Drehzahlvariable Antriebe kommen in Industrieanlagen für vielfältige Aufgaben zum Einsatz – etwa bei Werkzeugmaschinen, Pumpen, Kompressoren, Beförderungssystemen, aber auch bei nicht ortsfest betriebenen Geräten. In der Regel werden diese Anriebe aus dreiphasigen TN-Netzen gespeist.
Ein komplettes Antriebssystem besteht aus einem EMV-Netzfilter, dem Frequenzumrichter und dem Motor. Eine ebenso wichtige Komponente, die bei der Systembetrachtung aber oft vernachlässigt wird, ist das geschirmte Kabel zwischen Umrichter und Motor. Dieses kann oft 200 Meter und länger sein. Aus Sicherheitsgründen werden die Antriebssysteme über Fehlerstromschutzschalter mit dem Netz verbunden.
 

RCD (Residual Current Devices) unterscheiden nicht zwischen einem tatsächlichen Fehlerstrom und einem Ableitstrom. Wird die Summe aller systembedingten Ableitströmen zu groß, löst daher der FI-Schutzschalter aus.

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Ein wesentliches Problem von drehzahlvariablen Antrieben ist ein – insbesondere durch den Umrichter erzeugter – betriebsbedingter Ableitstrom. Seine Größe hängt von den Entstör-Kondensatoren und  den parasitären Kapazitäten gegen Erde, der Kommutierung der B6-Gleichrichter-schaltung sowie den Schaltvorgängen der Leistungshalbleiter ab. In vielen Anwendungsfällen übersteigt die Summe der Ableitströme die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters.

Übliche Fehlerstromschutzschalter für drehzahlvariable Antriebe haben zum Beispiel eine Auslöseschwelle von 30 mA für Ströme im Frequenzbereich kleiner 100 Hz, die im Bereich über 100 Hz deutlich ansteigt. In Bild 2 ist die Auslöse-Kennlinie eines typischen Fehlerstromschutzschalters dargestellt, wobei die Grenze für Frequenzen größer 1 kHz bei 300 mA liegt. 

Bild 2: Ableitstrom im Frequenzbereich (rot) gegenüber der FI-Auslöseschwelle (blau).

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Variable Ableitströme, die durch die Schaltvorgänge im Umrichter erzeugt werden, können dazu führen, dass die 300-mA-Schwelle überschritten wird. Im abgebildeten Beispiel ist dies bei 2,7 kHz der Fall. Stationäre Ableitströme hingegen, die durch die Kommutierung der B6-Gleichrichterschaltung erzeugt werden, treten schon bei einer deutlich niedrigeren Frequenz von 100 Hz bis 1 kHz auf, wo die Auslöseschwelle bereits deutlich niedrigere Werte annimmt. Konkret liegt der 150-Hz-Anteil bei rund 90 mA, was in jedem Fall zu einem Auslösen des Fehlerstromschutzschalters führt. Hinzu kommen schließlich noch transiente Ableitströme, wie sie etwa während des Ein- und Ausschalten der Netzspannung auftreten. 

Die Nachteile bisheriger Ansätze

Bis dato gab es keine umfassende Lösung, um den unterschiedlichen Ursachen von Ableitströmen zu begegnen. Häufig wird versucht, die im System befindliche Gesamtkapazität gegen Erde zu variieren. So lässt sich zum Beispiel durch Abschalten des Filterkondensators im Umrichter der 150-Hz-Anteil des Ableitstroms verringern. Allerdings ist dann in vielen Fällen die EMV-Kompatibilität nicht mehr gewährleistet. Werden hingegen die Kapazitäten der Y-Kondensatoren im EMV-Filter verringert, so sinkt zwar der 50-Hz-Ableitstrom, jedoch erhöht sich damit auch der taktfrequente Ableitstromanteil.