein einfaches Mittel. Über eine Leitung geschoben, erhöhen sie gezielt die Impedanz für Gleichtaktströme und dämpfen so eine konkrete Störung, ohne den Nutzstrom zu beeinflussen. Sie sind kein Ersatz für die Grundmaßnahmen, aber oft der schnelle Helfer bei einem verbleibenden Problem.

Wann braucht man was? Eine grobe Orientierung:

Bei der Inbetriebnahme und Fehlersuche lohnt es sich ein methodisches Vorgehen statt blindem Tauschen. Zuerst die Grundlagen prüfen: Ist der Schirm wirklich beidseitig und 360° aufgelegt, oder verbirgt sich da ein Pigtail? Sind Leistungs- und Signalleitungen getrennt? Ist die Erdung flächig und kurz? Erst danach denkt man an Filter und Ferrite. Oft hilft das Eingrenzen der Kopplungsart aus Kapitel 2: Tritt die Störung nur bei laufendem Motor auf, nur bei hoher Drehzahl, nur bei hoher Taktfrequenz? Jede dieser Beobachtungen zeigt in eine Richtung.

Zum Normbezug: Für drehzahlveränderbare elektrische Antriebe gilt in Österreich die übernommene europäische Produktnorm der Reihe EN IEC 61800-3. Sie ordnet Antriebe nach ihrer Einsatzumgebung in Kategorien ein – vereinfacht unterscheidet man Wohnbereiche (mit strengeren Emissionsgrenzen) und Industriebereiche (mit etwas weniger strengen Grenzen, dafür Verantwortung beim Betreiber). Welche Kategorie ein Antrieb erfüllen muss, hängt vom Aufstellort ab. Für die Praxis genügt es zu wissen: Es gibt eine verbindliche Norm, sie unterscheidet nach Umgebung, und das passende Filter ist Teil der Norm-Einhaltung. Die genaue Kategorie und die zugehörigen Grenzwerte entnimmt man der Norm und der Herstellerdokumentation.