Erhöhte Ableitströme bei Frequenzumrichtern

Bild: Hohe Ableitströme in der Industrie sind häufig auf den Einsatz von Frequenzumrichtern zurückzuführen.

Hohe Ableitströme in der Industrie sind häufig auf den massiven Einsatz von Frequenzumrichtern zurückzuführen (Bild). In der Praxis werden hierfür geeignete normative Bestimmungen oder Verfahren zur Vermeidung bzw. Kompensation derartiger Ableitströme gesucht.

Hierzu ein typisches Beispiel aus der Praxis: Eine Firma betreibt Fertigungs- und Verpackungsmaschinen als ­Einheit. Alle Maschinen sind galvanisch miteinander verbunden. Bei Wiederholungsprüfungen stellen die Prüfer an den Elektroverteilungen ­einiger Maschinen einen hohen Ableitstrom von ca. 50 … 150 mA fest.

Derartige Ableitströme können ein weites Frequenzspektrum von einigen Hz bis 100 kHz und darüber hinaus aufweisen. Der Beitrag soll einige mögliche Maßnahmen zur Reduzierung kurz erläutern.

Grenzwerte für Schutzleiterströme

In DIN EN 61140 (VDE 0140-1):2016-11 »Schutz gegen elektrischen Schlag – Gemeinsame Anforderungen für Anlagen und ­Betriebsmittel« sind im Abschnitt 7.6.3 in ­Tabelle 4 Grenzwerte für Schutzleiterströme in Abhängigkeit des Bemessungsstromes ­eines elektrischen Betriebsmittels angegeben. Diese Norm gilt sowohl für fest errichtete elektrische Anlagen als auch für Betriebsmittel und richtet sich auch an Normungskomitees, die Produktnormen für elektrische ­Betriebsmittel erarbeiten. Die Grenzwerte ­beziehen sich jedoch nur auf Frequenzanteile bis max. 1 kHz. Insbesondere im Frequenz­bereich oberhalb von 1 kHz wird es jedoch ­interessant. Hier ist oft mit erhöhten Ableitströmen zur rechnen, die aufgrund der hohen Schaltfrequenzen (typisch 2 … 20 kHz) mit Oberschwingungen des Pulswechselrichters eines frequenzgesteuerten Betriebsmittels generiert werden. Bleiben wir zunächst aber im normativ definierten Frequenzbereich bis 1 kHz, da in den derzeit vorhandenen Normen keine Angaben zu Ableitströmen mit höheren Frequenzanteilen verfügbar sind. Dennoch sollten Ströme mit Frequenzanteilen > 1 kHz keinesfalls außer Acht gelassen werden, dazu jedoch weiter unten mehr.

Aus Tabelle 4 von DIN EN 61140 ist zu entnehmen, dass Betriebsmittel mit einem Bemessungsstrom von 20 A einen maximalen Schutzleiterstrom von 10 mA aufweisen dürfen. Bei größeren Schutzleiterströmen muss nach Abschnitt 7.6.3.5 ein verstärkter Schutzleiter verwendet werden, was voraussetzt, dass die Maschinen fest angeschlossen sind. In der DIN EN 61140 ­lesen wir dazu weiter: »Für elektrische Verbrauchsmittel mit einem dauerhaften Anschluss, an den der Anschluss eines verstärkten Schutzleiters nach 7.6.3.5 vorgesehen ist, sollten Produktkomitees den maximalen Schutzleiterstrom festlegen, welcher in keinem Fall 5 % des Bemessungsstroms je Außenleiter überschreiten darf.«

Danach dürfte eine Maschine mit einem verstärkten Schutzleiter und einem Bemessungsstrom von 20 A einen Schutzleiterstrom von max. 1 A aufweisen. Das ist schon nicht gerade wenig und bezieht sich streng genommen nach obiger Norm auch nur auf Frequenzen bis 1 kHz. Im eingangs genannten Beispiel wurden Ableitströme bis 150 mA gemessen. Wenn die entsprechende Produktnorm dies zulässt, spricht also erst einmal nichts dagegen – vorausgesetzt die Maschinen verfügen über einen verstärkten Schutzleiter. Allerdings kommt hier nun eine Unsicherheit ins Spiel: Es stellt sich die Frage, wie und mit welchem Messgerät gemessen wurde, und bis zu welcher Frequenz konnte das Messgerät Ableitströme sicher erfassen?

Anforderungen in der Maschinenrichtlinie

Werfen wir einen Blick in die Maschinenrichtlinie DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1): 2019-06 »Sicherheit von Maschinen – Elektrische Ausrüstung von Maschinen, Allgemeine Anforderungen«. Im Abschnitt 8.2.6 sind dort Bedingungen aufgeführt, von denen zumindest eine angewendet werden muss, wenn der Schutzleiterstrom 10 mA übersteigt. Beispielsweise ist ein verstärkter Schutzleiter mit einem Querschnitt von mindestens 10 mm² (Cu) zu verwenden. Zudem wird in einer Anmerkung aufgeführt, ein Warnschild in der Nähe des PE-Anschlusses anzubringen, wenn über den Schutzleiter ein Ableitstrom größer 10 mA fließt.

Den Schutzleiter »sauber« halten

Sowohl die DIN EN 61140 als auch die DIN EN 60204-1 lassen recht hohe Ableitströme auf dem Schutzleiter zu. Der Autor ruft jedoch dazu auf, diese Ströme so niedrig wie möglich zu halten, denn der Schutzleiter ist weder ein »Schmutzleiter« noch ein ­aktiver Leiter. Wie der Name schon sagt, hat ein Schutzleiter eine Schutzfunktion und dient nicht der Abführung eines »Störfrequenz­salates«. Letzterer ist oft auch dadurch bedingt, dass bei elektronischen Antriebssystemen aus Kostengründen auf Maßnahmen verzichtet wurde, Ableitströme gering zu halten. Zumindest kann positiv vermerkt werden, dass in den letzten fünf bis zehn Jahren unerwünschte Auslösungen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) zum Schutz von Stromkreisen mit frequenzgesteuerten elektrischen Betriebsmitteln deutlich zurückgegangen sind. Das ist sicher darauf zurückzuführen, dass für solche Zwecke vorgesehene RCDs störfester gegenüber transienten oder kurzzeitig überhöhten Ableitströmen geworden sind – aber auch darauf, dass sich die Höhe der Ableitströme insgesamt verringert hat.

Für den Fall, dass RCDs vorgeschaltet sind, darf nach Abschnitt 531.2.3 der DIN VDE 0100-530 »Errichten von Niederspannungsanlagen – Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Schalt- und Steuer­geräte« der Ableitstrom das 0,3-fache des Bemessungsfehlerstromes einer RCD nicht überschreiten. Hierbei ist zu beachten, dass allstromsensitive RCDs vom Typ B oder B+ zu verwenden sind, wenn mehrphasig betriebene Frequenzumrichter verwendet werden. Diese können im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme erzeugen, die von einer RCD des Typs A oder F nicht erfasst und in ihrer Funktion auch erheblich beeinträchtigt werden.

Trenntransformatoren und ableitstromarme EMV-Filter

Kommen wir nun zu einigen Maßnahmen zur Reduzierung von erhöhten Ableitströmen. Diese können insbesondere im höherfrequenten Bereich zu EMV-Problemen führen. Die DIN EN 60204-1 sieht als Möglichkeit zur Reduzierung von Ableitströmen im Abschnitt 8.3 die Verwendung eines Transformators mit getrennten Wicklungen vor. In Abhängigkeit der Impedanzen von Schutz- und/oder Potentialausgleichsleitern sowie der Wickelkapazitäten des Trenntransformators kann allerdings nicht ganz ausgeschlossen werden, dass im höherfrequenten Bereich weiterhin (niedrige) Ableitströme vorhanden sind. Bei 50 Hz sollte jedoch »Ruhe sein«.

Viele Hersteller bieten so genannte ableitstromarme EMV-Filter an. Bei diesem Filtertyp treten bauartbedingt deutlich niedrigere Ableitströme auf als bei Standardfiltern. Die Herstellerangaben bezüglich einer maximal zulässigen Länge der geschirmten Motorzuleitung sind zu beachten. Diese Filter lassen durchaus die Verwendung von RCDs mit einem Bemessungsfehlerstrom von 30 mA zu.

EMV-Filter mit Neutralleiteranschluss

In elektrischen Netzen, in denen der Neutralleiter vorhanden ist, kann ein Vierleiterfilter (L1, L2, L3 und N) eingesetzt werden. Dieser Filtertyp weist die geringsten Ableitströme auf. Der Hauptanteil der Ableitströme wird über den Neutralleiter und nicht über den Schutzleiter abgeführt. Werden mehrere Frequenzumrichter mit eigenem (integrierten) EMV-Filter eingesetzt, können durch ein zusätzlich vorgeschaltetes gemeinsames Vierleiterfilter die Ableitströme reduziert werden.

Netzdrosseln und Sammelfilter

Netzdrosseln, welche noch vor das Eingangs-EMV-Filter gesetzt werden, reduzieren die Stromwelligkeit samt Oberschwingungen. Außerdem erhöhen sie die Lebensdauer von Bauelementen im Frequenzumrichter.

In elektrischen Anlagen mit mehreren Frequenzumrichtern sollte anstelle der einzelnen EMV-Filter eines jeden Frequenzumrichters ein Sammelfilter verwendet werden. Die Ableitströme der einzelnen EMV-Filter addieren sich. Hierbei ist die Summe der Ableitströme aller Einzelfilter meist größer als der Ableitstrom eines größeren gemeinsamen Filters. Die Angaben des Filterherstellers bezüglich der maximal zulässigen Längen der geschirmten Motorleitungen sind zu beachten. Werden mehrere einphasig betriebene Frequenzumrichter verwendet, sollten diese zur Kompensation der Ableitströme gleichmäßig auf alle Außenleiter verteilt werden.

Ausgangsfilter, wenn möglich

Sinusfilter, EMV-Sinusfilter, du/dt-Filter oder Ausgangsdrosseln können direkt hinter dem Ausgang des Frequenzumrichters (vor der Motorzuleitung) angeschlossen werden. Diese verringern durch Reduzierung der Flankensteilheit der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters Ableitströme oberhalb von 1 kHz auf der Leitung zum Motor erheblich. Besonders niedrige Ableitströme werden bei der Verwendung eines du/dt-Filters erreicht. Ausgangsfilter verringern durch Minimierung der Flankensteilheit der Ausgangsspannung auch die Geräuschentwicklung sowie Motorlagerströme und hohe Induktionsspannungen an den Motorwicklungen. Einige geregelte dynamische Antriebe lassen die Verwendung von Ausgangsfiltern jedoch nicht oder nur eingeschränkt zu.

Resonanzvermeidung bei EMV-Filtern

Bei elektronischen Betriebsmitteln – wie z. B. Frequenzumrichtern – können in der Regel verschiedene Schaltfrequenzen (Chopper) gewählt werden. Im ungünstigen Fall, z. B. bei langen geschirmten Motorzuleitungen, kann die Schaltfrequenz zu Schwingungen eines vorgeschalteten EMV-Filters und somit zu stark überhöhten Ableitströmen führen, welche auch eine unerwünschte Auslösung einer RCD bewirken. In diesem Fall ist die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zu ändern. Zudem ist die vom Frequenzumrichter- bzw. Filterhersteller maximal zulässige Länge der geschirmten Motorzuleitung zu beachten.

Hierzu ein Beispiel: Die Resonanzfrequenz des EMV-Filters beträgt 2,1 kHz. Eine möglicherweise gewählte Schaltfrequenz des Frequenzumrichters von 2 kHz liegt in unmittelbarer Nähe der Resonanzfrequenz und kann ggf. zu sehr hohen Ableitströmen führen. Auch eine Schaltfrequenz von 4 kHz kann noch zu hohen Ableitströmen führen, da sie fast dem Zweifachen der Resonanzfrequenz entspricht. Höhere Schaltfrequenzen und besonders Nichtvielfache der Resonanzfrequenz (z. B. 7 kHz) verringern die Gefahr der Schwingneigung des EMV-Filters und die damit verbundenen hohen Ableitströme. Weitere Einzelheiten bezüglich der Resonanz­frequenz des EMV-Filters sowie eine mögliche Deaktivierung der selbsttätigen Änderung der Schaltfrequenz eines Frequenzumrichters bei niedrigen Ausgangsfrequenzen sollten ggf. bei den Herstellern dieser Betriebsmittel erfragt werden. Höhere Schaltfrequenzen (auch Vielfache höherer Ordnung der Resonanz­frequenz) minimieren generell die Gefahr der Schwingneigung des EMV-Filters. Dabei ist zu prüfen, ob eine Änderung (insbesondere eine Erhöhung) der Schaltfrequenz aus Gründen der Erwärmung oder Dynamik des Antriebes überhaupt zulässig ist.

Integrierte EMV-Eingangsfilter

Viele Frequenzumrichter sind bereits mit einem internen EMV-Eingangsfilter ausgestattet, so dass die Verwendung eines externen Filters entfallen kann. Längere Motorleitungen bewirken jedoch durch die Zunahme der asymmetrischen kapazitiven Ströme eine magnetische Sättigung der EMV-Filterdrossel. ­Extrem hohe Ableitströme und eine Filter­resonanz können die Folge sein. Eine gesättigte Filterdrossel führt zur Unwirksamkeit des Filters, so dass die zulässigen Grenzwerte der einschlägigen EMV-Richtlinien weit überschritten werden und der Frequenzumrichter somit meist unbemerkt zur hochgradigen Störquelle für andere Verbraucher wird. Wird der Frequenzumrichter mit integriertem EMV-Filter und langer geschirmter Motorzuleitung (meist > 10 m) verwendet, so ist der integrierte Filter nach Möglichkeit zu deaktivieren und ein externes EMV-Filter, welches für den Betrieb mit langen Motor­zuleitungen geeignet ist, zu verwenden. Welches Filter ­geeignet ist, kann beim Hersteller angefragt werden oder muss ggf. durch eine EMV-Messung an der gesamten elektrischen Anlage ­ermittelt werden.

Integrierte EMV-Eingangsfilter lassen oft nur eine maximale Länge der geschirmten Motorzuleitung von 5 … 10 m zu. Die in den Bedienungsanleitungen der Frequenzumrichter angegebenen Konformitätserklärungen zu den EMV-Richtlinien – z. B. DIN EN 55011 (VDE 0875-11):2018-05, Klasse A, B – gelten meist nur für diese relativ kurzen Leitungslängen. Oft sind auch Leitungslängen von 50 … 100 m angegeben. Diese Leitungslängen beziehen sich jedoch meist nicht auf die EMV-Konformität, sondern auf eine maximal zulässige kapazitive Last, welche die Ausgangs­stufe (Pulswechselrichter) des Frequenzumrichters noch problemlos treiben kann.

Reduzierung von induktiven Ableitströmen

Die zuvor beschriebenen Filtermaßnahmen dienen der Reduzierung kapazitiver Ableitströme. Induktive Ableitströme sind jedoch nicht ungewöhnlich und können insbesondere in elektrischen Anlagen mit sehr hohen Strömen auftreten. Sie sind eher im unteren Frequenzbereich (< 1 kHz) vorhanden. Bei Verwendung klassischer geschirmter vieradriger Motorzuleitungen kann sich aufgrund des inneren unsymmetrischen Aufbaus im Strompfad N/PE ein induktiv eingekoppelter Ableitstrom ergeben. Daher sollten möglichst geschirmte Motorzuleitungen verwendet werden, die eine symmetrische und niederimpedante Anordnung der internen Leiter aufweisen. Dadurch werden sowohl induktive als auch kapazitive Ableitströme erheblich reduziert. Zudem sollte die Motorzuleitung möglichst kurz sein.

Änderungen an bestehenden Anlagen

Werden Änderungen an einer bestehenden und bezüglich EMV ausgemessenen elektrischen Anlage durchgeführt (beispielsweise das Ändern von Filtermaßnahmen oder auch die Änderung der Schaltfrequenz eines Frequenzumrichters), so ist in der Regel eine erneute Messung der Anlage bezüglich EMV durchzuführen, um zu gewährleisten, dass die für die Anlage zutreffenden einschlägigen EMV-Richtlinien eingehalten werden.

Überwachen mit RCMs

Nach der Produktnorm DIN EN 62020 (VDE 0663):2005-11 werden Differenzstrom-Überwachungsgeräte (RCMs) in verschiedenen Ausführungen angeboten. Wenn eine RCD aus normativen Gründen gefordert ist (z. B. im TT-System oder in feuergefährdeten Betriebsstätten) darf ein Differenzstrom-Überwachungsgerät (RCM) eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) zunächst nicht ersetzen. Neben einer möglicherweise geforderten RCD bietet ein RCM jedoch den Vorteil einer permanenten Überwachung (und ggf. auch Protokollierung) von Differenzströmen.

Differenzströme setzen sich aus Ableitströmen (kapazitiv, induktiv) und Fehlerströmen (ohmsch) zusammen. Es sind derzeit RCMs am Markt verfügbar, die über eine Datenschnittstelle verfügen, so dass der erfasste Differenzstrom mit entsprechender Software permanent überwacht und auch protokolliert werden kann. Je nach verwendetem RCM ist eine Erfassung von Differenzströmen bis 100 kHz möglich. Die zugehörige Software kann auch eine Aufteilung in verschiedene Frequenzbänder oder sogar Einzelfrequenzen ermöglichen. Dadurch lassen sich ungewöhnliche Änderungen im Ableitstrom, aber auch schleichende Isolationsfehler und somit auch die Anlagenverfügbarkeit ermitteln.

Zudem erlaubt die DIN VDE 0105-100/A1 »Betrieb von elektrischen Anlagen – Allgemeine Festlegungen – Wiederkehrende Prüfungen« im Abschnitt 5.3.3.101.0.2 den Verzicht einer Messung des Isola­tionswiderstandes, »(…) wenn ein Stromkreis durch ein Differenzstrom-Überwachungsgerät nach DIN EN 62020 (VDE 0663) oder eine Isolationsüberwachungseinrichtung nach DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8) ständig überwacht wird und diese Überwachungseinrichtungen einwandfrei funktionieren.«

Eine normativ geforderte Protokollierung eines Ableitstromes bei wiederkehrenden Prüfungen sieht der Autor nicht. Allerdings muss nach DIN EN 61140 (VDE 0140-1):2016-11 Abschnitt 7.6.3.6 der Hersteller eines elektrischen Betriebsmittels mit verstärktem Schutzleiter für den dauerhaften Anschluss Angaben über die Höhe des zu erwartenden Schutzleiterstromes liefern. Es ist jedoch zu beachten, dass ein Schutzleiterstrom (Ableitstrom) insbesondere in Stromversorgungssystemen mit höheren Erd- und/oder Schleifenwiderständen niemals zu einer gefährlichen Berührspannung oder Bränden führen darf. Zudem muss immer sichergestellt sein, dass erhöhte Schutzleiterströme nicht zur Beeinträchtigung der Sicherheit und Funktion vorgeschalteter Schutzeinrichtungen führen. Die bestimmungsgemäße Nutzung einer elektrischen Anlage muss stets gewährleistet sein.

Autor

Günter Grünebast, Verantwortlich für Normung und Prüfung sowie stellvertretender Entwicklungsleiter bei der Firma Doepke Schaltgeräte, Norden.

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net