Jedes elektrische oder elektronische Gerät kann elektromagnetische Felder aussenden, die andere Geräte beeinflussen und damit stören können – es kommt zur elektromagnetischen Kopplung. Ziel ist, alle elektrischen Systeme so aufzubauen, dass sie andere nicht beeinflussen und auch selbst nicht beeinflussbar sind.

Bevor Geräte der Automatisierungstechnik wie Steuerungen, Netzteile, Antriebe oder Frequenzumrichter verkauft und eingesetzt werden dürfen, müssen sie im Rahmen der CE-Zertifizierung eine EMV-Prüfung bestehen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Grenzwerte bestehender Normen nicht überschritten werden. Wer allerdings daraus folgert, dass keine Probleme auftreten, wenn ausschließlich zertifizierte Geräte eingesetzt werden, liegt falsch: Die Praxis ist eine heterogene Automatisierungslandschaft, die aus einer Vielzahl verschiedener Komponenten und Baugruppen besteht. Leitungen zur Energieversorgung durchziehen die Anlagen, und eine Feldbus- oder Netzwerkinfrastruktur sorgt für einen anlagenweiten Datenaustausch. Auch die Funktionserdung und der Potenzialausgleich spielen eine große Rolle. Aus EMV-Sicht sind vernetzte Maschinen und Anlagen hochkomplexe Systeme mit jeweils einem individuellen EMV-Fingerabdruck.

Auslöser für elektromagnetische Störungen

Die prinzipielle Ursache elektromagnetischer Störungen sind hohe Spannungen oder Ströme, die mit steilen Flanken geschaltet werden und damit eine große elektromagnetische Feldänderung verursachen. Je steiler die Flanken oder je höher die Frequenz, desto mehr EMV-Störungen treten auf. Dies kann beim Schalten großer induktiver Lasten wie leistungsstarker Elektromotoren ebenso passieren wie bei einer plötzlichen elektrostatischen Entladung, wenn sich etwa eine Kunststofftransportbox auf mehrere kV auflädt und dann mit einem geerdeten Anlagenteil in Kontakt kommt. Auch bei der später im Artikel besprochenen Kabel-Asymmetrie können diese Effekte auftreten, wenn bei der Stromversorgung eines Antriebs auf der Schirmleitung oder auf dem PE (Schutzerde) ein Störstrom induziert wird. Potenziell können alle elektronischen Baugruppen und Signalleitungen gestört werden, die sich im Einflussbereich der erzeugten elektrischen und magnetischen Felder befinden. Mängel in der Installation wie eine mangelhafte Abschirmung bei Signalleitungen oder ein zu schwach ausgelegter Potenzialausgleich verstärken das Risiko einer Störung und eines Anlagenstillstands.

Übertragungswege der EMV-Störungen

Bei dieser Versorgungsleitung mit circa 30 m Länge sind der PE und der Schirm an der Sicherung und im Schaltschrank miteinander verbunden. Dadurch fließt ein Strom von 1,8 A im Kreis. Der daraus resultierende Summenstrom von 0,35 A hat eine kapazitive Ursache.

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Die elektromagnetische Beeinflussung zwischen Störquelle – dem System, das Störungen aussendet – und Störsenke – den gestörten Komponenten – wird Kopplung genannt. Unterschieden werden:

• Galvanische (direkte) Kopplung: Störquelle und Störsenke haben eine leitende Verbindung, meistens durch gemeinsame Versorgungs- oder Masseleitungen. Fließt auf diesen ein Strom, können elektromagnetische Störungen verkoppelt werden.
• Kapazitive (elektrische) Kopplung: Störquelle und Störsenke sind räumlich eng verlegt, beispielsweise im selben Kabel oder Kabelkanal. Störungen werden durch das elektrische Feld verursacht, das durch den Spannungswechsel bei Schaltvorgängen erzeugt wird.
• Induktive (magnetische) Kopplung: Die Störquelle beeinflusst die Störsenke durch ein magnetisches Feld. Das durch den Stromfluss erzeugte Wechselfeld induziert eine Störspannung in der Störsenke.
• Externe Störquelle: Hierzu zählt zum Beispiel ein Blitzschlag, was besonders zu beachten ist, wenn in großflächigen Anlagen Leitungen im Freien verlaufen.
   

Die Kabel-Asymmetrie als eine der Ursachen

Befasst man sich intensiv mit der Fehlersuche in der elektrischen Automatisierungstechnik und in industriellen Netzwerken, fällt auf, dass Störungen heutzutage immer häufiger von Strömen auf PE (Schutzerde) oder PA (Potenzialausgleich) verursacht werden. Ein Grund dafür liegt in der geometrischen Asymmetrie zwischen den einzelnen Leitern. Sie entsteht dadurch, dass die verschiedenen Leiter nicht alle denselben mechanischen Abstand zum PE haben. Diese Ströme treten insbesondere dort auf, wo Antriebe geschaltet oder per Frequenzumrichter gesteuert werden. Experten der Firma Leadec zufolge sind die hochfrequenten Spannungsimpulse durch die Schaltvorgänge oder die Ansteuerung per PWM (Pulsweitenmodulation) zwischenzeitlich eine der Hauptursachen für EMV-Störungen.

In modernen Maschinen kommen vermehrt drehzahlgeregelte Antriebe zum Einsatz. Gleichzeitig schreitet die Miniaturisierung der Elektronik fort. Dass diese Störungen zunehmend auftreten, kann dem immer höheren Automatisierungsgrad zugeschrieben werden. In den Anlagen kommen immer mehr Automatisierungstechnik und Sensoren zum Einsatz. Dadurch werden die Komponenten und der Aufbau kompakter. Auch für die Führung von Signal- und Stromversorgungsleitungen bleibt immer weniger Platz. Die höhere Packungsdichte erfordert eine Reduzierung der Verlustleistung, was beispielsweise mit steileren Flanken erreicht wird. Steilere und schärfere Flanken verursachen jedoch mehr störende und höhere Frequenzen. Mit zunehmender Geschwindigkeit und Regelgenauigkeit der Antriebe steigt auch die Taktfrequenz der Ansteuerung und damit ebenfalls das Risiko hochfrequenter EMV-Störungen.

Durch die Kabel-Asymmetrie können auf dem PE oder auf dem PA (Potenzialausgleich) hochfrequente Ströme induziert werden, die Störungen verursachen können. So wurden von Leadec beispielsweise vagabundierende Störströme im Bereich von 10 A und mit einer Frequenz von 0 bis zu 5 GHz gemessen. Solche Schirmströme sind grundsätzlich nicht erwünscht, da sie die Geräteelektronik auf dem Weg zur Masse stören können oder über die Transferimpedanz auf die Datenleitung übertragen werden. Dann steigt das Risiko, dass die Datenkommunikation beeinträchtigt wird und es früher oder später zu einem Anlagenstillstand kommt. Hohe Ströme auf dem PA oder auf dem PE können zu unerwarteten Effekten und Störungen in der Steuerungstechnik führen.

Kein Patentrezept

Der Autor: Gerhard Bäurle ist Technikjournalist für Leadec.

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Ein Patentrezept aus dem Lehrbuch, mit dem alle EMV-Phänomene mit einem Streich erledigt sind, gibt es nicht. In der Regel ist es sinnvoll, im nächsten Schritt eine Grundinspektion der Anlage zu machen, also eine Art Bestandsaufnahme, bei der alle Komponenten und Geräte erfasst und analysiert werden. Dazu gehören verschiedene Messungen von Störgrößen wie Schirmströme, Störpegel auf den Versorgungsleitungen und die EMV-Belastung in der Anlage. Oft werden im Rahmen der Grundinspektion sogenannte Installations- oder Verbaufehler gefunden. Dies sind Fehler wie ein nicht aufgelegter Schirm in den Steckverbindern, fehlende Abschirmungen oder lange Leitungslängen – also Fehler, die bei der Abnahme nach der Erstinstallation oder nach Umbauarbeiten übersehen wurden. Mit der Beseitigung solcher Mängel lässt sich die Gesamtstabilität einer Anlage wesentlich verbessern. Sollten nach diesen Maßnahmen immer noch hohe Ströme auf dem PE, dem PA oder auf dem Schirm gemessen werden, ist eine konstruktive Änderung erforderlich, bei der Firmen wie Leadec unterstützen können.