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Frequenzumrichter: EMV-Normen für Produkt und Umgebung

27 April 2009
Anwender für Einhaltung der jeweiligen Grenzwerte verantwortlich

Bei Planung, Errichtung und Erweiterung elektrotechnischer Installationen sind heute Maßnahmen zur Einhaltung elektro­magnetischer Verträglichkeit (EMV) Stand der Technik und in vielen Fällen unabdingbar. Haben Anwender und Fachleute vor 10 Jahren noch über den Sinn entsprechender Maßnahmen diskutiert, sind diese heute akzeptiert und Diskussionen betreffen eher die Ausführung. So ist beispielsweise der Einsatz geschirmter Kabel sehr verbreitet, um die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen zu begrenzen, aber bei der Frage, ob Schirme ein- oder beidseitig aufzulegen sind, gehen die Meinungen auseinander.

Um dem Anwender Hilfestellungen zu geben, existieren verschiedene Normen, die sich mit den Aspekten zur elektromagnetischen Verträglichkeit befassen. Welche Norm jetzt zutreffend und im Einzelfall anzuwenden ist, lässt sich aber nicht so einfach durchschauen. Im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern trifft der Anwender jedoch  regelmäßig auf drei Normen: Die Umgebungsnorm EN 55011, die Produktnorm EN 61800-3 und die „Netznorm“ EN 61000-3-12. Doch welche Norm gilt wo und wann?
 
Hält jeder Umrichter in Europa die EMV-Norm ein?

Generell gilt, dass ein Hersteller, der Geräte oder Maschinen in Europa verkaufen möchte, diese mit einer CE-Kennzeichnung versehen muss (Ausnahme: Export in nicht EU-Ausland). Um das CE Zeichen auf seinen Geräten nutzen zu dürfen, muss der Hersteller die für sein Produkt zutreffenden Gesetze und Normen bzw. Richtlinien einhalten. Mit entsprechender Anbringung des Kennzeichens bescheinigt er dann, dass sein Produkt diese Werte einhält und er seine Geräte entsprechend geprüft hat.
Um einen Frequenzumrichter mit dem CE-Zeichen versehen zu dürfen, muss er daher u.a. die Einhaltung der zutreffenden EMV-Produktnorm sicher­stellen. Im Klartext heißt das, dass alle in Europa verkauften Umrichter den grundlegenden EMV-Anforderungen entsprechen.   Aus der CE-Kennzeichnung lässt sich aber keine Aussage darüber ableiten, wie gut die EMV-Eigenschaften eines Gerätes sind, da für die Kenn­zeichnung nur bestimmte Mindestgrenzwerte einzuhalten sind. Die Güte der EMV-Maßnahmen ist in den anzuwendenden Normen in verschiedene Klassen unterteilt.
 
Die Umgebungsnorm EN 55011

Um festlegen zu können, welche Norm der Anwender in seinem Fall zur Grund legen muss, sind sie hierarchisch aufgebaut. So gibt es Grundnormen, die allgemeine Zusammenhänge und Aspekte beschreiben. Sie kommen zur Anwendung, wenn für ein bestimmtes Gerät keine Gruppen- oder Produktnormen verfügbar sind.
Bei der EN 55011 handelt es sich um eine solche Fachgrundnorm, die sich mit Funkstörungen von industriellen, wissenschaftlichen und Hochfrequenzgeräten beschäftigt. Sie definiert abhängig davon, ob ein Gerät im Wohn- oder im industriellen Bereich zum Einsatz kommt, unterschiedliche Klassen. Sie bestimmen Grenzwerte für  Störpegel, die die Geräte maximal aussenden dürfen und Störfestigkeitspegel, die sie verkraften müssen, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt wird.

Klasse Umgebung
A1 Industrie (HF intern)
A2 Industrie (HF extern)
B        Wohnbereich

Geräte wie Frequenzumrichter, die im Industriebereich arbeiten, fallen in die Klasse A1. Die Klasse A2 ist nur für spezielle Hochfrequenz-Anwendungen wie beispielsweise Hochfrequenzschweißgeräte vorgesehen. Kommen Geräte in Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereichen zum Einsatz,  dürfen sie die wesentlich niedrigeren Grenzwerte der Klasse B nicht überschreiten.

Die Produktnorm EN 61800-3

Bei der DIN EN 61800-3 „Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe – Teil 3 EMV-Anforderungen einschließlich spezieller Prüfverfahren“ handelt es sich um eine Produktnorm, die die Hersteller für eine CE-Kennzeichnung von elektrischen Antrieben (also auch Frequenzumrichtern) einhalten müssen. Diese Produktnorm definiert die Klassen C1 bis C4 mit unterschiedlichen Grenzwerten für unterschiedliche Umgebungen.

Klasse Umgebung EMV-Sachverstand
C1 Wohnbereich -
C2 Wohn+Industriebereich EMV Kundiger
C3 Industriebereich EMV Kundiger
C4 Industriebereich EMV-Plan


Geräte der Klasse C1 erzeugen die geringsten Störaussendungen, sind aber auch teuer und haben eine geringere Störfestigkeit. Je höher die Klasse wird, desto weniger EMV-Massnahmen zur Begrenzung der Störaussendung sind in einem Gerät integriert und die Anforderungen an das Wissen der Anwender über EMV bei der Projektierung, Installation und Betrieb steigen. Allerdings sinken mit der Reduzierung der Filtermaßnahmen üblicherweise die Gerätepreise. Abhängig von seinem EMV-Wissen kann der Anwender wählen, welche Klasse er einsetzen möchte und welche zusätzlichen EMV-Maßnahmen er treffen will. Allerdings ist er dann laut Produktnorm auch für die EMV-Störungen verantwortlich, die die Geräte erzeugen. Dies bedeutet, dass er bei Auftreten von Störungen durch EMVAussendungen auf seine Kosten für deren Beseitigung zu sorgen hat. Oder anders ausgedrückt: Der Hersteller des Antriebssystems gewährleistet nur die Einhaltung der Grenzwerte gemäß der angegebenen C-Kategorie.Setzt der Anwender beispielsweise ein C3-Gerät ein und verzichtet aus Preisgründen auf weitere Filtermaßnahmen, kann er nicht den Gerätehersteller für Probleme in der Anlage verantwortlich machen.

Die „Netznorm“ EN 61000-3-12

Um zu gewährleisten, dass elektrische Verbraucher die Netze nicht zu stark mit Oberwellen belasten, definiert u.a. die DIN EN 61000-3-12 Grenzwerte für Oberschwingungen. Sie betrachtet Oberschwingungen für Geräte bis 75 A im Frequenzbereich von 0 bis 2 kHz.   Ein markanter Grenzwert der EN 61000-3-12 ist die Festlegung auf einen THD-Wert (Total Harmonic Distortion; Gesamte harmonische Verzerrung) von 40 % für die fünfte Oberwelle. Allerdings ist nicht festgelegt, dass Geräte diesen Grenzwert serienmäßig erreichen müssen. Es kann durchaus sein, dass das Gerät für die Einhaltung dieses Grenzwerts einen zusätzlichen  (externen) Filter benötigt. Diese Regelung ermöglicht den Einsatz zentraler Entstörmaßnahmen.   Setzt der Anwender Umrichter ohne Filtermaßnahmen ein, breiten sich deren Störungen im Netz aus. Die Auswirkungen sind aber nicht unbedingt sofort zu erkennen. Summieren sich mit dem Einsatz von immer mehr Umrichtern die Störungen auf, kann es zu unterschiedlichsten Phänomenen kommen. Die Bandbreite der Auswirkungen reicht von Netzunsymmetrie- oder Netzausfallmeldungen unterschiedlichster Geräte bis hin zu Schäden an Transformatoren. Welche Phänomene auftreten, hängt vom Aufbau des Netzes ab.   Um den nachträglichen Aufwand zur Lokalisierung und anschließenden Beseitigung von Störungen zu minimieren, sollte der Anwender deshalb schon vor dem Kauf von Umrichtern prüfen, ob geeignete Maßnahmen bereits im Umrichter integriert sind und welcher Aufwand bei nachrüstbaren bzw. externen Filtern entsteht.

Technische Möglichkeiten zur Reduzierung von Netzrückwirkungen von Umrichtern sind:
•      Drosseln am Frequenzumrichtereingang
•      Drosseln im Zwischenkreis des Umrichters
•      12-, 18- oder 24-pulsige Gleichrichter
•      Passive oder Aktive Filter
•      Active Front End und Low Harmonic Drives
 
Mit zunehmender Effektivität der Maßnahmen steigen auch die Anschaffungskosten für diese Komponenten. Außerdem unterscheiden sie sich in den Verlusten, die sie erzeugen und damit in den laufenden Betriebskosten. Eine sehr einfache und effektive Maßnahme stellt dabei die Verwendung von Drosseln dar. Sie lassen sich vor das Gerät oder direkt in den Zwischenkreis schalten. Die Wirkung der Drosseln vor dem Umrichter oder in dessen Zwischenkreis ist vergleichbar. Externe Drosseln haben den Nachteil, zusätzliche Verluste zu erzeugen, erhöhen aber den Schutz des Umrichters gegen Netztransienten. Die Verwendung der Drosseln im Zwischenkreis hat den Vorteil, den Ladestrom des Kondensators zu glätten und dadurch seine Lebensdauer zu verlängern. Bei gleicher Wirkung ist die Zwischenkreisdrossel kleiner und kostengünstiger.
 
Empfehlung

Gibt es keine übergeordnete Produktnorm, müssen Geräte die EMV-Grenzwerte der EN 55011 einhalten. Wenn es eine übergeordnete Norm gibt, ist eine Aussage zu den in der EN 55011 definierten Klassen nicht zwingend notwendig. Allerdings lehnen sich viele Produktnormen, wie auch die für Frequenzumrichter zutreffende, an diese Grenzwerte an.


Vergleichbare Grenzwerte Störaussendung
EN 55011 EN 61800-3
Klasse B (1+2) Klasse C1
Klasse A1 Klasse C2
Klasse A2 Klasse C3
- Klasse C4


Kommt es im Betrieb dazu, dass sich unterschiedliche Geräte beeinflussen, werden zur Klärung der Probleme häufig die Grenzwerte der EN 55011 herangezogen. Dabei ist zu beachten, dass die Klasse A2 dieser Norm für Frequenzumrichter nicht anwendbar ist (s. o.).

Für die Gewährleistung eines zuverlässigen Betriebs sollten Umrichter deshalb die folgenden Klassen einhalten:

Bereich / Umgebung EN 55011 EN 61800-3
Umgebung 1 / Wohnbereich Klasse B Klasse C1
Umgebung 2 / Industriebereich Klasse A1 Klasse C2
Um spätere Diskussionen zu vermeiden bzw. zu vereinfachen, ist es empfehlenswert, dass der Anwender von vornherein klärt, ob der Umrichterhersteller für seine Geräte auch Aussagen zur EN 55011 trifft.

Weiterhin sollte er klären, unter welchen Bedingungen die Geräte die Grenzwerte der EN 61000-3-12 einhalten. Dabei ist es für den Betreiber der Anlage von Vorteil, wenn die entsprechenden Komponenten zur Reduzierung der Oberschwingungen bereits in die Geräte integriert sind, wie es beispielsweise bei Danfoss der Fall ist.

Zum einen spart er sich den zusätzlichen Aufwand an EMV-gerechter Verkabelung, zum anderen übernimmt er bei der selbst durchgeführten Verdrahtung die Verantwortung, alle Grenzwerte einzuhalten. Außerdem muss er Platzbedarf und elektrische Verluste externer Filter nicht bei der Projektierung mit berücksichtigen.

Einsparungen auf Kosten von schlechteren EMV-Maßnahmen können große Kosten für Nachrüstung, zusätzliche Verluste und Klimatisierung nach sich ziehen.

Weitere Informationen können Sie der EMV-Broschüre von Danfoss entnehmen, die Sie hier herunterladen können oder bei uns bestellen können.

Frequenzumrichter: EMV-Normen für Produkt und Umgebung Anwender für Einhaltung der jeweiligen Grenzwerte verantwortlich

Bei Planung, Errichtung und Erweiterung elektrotechnischer Installationen sind heute Maßnahmen zur Einhaltung elektro­magnetischer Verträglichkeit (EMV) Stand der Technik und in vielen Fällen unabdingbar.