Durch den Einsatz elektronischer Antriebsregler mit einem Gleichspannungszwischenkreis entstehen, wegen der schnell und mit kurzen Anstiegszeiten schaltenden Ausgangsstufen (IGBTs), große Gleichtaktspannungen (engl. Common Mode Voltage) mit hoher Flankensteilheit (du/dt Werte). In Kombination mit den parasitären Kapazitäten im System, wie geschirmten und/oder langen Motorleitungen oder u.U. mehreren Motoren an einem Regler, entstehen durch diese hochfrequente Spannung gegen das Bezugspotential beträchtliche hochfrequente Differenzströme (Common Mode Current) im Kilo- bis Megahertzbereich. Die Effektivwerte dieser Ströme können je nach dem Schrankaufbau und der Verdrahtung der Maschinen im zweistelligen Ampere-Bereich liegen. Diese fließen zum größten Teil nicht zwischen den spannungsführenden Leitungen, sondern auf allen Phasen gleichzeitig, galvanisch auf (geschirmten) Leitungen oder über die Lagerung von Motoren, insbesondere aber von Motorspindeln, da diese konstruktionsbedingt höhere Kapazitätswerte zwischen Stator und Rotor aufweisen. Anschließend erfolgt der Stromfluss über das Bezugspotential wie Gehäuse, Erd- und PE Verbindungen zur Störquelle zurück. Differenzströme fließen nicht zwangsläufig außerhalb der Anlage. Es ist durchaus möglich, dass ein dem Versorgungsnetz vorgeschalteter Fehlerstrom- Schutzschalter betriebssicher arbeitet, innerhalb der Maschine oder Anlage aber beträchtliche Differenzströme auftreten. Somit sind Betriebsstörungen wie Busfehler, Drehgeberfehler und falsche Ein- und Ausgangssignale in Steuerungen, bis hin zur Zerstörungen von Motorlagern möglich. Bei der Konstruktion von Maschinen wird die Erdung der Baugruppen in aller Regel nach den Sicherheitsvorschriften normgerecht ausgeführt. Da die Differenzströme aber hohe Frequenzanteile enthalten, darf die Erdung nicht allein auf die 50Hz Netzfrequenz und den damit verbundenen möglichen Kurzschlussstrom bezogen werden, vielmehr müssen Erdungs- und Potentialanbindungen für hohe Frequenzen ausgelegt sein. Dies trifft besonders auf steuertechnisch vernetzte Anlagen zu, die über (geschirmte) Profibus-, Profinet oder andere Bussysteme verbunden sind. Mit steigender Frequenz steigt auch die Impedanz einer Leitung. Zusätzlich dazu beginnt bereits bei Frequenzanteilen in Signalen um ca. 1MHz der sogenannte Skin-Effekt, was bedeutet, dass Ströme mit diesen Frequenzanteilen nur noch nahe oder auf der Oberfläche einer Leitung fließen können – dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Impedanz. (Um den Skin-Effekt zu reduzieren, werden deshalb für den (niederohmigen) HF-Stromfluss viele voneinander isolierte Drähte wie Flachbandleitungen oder HF-Litze verwendet). Das bedeutet, dass proportional zur Leitungslänge für die Impedanz einer Leitung der Kabelquerschnitt nur im niedrigen Frequenzbereich die entscheidende Rolle spielt, im hochfrequenten Bereich jedoch die Oberfläche. Somit stellt die Erdung und Potentialanbindung für diese HF Ströme einen erhöhten Widerstand dar, die auf diesem Wege nicht gut oder gar nicht abfließen können. Besonders trifft dies wieder auf steuertechnisch vernetzte Anlagen zu. Dort nehmen diese hochfrequenten Ausgleichsvorgänge den Weg über Abschirmungen, Gehäuse und Busleitungen, sofern diese einen niedrigeren HF-Widerstand (Impedanz) als die normale PE-Anbindung aufweisen. Es treten außerdem Verzerrungen und Änderungen der Nutzsignale durch die Signaldämpfung ein. Diese Änderungen müssen anschließend wieder aufwändig durch Busverstärker und Signalformer korrigiert werden. Bei Lagerschäden kann der Einsatz von Erdungsbürsten oder Kurzschlussscheiben eine mögliche Lösung sein. Sie unterliegen aber dem Verschleiß und können bei kritischen Einsatzorten wegen der Funkenbildung oder Brandgefahr nicht eingesetzt werden. Die Verwendung von isolierten Motorlagern wäre eine weitere Lösungsmöglichkeit. Damit werden alle niederfrequenten Anteile des Differenzstromes nahezu vollständig beseitigt. Ist der Energiegehalt der Differenzströme aber hoch genug, so treten durch die hochfrequenten Anteile aus den Laufringen und den Wälzkörpern dieser Lager Metallpartikel (mit Funkenbildung) in das Schmiermittel über. Ein einmaliger Überschlag mit Materialübertragung ist unbedeutend. Ist aber erst einmal eine Schadstelle entstanden, so tritt an dieser Stelle ein sogenannter Hotspot auf. An dieser Stelle findet nun durch die entstandene Kriechstrecke, die im µm Bereich liegt, weiterer Materialtransport statt. So kann ein Austausch der Lagerung je nach Betriebsdauer der Anwendung bereits nach einem halben Jahr notwendig werden. Bei einem Maschinenstillstand durch Motorlagerschäden ist schnelle Abhilfe gefragt. Eine effektive Reduzierung der Differenzströme muss durchgeführt werden, bevor weitere geeignete Maßnahmen wie die Reduktion der parasitären Kapazitäten und die Verbesserung der HF Anbindungen langfristig in den Anlagen umgesetzt werden können.
Störungsfrei durch Differenzstromfilter
Die schnellste und gleichzeitig effektivste Lösungsmöglichkeit ist der Einsatz von Differenzstrom absorbierenden Ausgangsfiltern in den Leitungen zwischen Antriebsreglern und Motoren. Für diese Einsatzfälle und zur grundsätzlichen Erhöhung der Betriebssicherheit von Anlagen bietet die EPA GmbH eine neue Ausgangsfilterbaureihe vom Typ AF-BCR an. Diese kompakten Filter sind aktuell im Nennstrombereich von 20 bis 600A verfügbar. Sie werden direkt an der Hauptstörquelle des Systems (wie z.B. in die Motorleitung) geschaltet und sorgen durch ihre störungsabsorbierende Wirkung für eine erhebliche Reduktion der Differenzströme. Die Dynamik der Anwendung wird durch diesen Einbau nicht negativ beeinflusst, im Gegenteil: Hochfrequente Ausgleichsvorgänge wie Schirmströme und die Störabstrahlung dieser Leitungen werden wesentlich reduziert und die EMV des gesamten Systems merklich verbessert. Sogar auf die Verwendung von geschirmten Motorleitungen kann durch die reduzierte Störabstrahlung in manchen Fällen verzichtet werden.
Fazit
Die besten Differenzströme sind diejenigen, die nicht vorhanden sind. Die derzeit verwendeten Produkte in der Antriebstechnik lassen aber eine Vermeidung dieser parasitären Ströme technisch nicht zu. Differenz- und damit verbundene Lagerströme sind ein komplexes und interessantes Gebiet. Nicht der Antriebsregler, der Aufbau, die Verdrahtung oder gar der Motor/die Motorspindel stellt für sich alleine das Problem dar, sondern die Wechselwirkung der Komponenten im gesamten System, einschließlich Erdung, HF Masseanbindung und Leitungsführung. Die Verwendung von absorbierenden Filtermaßnahmen zur Reduktion dieser unerwünschten Ströme kann derzeit wesentlich als die Lösung zur Steigerung der Betriebssicherheit von Maschinen und Anlagen angesehen werden. Für diese Filter sprechen aber nicht nur ihre ausgesprochen guten technischen Eigenschaften, sie sind außerdem sehr einfach nachzurüsten und senken so den Serviceaufwand.
