Antriebstechnik

Umgebungsverträglichkeit UV

Eine elektrotechnische Anlage kann elektromagnetische Störungen aussenden und durch entsprechende Felder oder Ströme (Stromrichter-Netzrückwirkungen) benachbarter Einrichtungen behindert werden.

EMV Umgebungsklassen

Die Gefahren steigen einerseits durch wachsende Unterschiede zwischen den Energiepegeln energetischer Komponenten und der Informationselektronik, die zudem höhere räumliche Dichte.

Außerdem fordern Anlagenmodularität (DIMA-Konzept http://www.dima-process.com) und Intelligenz ihrer cyber-physischen Bestandteile höheren Schutz gegen derartige Einflüsse. Andererseits nehmen die Störwirkungen auch ab, weil Schutzmaßnahmen ausgereifter sind, erleichtert eingebaut und konsequenter eingesetzt werden, zum Teil an optimal wirksamer Position immanent sind (Filter, Stromversorgungen, Inversionsalgorithmen).

Zu den vom Hersteller zu erfüllenden Bedingungen zählt die Fähigkeit, in solchem Klima unbeeinflusst (UV ohne temporäre Funktionsstörungen oder bleibende Schäden) zu funktionieren. Der Kunde hat den mit ihm vereinbarten dsbzgl. Einsatzrahmen einzuhalten, die verabredeten Bedingungen zu kontrollieren. Zertifizierter Nachweis der UV bedeutet Kompatibilität der Anlage (Antrieb, Logistikeinrichtung u. a.) mit ihrer Umgebung von elektrischen und magnetischen Feldern beziehungsweise Netzeinflüssen. Quantitativ definiert sich UV über die elektro-magnetische Verträglichkeit EMV (EMC, DIN VDE 57870 Teil 1). Entsprechende Anforderungen steigen mit der vernetzten Fabrik (Industrie 4.0, IoT), können sich doch dadurch ausgelöste Fehler dezentral auswirken.

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Tabelle 1: EMV-relevante Vorschriften/Gesetze (vorzugsweise für die industrielle, prozessnahe Elektrotechnik)

Elektro-magnetische Verträglichkeit
Dieses Qualitätsmerkmal bestimmen interne und externe Störquellen, die auf den bekannten Wegen einwirken. Schützt sich die Anlage gegen interne Quellen eigenständig, muss das externe Störklima zum Beherrschen bekannt sein. Zur Umgebung zählen hohe Kurzschlussströme, mit Oberschwingungen verseuchte Netze sowie eine dichte Belegung mit störintensiven Betriebsmitteln. EMV-Hauptziele sind neben dem Personenschutz Funktions-, Übertragungssicherheit von Daten, ihre zuverlässige Verarbeitung sowie die Security. Solche Garantien sind vor allem entscheidend, wenn Steuerung und Überwachung über das IoT erfolgen. Unterschiedliche Systeme müssen in einer Multi-Vendor-Anlage sicher und unbeeinflussbar zusammenarbeiten, um den reibungslosen Betrieb einer Wertschöpfungskette zu gewährleisten.

Als entscheidender UV-Gütekennwert steht die EMV unter staatlichem Schutz (Tabelle 1).

Einzuhaltende Grenzwerte
Einzuhaltende Grenzwerte für Personen und Einrichtungen (Störquelle, -senke) finden sich in den einschlägigen Normen. Erlaubte Größen legen internationale (IEC), europäische (EN) und deutsche (DIN) Vorschriften fest. Sie bilden die Grundlage für CE-Konformitätsprüfungen:

  • Fachgrundnormen (Generic Standards) legen die EMV-Umgebung fest, in der ein Gerät arbeitet, enthalten Prüfstörgrößen,
  • Grundnormen (Basic Standards) enthalten physikalische Phänomene und Messverfahren, beinhalten zulässige Grenzwerte der Störgröße.
  • Produktfamiliennormen (Product Family Standards) enthalten Grenzwerte für Aussendung und Störfestigkeit.
Tabelle 2: EMV-Empfehlungen für prozessnahe Elektrotechnik in Gehäusen

Die erste Umgebung A umfasst private und gewerbliche Gebäude. Zur zweiten Umgebung B mit geringeren Ansprüchen zählen alle Einrichtungen, die nicht direkt an das Niederspannungsnetz für die Versorgung der ersten Umgebung angeschlossen sind. Detailliertere Klassifizierungen etwa hinsichtlich Filterung, Verkabelung, Schirmung, Aufstellung komplettieren diese Bereiche.

Schutzziele, Prüfung
In allen Komponenten kann das elektro-magnetische Störklima das Nutzsignal verfälschen. Hinsichtlich Funktionssicherheit (Zer-/Störfestigkeit) zeichnen sich betroffene Geräte immer durch Werte aus, die ihre bestimmungsgemäße Funktion in harter Industrieumgebung garantieren. Schutzziele umfassen daher Maßnahmen gegen

  • elektrostatische Entladung ESD,
  • induktive Abschaltüberspannung,
  • Blitz, Kernexplosion und Überspannung,
  • Stromrichternetzrückwirkung,
  • Funkstörung,
  • galvanischen, induktiven, kapazitiven Leitungseinfluss (Übersprechen, Wellenbeeinflussung, Strahlung etc.),
  • zufällige Impulse durch Schaltvorgänge,
  • Gesundheitsgefährdung durch EM-Strahlung, unzulässige Berührungsspannungen.
Tabelle 3: NS-Netze – EMV-Eignung, Maßnahmen

EMV-gerechter Entwurf auf Basis einer EMV-Risikoanalyse, der mit EMV-gerechter Installation umgesetzt wird, sichert die Störfestigkeit. Ein mehrstufiger Test von der Komponente bis zur Gesamtmaschine (Typprüfungen in zertifizierten Laboren) garantiert das sichere Zusammenspiel aller Bestandteile. IEC-genormte Prüfklassen legen die Prüfschärfe fest (zum Beispiel Klasse 3 – normale Industrieumgebung, Klasse 4 – schwere Industrieumgebung). Zu beachten ist dabei, dass viele moderne Geräte wie etwa Sensoren mit Mikrocontrollern ausgerüstet sind, die Störsignale herausrechnen

Auswirkungen und Schutzmaßnahmen
Unverträglichkeit erzeugt wirtschaftliche Verluste, oft körperliche Schäden beim Bedienungspersonal. Schutz gegen die Wirkung elektromagnetischer Einflüsse bieten zahlreiche, erprobte Maßnahmen (Tabellen 2, 3). Zur wirksamen Realisierung gehören systematische Vorgehensweise sowie nachhaltige Zusammenarbeit zwischen allen Gewerken bei Definition, Planung und Errichtung. Nachträgliche Schutzmaßnahmen sind meist sehr teuer, im Einzelfall mit vertretbaren Mitteln nicht zu installieren. Der sichere EMV-Zustand muss für die Lebensdauer erhalten bleiben und in Abständen überprüft werden. Entsprechende Hinweise enthält die Dokumentation.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Störfestigkeit
Eigenschaft eines elektrischen oder elektronischen Gerätes/Systems (Störsenke), in einer störenden, elektro-magnetischen Umgebung mit bestimmter Störsignalhöhe ohne Einschränkung zu funktionieren.

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