Frequentieomvormers installeren — EMC-aarding en lagerstromen

De STO-gids behandelt de functionele veiligheid van een frequentieomvormer (Safe Torque Off). Dit artikel behandelt een heel ander aspect van dezelfde installatie: hoe de EMC-aarding van de motorkabel en de bekabeling zelf moet worden uitgevoerd, vastgelegd in de productnorm IEC 61800-3 — en waarom een verkeerd uitgevoerde aarding op termijn tot lagerschade kan leiden, los van elke veiligheidsfunctie.

Waarom een gewone afgeschermde kabel niet genoeg is

Een frequentieomvormer schakelt de spanning naar de motor met hoge frequentie (PWM — pulse width modulation). Die snelle schakelflanken veroorzaken hoogfrequente stoorstromen die via de motorkabel kunnen uitstralen of terugvloeien naar de omvormer. Een afgeschermde motorkabel is nodig om die hoogfrequente stroom een gecontroleerd pad te geven — maar de manier waarop de afscherming wordt geaard, bepaalt of dat daadwerkelijk werkt.

360°-aarding versus een afscherm-"staart"

Een veelgemaakte installatiefout: de kabelafscherming wordt met een enkele draad (een "pigtail" of staart) op de aardrail aangesloten. Bij laagfrequente stromen werkt dat, maar bij de hoogfrequente stoorcomponenten van een PWM-schakeling heeft die enkele draad een te hoge impedantie om effectief te zijn.

De juiste uitvoering volgens IEC 61800-3-praktijk:

De afscherming wordt 360° rondom geaard, direct bij de kabeldoorvoer in de klemmenkast van zowel de omvormer als de motor — met een specifieke EMC-kabelwartel die de volledige omtrek van de afscherming contact laat maken, niet via een enkele draad.
Is een volledige 360°-wartel niet mogelijk, dan is een platgeslagen, getwiste afscherming (met een breedte van minimaal een vijfde van de lengte) een acceptabel alternatief — nog altijd beter dan een dunne pigtail.
De afscherming wordt aan beide uiteinden (omvormer- én motorzijde) geaard, niet aan slechts één kant.

Lagerstromen: een gevolg van dezelfde schakelspanning

Naast uitstraling veroorzaakt de PWM-schakelspanning ook een gemeenschappelijke-modus-spanning (common-mode voltage) over de motoras, die via de lagers naar de grond kan ontladen. Een gewone aardgeleider in de motorkabel biedt bij deze hoogfrequente stromen geen laagimpedante terugweg — het ontwerp van een aandrijfsysteem vraagt daarom om meerdere, symmetrisch rond de fasegeleiders geplaatste aardgeleiders, in plaats van één enkele PE-ader, om de laagfrequente ruis effectief terug te voeren.

Onbehandeld kunnen deze lagerstromen op termijn putjes en riffels (fluting) in het lageroppervlak veroorzaken — sluipende slijtage die pas na maanden tot lagerschade en een opvallend geluid leidt, zonder dat er ooit een elektrische fout is opgetreden in de klassieke zin. Gangbare tegenmaatregelen:

Geïsoleerde lagers (keramisch of met een isolerende coating) aan de niet-aandrijfzijde van de motor.
Aardingsborstels/-ringen op de as die de ladingsopbouw op de as actief afvoeren naar de motorbehuizing.
Common-mode-smoorspoelen of sinusfilters bij lange kabeltrajecten, die de hoogfrequente common-mode-component al bij de omvormer dempen.

Let op: welke combinatie van maatregelen nodig is (geïsoleerde lagers, aardingsring, filter) hangt af van het motorvermogen, de kabellengte en het schakelfrequentie-instelling van de omvormer — dit artikel geeft het principe, geen universeel toepasbaar recept voor elke installatie.

Praktische relevantie

Bij de installatie of vervanging van een frequentieomvormer-aandrijving (bijvoorbeeld een pomp of ventilator in een bedrijfshal of teeltbedrijf) is het van belang de motorkabel met een 360°-geaarde afscherming aan te sluiten in plaats van een pigtail, en bij lange kabeltrajecten of gevoelige nabijgelegen apparatuur (meet- en regelsystemen) vooraf te overwegen of een common-mode-smoorspoel of sinusfilter nodig is — achteraf een lagerprobleem oplossen is aanzienlijk duurder dan de installatie in één keer goed uitvoeren.

Veelgemaakte fouten

De kabelafscherming met een pigtail aansluiten in plaats van een 360°-EMC-wartel — bij hoogfrequente stoorstromen is een pigtail nauwelijks effectief.
De afscherming slechts aan één zijde aarden (bijvoorbeeld alleen bij de omvormer) — dit verstoort de bedoelde retourweg voor de hoogfrequente stroom.
Lagerschade toeschrijven aan smering of belasting zonder de mogelijkheid van lagerstromen te overwegen — vooral bij een motor die via een frequentieomvormer wordt aangestuurd en zonder geïsoleerde lagers of aardingsring is geïnstalleerd.

Frequentieomvormers installeren — EMC-aarding en lagerstromen (IEC 61800-3)