Um im Maschinen- und Anlagenbau erfolgreich zu sein, ist es unerlässlich, sich mit dem Thema elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auseinanderzusetzen. Die EMV gewährleistet, dass elektrische Geräte und Systeme in ihrer elektromagnetischen Umgebung störungsfrei funktionieren. Dabei sind die Hersteller dafür verantwortlich, dass sie die EMV-Richtlinie einhalten und sie können zur Rechenschaft gezogen werden, wenn dies nicht der Fall ist.
Eine der zentralen Herausforderungen im Bereich EMV ist die Wahl eines guten Erdungskonzepts.
Die Erdung auf Sternpunkt und die vermaschte Erdung sind zwei unterschiedliche Ansätze, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Bei der Sternpunkt-Erdung werden alle Erdungsleiter an einem Punkt zusammengeführt, während bei der vermaschten Erdung die Erdungsleiter so häufig wie möglich miteinander verbunden sind und so ein Netz bilden. Dabei ist es auch wichtig, zwischen der funktionalen EMV-Erdung und der Personenschutz-Erdung zu unterscheiden. Diese zwei Konzepte dürfen sich nicht gegenseitig aushebeln!
Ein Verständnis der grundlegenden EMV-Mechanismen ist entscheidend, um Störungen und Interferenzen zu minimieren und die Sicherheit sowie die Effizienz von elektrischen Systemen zu gewährleisten.
Die Bedeutung der Erdung im Maschinen- und Anlagenbau
Die Erdung innerhalb einer Anlage spielt eine entscheidende Rolle für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eines elektrischen Systems. Hohe Frequenzen treten überall auf, wo Dinge geschaltet oder geregelt werden. Insbesondere moderne Antriebssysteme und Frequenzumrichter zählen zu den häufigsten Ursachen für elektromagnetische Unverträglichkeiten.
Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, Störströme klein zu halten:
- Schirmung und Abstände (Senkung parasitärer Kapazitäten)
- Filter (Verkleinerung der Spannungssteilheiten)
- Potentialausgleich niederohmiger machen
Alle drei Punkte sind wichtig und sollten nicht gegeneinander ausgespielt werden. Allerdings stellt der dritte Punkt oft die kostengünstigste Möglichkeit dar, eine Anlage als Ganzes robuster gegen EMV-Störungen zu machen.
Aus diesem Grund fokussieren wir in diesem Artikel die Möglichkeiten, die wir in dem Punkt haben. Durch ein gutes Erdkonzept kann man dafür sorgen, dass die Störströme keinen Schaden anrichten, sondern auf harmlosem Weg dorthin zurückgehen, wo sie hergekommen sind.
Sternpunkt-Erdung und die Angst vor Brummschleifen
Viele von uns erinnern sich gerne an die gute alte Stereoanlage. Nichts von mp3, Bluetooth und Streaming. Die ganzen Schulferien lang geschuftet, um die nächste (meist überdimensionierte) Komponente auf den HiFi-Tower zu stapeln. Der Schulkollege hat 100 Watt? Ich brauche 150!
Und dann verbindet man die tolle Stereoanlage mit der Soundkarte des Computers und es ertönt ein 50-Hz Brumm, dass einem der Kopf dröhnt.
Wählt man die professionelle Lösung mit den HiFi-Übertragern um eine galvanische Trennung zu erhalten oder montiert man einfach den Erdanschluss vom Netzkabel ab? Auch wenn wir alle wissen, dass letzteres ein No-Go ist, möchte ich doch die Entwicklungsabteilung sehen, in der nicht irgendwo in einer Schublade so ein gefährliches Ding rumliegt..
Der Grund für die Brummschleifen bei der Stereoanlage sind leicht unterschiedliche Erdpotentiale, die zu Ausgleichsströmen über die Schirme der Koaxialkabel (Cinch) führten. In der Bühnen-Audio-Technik wurden deshalb noch nie solche Kabel verwendet, sondern sogenannte symmetrische. Die zwei Signalleitungen werden mit zwei Adern geführt, welche von einem Schirm umgeben sind. Die Ausgleichsströme fliessen dann über den Schirm und sorgen nicht für einen Spannungsabfall auf den Innenleitern (Bei Hochfrequenz sieht es dann wieder anders aus).
Vielleicht kommt es von solchen Erinnerungen, dass viele Elektrokonstrukteure und Ingenieure immer noch Erdkonzepte anwenden, die aus störtechnischer Sicht schon längst überholt sind?
In einem Erdsystem mit einigen wenigen (chaotischen) Erdverbindungen gibt es tatsächlich Schleifenströme, die problematisch sind. Dann ist ein Sternpunkt-System besser. Im Stil von: Lieber ein Schiff mit einem kleinen Loch als eins mit einem grossen.
Aber: Wir wollen ein Schiff ohne Loch – und dann müssen wir uns von der Idee der sternförmigen Erdung innerhalb einer Anlage verabschieden.
Die Anzahl der hochfrequenten Störquellen nimmt stetig zu. Jedes Antriebssystem mit FU/Servo, jeder Schrittmotorcontroller, jeder Brushless-DC-Antrieb (auch das ist ein FU!) und jedes Ventil ist eine potenzielle Hochfrequenzquelle. Die entstehenden Störströme müssen mit kleinen Impedanzen zu ihren Quellen zurückgeführt werden.
Das bedeutet: Grossflächig, häufig und kurz erden, am besten über Chassisteile, Träger, Bleche, Verschalungen und Kanäle.
Die maßgeschneiderten Inhouse-Seminare von Creafield bieten die Möglichkeit, Mitarbeiter praxisnah zu schulen und so die EMV der Anlagen zu optimieren und die Systemsicherheit zu gewährleisten.
ESD: Wenn es funkt
Zuallererst sollte man natürlich sicherstellen, dass sich metallische Teile nicht aufladen können, sondern geerdet sind. Gegen eine elektrostatische Aufladung nützt dabei auch eine relativ hochohmige Erdverbindung, sie muss aber zuverlässig vorhanden sein, nicht nur manchmal.
Sollten trotzdem elektrostatische Entladungen vorkommen – und das ist nur eine Frage der Luftfeuchtigkeit und des Pullovers – dann hat man mit einem sternförmigen Erdsystem meist verloren.
Auf dem Weg zum nächsten Sternpunkt – und wenn es nur ein Meter ist, bewirkt der sogenannte ESD-Puls Spannungsspitzen im Kilovolt-Bereich. Die Erdleitung wird zur Antenne und die Steuerung stürzt ab.
Nur ein gut vermaschtes Erdsystem kann solche Impulse ableiten, ohne die Umgebung zu stören. Der Grund liegt darin, dass sich die Magnetfelder von mehreren Leitungen nicht nur addieren, sondern kumulieren. Verbindet man also beispielsweise die Montageplatte innerhalb eines Schaltschrankes an den vier Ecken über kurze Erdungsbänder mit dem Schrank, dann ist die Impedanz für Störungen deutlich mehr als 4x kleiner. Zudem sind Störströme so nicht mehr gezwungen, die wildesten Wege zu nehmen und dabei viel Landschaden zu hinterlassen.
ACHTUNG: Die funktionale Erdung zum Störungsschutz ersetzt nicht eine normativ korrekte Verdrahtung des Schutzleiters, in welcher Sternpunkte eine wichtige Rolle spielen können!
Eine fundierte Schulung ist der Schlüssel, um potenzielle Risiken zu minimieren, Störungen zu reduzieren und die Systemsicherheit zu gewährleisten. Mit einer richtigen Erdung können Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau einen wichtigen Beitrag zur EMV leisten und die Zuverlässigkeit ihrer Systeme langfristig sicherstellen.
Wie erdet man bewegliche Teile?
Eine besondere Herausforderung stellen Shuttles und andere beweglichen Teile dar. Wenn diese berührt werden können oder im Betrieb mit statisch geladenem Material in Kontakt kommen, dann können Funken springen. Die dadurch entstehenden sehr hohen Frequenzen (bis Gigaherz) sorgen auf normalen Erdungsleitungen für hohe Spannungsspitzen, die dann auf die darauf montierten Sensoren und deren Leitungen gekoppelt werden und zu Fehlmessungen oder Abstürzen führen können.
Ob solche Risiken vorhanden sind, kann ein EMV-Spezialist mit einem sogenannten ESD-Simulator testen. Diese Geräte sind teuer und wer mit der normgerechten Handhabung nicht vertraut ist, kann grossen Schaden im System oder im Gebäude anrichten.
Die Abhilfe bei ESD-Problemen an beweglichen Teilen besteht aus flexiblen Erdungsbändern, die auf möglichst kurzem Weg und vielleicht an mehreren Orten eine Verbindung zum Chassis herstellen. Eine andere, oft aufwändigere Möglichkeit ist die Verwendung von Schleifkontakten bei den Lagern.
Erdungsbänder an allen Ecken und Enden?
Das wäre nicht die Idee. Viel besser geeignet und erst noch günstiger ist es, bestehende Kabelkanäle, Chassisteile und Verschalungsbleche zu benutzen, welche auf Grund ihrer grossen Oberfläche ausgezeichnete Leiter für hohe Frequenzen darstellen, auch wenn sie nicht aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Dabei muss nur darauf geachtet werden, dass diese Teile elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Um Lackstellen zu überbrücken, sind Zahnscheiben als Unterlage gut geeignet. Ist keine direkte Schraubverbindung möglich, dann kann auch auf mehrere möglichst kurze Erdungsbänder zurückgegriffen werden.
Praxisseminar: Schulungsmöglichkeiten für Mitarbeiter im Maschinen- und Anlagenbau
Heftige Theorie mit ein bisschen unterhaltenden Experimenten? Nein danke!
Der Ansatz der Praxisseminare von Creafield ist der Gegenteilige:
Viele praktische, fassbare Experimente und ein notwendiges Mass an Grundlagentheorie.
Mit einem individuell gestalteten Inhouse-Seminar und 20 Jahren Erfahrung als Entwicklungsleiter führe ich die Teilnehmer durch praxisnahe Beispiele und Fallstudien, um ihnen einen umfassenden Einblick in die Bedeutung der wichtigsten Designregeln und die Auswirkungen auf die EMV zu geben.
Eine fundierte Schulung ist der Schlüssel, um potenzielle Risiken zu minimieren, Störungen zu reduzieren und die Systemsicherheit langfristig zu gewährleisten.
Lassen Sie uns gemeinsam darüber sprechen, wie wir Ihr Team fit machen können, damit EMV-Probleme bei Ihren Anlagen der Vergangenheit angehören. Kontaktieren Sie mich noch heute, um mehr über das individuelle Inhouse-Seminar zu erfahren und Ihre Mitarbeiter auf dem Weg zu einer optimalen EMV zu unterstützen.