Im Zuge der modernen industriellen Automatisierung haben sich Frequenzumrichter (FU) als Kernkomponente der Motorsteuerung etabliert und dringen mit beispielloser Geschwindigkeit in verschiedene Sektoren ein. Von Präzisionsroboterarmen bis hin zu effizienten Produktionslinien, von energiesparenden HLK-Systemen bis hin zu intelligenten Aufzugssteuerungen sind FU allgegenwärtig geworden. Mit der Ausweitung der FU-Anwendungen ist jedoch ein potenzieller "stiller Killer" - elektromagnetische Störungen (EMI) - als kritische Herausforderung aufgetaucht, der sich Ingenieure stellen müssen.

Elektromagnetische Störungen, auch als elektrisches Rauschen bezeichnet, beziehen sich auf unerwünschte Signale, die von elektrischen und elektronischen Geräten erzeugt werden. Diese Signale können von natürlichen elektromagnetischen Phänomenen wie elektrostatischer Entladung (ESD), Blitzeinschlägen und Sonneneruptionen oder von menschengemachten Quellen wie dem schnellen Schalten von hochenergetischen Komponenten oder der Signalübertragung von drahtlosen Kommunikationsgeräten stammen.

In industriellen Umgebungen, in denen elektrische Geräte dicht verteilt sind, wird die elektromagnetische Landschaft komplex und volatil. Als Leistungselektronikgeräte erzeugen FU während des Betriebs erhebliche EMI, die möglicherweise andere Geräte in der Nähe stören und die Betriebsstabilität gefährden. Die effektive Unterdrückung von EMI, um die Zuverlässigkeit der Geräte zu gewährleisten, ist zu einer wesentlichen Aufgabe für Ingenieure geworden.

In modernen Motorsteuerungssystemen werden Frequenzumrichter (auch als drehzahlgeregelte Antriebe, AC-Antriebe oder Inverterantriebe bezeichnet) häufig eingesetzt. FU steuern die Motordrehzahl präzise, indem sie die Frequenz und Spannung der Stromversorgung ändern, um den vielfältigen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Die während des FU-Betriebs erzeugte EMI birgt jedoch erhebliche Gefahren:

• Datenübertragungsfehler: EMI kann die Datenübertragung beschädigen und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems beeinträchtigen. Industrielle Automatisierungssysteme erfordern einen umfangreichen Datenaustausch zwischen Sensoren, Controllern und Aktoren. EMI-induzierte Übertragungsfehler können zu Fehlurteilen des Systems führen, die zu Betriebsausfällen führen.
• Motorschäden: Schwere EMI kann Motorenantriebe physisch beschädigen und kostspielige Geräteausfallzeiten verursachen. Interne FU-Komponenten sind besonders empfindlich gegenüber EMI, und starke Störungen können zum Ausfall von Komponenten führen.

Die schnellen Spannungsänderungen (hohes dv/dt) an den FU-Ausgängen stellen intrinsische Quellen für abgestrahlte und leitungsgebundene EMI dar. Der FU-Betrieb erzeugt inhärent hochfrequentes elektromagnetisches Rauschen und niederfrequentes Oberwellenstromrauschen. Hochgeschwindigkeits-Schaltungen in Inverterstufen strahlen erhebliche Hochfrequenzenergie über Eingangs- und Ausgangskabel ab. Diese Störstrahlung der Stromleitung kann verschiedene Fehlfunktionen in Geräten in der Nähe verursachen, darunter:

• Flimmern oder Fehlfunktionen von Dimmern und Vorschaltgeräten
• Erhöhte Anfälligkeit für Blitzeinschläge
• Schwankungen der Durchflussmessung
• Abstürze von Computersystemen und Datenverluste
• Fehlauslösungen, die eine unerwartete Geräteaktivierung/-abschaltung verursachen
• Fehlfunktionen der SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)
• Ungenauigkeiten bei der Temperaturregelung
• Fehler bei der Geberrückmeldung, die die Motorsteuerungspräzision beeinträchtigen

Eine effektive EMI-Unterdrückung erfordert das Verständnis ihres Erzeugungsmechanismus, der typischerweise drei Elemente umfasst: Rauschquelle, Kopplungspfad und empfindliche Geräte.

Die hohe dv/dt-Pulsweitenmodulation (PWM)-Ausgangsspannung während des FU-Betriebs dient als primäre Rauschquelle. Diese Spannungen treiben Motoren an und koppeln sich über die Streukapazität der Kabel- und Motorisolierung an Masse, wodurch hochfrequente Erdströme erzeugt werden.

EMI breitet sich durch Leitung und Strahlung aus:

• Leitungsgebundene Kopplung: Rauschen wandert über Leiter wie Stromleitungen und Signalkabel
• Abgestrahlte Kopplung: Rauschen breitet sich als elektromagnetische Wellen durch den Raum aus

Geräte, die besonders anfällig für EMI sind, umfassen Sensoren, Steuerungen und Kommunikationsgeräte.

Der grundlegende Ansatz zur EMI-Unterdrückung befasst sich mit Rauschquellen, Kopplungspfaden und empfindlichen Geräten durch gezielte Maßnahmen.

Diese Schaltungen, die aus Hochfrequenzinduktivitäten und -kondensatoren bestehen, dämpfen Rauschen im Bereich von 150 kHz bis 30 MHz:

• Schützen Sie FU vor hochfrequentem Rauschen auf Stromleitungen
• Leiten Sie parasitäre Ströme zur Erde und nicht zurück zu den Stromleitungen

EMI-Filter sind für die CE-Zertifizierung von Maschinen unerlässlich und entsprechen der EMV-Norm EN/IEC 61800-3. Filtertypen umfassen:

• Einphasige und dreiphasige Varianten
• Gleichtakt- und Gegentaktfilter
• Mehrstufige Filter für verbesserte Unterdrückung

Ordnungsgemäß geerdete, geschirmte Kabel reduzieren effektiv die abgestrahlte EMI, indem sie elektromagnetische Wellen reflektieren oder absorbieren. Schildtypen umfassen:

• Geflechtschirm (ausgezeichnete Abschirmung und mechanische Festigkeit)
• Folienschirm (gute Abschirmung, aber mechanisch schwächer)
• Doppelschichtschirm (überlegene Abschirmleistung)

Eine effektive Erdung reduziert Gleichtaktstörungen, indem Gerätegehäuse und Kabelschirme mit gemeinsamen Erdungspunkten verbunden werden. Erdungsanforderungen umfassen:

• Niedrige Widerstandsverbindungen
• Kurze, dicke Erdungskabel
• Sichere, korrosionsbeständige Verbindungen

Die Trennung von FU-Eingangs-/Ausgangskabeln von Kabeln empfindlicher Geräte reduziert die EMI-Kopplung durch:

• Räumliche Trennung
• Physische Barrieren (Metallkanäle/Kabeltrassen)
• Isolierung mit geschirmten Kabeln

Korrekte Abschlusstechniken minimieren die EMI-Strahlung, indem sie ordnungsgemäße Schirm-zu-Gehäuse-Verbindungen gewährleisten.

Eingangs-/Ausgangsreaktoren unterdrücken Oberwellenströme und reduzieren so EMI. Zu berücksichtigende Aspekte sind:

• Kompatibilität der FU-Nennleistung
• Anforderungen an die Oberwellenunterdrückung

Die Anpassung der FU-Parameter kann die EMI-Erzeugung reduzieren:

• Niedrigere Schaltfrequenzen reduzieren hochfrequente Oberschwingungen
• Die Auswahl des PWM-Modus optimiert die harmonischen Eigenschaften
• Anpassungen der Beschleunigungs-/Verzögerungszeit minimieren Stromstöße

Die Priorisierung von Geräten, die den EMV-Standards (EN/IEC 61800-3, CISPR 11, FCC Part 15) entsprechen, gewährleistet eine integrierte EMI-Minderung.

Die richtige Auswahl des EMI-Filters ist entscheidend für eine effektive FU-Rauschunterdrückung. Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• Die Nennleistung des FU, die zur Filterstromkapazität passt
• Genaue Bewertung des Volllaststroms
• Spannungskompatibilität
• Installationsmethode (Gehäuse-, Schienen- oder Buchstilmontage)
• Anschlusstyp (berührungssichere Steckverbinder, Bolzen, Rundsteckverbinder)
• EMV-Klassifizierung (gewerbliche vs. private Anwendungen)

Eine optimale EMV-Leistung erfordert die korrekte Installation von FU, EMI-Filtern und Motoren:

• Positionieren Sie Eingangsfilter stromaufwärts auf der Hauptstromseite des FU
• Stellen Sie eine ordnungsgemäße Filtererdung sicher
• Minimieren Sie die Verbindungslängen zwischen Filtern und FU
• Verwenden Sie dedizierte Erdungskabel für Filter
• Verhindern Sie Gleichtaktstrom durch Filter über optimierte Erdung oder Gleichtaktdrosseln

EMI stellt eine erhebliche Herausforderung in FU-Anwendungen dar. Durch das Verständnis der EMI-Erzeugungsmechanismen, die Implementierung geeigneter Unterdrückungsmaßnahmen und die korrekte Installation von EMI-Filtern können Branchen Störungen effektiv mindern, einen stabilen Betrieb gewährleisten, die Produktivität steigern und unnötige finanzielle Verluste vermeiden. Mit dem Fortschritt der industriellen Automatisierung werden die Anforderungen an die EMI-Unterdrückung weiter wachsen, was von Ingenieuren verlangt, sich entwickelnde Techniken zu beherrschen, um sich in zunehmend komplexen elektromagnetischen Umgebungen zurechtzufinden.

Zukünftige Entwicklungen könnten Folgendes umfassen:

• Hocheffizientere, kompakte EMI-Filter
• KI-gestützte intelligente EMI-Identifizierung und -Unterdrückung
• Fortschrittliche Abschirmmaterialien mit verbessertem Leistungs-Gewichts-Verhältnis
• Systemweite EMI-Minderungsstrategien

Durch kontinuierliche Innovation und praktische Anwendung kann der Industriesektor EMI-Herausforderungen effektiv bewältigen und Automatisierungsfortschritte schützen.