EMV-gerechte Verkabelung von FU und Motor

Bevor man eine einzige Schraube anzieht, lohnt sich un Blick auf das, was im Umrichter passiert. Der FU formt die Ausgangsspannung durch Pulsweitenmodulation – ein Verfahren, bei dem die Ausgangsspannung in sehr schnelle Ein-Aus-Impulse zerlegt wird. Im Mittel ergibt sich daraus die gewünschte Sinusform für den Motor, aber die einzelnen Impulse selbst sind harte Rechteckpulse.

Entscheidend ist nicht die Höhe dieser Impulse, sondern ihre Steilheit. Die Spannung steigt innerhalb von wenigen Mikrosekunden um mehrere hundert Volt an. Diese Änderungsgeschwindigkeit nennt man du/dt – Spannungsänderung pro Zeit. Je steiler die Flanke, desto hoher die Frequenzen, die dabei entstehen. Und hohe Frequenzen koppeln leicht über, strahlen ab und finden Wege, auf denen sie eigentlich nichts zu suchen haben.

Diese Störungen treten in zwei Formen auf, die man auseinanderhalten muss:

Gegentaktstörungen laufen auf den Leitungen hin und zurück – also auf Hin- und Rückleiter mit entgegengesetzter Richtung. Sie bleiben weitgehend im Stromkreis.

Gleichtaktstörungen dagegen laufen auf allen Leitern gleichzeitig in dieselbe Richtung und suchen sich ihren Rückweg über Erde, Schutzleiter, Schirm und jede metallische Verbindung, die sie finden. Sie sind bei FU-Anwendungen das größere Problem, weil sie sich über das gesamte Erdungssystem ausbreiten.

Dazu kommt die Frage, wie die Störung sich fortbewegt. Leitungsgebundene Störungen wandern über die Leitungen selbst. Abgestrahlte Störungen verlassen die Leitung und breiten sich als elektromagnetisches Feld aus – wie bei einer Sendeantenne. Eine ungeschirmte Motorleitung am FU wirkt im ungünstigen Fall genau so: als Antenne.

Damit ist auch der Begriff EMV – elektromagnetische Verträglichkeit – greifbar. Er hat zwei Seiten: die Störaussendung (das eigene Gerät soll andere nicht stören) und die Störfestigkeit (das eigene Gerät soll von anderen nicht gestört werden). Eine EMV-gerechte Verkabelung sorgt for beides gleichzeitig.

Die Motorleitung ist die wichtigste Einzelstrecke der gesamten Installation. Hier fließen die geschalteten Ströme mit allen ihren hochfrequenten Anteilen, und hier entscheidet sich, ob diese Anteile im Kabel bleiben oder in die Umgebung gelangen.

Eine geeignete Motorleitung für den FU-Betrieb ist deshalb symmetrisch aufgebaut und geschirmt. Symmetrisch bedeutet: Die drei Außenleiter liegen geometrisch gleichmäßig im Kabel, und der Schutzleiter ist entweder als einzelne mittige Ader oder als drei symmetrisch verteilte Teilleiter ausgeführt. Diese Symmetrie sorgt dafür, dass sich die magnetischen Felder der drei Phasen weitgehend aufheben und die Gleichtaktströme einen definierten Rückweg finden.

Bei kleineren Querschnitten genügt meist ein einzelner mittiger Schutzleiter. Ab mittleren Querschnitten – grob ab dem Bereich 10 bis 16 mm² – greift man in der Praxis dagegen bevorzugt zur Variante mit drei geteilten Schutzleitern, die symmetrisch in den Zwickeln zwischen den Außenleitern liegen. Damit bleibt die Symmetrie auch bei dicken Kabeln erhalten, die Gleichtaktströme verteilen sich gleichmäßiger, und die Wellen- und Lagerströme werden noch wirksamer unterdrückt. Das ist einer der Unterschiede zwischen einer gewöhnlichen Leistungsleitung und einer echten symmetrischen FU-Leitung.

Über den Adern liegt der Schirm – meist ein Kupfergeflecht, oft kombiniert mit einer Folie. Der Schirm ist nicht nur ein passiver Mantel. Er bietet den hochfrequenten Gleichtaktströmen einen niederohmigen Rückweg zurück zum Umrichter, der nahe an den Hinleitern liegt. Dadurch bleibt die Störschleife klein und das abgestrahlte Feld gering.

Für die Wirksamkeit des Schirms zählen vor allem zwei Dinge: der Bedeckungsgrad, also wie lückenlos das Geflecht die Adern umschließt, und die Schirmdämpfung, das Maß dafür, wie stark der Schirm die hochfrequenten Störungen unterdrückt. Ein dichtes Kupfergeflecht mit hohem Bedeckungsgrad ist hier die übliche und bewährte Wahl. Folien allein reichen für FU-Leitungen meist nicht aus, weil sie bei mechanischer Beanspruchung leicht reißen und für die niederfrequenteren Anteile zu hochohmig sind.

Der Querschnitt richtet sich wie bei jeder Leistungsleitung nach Strom und Verlegeart – das ist nicht FU-spezifisch und in der Leitungsdimensionierung allgemein geregelt. Wichtig für den FU-Betrieb ist, dass der Schutzleiter ausreichend dimensioniert und sauber in das Schirmkonzept eingebunden ist, denn er trägt einen Teil der Ableitströme mit.

Die beste geschirmte Leitung nützt nichts, wenn der Schirm falsch angeschlossen wird. Hier entscheidet sich, ob die ganze Installation funktioniert. Der häufigste und folgenreichste Fehler der gesamten FU-Verkabelung passiert genau an dieser Stelle.

Der Schirm muss beidseitig aufgelegt werden – am FU und am Motor. Das ist anders als bei manchen Signalleitungen, wo man den Schirm bewusst nur einseitig erdet, um Brummschleifen zu vermeiden. Bei der FU-Motorleitung geht es nicht um niederfrequente Brummschleifen, sondern um hochfrequente Ableitung. Der Schirm soll an beiden Enden einen Rückweg für die HF-Ströme bilden, und dafür muss er an beiden Enden niederohmig mit dem Gehäusepotential verbunden sein.

Entscheidend ist das Wort großflächig. Der Schirm muss rundum, also 360°, kontaktiert werden – mit einer EMV-Verschraubung oder einer Schirmschelle, die das Geflecht über den vollen Umfang auf die geerdete Metallfläche presst. Nur so entsteht eine niederohmige HF-Verbindung.

Der klassische Fehler ist der Pigtail: Man dreht das Schirmgeflecht zu einem dünnen Zopf zusammen und klemmt es an einen Erdungspunkt. Bei 50 Hz funktioniert das. Für die hochfrequenten Störungen aber wirkt dieser dünne, lange Zopf wie eine Induktivität und damit wie ein Sperrwiderstand – der Schirm ist HF-mäßig praktisch nicht angebunden. Die Störenergie nimmt dann andere Wege.

Damit verbunden ist die Unterscheidung zweier Aufgaben der Erdung. Die Schutzerdung über den Schutzleiter schützt Personen und ist eine niederfrequente Angelegenheit. Die HF-Erdung über die 360°-Schirmauflage führt die hochfrequenten Störströme ab. Beide müssen vorhanden sein, und kurze Wege sind bei der HF-Erdung Pflicht: Je länger die Verbindung vom Schirm zur Metallfläche, desto wirkungsloser. Die saubere Einbindung in den Potentialausgleich der Anlage ist un eigenes Thema – hier zählt, dass der Schirm direkt und kurz auf die geerdete Montagefläche kommt.

Schirm und Erdung sind die halbe Miete. Die andere Hälfte ist die Anordnung – wie die Leitungen im Schrank und in der Anlage zueinander liegen. Auch eine perfekt geschirmte Motorleitung koppelt Störungen über, wenn sie über die ganze Länge neben einer empfindlichen Signalleitung verläuft.

Die Grundregel heißt Trennung nach Leitungsgruppen. Man unterscheidet grob drei Klassen: Leistungsleitungen (Netzzuleitung, Motorleitung, Bremswiderstand), Steuerleitungen (24-V-Signale, Schützansteuerung) und empfindliche Signal- und Datenleitungen (Analogsignale, Bus, Encoder). Je störintensiver oder je empfindlicher eine Gruppe, desto mehr Abstand braucht sie zu den anderen.

Warum gerade 90° beim Kreuzen? Weil die Überkopplung zwischen zwei Leitungen davon abhängt, wie lange und wie eng sie nebeneinander herlaufen. Kreuzen sie sich rechtwinklig, berühren sich ihre Felder nur auf einem kurzen Stück – die Kopplung bleibt minimal. Laufen sie dagegen parallel, addiert sich die Kopplung über die ganze gemeinsame Länge.

Eine eigene Rolle spielt die Montageplatte selbst. Sie sollte eine blanke, leitende Metallfläche sein – verzinkt, nicht lackiert an den Kontaktstellen. Nur so bildet sie eine durchgehende, niederohmige Bezugsfläche, auf die Schirmschellen, FU-Gehäuse und Filter großflächig aufgesetzt werden können. Eine lackierte Platte unterbricht diesen Bezug; an den Befestigungspunkten muss der Lack dann entfernt oder es müssen Kontaktscheiben verwendet werden.

Das Erdungskonzept im Schrank folgt demselben Gedanken wie bei der Schirmauflage: kurze Wege, großflächige Kontakte, alles auf eine gemeinsame Bezugsfläche. Der allgemeine Schaltschrankaufbau ist ein eigenes Thema – hier geht es um die EMV-gerechte Ausführung rund um den FU.

Auch die Kabellänge ist ein Thema, das hier beginnt und im nächsten Kapitel vertieft wird: Lange Motorleitungen sind nicht nur teurer und verlustreicher, sie verschärfen auch die EMV-Problematik und können den Motor zusätzlich belasten.

Wenn die Motorleitung kurz ist, reichen geschirmte Leitung und saubere Auflage in vielen Fällen aus. Mit zunehmender Länge ändert sich das Bild: Die Leitung wird elektrisch zur Übertragungsstrecke, auf der die steilen Schaltimpulse zu wandern beginnen und unerwünschte Effekte auslösen.

Der wichtigste Effekt ist die Spannungsreflexion. Trifft ein steiler Spannungsimpuls am Motorende auf einen Wellenwiderstand, der nicht zur Leitung passt, wird un Teil der Spannung reflektiert und läuft zurück. Reflektierte und ankommende Welle können sich überlagern, sodass am Motorklemmbrett kurzzeitig eine deutlich höhere Spannung ansteht als am FU-Ausgang – im ungünstigen Fall nahezu die doppelte. Diese Spannungsverdopplung belastet die Isolation der Motorwicklung. Bei Standardmotoren kann das mit der Zeit zu Wicklungsschäden führen.

Hier setzen die motorseitigen Filter an, die direkt mit der Verkabelung zwischen FU und Motor zu tun haben:

Eine Motordrossel (auch Ausgangsdrossel) glättet die steilen Flanken etwas, verlängert die Anstiegszeit und reduziert dadurch die Reflexionsspitzen und die kapazitiven Ableitströme. Sie ist die einfachere, günstigere Maßnahme für mittlere Leitungslängen.

Ein du/dt-Filter geht weiter: Er begrenzt die Flankensteilheit gezielter und schützt die Motorisolation besser als eine einfache Drossel.

Ein Sinusfilter ist die aufwendigste Variante. Er formt aus den Schaltimpulsen wieder eine nahezu sinusförmige Spannung. Der Motor sieht dann eine glatte Sinusspannung wie am Netz, die Reflexions- und Isolationsprobleme verschwinden weitgehend, und auch die Motorgeräusche sinken. Dafür ist der Sinusfilter teuer und verursacht eigene Verluste.

Daneben gibt es noch das Problem der Lagerströme. Die hochfrequenten Gleichtaktspannungen können über die Motorwelle kapazitiv ein Potential aufbauen, das sich schlagartig über die Lager entlädt. Diese kleinen Entladungen tragen über die Zeit Material von Laufbahn und Wälzkörpern ab – es entstehen die typischen Riffelmuster, und das Lager fällt vorzeitig aus. Gegenmaßnahmen in der Praxis sind ein Wellenerdungsring (eine Erdungsbürste, die den Wellenstrom kontrolliert ableitet, bevor er durchs Lager geht) und bei größeren Maschinen isolierte Lager, die den Stromweg durch das Lager unterunterbrechen. Auch ein Sinusfilter entschärft das Problem, weil er die hochfrequente Gleichtaktspannung stark reduziert.

Der Netzfilter auf der Einspeiseseite gehört zur Vollständigkeit erwähnt: Er begrenzt die Rückwirkung des Umrichters ins speisende Netz. Er sitzt aber vor dem FU und nicht auf der Strecke zwischen FU und Motor – für die motorseitige Verkabelung, um die es hier geht, spielt er keine Rolle.

Wann genau welche Maßnahme nötig wird, hängt von Leitungslänge, Taktfrequenz und Motortyp ab. Eine grobe Faustabschätzung hilft, das Risiko einzuordnen:

Liegt die tatsächliche Leitungslänge in der Nähe dieser Grenzlänge oder darüber, werden Reflexionseffekte relevant und eine Filtermaßnahme ist angeraten. Die Formel liefert nur eine Größenordnung, keinen exakten Auslegungswert – die genaue Vorgabe macht immer der FU-Hersteller über die zulässige Leitungslänge je Filtertyp.

Hinweis zur Auswertung: Ein Ausnutzungsfaktor unter etwa 1 bedeutet unkritisch, ein Wert deutlich über 1 zeigt, dass die Leitung im reflexionskritischen Bereich liegt und eine Motordrossel oder bei langen Strecken ein du/dt- oder Sinusfilter sinnvoll wird.