Mit „aktivem" EMV-Schutz in die Zukunft?

EMV-Aspekte bei Antriebstechnik und Leistungselektronik werden schon lange diskutiert, sind aber u.a. durch die neue EG-EMV-Richtlinie gerade besonders aktuell. Dabei reicht das diskutierte Themenspektrum von den in verschiedenen Normen teilweise unterschiedlichen Grenzwerten bis hin zur Bedeutung nieder- und höherfrequenter Netzrückwirkungen. Diesem Spektrum widmen sich nachfolgend die Experten der Antriebsanbieter Baumüller, Danfoss, SEW-Eurodrive und Siemens sowie der Komponentenhersteller Epcos.

eA: Die ab Juli 2007 (mit drei Jahren Übergangsfrist) in Kraft getretene neue EMV-Richtlinie bezieht sich auf die überarbeitete Produktnorm DIN EN 61800-3 sowie die Fachgrundnorm DIN EN 55011. Durch veränderte Grenzwerte widerspricht allerdings die Produktnorm in einigen Fällen der Fachgrundnorm. Welche Probleme können hierdurch für den Antriebsanwender entstehen und welche Maßnahmen sollten ergriffen werden?

Burger: Prinzipiell können Produkt- und Applikationsmerkmale in einer Produktnorm besser als in einer für allgemeine Belange gedachten Fachgrundnorm berücksichtigt werden, da sie auf besondere Eigenschaften spezifischer eingehen kann. Wir geben zu den Grenzwerten C1 bis C3 die äquivalenten Grenzwerte aus EN 55011zur Informa-tion des Anwenders auch in unserer Dokumentation an, um die Gefahr eines Fehleinsatzes zu minimieren. Die notwendigen Maßnahmen unterscheiden sich nicht von den bisherigen, da sich nur die Benennung der Grenzwerte, aber nicht die technischen Inhalte geändert haben. Zur Unterstützung des Anwenders bieten wir zusätzlich zu unseren ausführlichen Gerätedokumentationen eine Druckschrift zum Thema „EMV in der Antriebstechnik" und den ZVEI-EMV-Leitfaden, der diese Thematik gesondert erläutert, als Zusatzinformation an.

Dorner: Es handelt sich im juristischen Sinn nicht um einen Widerspruch, sondern um technische, sich nicht logisch aufbauende Anforderungen. Dies stellt für Gerätehersteller einen Weg dar, mit geringerem Aufwand (und Kosten) die geforderten Grenzwerte (C1 – C4) nach Produktnorm zu erreichen. Allerdings mit u.U. zunehmender Risikobelastung des Kunden. Es sei denn, er ist EMV-Fachmann und damit in der Lage, das Risiko zu beurteilen, welches sich aus einer oberflächlich gesehen kostengünstigeren Lösung ergibt und ihm spätere Nachbesserung bescheren kann.

Heidrich: Die genannte Lücke entsteht grundsätzlich nur dann, wenn der Maschinenbauer nicht auf eine eigene Produktnorm zurückgreifen kann, die die Produktnorm 61800-3 berücksichtigt. Ist die Fachgrundnorm 55011 anzuwenden, so muss die Lücke zur 61800-3 durch das Schaltschrank-Engineering geschlossen werden, denn die meisten Antriebe werden als Schaltschrankgeräte angeboten und müssen demzufolge in einem geeigneten Schaltschrank oder Container verbaut und an die Maschine gebracht werden. Der Systemintegrator, somit in der Regel das vom Maschinenbauer beauftragte (ggf. eigene) Schaltschrank-Engineering, muss daher Know-how besitzen bzw. aufbauen, um die EMV aller im Schaltschrank verwendeten Komponenten so zu beherrschen, dass die geforderten Grenzwerte im Sinne der EMV-Richtlinie eingehalten werden. Zudem kann versucht werden, durch gezielte Gremienarbeit die Harmonisierung der Werte aus der DIN EN 61800-3 mit der DIN EN 55011 zu erwirken

Zwanziger: Wir haben bisher sehr gute Erfahrungen in der Anwendung der EN 61800-3 gemacht. Durch die Änderung der Grenzwerte in den Grundnormen sind keine unmittelbaren Probleme für die Antriebskomponente PDS zu befürchten. Zumindest keine, die heute nicht bereits bekannt sind und die bei fachgerechter Installation beherrscht werden können.

eA: Welche EMV-Maßnahmen wie aktive Eingangsschaltungen bieten Sie aktuell für Ihre Antriebe an und welche Neuheiten sind hier mittelfristig zu erwarten?

Burger: Zusätzlichen zu den gängigen EMV-Maßnahmen wie Netzfilter und Netzdrossel bieten wir bereits heute mit unserer bewährten Technologie des schlanken Zwischenkreises Antriebe mit einem stark reduzierten Oberwellengehalt des Netzstroms an. Wir werden für spezielle Branchenprodukte Komponenten mit aktiven Eingangsschaltungen anbieten, die einen praktisch sinusförmigen Netzstrom aufnehmen und eine bessere Ausnutzung der Antriebe vor allem bei höheren Drehzahlen ermöglichen.

Dorner: Aktive Eingangsschaltungen (AIC: Active Infeed Converter) sind momentan Trend der modernen Antriebstechnik. Diese Technologie ersetzt den bisherigen passiven Eingangsgleichrichter durch aktiv hoch taktende Leistungshalbleiter. Danfoss wird diese Lösung demnächst serienreif auf den Markt bringen. Gleichfalls ist diese Technologie auch eigenständig als aktives Filter verwendbar, womit unabhängig von den Antrieben die Netzspannung im unteren Frequenzbereich positiv beeinflusst werden kann.

Heidrich: Derzeit bieten wir nur passive Eingangsschaltungen an. Am Markt beobachten wir allerdings, dass selbst Hersteller von bislang rein passiven Filterkomponenten inzwischen aktive Filter ankündigen bzw. schon anbieten. Dieser generellen Entwicklung folgend untersuchen wir nun, in welchem Umfang bzw. bei welchen Anwendungen aktive Filter Vorteile gegenüber passiven Filtern bieten könnten.

Zwanziger: Aktive Eingangsschaltungen sind bereits vielfach im Einsatz und können die Belastung der Energieversorgungsnetze durch niederfrequente Oberschwingungen erheblich abmildern. Bei entsprechender Bemessung können die aktiven Eingangsschaltungen sogar netzreinigend wirken. Durch hohe Taktfrequenzen der Eingangshalbleiter sind künftig immer schnellere Reaktionen und damit bessere Wirkungen zu erwarten. Durch Netzrückspeisefähigkeit wird mit diesen Schaltungen ein wichtiger Beitrag zur Energieeffizienz der Antriebslösungen möglich. Klar ist aber auch, dass diese Maßnahme die Netze im Bereich der Taktfrequenzen (mehrere kHz) mit Oberschwingungen beaufschlagt. Man wird sich entscheiden müssen, was langfristig das kleinere Übel darstellt.

eA: Schutzmaßnahmen lösen die EMV-Problematik meist nicht komplett, sondern verlagern sie zum Teil nur vom nieder- in den höherfrequenten Bereich. Wie bewerten Sie diese Thematik und welche Lösungen sind hier bereits absehbar?

Burger: Moderne Energiespeise- und Filtertechnologien bieten die Möglichkeit, praktisch sinusförmige, oberwellen- und blindstromfreie Netzströme aus der Versorgung zu entnehmen und so die Oberwellenbelastung des Netzes spürbar zu senken. Die dabei entstehenden höherfrequenten Netzrückwirkungen können durch Filtermaßnahmen wirkungsvoll gedämpft werden. Es wurde in verschiedenen Applikationen bereits erwiesen, dass sich dadurch in Summe erhebliches Einsparpotenzial und deutliche technische Vorteile ergeben können.

Dorner: Vorteil dieser Technologie ist die deutliche Verbesserung der Netzbelastung im Bereich < 2 kHz durch Reduzierung der niederfrequenten Oberschwingungsströme. Gleichzeitig arbeiten diese Verfahren mit stärkeren Emissionen in einem höheren Frequenzbereich > 2 kHz, der mit heutigen Normen leider noch nicht abgedeckt wird. Wir entwickeln auch hierzu Maßnahmen, um Geräte zukunftssicher anbieten zu können und die Netzspannung auch bei höheren Frequenzen nicht unnötig zu belasten.

Heidrich: Elektromagnetische Störungen sind Bestandteil aller Antriebssysteme und können auf verschiedene Arten so gegenüber der Umwelt gemindert werden, dass die notwendige Verträglichkeit mit sonstigen Anlagenteilen sichergestellt ist. Der Schaltschrank oder der Container, in dem Antriebe untergebracht werden, sind so durch das Schaltschrank-Engineering auszulegen, dass die geforderten Grenzwerte eingehalten werden. Vom Ingenieur vorgesehene Schutzmaßnahmen (Zusatzfilter und Zusatzkomponenten) führen nicht zu Verschiebungen von Frequenzen, sondern es werden gewisse Frequenzbereiche der elektromagnetischen Störungen stärker als in anderen Frequenzbändern unterdrückt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird das vom Schaltschrank-Engineering umgesetzte EMV-Konzept so gewählt, dass die geforderten EMV-Grenzwerte eingehalten werden. Alternativ zu diesem konventionellen Ansatz kann versucht werden, die vom Antriebssystem selbst erzeugte elektromagnetische Störung stärker zu reduzieren. Dies ist in der Regel mit einer Verringerung der Leistungsdichte des Antriebssystems im Vergleich zu einem auf Leistungsdichte optimierten System verbunden. Ob dieser Ansatz wirtschaftlicher ist als der konventionelle, hängt von vielen Faktoren ab und muss je nach Anwendung von Fall zu Fall betrachtet werden.

Zwanziger: Diese Einschätzung trifft zu. Allerdings hat die Verlagerung in den höherfrequenten Bereich auch einen Vorteil: Filtermaßnahmen werden einfacher und kostengünstiger.

eA: Im Bereich der höherfrequenten Netzrückwirkungen fehlen bislang noch die passenden Normen, ein DKE-Draft soll nun Ende 2007 veröffentlicht werden. Wo sehen Sie für die Normung die größten Probleme bzw. Streitpunkte?

Burger: Die Normung beginnt gerade, sich mit diesen neuen Themen zu beschäftigen und damit verbundene Phänomene zu beschreiben. Die Herausforderung der Normung besteht, wie immer, darin, Lösungswege zu beschreiben, die einen wirtschaftlich sinnvollen, sicheren und EMV-verträglichen Betrieb aller Komponenten am gemeinsamen Netz ermöglichen.

Dorner: Der kürzlich eingereichte DKE-Draft zur Darstellung der Arbeitsweise von AIC kann als Grundlage für die Normierungsarbeit herangezogen werden. Die Empfehlungen für den Bereich 2 bis 9 kHz müssen abgeklärt und neue Grenzwerte festgelegt werden, um zwischen Geräteherstellern und Netzbetreibern einen tragbaren Konsens zu finden. Nur damit sind für den Kunden auch zukünftig betriebssichere Netzverhältnisse zu gewährleisten. Da es sich um eine neue technische Entwicklungsrichtung handelt, findet zurzeit die Positionierung in dieser Grenzwertdiskussion statt.

Zwanziger: Der neue Arbeitsvorschlag bei IEC TC 22 „ Betriebsverhalten von selbstgeführten Netzstromrichtern (Active Infeed Converter)" entstand durch die Kooperation von DKE K 226 und K 331. Hierdurch werden die Vorteile dieser Schaltungslösungen, für Antriebe aber auch Windkraftanlagen und Stromversorgungssysteme, vorgestellt und auch die Besonderheiten erklärt. International ist der Entwurf positiv und mit hohem Interesse aufgenommen worden. Auch die mit EMV-Themen beauftragten Querschnittsgremien werten dies als Hilfestellung. Streitpunkte sehe ich bisher deshalb noch nicht.

zg

Baumüller (SPS/IPC/Drives: 1-310) eA 515

Danfoss (1-358) eA 516

Epcos (4-160) eA 517

SEW-Eurodrive (4-320) eA 518

Siemens (9-310) eA 519