EMV im Werkzeugmaschinenbau

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VEREIN DEUTSCHER WERKZEUGMASCHINENFABRIKEN
Technische Informationen
EMV im
Werkzeugmaschinenbau
TECHNISCHE INFORMATIONEN
EMV im Werkzeugmaschinenbau
 Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V.
Corneliusstr. 4 • 60528 Frankfurt a.M.
Telefon 069/75 60 81 - 0 • Fax 069/75 60 81 - 11
01.2004
1
E M V - L E I T F A D E N
Vorwort
Dieser EMV-Leitfaden basiert auf einer Initiative des europäischen
Werkzeugmaschinenverbandes CECIMO und der Arbeit des CETIM EMVLabors, Senlis/Frankreich. Wir danken an dieser Stelle für die wertvolle
Unterstützung durch Dokumentationen und Erfahrungsberichte aus den
vergangenen acht Jahren Labortätigkeit.
Besonderer Dank gilt auch unseren Mitgliedern, die Informationen und
Erfahrungen beigestellt und der Veröffentlichung zugestimmt haben.
Namentlich erwähnt seien die Firmen Deckel-Maho GmbH, Gebr. HELLER
Maschinenfabrik GmbH und INDEX-Werke GmbH & Co. KG Hahn &
Tessky.
Die Übersetzung, Aktualisierung sowie inhaltliche und redaktionelle Überarbeitung fand im Nov./Dez. 2003 in der VDW-Geschäftsstelle statt und wurde
nach bestem Wissen und mit äußerster Sorgfalt durchgeführt; trotzdem können
Fehler nicht ausgeschlossen werden. Fachliche Anregungen und Korrekturen
werden gerne unter technik@vdw.de angenommen.
Dieser Leitfaden enthält Hinweise und Vorschläge zur Anwendung der EMVRichtlinie für Werkzeugmaschinen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Der Leser wird gebeten, sich mit den gültigen Richtlinien, Gesetzen
und Normen in der jeweils gültigen Fassung vertraut zu machen und seiner
Verantwortung zu entsprechen.
Frankfurt am Main, im Januar 2004
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .........................................................................................................................3
2. Richtlinien und Normen ...............................................................................................4
3. Möglichkeiten der Umsetzung.....................................................................................6
3.1 Drei Prozeduren zur Auswahl...........................................................................7
3.2 Aspekte zur Auswahl der Prüfprozedur..........................................................9
3.3 Untersuchungsergebnisse................................................................................ 14
3.4 Testempfehlungen ............................................................................................ 16
4. Installationstechnik - praktische Hinweise............................................................. 17
4.1 Allgemeine Wirkungsmechanismen............................................................... 18
4.2 Ausführung der EMV-Erdung ....................................................................... 19
4.3 Kabelarten und Verdrahtungshinweise......................................................... 20
4.4 Abschirmungen und Masseverbindungen.................................................... 24
4.5 Der Einsatz von Filtern.................................................................................... 27
4.6 Installation von Achsverstärkern.................................................................... 30
4.7 Abschirmung von Schaltschränken ............................................................... 32
4.8 Große Werkzeugmaschinen............................................................................ 33
4.9 Zusätzliche Verbesserungsmaßnahmen........................................................ 35
5. Netzformen................................................................................................................... 37
Anhang
- Ausführungsbeispiele..................................................................................... 41
- beispielhafte Prüfdokumentationen............................................................ 55
1
Kapitel
Einleitung
Warum ein weiterer Leitfaden zum Thema EMV?
F
ür die an Werkzeugmaschinen eingesetzten elektrischen und
elektronischen Komponenten gilt die EMV-Richtlinie 89/336/CEE in
ihrer aktuellen Ausgabe 93/68/CEE. Werkzeugmaschinen sollen aus
Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit die Anforderungen der
harmonisierten Grundnormen EN61000-6-4 und EN61000-6-2 bezüglich
Störausstrahlung (Emissionen) bzw. Störempfindlichkeit (Immunität) erfüllen.
Da sich auf die große Mehrzahl der Werkzeugmaschinen diese allgemeinen
Normen häufig nicht anwenden lassen, ist die ergänzende Produktnorm
EN50370 entstanden. Teil 2 (Immunität) ist bereits als harmonisierte Norm
veröffentlicht; Teil 1 (Emissionen) wird in Kürze folgen.
Im Gegensatz zur Maschinenrichtlinie behandelt die EMV-Richtlinie keine
sicherheitsrelevanten Fragen. Die hier behandelten Aspekte beschränken sich
rein auf die elektromagnetische Verträglichkeit der Anlagen. Zum Thema
‚Elektrische Sicherheit’ seien besonders die EN60204-1 und die
Niederspannungsrichtlinie 73/23/CEE erwähnt.
Dieser Leitfaden soll dem Hersteller einen Überblick über die geltenden
Richtlinien und Normen geben und darüber hinaus mit praktischen Hinweisen
eine erfolgreiche EMV-Prüfung und damit CE-Kennzeichnung unterstützen.
Durch Initiative des VDW, unterstützt durch den europäischen Werkzeugmaschinenverband CECIMO, werden in einem europäischen Forschungsprojekt geeignete Feldmeßverfahren untersucht und weiterentwickelt, mit dem
Ziel auch für solche Verfahren zur EMV-Bewertung an Maschinen eine
offizielle Zulassung zu erhalten. Sobald Ergebnisse aus diesem Projekt verfügbar
sind, wird der VDW hierüber informieren.
Anmerkung
Die Anwendung dieses Leitfadens entbindet nicht von der
Verpflichtung, die geltenden Richtlinien und Gesetze zu
berücksichtigen und einzuhalten.
3
2
Kapitel
Richtlinien und Normen
Die EMV-Richtlinie
S
eit der Einführung der EMV-Richtlinie 89/336/CEE haben Hersteller
elektrischer und elektronischer Geräte und Anlagen die elektromagnetische Verträglichkeit ihrer Produkte im Rahmen der CE-Kennzeichnung
nachzuweisen. Die europäische EMV-Richtlinie ist als EMV-Gesetz in
Deutschland verbindlich und verfolgt die Zielsetzung
1.
sicherzustellen, dass die von elektrischen und elektronischen Geräten
erzeugten elektromagnetischen Störungen das korrekte Funktionieren
anderer Geräte nicht beeinträchtigen:
Störaussendung
Energieversorgung, Busse,
E/A-Leitungen etc.
2.
und sicherzustellen, dass Geräte eine angemessene eigene Störfestigkeit
gegenüber elektromagnetischen Störungen aufweisen, damit sie
bestimmungsgemäß betrieben werden können:
Störfestigkeit
Energieversorgung, Busse,
E/A-Leitungen etc.
4
Der von der europäischen Kommission herausgegebene ‚Leitfaden zur Anwendung der EMV-Richtlinie’ beschreibt präzise den Umfang der Anweisungen,
Prozeduren zur Evaluation der Übereinstimmung und Kennzeichnung von
Maschinen, Anlagen, reparierten Geräten und Ersatzteilen. Auch wenn dieser
offizielle Leitfaden keine Rechtsgültigkeit besitzt, wird die Kenntnisnahme des
Dokumentes sehr empfohlen.
Zur Erlangung eines Konformitätsnachweises sind zwei Vorgehensweisen
möglich:
1. Eigenzertifizierung (-bewertung)
Der Hersteller kann in Eigenverantwortung Tests durchführen oder ein
EMV-Labor damit beauftragen. Die anzuwendenden Testverfahren sind
der jeweiligen harmonisierten Norm (s. Tabelle unten) zu entnehmen.
Bestandene Tests lassen die Vermutungswirkung einer Übereinstimmung mit der Richtlinie zu und bilden die Grundlage für die
Konformitätserklärung.
2. Prüfung durch eine benannte Stelle (lt. Leitfaden der Kommission)
Die Vorgehensweise ist verpflichtend für alle Produkte, auf die
harmonisierte Normen nicht anwendbar sind (z.B. aufgrund nicht
durchführbarer Untersuchungen in einer Absorbtionskammer). Die
Anwendung dieses Verfahrens ist auch sinnvoll, wenn eine
Produktpalette qualifiziert werden soll. Der Hersteller hat eine
technische Dokumentation zu erstellen, die eine mechanische und
elektrische Beschreibung der Maschine sowie eine vollständige Teileliste
beinhaltet. Dieser Dokumentation können auch Testberichte beigefügt
werden. Die Tests werden anhand dieser Dokumentation und eines vom
Hersteller vorgegebenen Prüfplans über Art und Umfang der
Untersuchungen durchgeführt.
Bei der Anwendung der Normen ist darauf zu achten, dass die Normen des
Einsatzbereiches angewendet werden, in dem die Maschine letztlich betrieben
wird (Industriebereich oder Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereich).
EN 61000-6-4
(Emissionen)
EN 61000-6-2
(Immunität)
EN 55011
(Funkstörungen)
EN 61000-4-2
(ESD)
EN 61000-4-3
(Transienten)
Grundnormen
(B-Normen)
EN 61000-4-4
(HF)
EN 61000-4-6
(HF induziert)
EN 61000-4-8
(Magnetfeld 50Hz)
EN 50370-2
(Immunität)
EN 50370-1
(Emissionen)
5
Produktnormen
(C-Normen)
3
Kapitel
Möglichkeiten der
Umsetzung
Wie ist die EMV-Richtlinie auf Werkzeugmaschinen
anzuwenden?
D
ie für Werkzeugmaschinen festgelegten Anforderungskriterien in
Bezug auf die Elektromagnetische Verträglichkeit sind in der EN
50370 definiert. EMV-Tests stellen ein praktikables Hilfsmittel dar,
mit dem es dem Hersteller ermöglicht wird, die Konformität seiner
Maschine im Rahmen der CE-Kennzeichnung zu validieren. Erfolgreich
bestandene Test lassen die Konformität vermuten, entlassen den Hersteller aber
nicht aus seiner Verantwortung. (Die Tests gelten nur für eine spezifizierte
Ausbaustufe der Maschine. Die Produktion weiterer Maschinen muss identisch
mit der getesteten sein. Mit anderen Worten muss die Abweichung innerhalb der
entscheidenden Forderung der EMV-Richtlinie bleiben: nicht beeinträchtigen
und nicht beeinträchtigt werden). Der Hersteller ist verantwortlich für sein
Produkt und die Übernahme dieser Verantwortung wird formal mit einer
Konformitätserklärung nach der EMV-Richtlinie bescheinigt.
In vielen Fällen kann der Hersteller in Erwägung ziehen, dass die Integration
(Zusammenbau) von elektromechanischen Komponenten, für die bereits
Konformitätsbewertungen existieren, für die Gesamtstruktur eine
Vorabkonformität darstellt. Aus diesem Grunde werden im Anhang zwei Listen
von Komponenten aufgeführt:, in denen anerkannt EMV-verträgliche
Komponenten und EMV-sensitive Komponenten aufgelistet sind.
Anmerkung
Eine Konformität der Maschine führt letztlich zu einem sicheren
und reproduzierbaren Betrieb und kann damit auch die Zahl
‚unerklärlicher Fehler’ reduzieren.
Ebenso kann die Rücklaufquote nach dem Verkauf (After Sales)
zwecks Nachbesserungsmaßnahmen minimiert werden.
6
Die Produktnorm EN 50370 stellt eine pragmatische Vorgehensweise dar, wie
die Anforderungen der Richtlinie bei Werkzeugmaschinen umgesetzt werden
können. Es werden je drei Testmethoden (-prozeduren) und Schärfegrade
(Kriterien) definiert, die den Betriebsbedingungen von Werkzeugmaschinen
angepasst sind. Die Schärfegrade unterscheiden sich in ihrer Toleranz bei
möglichen Abweichungen von den Vorgaben während der Prüfung (keine
Auswirkungen der Störbeaufschlagung bis hin zu bleibenden, aber reversiblen
Auswirkungen). Auf die drei unterschiedlichen Prozeduren A, B und C wird im
folgenden eingegangen:
3.1 Drei Prüfprozeduren zur Auswahl
Dem Hersteller stehen drei Möglichkeiten zur Wahl, die Konformität seiner
Produkte nachzuweisen:
A: Test der gesamten Maschine
B: Test aller elektrischer und elektronischer Komponenten der Maschine
C: Test der einzelnen Module / Unterbaugruppen
A
Test der gesamten Maschine
Ganzheitliche Tests werden für kleine Maschinen empfohlen. Die
Definition einer kleinen Maschine wird davon abhängig gemacht, ob sie in eine
bei EMV-Tests einzusetzende Absorbtionskammer einzubringen und zu
betreiben ist. Mögliche Kriterien sind:
- Querschnittsfläche 1x2m (resp. Türöffnung)
- vom Drehtisch vorgegebene Größe und Gewicht: 1,5m Durchmesser,
1000kg
- elektrische Energieversorgung: Dreiphasen-Wechselstrom 3x400V, 32 A
- erforderlich Betriebsmittel (Flüssigkeiten, Kompressorluft)
- Geräte zur Überwachung der Maschineneigenschaften
- Fernsteuerbarkeit (Bediener darf sich während der Tests nicht in der
Kammer aufhalten).
Diese Kenngrößen können in den verschiedenen Labors variieren. Selbst bei
einer großen Kapazität ist es aufwändig, Tests mit einer mittelgroßen
Werkzeugmaschine durchzuführen. Das ist durch praktische Gründe bedingt,
wie:
- Transportkosten und -schwierigkeiten
- Rüstzeiten in der Absorberkammer
- Bereitstellung einer Bedienperson
- Nutzungskosten der Absorberkammer
7
B
Test aller elektrischen und elektronischen Komponenten
Dieser Test eignet sich für modular konstruierte Werkzeugmaschinen. Er ist nicht geeignet für konventionelle Konfigurationen (große
Schaltschränke mit Steuerungskomponenten wie numerische Steuerungen,
Speicherprogrammierbare Steuerungen, Geschwindigkeits- und Lageregelungen
etc.).
Der aktuelle Trend liegt in der Dezentralisierung der Steuerungen und damit der
Verteilung an oder zwischen verschiedene Teile der Maschine. Für die
Kommunikation der Steuerungskomponenten untereinander dienen Feldbusse.
Es ist vergleichsweise einfach, die unterschiedlichen Funktionsblöcke/Module,
die ggf. mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sind, auf einem Tisch zu
betreiben, wie es bei EMV-Prüfungen üblich ist.
Diese Testmethode ermöglicht es, eine gegebene Konfiguration oder
Anordnung sehr realitätsnah zu untersuchen, wobei zu beachten ist, dass das
Betriebsprogramm (Software), die Anordnung der Sensoren, Aktoren, Kabel
und deren Längen vom endgültigen Design der Maschine nicht stark abweichen
dürfen.
Der Test aller elektrischen und elektronischen Komponenten auf dem Prüftisch
kann u. U. härteren Umgebungsbedingungen entsprechen, weil die
Komponenten direkt den Störungen ausgesetzt sind. Die zusätzlich dämpfenden
mechanischen Komponenten der Maschine fehlen.
Eine visuelle Kontrolle wird als Option bei einer vollständigen Maschine
empfohlen. Dieses Vorgehen ermöglicht eine direkte Prüfung der ausgeführten
Konstruktionsanforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit insbesondere der Punkte:
- Ausführung der Erdung
- Kontaktierung des Schirms bei Kabeln und Steckverbindern
- Integration von EMV-Filterkomponenten
- Trennung der Kabel in Abhängigkeit von den jeweils geführten Signalen
- Einhaltung von Mindestabständen zwischen Kabelgruppen
- Korrekter Einsatz von Erdungsflächen
- unlackierte Bereiche (Kontakt und Korrosion)
- Oberflächenkontakt
- Korrosion von Kontakten (Risiko)
8
C
Test von Unterbaugruppen / Modulen
Dieses Vorgehen bietet sich an bei Werkzeugmaschinen, deren
Baugruppen bereits weitgehend EMV-konform sind. Auch bei
Baugruppen, für die eine EMV-Untersuchung nicht erforderlich ist,
sollten zumindest Tests wie in Kap. 3.4 beschrieben durchgeführt werden.
Der Werkzeugmaschinenhersteller soll, wann immer möglich, die EMVKonstruktionsanweisungen des Baugruppenherstellers berücksichtigen.
Besondere Aufmerksamkeit gilt diesen Modulen, wenn die Anweisungen nicht
vollständig berücksichtigt/umgesetzt werden können.
Dieses Vorgehen besteht aus mehreren Schritten: Tests der Module, visuelle
Untersuchung und ergänzende Tests mit der vollständigen Maschine.
Bei der Unterteilung der Maschine in Module (Modularisierung) sollen folgende
Kriterien berücksichtigt werden:
- ist das Modul bezüglich EMV relevant oder nicht?
- Möglichkeiten zur Ausführung der elektrischen Verbindungen.
- Störende Beeinflussung durch nicht zur Maschine gehörende Teile.
- Berücksichtigung der EMV-Konstruktions/Zusammenbau Anweisungen.
Abschließend soll eine visuelle Untersuchung der vollständigen Werkzeugmaschine erfolgen.
3.2 Aspekte zur Auswahl der Prüfprozedur
Validierung einer Produktreihe
Die Norm EN 50370 kann auch zur Validierung einer Produktreihe
herangezogen werden. Diese Möglichkeit ist den innerhalb des
Kommissionsleitfadens benannten Stellen vorbehalten. Die Norm stellt die
erforderlichen Informationen bereit, wie eine aus EMV-Sicht möglichst
komplexe und damit repräsentative Maschinenkonfiguration innerhalb einer
Produktfamilie zu finden ist.
Vorbereitende Analyse / Erstellung eines Prüfplans
Der Maschinenhersteller kann eine der drei oben beschriebenen Prüfprozeduren
(A, B oder C) wählen. Die Auswahl ist abhängig von:
9
- der Größe der Werkzeugmaschine,
- den Eigenschaften der Baugruppen, die als Zulieferungen erfolgen,
- den EMV-Prüfmöglichkeiten im eigenen Hause,
- Erschwernisse bei der Prüfungsdurchführung,
- Verfügbarkeit spezieller Prüf- und Messmittel,
- Anzahl der Serienproduktionen,
- Investitionen und Aufwendungen für Prüfungsdurchführungen und
- Verfügbarkeit und Lage eines geeigneten EMV-Labors mit
Absorbtionskammer.
Die Größe des Prüflings
Bei kleinen Prüflingen bietet sich ein vollständiger Test an (Abmessungen kleiner
als 1x1x1,9m und Gewicht unter 1000kg). Je größer der Prüfling ist, umso eher
eignet sich der Komponententest.
Art und Umfang von Unteraufträgen
Der Werkzeugmaschinenhersteller bezieht Armaturen, Steuerungen und
teilweise oder vollständig verdrahtete Schaltschränke und Steuerungsgehäuse
von Unterlieferanten.
Der Hersteller kann die EMV-Abnahmen durch den Unterlieferanten
durchführen lassen. Die erforderlichen Normen und damit Prüfprozeduren sind
genau zu spezifizieren.
Bei Anlagen mit dezentraler Steuerung bietet sich das Vorgehen nach
Prozedur B an (Test der elektrischen Komponenten).
Interne EMV-Prüfmöglichkeiten (beim Hersteller)
Der Hersteller wird der Prozedur C den Vorzug geben, wenn er über
qualifiziertes Personal, ausreichende spezielle Messgeräte und Erfahrungen in
der Anwendung von EMV-Tests in seinem Unternehmen verfügt.
Technische Schwierigkeiten
- Prüfbarkeit der Maschine (aufgrund ihrer Größe)
- Überwachungsmöglichkeiten während der Prüfungsdurchführung
- Verfügbarkeit eines Prüfprogrammes
- Risiko des Bruches/der Zerstörung von Ausrüstung und/oder
Maschinenteilen
- Risiko der Beeinflussung der Maschine durch externe Störquellen
- latente Mängel in Komponenten der Maschine
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Erforderliche Mess- und Prüfmittel
- Ausrüstung für geometrische Messungen, Maß- und Formabweichungen
- Erfassung und Überwachung der Steuerungseinheit(en)
- (visuelle) Beobachtung per Kamera/Monitor
- Speicheroszilloskop, Multimeter, Frequenzgenerator und Prüfpistole
Anwendung der Norm bei großen Werkzeugmaschinen
Der Hersteller kann die Vorgehensweise frei wählen, wobei die Auswahl von
mehreren Faktoren abhängt:
- gibt es harmonisierte Normen, die für das Produkt anwendbar sind?
- ist Erfahrung in der EMV-Messtechnik und Prüfungsdurchführung
vorhandenen?
- ist der finanzielle und zeitliche Aufwand zumutbar?
- handelt es sich um Maschinen, die nicht den konventionellen EMV-Tests
unterzogen werden können (z. B. aufgrund ihrer Größe oder erforderlichen
Betriebsmittelversorgung)?
- handelt es sich um ortsfeste Anlagen im Sinne der EMV-Richtlinie?
- ist der Hersteller Systemintegrator und die Zulieferteile sind bereits
zertifiziert?
Daraus lässt sich folgendes ableiten:
!
Die EMV-Richtlinie spricht darin benannten Stellen die Erlaubnis zu,
die Konformität bescheinigen zu dürfen. Diese Bewertung basiert dann auf einer
Analyse der Maschinenkomponenten anhand der technischen Dokumentation.
!
Im Leitfaden der Kommission zur EMV-Richtlinie wird noch ein
anderer Weg vorgeschlagen: Die Maschine kann als EMV-konform
angenommen werden, wenn die folgenden Umstände zutreffen:
- alle Bestandteile der Maschine sind bereits EMV-konform und tragen CEZeichen
- diese Baugruppen sind konsequent nach den Angaben des jeweiligen
Herstellers zusammengebaut.
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!
Der Hersteller kann eine Eigenbewertung durchführen, d.h. eine CEKonformitätserklärung für sein Produkt ausstellen und alle technischen
Dokumente (Konformitätserklärungen von Zulieferteilen, Testberichte,
Bedienungsanleitung etc.) sind für min. 10 Jahre nach den Verkauf der letzten
Maschine aufzubewahren.
!
Obwohl dieses Vorgehen für große und ortsfeste Anlagen das
sinnvollste ist,. ist es aus technischer Sicht nicht immer ideal. Besondere
Aufmerksamkeit ist z.B. dann geboten, wenn das EMV-Personal nicht im
Umgang und Umsetzung der Normen geübt ist (Mess- oder Durchführungsfehler) oder gar Zulieferteile nicht EMV-konform, d.h. mit CEKennzeichnung ausgestattet sind.
Anmerkung
Falls sich der Hersteller nicht strikt an die o.g. Vorgehensweisen
hält, ist es erforderlich, die Konformität mittels EMV-Tests zu
validieren, ggf. mit Unterstützung durch eine im KommissionsLeitfaden benannten Stelle (z.B. akkreditiertes EMV-Labor).
Was ist bezüglich Zulieferteilen zu beachten?
Die meisten Anbieter von industriellen elektronischen Komponenten versuchen
CE-konforme Produkte nur für eine bestimmte Konfiguration/Anwendung
anzubieten, ohne dabei direkt EMV-Untersuchungen einfließen zu
lassen/durchgeführt zu haben.
Der Leitfaden zur EMV-Richtlinie schreibt vor, dass Elektronikhersteller alle
Maßnahmen zu treffen haben (insbesondere die Bereitstellung von
Informationen) , um den Einbau ihrer Produkte sachgerecht zu ermöglichen
und dabei die Anforderungen der EMV-Richtlinie zu erfüllen. Diese
Informationen dürfen nicht nur von Fachleuten/Spezialisten verstanden und
umgesetzt werden können.
In dem Leitfaden zur EMV-Richtlinie sind Komponenten in unterschiedliche
Kategorien eingeteilt:
Elektromagnetisch passive Bauteile:
Dies sind z.B. Sicherungen, Trennschalter, Transformatoren, Kondensatoren,
Asynchronmotoren etc. Diese Bauteile müssen nicht auf Konformität mit der
EMV-Richtlinie überprüft/gekennzeichnet werden.
werden von der EMVRichtlinie nicht berücksichtigt und müssen daher auch nicht als konform erklärt
Komponenten, die keine direkte Funktion ausüben
12
werden. Beispiele für Komponenten ohne direkte Funktion sind Kabel,
Integrierte Schaltungen, Transistoren Relais, LC-Displays, mechanische
Thermostate, Kathodenstrahlröhren etc.
Komponenten mit direkter Funktion werden in zwei Gruppen unterteilt:
• Komponenten, die ausschließlich durch Systemintegratoren weiterverarbeitet
werden und auf dem freien Markt nicht verfügbar sind (Lageregler,
Servoverstärker, Monitore, Steuerungskomponenten)
- müssen keine CE-Kennzeichnung nach EMV-Richtlinie tragen
- müssen so dokumentiert sein, dass die Einhaltung der Richtlinie einfach
möglich ist.
- dürfen nur durch geschultes EMV-Fachpersonal montiert und in Betrieb
genommen werden
• Auf dem freien Markt verfügbare Komponenten (z.B. PC-Erweiterungskarten,
Laufwerke etc.)
- müssen eine CE-Kennzeichnung tragen (nicht zwingend EMV-Richtlinie!)
- sind so zu dokumentieren, dass eine einfache Integration auch durch NichtFachleute möglich ist, und die Einhaltung der Richtlinie nicht gefährdet wird.
Im Hinblick auf eine möglichst reibungslose CE-Kennzeichnung wird
empfohlen, die folgenden, eigentlich selbstverständlichen Aspekte, unbedingt
einzuhalten:
- kritisches Überprüfen der CE-Konformitätserklärung von Zulieferteilen,
insbesondere der durchgeführten Prüfungen (nach welcher Richtlinie?).
- Genaues Studium der Dokumentationen
- unbedingtes Einhalten der Herstellerhinweise
- fachgerechte Verdrahtung der Anlagenkomponenten
Sicherheitsaspekte (bei der EMV-Richtlinie)
Der Maschinenhersteller muss alle für sein Produkt geltenden Richtlinien
einhalten. Sicherheitsaspekte, die durch elektromagnetische Beeinflussungen
verursacht werden sind im Rahmen der Bewertung für die EGMaschinenrichtlinie (98/37/EG) zu behandeln. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass
- die Maschine den Bediener nicht durch starke Strahlung gefährden darf und
dass
- die Maschine in gestörter Umgebung arbeiten können muss, ohne selbst
Gefahren zu erzeugen.
13
Kapitel 15.2 im Kommissions-Leitfaden zur EMV-Richtlinie zeigt eine Beschreibung , wie hierbei vorzugehen ist. Zur Beurteilung der bei Störungen von der
Maschine ausgehenden Gefahr, ist der Hersteller angehalten, eine
Gefahrenanalyse (Risikoanalyse) zu erstellen. Anhand des Ergebnisses dieser
Analyse lassen sich dann die am besten geeigneten Lösungen bestimmen.
3.3 Untersuchungsergebnisse
Praktische Erfahrungen mit EMV-Tests an Werkzeugmaschinen und deren
Komponenten, die vom Testlabor CETIM, Senlis durchgeführt wurden, zeigen
folgende Fehlfunktionen mit unterschiedlicher Ausprägung. Es sind hier einige
Beispiele aufgeführt, die sich als typisch und häufig wiederkehrend herausgestellt
haben:
Die Untersuchungen bezüglich der Immunität ergaben bei
- EN61000-4-4: mäßige Störfestigkeit bei schnellen Transienten
- EN61000-4-3 und -6: Gutes und sehr gutes Störfestigkeitsverhalten
- Funk und 900 MHz GSM: unterschiedliche Auswirkungen mit
Fehlfunktionen, da Feldstärken von über 50 V/m in der Nähe von Funksendern problemlos erreicht werden können und derart hohe Frequenzen
durch unzureichende Schirmung und ‚HF-Löcher’ hindurchdringen. (Die
Qualität der Abschirmung einer Anlage lässt sich mit diesem Test vergleichsweise einfach transparent machen).
Die beobachteten Fehlfunktionen basierten dabei häufig auf der störenden
Beeinflussung von internen Messgeräten und -größen sowie digitalen Signalen.
Die Auswirkungen erstrecken sich vom Verlust der Positionsinformation im
Encoder über den Zusammenbruch der Buskommunikation bis hin zur
Reinitialisierung der Steuerung. Einige der Fehler sind zwar selten, aber einfach
zu identifizieren, wenn sie von der Maschinensteuerung protokolliert werden.
von starken Störquellen wie Achsverstärkern werden bereits durch
Standard-Schutzmaßnahmen reduziert. Es wurde festgestellt, dass:
Emissionen
- ein Hauptfilter (nach Empfehlung des Herstellers) am
Achsverstärkereingang die leitungsgeführten Emissionen auf Werte unterhalb
der Grenzen nach EN55011 (Industrie) reduziert, und dass
- die standardmäßige Abschirmung der Motorkabel zu einer innerhalb der
Grenzwerte liegenden Störaussendung führt.
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Vereinzelt kann sogar auf den Einsatz geschirmter Kabel verzichtet werden,
wenn im Bereich von Kabelüberschneidungen eine Abschirmung mittels
metallischer Strukturen oder Blechen erfolgt. Wichtig ist besonders die
konsequente Aufrechterhaltung eines guten Potentialausgleiches zwischen den
großen metallischen Strukturelementen der Werkzeugmaschine.
Aufgrund dieser Erkenntnisse lassen sich für die verbesserte Ausführung von
EMV-Schutzmaßnahmen die folgenden allgemeinen Empfehlungen ableiten:
(über 10m) sind empfindlich gegenüber schnellen Transienten
(Bursts) und sollten daher sachgerecht geschirmt sein. Beim typischen Einsatz
als Verbindungskabel zum Bedienterminal sind in der Kabelführung
verschiedene Kabel unterschiedlicher Signalarten zusammengefasst, die sich in
ungeschirmter Ausführung beeinflussen können.
Lange Kabel
Allgemein kann gesagt werden, dass Kabel mit starken Störungen fern von
anderen Leitungen verlegt werden sollten.
die mittels der standardisierten Schnittstellen 4-20 mA
oder 0-10 V übertragen werden, sind tendenziell störempfindlich, wobei das 010 V Signal wesentlich kritischer ist. Es ist ein Trend dahingehend zu erkennen,
dass für diesen Zweck zunehmend digitale Signalübertragungsstrecken eingesetzt
werden.
Analoge Messsignale,
Metallische Sensorgehäuse bieten erfahrungsgemäß eine höhere Störfestigkeit als
Kunststoffgehäuse, zumal im Falle der geschirmten Ausführung und bei
Kürzung des Kabels auf die minimal erforderliche Länge.
(Clock-Generatoren) als Bausteine elektronischer
Schaltungen können sehr hohe Spektralanteile emittieren. Neben der
Grundfrequenz (> 50MHz) existieren viele Oberwellen im Spektrum, die bis an
den GHz-Bereich ausgeprägt sind. Bei dadurch begründeten EMV-Problemen
ist in ungünstigen Fällen ein Redesign der Leiterplatte die einzige Möglichkeit,
die Emissionen nachhaltig zu reduzieren (Leiterbahnabstände, Einbringen von
Dämpfungselementen wie Kapazitäten und Induktivitäten, etc.).
Elektronische Taktgeber
Auch onboard software (firmware) bei prozessorgesteuerten Baugruppen kann
zur elektromagnetischen Verträglichkeit beitragen. Mit vergleichsweise geringem
(einmaligen) Aufwand können hier unter Umständen! Verbesserungen erzielt
werden, indem z. B. Ausgangssignale mit digitalen Filtern an die Dynamik des
Prozesses angepasst werden (Reduktion der Flankensteilheit des
Ausgangssignales z.B. durch Mittelwertbildung), Messwerte auf Konsistenz
überprüft werden und eine Fehlerbehandlung unsinnige Werte unterdrückt
sowie der Einsatz von watch-dog Funktionen zum Abfangen eventueller
Systemfehler. Diese Maßnahmen sind jedoch kein Ersatz für hardwaremäßige
Maßnahmen zur Verbesserung der EMV.
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3.4 Testempfehlungen
Die im Folgenden beschriebenen Tests sind vergleichsweise preiswert und
schnell vom Werkzeugmaschinenhersteller selbst durchführbar. Damit
bekommt er in kurzer Zeit einen praxisnahen Eindruck über die Qualität und
Robustheit seines Produktes in Sinne der elektromagnetischen Verträglichkeit.
Alle Tests sind vergleichsweise einfach durchzuführen und stellen eine
realitätsnahe Störbelastung dar. Darüber hinaus schafft das erfolgreiche Bestehen
dieser Test eine fundierte Ausgangssituation zum Bestehen der weiteren für die
CE-Kennzeichnung erforderlichen Immunitäts- und Emissionsprüfungen.
Nach EN 61000-4-4 erfolgt eine Störbeaufschlagung des Prüflings mit schnellen
Transienten (Bursts). Die Ausführung dieses Tests ist relativ einfach und
erfolgt an den Kabeln der Stromversorgung und an allen langen Kabeln über
10 m. Mit diesem Test kann eine Vielzahl von Effekten und Fehlfunktionen
beobachtet werden, die nicht zwingend problematisch sein müssen: Nach Norm
darf das zu testende Gerät durchaus gestört werden, muss aber nach Beendigung
der Störbeaufschlagung wieder einwandfrei und im gleichen Testmode
funktionieren.
sind an allen Stromversorgungskabeln und an allen vorhandenen Eingängen einzubringen. Dieser Test ist
besonders für analoge Eingänge eine anspruchsvolle Prüfung, da es i.a. zu
Signalverzerrzungen kommen wird. Dieser Test ist auch gut vergleichbar zu
einer Immunitätsmessung in der Absorberkammer, deren Nutzung mit
entsprechenden Kosten verbunden wäre.
Leitungsgebundene Hochfrequenzstörungen
in der Versorgungsspannung sind in EN 61000-4-11 als
Testprozedur beschrieben. Mit diesem Test kann sichergestellt werden, dass eine
Maschine im Betrieb an schlechter Netzversorgung nicht gestört oder gar
beschädigt wird.
Spannungseinbrüche
(ESD) nach EN 61000-4-2 sind ebenfalls
einfach durchzuführen. Mit einer Prüfpistole wird hierbei ein kurzer,
niedrigenergetischer Hochspannungsimpuls auf die festgelegten Oberflächen der
Maschine oder Bedieneinheit gegeben. Dieser Test wird mit hoher
Wahrscheinlichkeit ohne Fehlfunktionen bestanden werden können.
Elektrostatische Entladungen
Empfindlichkeit gegen HF-Strahlung
Praxisnah und ohne besondere Ausrüstung durchführbar ist auch die folgende
Überprüfung der Störfestigkeit, bei dem die Steuerungskomponenten der
Maschine mit einem mobilen Funksender (Sprechfunk, Handy) in unmittelbarer
Nähe (< 50 cm) gestört werden. Mit einer Durchführung dieser Prozedur in
allen drei Frequenzbändern (433, 900 und 1800 MHz) deckt man auch den
größten Teil der international verwendeten Kommunikationsfrequenzen ab.
Eine Definition der Schnittstellen einer Maschine findet sich im Anhang der
EN 50370-2.
16
4
Kapitel
Installationstechnik praktische Hinweise
Eine einwandfreie Ausführung von Montage und Verkabelung
der Komponenten sind zwingende Voraussetzungen für eine gute
elektromagnetische Verträglichkeit des Gesamtsystems.
Z
iele einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit einer Anlage sind
eine hohe Störfestigkeit gegen von außen einwirkende
elektromagnetische Felder und leitungsgebundene Störungen sowie
eine begrenzte Störaussendung zur Wahrung der ungestörten Funktion
anderer Verbraucher.
Beide Effekte lassen sich entscheidend mit der Ausführung der Verkabelung und
mit der Abschirmung von elektrischen und elektronischen Baugruppen
beeinflussen. Von zentraler Bedeutung ist dabei neben der räumlichen
Leitungsführung die Schaffung und Nutzung eines wirksamen und zugänglichen
Null-Potentials als EMV-Erdung (Bezugspotential, Masse).
Der bei hochfrequenten Strömen auftretende Skin-Effekt stellt dabei andere Anforderungen an die geometrische Ausführung des Leiters und dessen Kontaktierung als die im niederfrequenten Bereich wirksame Schutzerdung mittels
grün-gelber Einzelader, die ausschließlich der Sicherheit des Bedienpersonals
gegen elektrischen Schlag dient. Die erforderliche Schutzerdung einer Maschine
und derer Komponenten ist daher nicht zur Ableitung hochfrequenter
Störungen geeignet. Beide Systeme stellen jedoch prinzipiell eine Erdung dar.
Weil die praktische Ausführung der Verkabelung entscheidend für die elektromagnetische Verträglichkeit der Komponenten untereinander und damit der
gesamten Maschine ist, wird hierauf im folgenden ausführlich eingegangen.
Anmerkung:
Sicherheitsanforderungen wie Schutzerdung sind unverzichtbar;
die Schirmung aus Gründen der elektromagnetischen
Verträglichkeit erfolgt unabhängig davon. Die Schutzerdung und
EMV-Maßnahmen sind strikt zu trennende Themen!
17
4.1 Allgemeine Wirkungsmechanismen
B
ei Kabeln, die in der Nähe nicht abgeschirmter oder ungefilterter Kabel
(Motorzuleitungen, Energieversorgung etc.) verlegt sind, muss mit einer
elektromagnetischen Beeinflussung gerechnet werden.
Frequenzumrichter
Motor
Netzanschlusskabel
Motorkabel
Kabel im Einflussbereich
Sollwertsignal
A
us elektrotechnischer Sicht bedeutet die Eliminierung einer Störung das
direkte Ableiten des Störstromes über einen niederohmigen Pfad zum
Nullpotential.
Abschirmung
Blech,
Bezugspotential
Störstrom
18
4.2 Ausführung der EMV-Erdung
Im Gegensatz zur sicherheitsrelevanten Schutzerdung soll eine Erdung aus Sicht
der elektromagnetischen Verträglichkeit besonders bei hohen Frequenzen eine
geringe Impedanz haben. Dieses Ziel kann mit einer Einzelader nicht erreicht
werden; hierzu ist eine flächige Ausdehnung des Leiters erforderlich.
Idealerweise sollte die leitende Verbindung zweier Kontaktstellen ein Verhältnis
von Länge zu Breite von ca. 5 nicht überschreiten. Sehr lange Metalllitzen oder
Massebänder sind daher aus HF-technischer Sicht zu vermeiden.
L ~ 12nH/cm
Z ~ 10 Ohm (bei 10 MHz)
!
schlecht:
Eine Einzelader hat aus HF-technischer Sicht eine zu hohe
Impedanz.
L > 10cm
l
B > 1cm
L ~ 1nH
Z = 1 Ohm (bei 10MHz)
"
besser:
Die Erdung muss mittels flacher und im Verhältnis breiter statt
langer Kabel erfolgen (Verhältnis Länge/Breite ca. 5 oder weniger),
die vorzugsweise noch geschirmt sind (aufgrund des Skineffektes
reduziert die Schirmung bei höheren Frequenzen die Impedanz).
19
4.3 Kabelarten und Verdrahtungshinweise
D
ie beim Betrieb einer Anlage oder Maschine auftretenden (Wechsel-)
Ströme führen zur Entstehung elektromagnetischer Felder
unterschiedlicher Frequenzen, die zu mehr oder weniger starken
Kopplungen (Übersprechen) zwischen den Kabeln und Leitungen
führen können. Felder und Ströme treten hierbei in Wechselwirkung
(Kreuzkopplung). Als Koppelglieder fungieren dabei die über die Länge der
Kabel verteilten Kapazitäten und Induktivitäten. Der Störstrom überlagert sich
dem Nutzsignal und verfälscht dessen Informationsgehalt; ggf. werden sogar die
angeschlossenen elektronischen Komponenten zerstört.
Zur Reduzierung der Kopplung stehen unterschiedliche Maßnahmen zur
Verfügung, die am wirkungsvollsten in ihrer Kombination angewendet werden.
Bereits das Nichtbeachten einer dieser Maßnahmen kann zu einer erheblichen
Qualitätseinbuße der elektromagnetischen Verträglichkeit führen.
Aufgrund der Vielfalt der zu übertragenden Signalformen und -stärken im
Werkzeugmaschinenbau werden unterschiedliche Typen von Kabeln eingesetzt.
Je nach Art des zu übertragenden Signals (oder Energie) muss eine geeignete
Kabelbauform gewählt werden. Signale mit kleinem Nutzpegel müssen aufgrund
ihrer geringen Störfestigkeit geschützt werden (z.B. durch Schirmung oder
paarweise Verdrillung), während bei leistungsführenden Kabeln eher die
Begrenzung der Störaussendung eine Rolle spielt. Bei der Auswahl geeigneter
Kabel sind evtl. vorliegende Hinweise der Komponentenhersteller zu beachten.
Zum Einsatz kommen im allgemeinen:
oder ungeschirmte Kabel bieten keinen Schutz bezüglich
elektromagnetischer Felder. Sie sind aus elektromagnetischer Sicht kritisch zu
betrachten und werden daher ausschließlich für niederfrequente und
Gleichspannungssignale eingesetzt.
Einzeladern
Paarweise verdrillte Leitungen werden zur Übertragung symmetrischer Signale
eingesetzt. Im Einzelfall können diese zusätzlich geschirmt sein, wobei
Schirmungen aus Aluminiumfolie statt Geflecht nicht empfehlenswert sind, weil
erfahrungsgemäß kaum eine zuverlässige Kontaktierung des Schirms erfolgen
kann. Durch die paarweise Verdrillung der zusammengehörigen Leiter (bis zu 50
Drehungen/Meter) wird das Übersprechen zwischen den Adern und damit der
HF-Pegel aufgrund der relativen geometrischen Lage der Adern (nicht parallel)
reduziert. Bei entsprechenden Transmitterbausteinen kann die erzielbare
Kabellänge je nach Frequenz einige hundert Meter betragen.
sind vergleichsweise einfach zu konfektionieren, wenn viele
Adern/Signale über ein Kabel transportiert werden sollen. Da die Störfestigkeit
vergleichsweise schlecht ist, sollten die Kabel nicht länger als ca. 50 cm (je nach
Frequenzbereich) sein. Für längere Distanzen empfehlen sich folgende
Maßnahmen:
Flachbandkabel
20
- abwechselnde Belegung mit Signalpegel und Bezugspotential
- flache, berührende Verlegung des Kabels auf metallischen Flächen
- Verwendung einer zusätzlichen externen Schirmung
geschirmte Kabel mit mehreren Adern, auch mehrfache Schirmung ist möglich.
Letztere werden bei besonders störempfindlichen Signalen eingesetzt.
bieten bei korrekter Anwendung einen erheblich besseren Schutz
gegen HF-Störungen. Durch die zentrale Lage der Seele/Innenleiters bezüglich
des umschließenden Schirmleiters (i.a. Kupfergeflecht) ist der innere Bereich des
Kabel nahezu frei von Störfeldern. Durch die Verwendung mehrerer und
unterschiedlicher koaxialer Schirmungen (z.B. Kupfergeflecht und
ferromagnetisches Matrial) kann der Abschirmeffekt in beiden Richtungen noch
verbessert werden. Die HF- Qualität eines Koaxialkabels wird durch die
Transferimpedanz beschrieben, die das Verhältnis zwischen äußerem Störstrom
(Schirmung) und innerer induzierter Spannung (Innenleiter) beschreibt. Kabel
mit einer guten Abschirmwirkung haben demnach eine kleine Impedanz.
Koaxialkabel
(Lichtwellenleiter) sind aus elektromagnetischer Sicht
störunempfindlich und stellen daher ein ideales Übertragungsmedium in stark
störbelasteten Umgebungen dar.
optische Datenkabel
Für die unterschiedlichen Einsatzzwecke und Arten der Kabel gilt:
Funktion/Signal
Netzversorgung
Kabeltyp
ungeschirmt
Motoranschluss
(ohne Umrichter)
Motoranschluss
(mit Umrichter)
Sensoren
ungeschirmt
Feldbusse o.ä.
geschirmt
koaxial,
twisted-pair
(geschirmt),
ggf. mehrfach
Bemerkungen
Bei
besonderen
Anforderungen
können Filter oder Ferritkerne (Ringe)
eingesetzt werden.
Ohne Frequenzumrichter betriebene
Motoren produzieren kaum Störungen.
Starke Störaussendung; die Schirmung
muss beidseitig geerdet sein.
Bei langen Kabeln kann einseitige
Schirmerdung besser sein.
Unter Umständen kann doppelte
Schirmung nötig sein, wobei der äußere
Schirm Bezugspotential hat, der innere
auf Null-Volt der Sensorelektronik
liegt.
Diese Kabel müssen besonders
sorgfältig installiert werden (häufige
Schwachstelle).
twisted-pair
(geschirmt)
(auch
Lichtwellenleiter)
Datenverbindungen Flachband
Kabel sollten kurz gehalten und dicht
an Masseblechen verlegt werden.
Geschirmte Versionen sind schwer zu
konfektionieren
schaltend
ungeschirmt
ggf. Einsatz von Filtern (Tiefpass)
(Relais, Schütze)
21
Über die praktische Ausführung der Kabelverbindungen und worauf bei der
Installation zu achten ist, wird im folgenden ausführlich eingegangen.
Für die Übertragung jedes Signals sollen zwei möglicht dicht beieinanderliegende
Adern verwendet werden. In Abhängigkeit von Signalpegel und -frequenz
sollten diese geschirmt sein oder mit einigen Drehungen pro Meter verdrillt sein.
Eine Schirmung soll grundsätzlich keinen Strom führen und soll daher auch
nicht als Signalrückführung genutzt werden. Alle Kabel müssen über ihre ganze
Länge möglichst dicht entlang der Massebleche geführt werden, insbesondere
bei längeren zu überbrückenden Distanzen.
FALSCH:
RICHTIG:
- Erzeugung einer
Schleife
- Trennung von
Ausgangs- und
Rückführkabel
- kein Kontakt mit
M etall
- keine Verdrillung
M asse
symbolische Ausführungen der Verbindung zweier Komponenten
Je Signal sollen beide Adern so dicht wie
möglich am Blech geführt werden
mit Schaltschrank
verbunden (guter
Oberflächenkontakt)
kurzes und breites
Geflechtband oder
Blechstreifen
Gerät 1
Gerät 2
Schutzleiter
(Einzelader)
Montageplatte (Bezugspotential)
kurzes und breites
Geflechtband oder
Blechstreifen
22
Hinweise zur Kabelinstallation:
• Mit Störungen beaufschlagte Kabel dürfen störungsfreie nicht
beeinflussen können. Zu trennen sind z.B.:
- gefilterte von ungefilterten Signalen
- in den Schaltschrank geführte Kabel von internen Leitungen mit
schwachem Signalpegel
sowie generell Komponenten, die Störungen verursachen von
solchen zu trennen sind, die eine hohe Störempfindlichkeit haben.
• Die Kabel sollten nach ihrer Güte resp. Art des geführten Signals
verlegt werden in Gruppierungen von jeweils
- abgeschirmten Kabeln,
- nicht abgeschirmten Kabeln,
- digitalen Signalkabeln und
- analogen Kabeln mit niedrigem Signalpegel.
• Grundsätzlich ist anzustreben, leistungsführende Komponenten
von daten- oder signalführenden Teilen möglichst entfernt zu
installieren (je nach Möglichkeit bis zu 1 m getrennt).
• Bei der Verbindung von Steuerungskomponenten untereinander
sind die Kabel möglicht dicht über eine Massefläche zu führen, um
eine minimal aufgespannte Fläche zwischen Kabeln und Masse zu
erzielen und damit eine Schleifenbildung zu vermeiden (s.
vorheriges Bild).
• Elektronische Baugruppen/Module sollten in möglichst unmittelbarer Umgebung mit flächigen Massepotentialen verbunden
werden; wobei für die leitende Verbindung gilt: B > 1cm,
L < 10cm.
• Zur Kontaktierung der Abschirmung darf keine Einzelader
verwendet werden sondern ein Geflechtband oder Blechstreifen.
• Leitungen mit empfindlichen Signalen werden paarweise verdrillt.
• Unbenutzte Kabel dürfen nicht potentialfrei bleiben (lose
Enden); sie müssen an beiden Enden auf demselben festen NullPotential liegen, damit sie kein Potential aufbauen können.
• Wenn sich Kabel unterschiedlicher Signalarten kreuzen, sollte
dies in einem rechten Winkel erfolgen.
23
4.4 Abschirmungen und Masseverbindungen
Im Normalfall wird die Abschirmung eines Kabel an beiden Enden geerdet
(Nullpotential). Ein gut ausgeführtes Massesystem an der Maschine oder Anlage
wird dabei vorausgesetzt. Die Abschirmung muss durchgängig geschlossen sein
(unterbrechungsfrei) und sehr gut leitend mit dem Massepotential verbunden sein.
Die Effizienz der Abschirmung hängt wesentlich von der Güte dieser
Verbindungen ab.
Bei langen Kabeln sollten zusätzliche Masseverbindungen über die Länge verteilt
eingefügt werden. Hierbei ist zu beachten, dass der Schirm nicht auf
unterschiedliche Massepotentiale gelegt wird. In einem solchen Fall sind zweifach
geschirmte Kabel zu verwenden, wobei der äußere Schirm ohne weiteres mit den
verschiedenen Massepotentialen verbunden werden kann. Kabeldurchführungen
z.B. in Schaltschränke etc. sind mittels metallischer Klemmverschraubungen
durchzuführen, um auch hier die Durchgängigkeit der Schirmung beizubehalten.
Der innere Schirm wird weiter nach innen geführt und an die entsprechende
Baugruppe angeschlossen.
In besonderen Fällen kann es sinnvoll sein, den Schirm nur auf einer Seite mit
Masse zu verbinden. Hierauf wird in Kap. 4.7 näher eingegangen.
Stromversorgung
(ungeschirmt)
Achsverstärker
Antrieb
Motor- und Steuerkabel
sind geschirmt und
beidseitig kontaktiert.
Steuerung
schwaches Signal
bei langem Kabel
Sensor und
Abschirmung
sind fliegend
beispielhafte Anlagenkonfiguration
D
ie uneingeschränkte Durchgängigkeit der Schirmung ist entscheidend für
ihre Wirksamkeit. In der Praxis ist immer wieder zu beobachten, dass
diesem zentralen Aspekt nicht genügend Aufmerksamkeit gewidmet
wird. Ein häufig zu beobachtender Fehler bei der Konfektionierung von
Kabeln ist es, den Schirm wie eine Signalader auf einen Kontakt zu führen. Dieses
Vorgehen macht die Wirksamkeit der gesamten Schirmung zunichte, weil die große
Impedanz des pig-tails bei hohen Frequenzen die Störungen nicht nach Masse
ableitet.
Es ist darauf zu achten, dass die Schirmung immer peripher um die zu schützenden
Adern verläuft und auf der Länge keine Unterbrechungen aufweist.
‘pig tail’
Abschirmung
!
schlecht:
Die Abschirmung ist nicht durchgängig und HF-technisch zu
hochohmig gegen Masse (Einzelader), so dass die Wirksamkeit kaum
gegeben ist.
Störungen werden
zur HF-Masse
abgeleitet:
> 10cm
> 2 cm
> 1 cm
guter Kontakt ist
erforderlich
#
besser:
Die Abschirmung ist zwar auf kurzer Distanz unterbrochen (wenige
cm), aber die HF-Störungen auf der Abschirmung werden niederohmig
nach Masse abgeleitet. Optimal wäre eine Kapselung der Klemmen mit
metallischem Gehäuse, in das die Kabel mittels Kabelverschraubungen eingeführt
werden (s. a. Anhang 1, Bild A.1).
25
Das folgende Bild zeigt eine sehr geeignete und kostengünstige Möglichkeit, die
Kontaktierung der Abschirmung zur Masse auszuführen:
Festes Anziehen sichert einen guten und
dauerhaften elektrischen Kontakt
Abschirmung
metallisch blanke
Oberfläche
Vorteile:
- durchgängige Schirmung
- guter Oberflächenkontakt
- einfache, effiziente Lösung
Diese Vorgehensweise ist weit verbreitet, einfach und effizient. Sie sollte besonders
dann benutzt werden, wenn z.B. der Schaltschrank starke Störquellen beinhaltet.
Beispiel: Das Kabel tritt durch den Boden des Schaltschrankes ein (sauber getrennt
von anderen Kabeln im Schrank), und führt hinauf zu einem Masseblech, das mit
dem Schrankgehäuse verbunden ist. Die Abschirmung der Kabel wird freigelegt
(aber nicht unterbrochen) und mit dem Masseblech fest kontaktiert.
Noch effizienter aber teurer wäre der Einsatz leitender Kabelverschraubungen;
besonders im hohen Frequenzbereich:
Schrank
Schirm
Durchführung
"
optimal:
Mit einer metallischen Kabelverschraubung wird eine umlaufende
geschlossene Fortführung der Abschirmung erzielt. Die Montage muss
in die leitende (metallisch blanke) Wand erfolgen.
26
4.5 Der Einsatz von Filtern
F
ilter dienen der Reduktion von Störungen, die von einem Gerät innerhalb
des 150 kHz - 30 MHz-Bandes emittiert werden. Innerhalb dieses
Frequenzbereichs eliminieren Filter Störsignale im Bereich von
Radiofrequenzen mit einer relativ schwachen Amplitude; konkret wird z. B.
eine 500 mV Störung aus der Netzspannung ausgefiltert.
Filter haben keine Schutzwirkung gegen Störungen wie Überspannung und
Stoßspannung (z.B. Blitzschlag). Daher sind gegen diese Art der Störbeeinflussung
weitere Maßnahmen zu ergreifen (z.B. Installation eines Blitzableiters).
Hochfrequente Störungen werden durch Ferritkerne bedämpft, durch die die
entsprechenden Leitungen (ggf. mehrfach gewickelt) zu führen sind.
Filter sind passive Bauelemente; sie setzen sich i.a. aus Kapazitäten (Kondensatoren)
und Induktivitäten (Spulen) zusammen. Der meist mehrstufige interne Filteraufbau
ist in ein Metallgehäuse integriert, welches neben der eigenen Abschirmung auch
der unterbrechungsfreien Abschirmung der angeschlossenen Kabel dient.
Filter
Masse
Störung
Filter eliminieren sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktstörungen. Zur
Unterdrückung von Gleichtaktstörungen muss der Filter einen HF-technisch
niederohmigen Pfad zur Erde aufweisen. Gegentaktstörungen (auf zwei Leitungen)
werden mittels quergeschalteter Kondensatoren bedämpft.
Filter
zu
schützendes
Gerät
Störung
(150kHz - 30MHz)
"Pig tail"
Verbindung
Induktivität
Die Wirksamkeit von Filtern hängt wesentlich von der Qualität der
Masseverbindung/Erdung ab. Eine Verbindung mittels Einzelader stellt für diese
hochfrequenten Störungen eine zu große Impedanz dar. Hierbei besteht die
Möglichkeit, dass die Störungen dann nicht gegen Erde abgeleitet werden, sondern
durch den Filter hindurch und zum schützenden Gerät geführt werden.
Filter
Übersprechen
von
Störungen
!
negativ:
Die Effizienz des Filters ist durch die Kopplung der beiden nahe
beieinander liegenden Kabel eingeschränkt. Ein Teil der Störungen
überträgt sich auf das bereits gefilterte Signal.
Filter
Risiko einer
Kopplung
!
negativ:
Störungen auf der Eingangsseite des Filters können abgestrahlt werden.
Diese Emissionen übertragen sich wiederum auf andere in der Nähe
befindliche Kabel.
28
unlackierte
Oberfläche
Filter
Kabel sind über
größtmögliche
Länge eng anliegend
"
guter
Kontakt
positiv:
Die angeschlossenen Kabel liegen auf ganzer Länge eng auf dem
Masseblech auf. Darüber hinaus ist eine gute, flächige Kontaktierung
der unlackierten Bodenplatte des Filters mit dem Masseblech wichtig.
Installationshinweise:
• Filter so nahe wie möglich an der Quelle der Störungen platzieren
(z.B. Frequenzumrichter, Kabeleinlässe im Schaltschrank etc.).
• Befestigung der Filter mit guter und flächiger Kontaktierung zur
großflächigen Masse.
Bei einzelnen Adern (besonders Stromversorgungen) können auch Ferritkerne mit
schwächerer Dämpfung verwendet werden:
Ferritringkern
Versorgungskabel
Signalkabel
(beide
Leitungen)
29
4.6 Installation von Achsverstärkern
(Frequenzumrichter)
A
chsverstärker mit Frequenzumrichtern sind in nahezu allen
Werkzeugmaschinen vorhanden und stellen eine erhebliche Störquelle
dar. Ursache dafür sind die hohen und gepulsten Ströme zwischen
Frequenzumrichter und Motor. Die Störfestigkeit (Immunität) ist
vergleichsweise hoch. Die starken und hochfrequenten Störungen werden
sowohl leitungsgebunden als auch über die Luft abgestrahlt. Die Installation von
Achsverstärkern bedarf daher besonderer Sorgfalt, um die Beeinflussung
störempfindlicher Komponenten zu minimieren.
Achsverstärker
Motorkabel
(starke Störquelle)
Empfindliches Gerät
(keine Störaussendung)
Kabelschelle mit
Masseverbindung
Klemmleisten
Stromleitschiene mit
minimalem Übergangswiderstand zur
Grundplatte (Masse)
(symbolische Darst.)
(1)
Montageblech
(3)
Hereinkommende Störungen
werden abgeleitet
(2)
Beispielhafte Installation mit drei Geräten:
(1) und (2) erfordern eine kontinuierliche (unterbrechungsfreie) Abschirmung bis
dicht an die Störquelle (Länge der nicht abgeschirmten Kabelenden so kurz wie
möglich, max. 10 cm). Bei (1) erfolgt die Kontaktierung zur Masse am Verstärker
mittels einer metallischen Kabelschelle, die um die freigelegte Abschirmung
geklemmt ist. Die Abschirmung darf hier nicht unterbrochen sein.
Bei (2) und (3) erfolgt der Anschluss des Gerätes mittels modularer Klemmleisten. Bei (2) ist die Klemmleiste von einem Metallgehäuse umschlossen,
welches die unterbrechungsfreie Fortführung der Abschirmung ermöglicht.
(3) Das Gerät ist frei von Störaussendungen; die Abschirmung dient nur der
Fernhaltung hereinkommender Störeinflüsse. Die Klemmleiste muss daher nicht
abgeschirmt werden.
30
Fehlende oder mangelhafte Abschirmung kann beispielsweise folgende
Auswirkungen haben:
- Störung von Sensoren (auch wenn sie abgeschirmt sind) durch ein niederfrequentes Magnetfeld in einem Radius von bis zu 10 m um das Motorkabel.
- Störung von Telefonleitungen und Telefonvermittlungen (PABX).
- Störung von Sammel-Stromversorgungen (z.B. Computer).
Weiterhin ist zu beachten, dass die Achsverstärker (mit blankem Gehäuse)
flächig an eine metallische, geerdete Oberfläche (z.B. rückwändig) montiert
werden. Ein optimal leitender Oberflächenkontakt ist dabei sicherzustellen. Falls
keine ausreichende Kontaktierung möglich ist, stellen zusätzlich zum Schutzleiter
montierte Massebänder/-bleche eine Alternative dar. Die Abschirmung von
Motor- und Ansteuerkabeln muss so dicht wie möglich an den Verstärker
herangeführt werden. Die Abschirmungen sind beidseitig auf Masse zu legen.
Bei drei vorhandenen Motorleitungen, die als Einzelader ausgeführt sind, (z.B.
bei permanenterregten Synchronmotoren) ist im ungeschirmten Bereich auch ein
verflechten der Zuleitungen untereinander möglich, um die gegenseitige
Kopplung zu reduzieren.
Versorgungskabel (Netzleitungen) müssen grundsätzlich von anderen Kabeln
getrennt verlegt werden. Falls die Achsverstärker nicht über einen integrierten
Netzfilter verfügen, sollte ein Filter an den (nicht abgeschirmten)
Netzzuleitungen installiert sein (Herstellerhinweise beachten).
Die eingangsseitige Metallschiene muss die freiliegenden Abschirmungen der
Kabel gut und dauerhaft mit der Masse verbinden. Auf eine festes Einspannen
der Kabel ist dabei zu achten, ohne diese stark zu quetschen. Die Lage der
Schiene sollte so dicht wie möglich am Eingang der von außen kommenden und
damit potentiell gestörten Zuleitungen erfolgen. Bei Achsverstärkern muss ein
zusätzliches Spannelement dicht am Gerät installiert werden.
Bei der Abschirmung empfindlicher Elektroniken ist vorzusehen, dass die
Abschirmung bis zu ca. 10 cm unter der Klemmschiene hindurchgeführt wird.
Anmerkung:
• Die Schutzerdung der Komponenten sollte auf dem kürzesten
Wege stattfinden und ist in jedem Falle zu installieren. Diese
Sicherheitsmaßnahme wird nicht durch die zusätzlich installierten
Abschirmungen ersetzt.
31
4.7 Abschirmung durch Schaltschränke
E
lektromagnetische Abschirmung wird erreicht durch ein elektrisch
leitendes und/oder ferromagnetisches geschlossenes Gehäuse, das
einen Faraday’schen Käfig darstellt. Die Abschirmung schwächt
Störfelder aus beiden Richtungen ab (Emissionen und Imissionen).
Geschützt sind immer nur im geschlossenen Inneren befindliche Komponenten,
wie auch die Adern in einem geschirmten Kabel oder Bauelemente in einem
geschlossenen Gehäuse.
Die Abschirmung elektromagnetischer Felder ist schon bei kleinen Blechstärken
effizient. Voraussetzung ist in jedem Fall ein vollständig geschlossenes Volumen.
Erhebliche Beeinträchtigungen können jedoch durch Anzahl und Dimension
von Bohrungen/Öffnungen hervorgerufen werden. Diese sind daher so klein
wie möglich zu halten.
Niederfrequente elektromagnetische Felder sind schwieriger abzuschirmen als
hochfrequente. Die Wirksamkeit der Abschirmung steigt mit der Stärke des
verwendeten Bleches, seiner Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit. Zur
Abschirmung magnetischer Felder werden ferromagnetische Metalle eingesetzt.
Konstruktionshinweise:
• Besonders die großen Öffnungen in Schaltschrankwänden sind
möglichst klein zu halten (z.B. Türen) und sollten gut verschließbar
sein sowie mit leitenden Anschlüssen versehen sein.
• Mehrere kleine Öffnungen sind einer großen Öffnung
vorzuziehen.
• Einbaukomponenten möglichst in geschirmter Bauart einsetzen.
K ontaktierung m ittels
einer massiven und
leitenden Befestigung
zu schützendes
G erät
m etallisches
G ehäuse
M ontageschiene
Abgeschirmte Bauteile, die auf einer Schiene montiert sind, werden über den
Oberflächenkontakt mit Masse verbunden. Dieser ist durch sorgfältige Montage
sicherzustellen.
32
4.8 Große Werkzeugmaschinen
M
assegitter schaffen eine großflächige Aquipotentialfläche, mit der alle
Komponenten einer großen Werkzeugmaschine oder Anlage auf
dasselbe Massepotential bezogen werden können (Maschine,
Schaltschränke, Bedieneinheiten etc.).
Die Qualität der Schutzerdung ist für elektromagnetische Aspekte nicht von
großer Bedeutung; da eine qualitativ hochwertige EMV-Masse nur durch die
galvanische Verbindung möglichst vieler metallischer Flächen der
Anlagenkomponenten gebildet werden kann. Bei einer flächenmäßig größeren
Ausdehnung der Maschine dient ein Massegitter aus Einzeladern als
verbindendes Element (Mindestquerschnitt 35 mm²). In Bereichen nah um und
unter Schaltschränken sollte die Maschenweite enger gewählt werden. Im jedem
Fall ist eine gute Zugänglichkeit zwecks periodischer Überprüfungen
erforderlich.
Es ist zu empfehlen, voneinander getrennte Schaltschränke etc. entweder durch
metallische Kabelkanäle (am besten mit geschweißter Kontaktierung) oder
mittels massiver Kupferleisten großen Querschnitts zu verbinden. Idealerweise
kann der Schaltschrank in die metallische Struktur der Werkzeugmaschine
integriert werden.
oder Winkelprofile aus Metall sind ein sehr zweckmäßiges Mittel,
um die Verbindungskabel der jeweiligen Anlagenbaugruppen zu verlegen und
dabei gleichzeitig einen guten Potentialausgleich zu ermöglichen. Besonders
geeignet sind dafür mit Langlöchern versehene U-förmige Winkelbleche. Bei der
Montage ist zu beachten, dass:
Kabelkanäle
- die kontaktierenden Übergänge unlackiert und unbeschichtet sind,
- die einzelnen Teile solide untereinander verbunden werden (Vibrationen!),
- und keine Korrosion langfristig die Leitfähigkeit herabsetzen kann.
Geschlossene Profile sind nicht unbedingt vorteilhaft, weil stärkere Reflexionen
im Inneren das Übersprechen der Signale verstärken können. Innerhalb der
Kabelkanäle sollten Kabel mit unterschiedlichen Signalen voneinander getrennt
angeordnet werden, wobei die Verlegung vorzugsweise in den Ecken erfolgt,
weil dort das elektromagnetische Feld am schwächsten ist:
elektromagnetische
Schattenbereiche
33
Beispielhafte Verteilung unterschiedlicher Signale:
analoge
Signale
digitale
Signale
Stromversorgung
geschirmtes
Kabel
Relais
4-20 mA
(geschirmt)
Digital/Daten
Bei der Verbindung der Profile untereinander ist zu beachten:
!
negativ:
"
positiv:
Die Kontinuität der Schirmwirkung ist wegen der Verwendung von
Einzeladern bei hohen Frequenzen nicht gegeben.
Flächige Kontaktierungen z. B. mit Blechen und Blechwinkeln
sichern
auch
im
Hochfrequenzbereich
einen
guten
Potentialausgleich.
34
4.9 Zusätzliche Verbesserungsmaßnahmen
(fehlende Erdung) können in
bestimmten Ausnahmesituationen die elektromagnetische Verträglichkeit
verbessern, besonders bei Problemen mit Masseschleifen bei mittleren
Frequenzen (Sub-MHz-Bereich):
Baugruppen mit schwebendem Potenzial
isolierte Karte
Stromversorgung
(+ clipping)
Lokale Masse
(sehr wichtig)
Optokoppler
(+ clipper
+ filter)
Elektronikschaltung
Anlagen Erde
Anlagen Erde
Hinweise:
• Die elektrische Sicherheit ist durch eine fehlende Schutzerdung
nicht gegeben. Daher sollte aus Sicherheitsgründen die Baugruppe
mit der höchsten Störfestigkeit geerdet werden.
• Die Baugruppen resp. deren Ein- und Ausgänge müssen gegen
Überspannungen geschützt werden (Einsatz von Schutzdioden
etc.)
Die verbesserte NF-Tauglichkeit zieht jedoch eine schlechtere HF-Störfestigkeit
nach sich. Folgende Maßnahmen schaffen hier Abhilfe:
- Nutzung einer möglichst großflächigen lokalen Masse. Um die Kopplung
zwischen diesen lokalen Massen und der Gesamtanlagenmasse zu
minimieren, sollte ein Mindestabstand von 10cm zwischen beiden
Potentialen eingehalten werden.
- alle ebenfalls fliegenden Ein- und Ausgänge müssen über Filterbaugruppen
verfügen, die das Nutzsignal vor hochfrequenten Störungen schützen.
- Die jeweiligen Spannungsversorgungen der Baugruppen müssen mit einem
spannungsabhängigen Widerstand (Varistor) beschaltet sein.
35
Erhöhung der Störfestigkeit schwacher Signale
Grundsätzlich sollen Signale mittels zweier Leiter (Signal und Bezugspotential)
übertragen werden anstelle eines Leiters und Masse (gemeinsame Rückführung).
Ein häufiges Problem dabei resultiert aus der Tatsache, dass bei einem mittels
analogem Eingang erfassten Sensorsignal -bedingt durch den Einsatz von hochverstärkenden Differentialverstärkern- auch die enthaltenen Gleichtaktstörungen
verstärkt werden. Die Erdung der Masseleitung unmittelbar am Eingang kann zu
einer erheblichen Verbesserung führen, solange der Sensor fliegend installiert ist,
die Kabellänge max. wenige Meter beträgt und das Kabel nicht geschirmt ist:
A/D-Wandler-Karte
Sensor
(fliegend)
Abschirmung
gute Verbindung mit Kabelschelle
Das Null-Volt-Signal ist dicht vor der Erfassung zu erden
kann unter
elektromagnetischen
Eine einseitige Verbindung der Abschirmung mit Masse
bestimmten Umständen zur
Verträglichkeit beitragen, wenn:
Verbesserung
der
- der Signalpegel niedrig ist und die Frequenz kleiner ca. 1MHz (z.B.
Sensoren wie PT100, Hallsonden, Resolver, analoge Pegel wie 20mA,
etc.) ist,
- die Kabellänge groß ist (10 m oder mehr).
Hinweis:
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist es unzulässig, den
Schirm einseitig aufzulegen, wenn die andere Seite des Schirms
freiliegend ist und damit die Gefahr einer Berührung besteht.
36
Einseitige Kontaktierung des Schirms reduziert jedoch den Schutz gegen HFStörungen während niederfrequente Störungen besser unterdrückt werden. Die
Effizienz bei höheren Frequenzen kann verbessert werden, in dem eine
Kapazität (einige nF) zwischen freiem Schirmende und Masse eingebracht wird.
50Hz
Schutz gegen LF-Störungen durch einseitige Kontaktierung der Abschirmung
mit Masse (erdseitig):
Elektronik
Kabel >10m
Sensor
(fliegend)
Sensor
Elektronik (fliegend)
Hinweis:
Bei der Verlegung der Kabel im Schaltschrank ist es zwingend zu
vermeiden, überschüssige Kabellängen unterschiedlicher Art in ein
und demselben Bereich des Schrankes anzusammeln. Damit wird
die Separation der Kabel an anderer Stelle wirkungslos und das
Übersprechen zwischen störaussendenden und störempfindlichen
Signalen wird verstärkt.
37
5
Kapitel
Netzformen
Die Art des Versorgungsnetzes ist nicht ohne Einfluss auf
die elektromagnetische Verträglichkeit einer Maschine
D
ie besten Bedingungen für eine gute elektromagnetische
Verträglichkeit bieten TN-S Netze (separate Schutzerde und
Neutralleiter). In diesem Fall können Störströme über den kurzen
Weg der Schutzerde (PE) abgeführt werden; die sich ergebende
Stromschleife ist minimal.
Bei TN-C Netzen hingegen können Störströme über die PE-Schutzerdung
fließen und erzeugen aufgrund der räumlichen Ausdehnung große
Stromschleifen, die besonders im Frequenzbereich der Versorgungsspannung
(50Hz und Oberwellen) elektromagnetische Störfelder induzieren.
TN-S Netzform
L1, L2, L3, N
PE
LAST
Störströme benutzen denselben Pfad in beiden Richtungen
TN-C Netzform
L1, L2,
PE
LAST
Durch die Anlagenerdung entstehen große Stromschleifen
38
Im Falle einer IT-Netzes (isolierte Erde) sind besondere Vorsichtsmaßnahmen
zu treffen:
Die durch in den Netzen installierten Filter entstehenden Leckströme können
dazu führen, dass der FI-Schutzschalter anspricht resp. einen Fehler signalisiert.
Eine entsprechende Einstellung des Auslösestroms ist dann erforderlich.
Die installierten Filter sollen speziell auf das IT-Netz abgestimmt sein, weil im
Fehlerfall an den Filterkondensatoren dauerhaft höhere Spannung anliegt.
IT-Umgebung
Leckstrom
Filter
zum
Gerät
weiterführende Quellen:
- VDE 0100, Teile 300, 400, 410 und 548
- EN 50174, Teil 1 und 2
- EN 50310
- Publikation IEC 364: IEC 64 (sec) 670.633
39
Anhang
40
1
Anhang
Ausführungsbeispiele
kommentierte Beispiele aus der Praxis zur Demonstration
verschiedener Installationsarten
Bild A.1
"
positiv:
#
kann verbessert werden:
Für den Anschluss der Schirmung an das Schaltschrankgehäuse
wurde ein Geflechtband verwendet. Die Kontaktierung findet nicht
erst am äußersten Ende der Schirmung statt, so dass ‚Kanteneffekte’
reduziert werden. Das Kabel links wird innerhalb der metallischen Box aufgeteilt,
so dass durch die Verwendung metallischer Gehäusedurchführungen eine
kontinuierliche und geschlossene Schirmung sichergestellt ist.
Das Geflechtband könnte kürzer oder breiter sein. Grundsätzlich
sollte ein Längen-/Breitenverhältnis von 5:1 nicht überschritten
werden. Eine Ausführung, bei der der Schirm mittels Schelle direkt
an das Gehäuse geführt wird, wäre effizienter.
41
Bild A.2
!
negativ:
"
#
positiv:
Der Kabelschirm ist mit einer Leitung weitergeführt. Eine Leitung
verschlechtert selbst bei großem Querschnitt die Effektivität der
Schirmung, besonders bei hohen Frequenzen. Die stromführenden
Adern sind auf langer Strecke ungeschirmt.
Bild A.3
Der Schirm wird mit einer metallischen Schelle befestigt. Besonders
im HF-Bereich wird so ein sehr guter Kontakt zwischen Schirm und
Massefläche erzielt.
Die Schelle könnte etwas vom Ende des Schirmes zurückversetzt
werden, um Kanteneffekte zu reduzieren. Der Schirm sollte so lange
wie möglich die stromführenden Innenadern umschließen.
42
Bild A.4
"
positiv:
#
"
!
positiv:
Anschluss der Achsantriebe. Der Anschluss der Schirmung mittels
einer metallischen Schelle führt zu einem guten Oberflächenkontakt.
In unmittelbarer Nähe der geschirmten Kabel befinden sich keine
weiteren Leitungen, die beeinflusst werden könnten. In Anbetracht der stark
oberwellenhaltigen Ströme der Achsverstärker, werden selbst geschirmte Kabel,
die sich in nur wenigen Zentimetern Entfernung befinden, merklich gestört.
Die Schirmung sollte so weit wie möglich bis zu den Aderendhülsen
fortgesetzt werden; gleichzeitig wird der Kanteneffekt reduziert.
Bild A.5
Die Kontaktierung des Schirms mittels einer metallischen Schelle
erzeugt einen guten Oberflächenkontakt. Die Massefläche hat eine
große Ausdehnung.
negativ:
Die Klemmung mehrerer Kabelschirme übereinander und damit die
Kontaktierung untereinander ist nicht optimal (ggf. unterfüttern).
43
Bild A.6
!
negativ:
Dieser Sensor ist nur unzureichend geschützt: Die
Kabeldurchführung ist in das lackierte (und damit isolierte) Gehäuse
geschraubt. Mit einem entsprechend großen metallisch blanken
Bereich um die Montagebohrung herum würde eine gute Kontaktierung
ermöglicht. Der Schirm wird innerhalb des Gehäuses als Leitung weitergeführt.
In diesem Fall ist es günstiger, die Schirmung an der Gehäusedurchführung
enden zu lassen. Darüber hinaus sollte zur Verbesserung der Störfestigkeit auch
die Masse/GND der Sensorschaltung mit dem Gehäuse verbunden werden.
Bild A.7
"
positiv:
Das Geflecht sorgt für einen guten Potentialausgleich unter den
großflächigen Teilen des Schaltschrankes. Es ist sicherzustellen, dass
der Kontaktbereich nicht lackiert ist. Falls das Geflechtband auch
der elektrische Sicherheitsfunktion dient, sollte es grün/gelb markiert sein oder
eine zusätzliche grün/gelbe Leitung verwendet werden.
44
Bild A.8
"
positiv:
"
#
positiv:
Die metallischen Kabeldurchführungen sorgen für einen sehr guten
Kontakt zwischen der Schirmung und der Masse. Eine preiswertere
und ebenso wirksame Möglichkeit ist der Einsatz von metallischen
Schellen, die den Schirm direkt auf das (metallisch blanke) Gehäuse legen.
Bild A.9
Die -nicht sichtbaren- Motoranschlussleitungen (Störquelle) sind
über ihre gesamte Länge geschirmt. Die Filterbaugruppe hinter dem
Steuerungsmodul stellt eine gute Kontaktfläche zur Außenwand her.
Eine getrennte Leitungsführung (Separation der Sensorleitungen
von den Leistungskabeln) würde die Störfestigkeit verbessern. Einige
Sensorleitungen liegen zu dicht bei den Motoranschlusskabeln.
45
Bild A.10
"
positiv:
Durch Oberflächenkontaktierung wird hier die Schirmung gut
weitergeführt, obwohl es sich um ein Kunststoffgehäuse handelt.
Häufig ermöglichen Kunststoffanschlüsse jedoch keine gute
Weiterführung der Schirmung.
Bild A.11
"
#
positiv:
Beispiel für eine gute unterbrechungslose Kontaktierung des
Schirmes mittels einer massiven Schelle und Verschraubung.
Direkter Anschluss an die flächenmäßig ausgedehntere Rückwand.
Die Schutzerde ist häufig besonders mit Störsignalen beaufschlagt
und sollte in entsprechendem Abstand zu anderen Kabeln verlegt
werden. Grundsätzlich getrennt werden sollten dabei die Masse zur HFSchirmung und die LF-Masse der Schutzerde.
46
Bild A.12
"
#
positiv:
Weiteres Beispiel für eine gute Kontaktierung eines geschirmten
Kabels. Für einen einwandfreien und dauerhaften Kontakt ist die
Schraube zu sichern und fest anzuziehen.
Falls die Kabel unterschiedliche Signale (z.B. Daten und
Energieversorgung) führen, sollten sie über die gesamte Länge im
Abstand von mehreren Zentimetern (bis zu 10 cm, auch bei
geschirmten Kabeln) verlegt werden.
Bild A.11
"
positiv:
Gutes Beispiel, wie durch korrekten Einsatz von Geflechtbändern
die natürliche Schutzwirkung großer metallischer Flächen genutzt
wird. Geschweißte Gewindestifte garantieren guten dauerhaften
Kontakt.
47
Bild A.12
"
positiv:
#
Einsatz von Geflechtband für die Verbindung zwischen
großflächigen Metallteilen. Geschweißte Gewindestifte sichern auch
hier eine gute und dauerhafte Kontaktierung. Im Schaltschrank ist
die kurze, hochwirksame HF-Verbindung zwischen Seitenwand und Masseblech
zu erkennen.
Das Geflechtband ist zu lang. Die gewünschte HF-Wirksamkeit
wird damit reduziert. Eine grün/gelb-Kennzeichnung als Schutzerde
ist erforderlich, wenn keine andere Ader als Schutzerde vorhanden
ist. Das zweite Geflecht kann bei entsprechender Auslegung des Massebleches
kürzer sein.
Bild A.13
"
#
positiv:
Effektive und durchgängige Schirmung mit Kabelschellen und
Kontaktierung an nahegelegene Metallstrukturen.
Weiterführung des Schirmes nach der Schelle über die schwarzen
Adern. Weitläufige Separation der Schutzerde von den Motorkabeln
(bis zu 0,5m). Breitere Winkelbleche wären HF-tauglicher.
48
Bild A.14
!
negativ:
"
positiv:
Ungenutzte Leitungen sollten gegen Masse gelegt werden, wenn sie
kein anderes Potential führen. Andernfalls wirken sie als Antenne
und können Störungen sowohl aussenden als auch empfangen.
Bild A.15
Zweckmäßige
Ausführung
einer
unterbrechungslosen
Kontaktierung. Die verwendete verzinkte Metallleiste weist bessere
EMV-Eigenschaften auf, als die darunter liegende, gelb chromatierte
Schiene.
#
kann evtl. verbessert werden:
Kontaktierung zwischen Schirmungsleiste und Schrankgehäuse.
Eine gute Alternative ist auch das Klemmen der Schirme zwischen
zwei metallisch blanke Leisten, die idealerweise im Bodenbereich des
Schrankes angeordnet sind.
49
Bild A.16
!
negativ:
Die Schirmung wird als grün/gelbe-Schutzader weitergeführt. Die
HF-Wirksamkeit von Einzeladern ist auch bei großen Querschnitten
schlechter als die von Geflecht.
Bild A.17
#
ausreichend:
Auch wenn solche Montage-Raster nicht die Wirksamkeit massiver
Bleche erreichen, sind sie doch für den Einsatz von Relaistechnik
weitgehend geeignet.
Hinweis: Relais sind mit einer Schutzbeschaltung zu versehen (gg.
Kontaktbrand) auch wenn nur eine geringe Schalthäufigkeit vorliegt.
50
Bild A.18
"
positiv:
Vorbildliche Ausführung einer Geflechtkontaktierung. Das
Geflechtband wäre sinnlos, wenn die Anschlussflächen nicht
metallisch blank wären. Besondere Aufmerksamkeit ist hier dem
Korrosionsschutz zu widmen, auch bei den häufig eingesetzten verzinkten
Oberflächen.
Bild A.19
#
evtl. zu verbessern:
Kabelausgänge nach oben aus dem Schaltschrank haben eine höhere
Antennenwirkung als eine Kabelführung durch den Boden. In
einem solchen Fall die Kabelführung durch gut geerdete metallische
Kanäle vorzuziehen. Auch hier sind aus EMV-technischer Sicht Geflechtbänder
den Einzeladern vorzuziehen, wenn HF-Wirksamkeit gefordert ist.
51
Bild A.20
Bild A.21
Anmerkung
Kabel mit unterschiedlichen Signalen (Daten, Leistung) sollten
über ihre gesamte Länge getrennt verlegt werden.
Die konsequente Einbeziehung metallischer Strukturen verbessert
die elektromagnetische Verträglichkeit maßgeblich.
52
Bild A.22
"
positiv:
Bei dieser Anlage ist der Potentialausgleich aufgrund der flächigen
metallischen Kontaktierungen auch bei hohen Frequenzen
einwandfrei.
Bild A.23
!
negativ:
Lackierte oder beschichtete Flächen stellen immer eine Isolation dar,
womit ein Potentialausgleich unmöglich wird. Aus HF-technischer
Sicht ist eine flächige Verbindung vorzuziehen. Ein Geflecht mit
großer äußeren Mantelfläche ist aufgrund des Skin-Effektes bei hohen
Frequenzen erheblich wirksamer als eine Einzelader.
53
Bild A.24
!
negativ:
Der Schirm wird wie eine Einzelader weitergeführt (pig tail). Damit
wird die Wirkung der Schirmung aufgehoben. Auch hier wird die
Befestigung mittels Schelle direkt auf eine metallische Fläche, die
gute Verbindung zum Rest der Anlage hat, empfohlen.
54
55

EMV im Werkzeugmaschinenbau

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