Elektromagnetische Verträglichkeit von Funkenerosionsanlagen

Wollenberg, G.
Schulze, H.-P.
Luhn, F.¹

1. CE-Kennzeichnung und EMV-Normen

1.1 Rechtliche Grundlagen und CE-Kennzeichnung

Zur Angleichung der EMV-Rechtsvorschriften wurde 1989 vom Rat der EU die EMV-Rahmenrichtlinie 89/336/EWG herausgegeben. In der Bundesrepublik wurde sie durch das Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) umgesetzt. Das EMVG trat bereits 1992 in Kraft, bis Ende 1995 galt jedoch eine Übergangsregelung. Die Durchführung obliegt dem Bundesamt für Post und Telekommunikation (BAPT).
EMV-Richtlinie und EMVG wenden sich sowohl an Inverkehrbringer als auch an Betreiber. Kernstück bilden die beiden allgemeinen Schutzanforderungen , nach denen
· der bestimmungsgemäße Betrieb von Funk-, Telekommunikations- und sonstigen Geräten durch die ausgesandten elektromagnetischen
Störungen nicht behindert werden darf;
· das betreffende Gerät seinerseits eine angemessene Störfestigkeit besitzen muß.

Für jedes inverkehrgebrachte Gerät verlangen EMV-Richtlinie und EMVG eine CE-Kennzeichnung und eine EU-Konformitätserklärung. Hersteller oder Importeur können zwischen zwei Verfahrenswegen wählen:

Abweichend von den übrigen EU-Staaten sind im bundesdeutschen EMVG Anlagen, die erst am Betriebsort zusammengesetzt werden, von der CE-Kennzeichnungspflicht ausgenommen. Die betriebsfertige Anlage muß jedoch den allgemeinen Schutzanforderungen genügen. Diese Ausnahmeregelung wurde für Industrieanlagen geschaffen, die individuell konfiguriert sind und oft zudem einem ständigen Umbau unterliegen. Für seriengefertigte Anlagen empfiehlt es sich nicht, von dieser Ausnahme Gebrauch zu machen. Ohne die Anwendung von Normen wird sowohl der Hersteller als auch der Betreiber mit der Einschätzung überfordert sein, ob die allgemeinen Schutzanforderungen eingehalten sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß die CE-Kennzeichnung auch die Beachtung weiterer Produktvorschriften (z.B. Sicherheitsvorschriften, Maschinenrichtlinie) voraussetzt.

1.2 Normeinstufung und vorgeschriebene EMV-Prüfungen

Die EN-Normen sind nach folgender Hierarchie aufgebaut:

Auf ein Produkt anzuwenden ist immer die jeweils speziellste existierende Norm. Auf die Fachgrundnorm darf nur zurückgegriffen werden, wenn weder eine Produktnorm noch eine Produktfamiliennorm existiert.

Für die Störaussendung von Erosionsmaschinen bestehen Grenzwerte bezüglich der Funkstörstrahlung (Frequenzbereich 150kHz...1GHz) und der an den Netzanschluß abgegebenen Funkstörspannung (150kHz...30MHz). Heranzuziehen ist die Produktfamilien-Norm EN 55011 (´Grenzwerte und Meßverfahren für Funkstörungen von industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Geräten´; deutsche Fassung: DIN VDE 0875 Teil 11).
Ferner bestehen Grenzwerte für die niederfrequenten Netzrückwirkungen.

Die für die Störfestigkeit eines Gerätes anzuwendenden Prüfverfahren sind vom Aufstellungsort abhängig. Erosionsmaschinen müssen auch im reinen Industriebereich betreibbar sein.
Die Maschine ist einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld (80MHz...1GHz) sowie einem 50Hz-Magnetfeld auszusetzen. Das Maschinengehäuse ist mit elektrostatischen Entladungen (´ESD´) zu beaufschlagen.
Die Netzeingänge und soweit vorhanden auch die externen Steueranschlüsse sind einer Hochfrequenzspannung (150kHz...80MHz) sowie schnellen Transienten (´Burst´) auszusetzen, die das Zu- oder Abschalten von induktiven Lasten nachbilden sollen. Der Erdanschluß ebenfalls mit Hochfrequenzspannung zu beaufschlagen.
Die Grenzwerte sind in der Fachgrundnorm EN 50082 (´EMV: Störfestigkeit´) festgelegt. Eine deutliche Ausweitung der Störfestigkeitsprüfungen ist geplant und bereits im Anhang der Norm beschrieben.
Erosionsmaschinen verursachen EMV-Probleme insbesondere durch ihre starke Hochfrequenzabstrahlung: Die auftretenden Ströme und Spannungen weisen einen hohen Oberschwingungsgehalt auf. Bei der Kontaktierung des Arbeitsspaltes wird zudem zwangsläufig eine große Leiterschleife aufgespannt, die sich als effektive Antenne erweist. Hier sei daher aus dem umfangreichen Gebiet der EMV die Problematik der Funkstörstrahlung herausgegriffen.

1.3 Geräteeinstufung und Meßbedingungen für die Funkstörstrahlung

Die Norm EN 55011 sieht eine Einteilung in zwei Gerätegruppen vor. Funkenerosionsmaschinen werden ausdrücklich in Gruppe 2 eingestuft.

Zusätzlich erfolgt eine Einstufung in zwei Netzanschluß-Klassen: Geräte, die nur an einem reinen Industrie- oder Gewerbenetz betrieben werden dürfen, werden Klasse A zugeordnet. Geräte, die an einem Netz betrieben werden, das auch Wohngebäude versorgt, fallen in die strengere Klasse B.
In Bild 1 sind die Grenzwerte für Geräte der Klassen A und B beispielhaft im Frequenzband zwischen 30MHz und 300MHz aufgetragen. Die Grenzwerte der Klasse B liegen über weite Frequenzbereiche um 10dB bis 24dB unter denen der Klasse A; dies entspricht Faktor 3 bis 16! Als weitere Verschärfung ist für Geräte der Klasse B ein kleinerer Meßabstand vorgegeben.
Die Grenzwerte der Klasse A sind also wesentlich leichter einzuhalten. Die Einstufung eines Gerätes in die Klasse A bedeutet jedoch eine kennzeichnungspflichtige Einschränkung für den Aufstellungsort, die in den Begleitpapieren der Maschine ausgewiesen sein muß. Der in kleinen und mittelständischen Maschinenbaufirmen übliche Betrieb an einem gemischten Haushalts- und Gewerbenetz ist dann nur mit einer Sondergenehmigung des BAPT zulässig. Wenn möglich ist daher eine Einstufung in Klasse B anzustreben.

Bild 1: Grenzwerte für Gerätegruppe 2 im Frequenzbereich 30MHz bis 300MHz.

Der vorgeschriebene Meßaufbau ist abhängig vom Frequenzbereich und der Netzanschluß-Klasse. Für das Meßobjekt ist immer der Betriebszustand mit der jeweils höchsten Störaussendung einzustellen. Es ist ein Meßempfänger mit Quasi-Spitzenwertgleichrichtung zu verwenden. Im Unterschied zur Spitzenwertgleichrichtung wird bei der Quasi-Spitzenwert-gleichrichtung der Spitzenwert über die Meßzeit hinweg mit einer Entladezeitkonstante bewertet. So gehen bei nicht durchgehend auftretenden Störungen neben der Amplitude auch die Dauer und die Auftrittshäufigkeit in das Meßergebnis ein. Da die Quasi-Spitzenwertmessung sehr meßzeitaufwendig ist, wird in der Praxis zunächst der Spitzenwert gemessen. Nur für die Frequenzen, für die der ermittelte Spitzenwert oberhalb des Grenzwertes liegt, wird dann gezielt in einer zweiten Messung der Quasi-Spitzenwert gemessen.

a) Meßaufbau für den Frequenzbereich 150kHz bis 30MHz:

Im Frequenzbereich unterhalb von 30MHz wird das Magnetfeld gemessen. Als Antenne dient eine Rahmenantenne. Sowohl die Antenne als auch das Meßobjekt sind bei jeder Meßfrequenz um ihre horizontalen Achsen zu drehen, bis der maximale Meßwert erreicht ist.
Geräte der Klasse A können auf einem Meßplatz mit reflektierender Grundfläche oder am Aufstellungsort vermessen werden. Der Meßabstand beträgt 30m, die Antennenhöhe 3m.
Bei der Messung am Aufstellungsort entfällt die Drehung des Meßobjektes; stattdessen müssen Messungen mindestens in vier zueinander senkrechten Richtungen erfolgen. Der Meßabstand ist von der Gebäudeaußenwand aus zu rechnen. Die Grenzwerte liegen zur Berücksichtigung der Dämpfung durch die Gebäudewand um 10dB niedriger.
Für Geräte der Klasse B sind Meßbedingungen und Grenzwerte für den Frequenzbereich unterhalb von 30MHz erst in Beratung (Normentwurf DIN VDE 0875 Teil 211).

b) Meßaufbau für den Frequenzbereich 30MHz bis 1GHz:

Im Frequenzbereich oberhalb von 30MHz wird das elektrische Feld gemessen. Als Antenne dient ein abgestimmter Dipol oder eine gleichwertige Antenne. Für jede Frequenz ist das Meßobjekt um die senkrechte Achse zu drehen, und es sind die horizontal und die vertikal polarisierte Feldkomponente zu bestimmen. Der jeweils größte Meßwert ist für den Vergleich mit den Grenzwerten heranzuziehen.

Für Geräte der Klasse A gelten für Meßgelände und Meßabstände dieselben Bedingungen wie für den Frequenzbereich unterhalb von 30MHz. Eine Messung am Aufstellungsort ist möglich. Dabei gelten wieder um 10dB erniedrigte Grenzwerte.
Geräte der Klasse B sind auf einem Meßgelände mit reflektierender Grundfläche zu vermessen. Der Meßabstand beträgt jetzt 10m. Die Antennenhöhe ist zwischen 1m und 4m zu variieren, bis der maximale Pegel erreicht ist.

Die Messung auf dem Meßplatz ist sehr aufwendig und durch die bei jeder Frequenz vorgeschriebene Drehung des Meßobjektes sehr zeitraubend. Da als Meßplatz ein normgerechtes Freifeld-Meßgelände oder eine Absorberhalle erforderlich ist, kann die Messung in der Regel nicht vom Maschinenhersteller oder Importeur selbst ausgeführt werden.
Die Messung am Aufstellungsort ist einfacher durchzuführen. Sie ist jedoch nur für Geräte der Klasse A zulässig. Zudem ermöglichen die an einem Aufstellungsort ermittelten Meßergebnisse keine Aussage, ob die Grenzwerte auch an anderen Aufstellungsorten eingehalten werden.

2. Feldstärkemessungen an Erosionsanlagen

2.1 Überblicksmessungen an Erosionsanlagen

An den institutseigenen Erosionsanlagen wurden Feldstärkemessungen am Aufstellungsort vorgenommen. Im Frequenzbereich unterhalb von 30MHz ist der Feldstärkepegel gering. Zwischen 30MHz und 300MHz ergeben sich dagegen hohe Feldstärkewerte (Bild 2). Die hier durchgeführte Überblicksmessung im Spitzenwertmodus liefert höhere Meßwerte als die in der Norm geforderte Quasi-Spitzenwertmessung. Der Grenzwert ist daher hier nur für den Größenordnungsvergleich eingezeichnet.
Bei Nahfeldmessungen erweist sich die durch die Kontaktierung des Arbeitsspaltes aufgespannte Leiterschleife (´Spaltschleife´) als Hauptstrahlungsquelle. Die Abstrahlung durch die Funkenstrecke selbst ist vernachlässigbar; sie ist genauso groß wie die jedes anderen gleichkurzen Abschnittes der Spaltschleife. Bedeutung kommt dem Funken jedoch insofern zu, als er den Stromverlauf durch die Spaltschleife bestimmt.

2.2 EMV-Untersuchungen an einem Erosionsgenerator

Die Feldstärkemessungen an den industriellen Erodiermaschinen sind für eine genauere Analyse der Abstrahlursachen wenig geeignet. Der Erodiervorgang ist nicht reproduzierbar. Die Meßergebnisse sind durch den ständig wechselnden Stromverlauf kaum interpretierbar. Zudem lassen sich die grundlegenden Vorgänge an einem weniger komplexen System weitaus besser untersuchen und darstellen. Die gefundenen Ergebnisse können dann universell übertragen werden.
Für den Leistungsteil eines Erosionsgenerators wurde daher ein Modell gebaut [1]. Als Generatortyp wurde der aus EMV-Sicht besonders kritische Hochstrom-Nadelimpulsgenerator gewählt. Der Generator ist als asymmetrische Halbbrücke geschaltet. Bild 3 zeigt das Schaltungsprinzip des Generators sowie einen typischen Stromimpuls. Die Spaltschleife wird durch eine Leiterschleife nachgebildet, das Werkstück durch einen induktivitätsarmen Widerstand. Zur Transistor-Ansteuerung dient ein Rechteckgenerator.

Bild 3:	Schaltung des Hochstromnadelimpulsgenerators und typischer Stromimpuls.

Während des Zündvorganges sind T2 und DZ leitend, während des Leistungsimpulses T1 und T2. Nach dem Abschalten kommutiert der Strom auf D1 und D2. UL wirkt nun als Gegenspannung, so daß der Stromabfall doppelt so steil ist wie der Stromanstieg.
Zunächst sei die Feldstärke in den Betriebsarten Leerlauf und Kurzschluß verglichen (Bild 4). Diese beiden Zustände markieren die beiden Extremfälle für die Amplituden und die Anstiegsgeschwindigkeiten von Strom und Spannung. Beim Erodieren wird die Abstrahlung daher zwischen den in diesen Zuständen gefundenen Werten liegen. Wie zu erwarten, ist die Feldstärke im Leerlauf gering, da hier kaum Strom fließt. Als ungünstigster Fall ist im weiteren der Kurzschluß zu untersuchen. Ferner wird zu klären sein, warum im mittleren Frequenzbereich auch im Leerlauf hohe Feldstärkepegel auftreten.

Das Magnetfeld wurde mit Hilfe einer Dreifach-Rahmenantenne gemessen und auf 3m Meßabstand umgerechnet. Das elektrische Feld wurde mit Hilfe einer bikonischen Antenne in 3m Abstand gemessen. Dargestellt ist die Einhüllende der Spektrallinien.

Zur Analyse der Abstrahlung seien zunächst die Abstrahlmechanismen und dann die Signalspektren betrachtet.

2.2.1 Gleich- und Gegentaktstrahler

Für das Verständnis der Abstrahlursachen erweist sich eine Klassifizierung aller Signale in Gegentakt- und Gleichtaktsignale als erforderlich.

Fließen auf Hin- und Rückleiter einer Leitung Ströme gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung, so liegt ein Gegentaktstrahler vor. Nutzsignale werden generell als Gegentaktsignal übertragen. Die ausgesandte Feldstärke ist proportional zur Fläche, die durch Hin- und Rückleiter aufgespannt wird. Sie wächst im Fernfeld quadratisch mit der Signalfrequenz.
Beim Hochstrom-Nadelimpulsgenerator ist die Spaltschleife der wichtigste Gegentaktstrahler. Sie wird von einem steilflankigen Strom durchflossen und spannt eine große Fläche auf.

Ein Gleichtaktsignal dagegen erzeugt auf allen Leitern einer Leitung Ströme gleicher Richtung. Gleichtaktströme sind grundsätzlich parasitär und werden oft bei der Geräteentwicklung übersehen. Ursache für Gleichtaktströme sind hochfrequente Potentialdifferenzen innerhalb einer Schaltung. Der Strompfad schließt sich kapazitiv gegen Erde bzw. Chassis. Es fließen daher immer dort hohe Gleichtaktströme, wo steile Spannungsflanken an Bauelementen oder Baugruppen mit großer Erdkapazität auftreten. Dies können z.B. Drosseln oder auf Kühlkörpern montierte Bauelemente sein.
Eine Leitung, die einen Gleichtaktstrom führt, wirkt als Stabantenne. Die ausgesandte Feldstärke ist proportional zur Leitungslänge und wächst im Fernfeld linear mit der Frequenz des Gleichtaktstromes. Während sich beim Gegentaktstrahler die Fernfelder beider Leiter teilweise kompensieren, addieren sich die Fernfelder beim Gleichtaktstrahler. Bereits sehr kleine Gleichtaktströme haben daher eine große Abstrahlung zur Folge. So ist beispielsweise für einen 50MHz-Gleichtaktstrom auf einer 1m langen Leitung der Klasse B-Grenzwert von 30dB(µV/m) bereits bei 50µA erreicht, der Klasse A-Grenzwert von 40dB(µV/m) bei 480µA (Modellierung als Hertzscher Dipol, Berücksichtigung der Bodenreflexionen mit 6dB).
Beim Hochstrom-Nadelimpulsgenerator wurden die höchsten Gleichtaktströme auf der Versorgungsleitung für die Treiberschaltung des Transistors T1 gefunden. Die Treiberschaltung wechselt zusammen mit Source-Anschluß des Transistors bei jedem Schaltvorgang schlagartig das Potential. Über die parasitäre Kapazität des Transistors zum Kühlkörper, die Kühlkörper-Erdkapazität und die Erdkapazität des Netzteiles schließt sich der Pfad des Gleichtaktstromes IGl zu einer großflächigen Schleife (Bild 5). Obwohl die Leitung als Nutzsignal lediglich einen Gleichstrom führt, trägt sie also wesentlich zur Abstrahlung bei.
Die Gleichtaktströme sind beim Hochstrom-Nadelimpulsgenerator die wesentliche Ursache für den auch im Leerlauf abgestrahlten Feldstärkeanteil.

2.2.2 Spektrum

Eine periodische Funktion x(t) läßt sich bekanntlich als Summe ihrer Oberschwingungen darstellen. Diese Oberschwingungen bilden diskrete Spektrallinien bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz. Zumeist interessiert nicht die Höhe jeder einzelnen Spektrallinie; die Kenntnis der Einhüllenden ist vielmehr ausreichend.
In der Leistungselektronik werden Signale überwiegend durch Schaltvorgänge erzeugt. Die Trapezfunktion ist hier daher ein besonders wichtiger Sonderfall. Das Spektrum eines Nadelimpulses hingegen läßt sich durch das Spektrum eines Sägezahnimpuls annähern. Bild 6 zeigt, wie sich für diese Signalformen die Einhüllende des Spektrums grafisch auf einfache Weise ermitteln läßt [2], [3].
Die grafische Fouriertransformation erlaubt dem Ingenieur eine schnelle und anschauliche Abschätzung, welchen Einfluß jeder einzelne Impulsparameter auf das Spektrum hat. So ist die Einhüllende des Spektrums für beide Impulsarten im unteren Frequenzbereich zunächst direkt proportional zur Amplituden-Zeitfläche einer Signalperiode. Die obere Grenzfrequenz wird durch die Flankensteilheit des Signales bestimmt.

3 Maßnahmen zur Reduzierung der Abstrahlung

Auf Gleich- und Gegentaktstrahler sind grundlegend verschiedene EMV-Maßnahmen anzuwenden.

Bei Gegentaktstrahlern sind, wo dies funktionell möglich ist, die Stromanstiegsgeschwindigkeit sowie die durch den Strom aufgespannte Fläche klein zu halten. Bei Erosionsmaschinen ist dies für die Spaltschleife problematisch. Hier bleibt unter Umständen nur die Möglichkeit einer Einhausung. Leitungen, die Gegentaktströme führen, sind zu verdrillen oder koaxial auszuführen.
Lokalisieren lassen sich Gegentaktstrahler mit Hilfe einer Nahfeldsonde für Magnetfelder. Die Sonde kann an einen Spektrumanalysator oder an ein Oszilloskop angeschlossen sein (Behelfsmäßig kann bereits ein kurzgeschlossener Oszilloskop-Tastkopf als Magnetfeldsonde dienen. Die bei Kurzschluß aufgespannte Leiterschleife wirkt als Rahmenantenne).

Bei Gleichtaktstrahlern sind die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten klein zu halten. Hochfrequente Potentialdifferenzen im Massesystem lassen sich durch eine niederinduktive Massung oder durch eine Herabsetzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit der Gegentaktströme verringern.
Gleichtaktstrahler sind mit Hilfe einer Nahfeldsonde für elektrische Felder lokalisierbar (Als einfache Sonde zum Aufspüren elektrischer Felder kann ein leerlaufender Oszilloskop-Tastkopf dienen. Die Tastspitze wirkt als Stabantenne).

Gleichtaktströme auf Signalleitungen lassen sich reduzieren, indem die Impedanz ihres Strompfades erhöht wird. Werden alle Leiter einer Leitung gemeinsam durch einen Ferritkern gezogen, so kompensieren sich die Magnetfelder der Gegentaktströme weitgehend. Der Kern ist daher für das Nutzsignal nahezu wirkungslos. Für Gleichtaktströme dagegen entspricht der Kern der Einfügung einer Induktivität. Ferritkerne sind für verschiedene Leitungsarten und Frequenzbereiche erhältlich. Um die Entstehung von Gleichtaktresonanzen zu verhindern, wird ein verlustbehaftetes Kernmaterial eingesetzt.
Aufwendiger, aber wesentlich wirkungsvoller ist eine Potentialtrennung durch Optokoppler. Gleichtaktströme können dann nur durch die äußerst geringe parasitäre Überkoppelkapazität zwischen Ein- und Ausgangsseite fließen. Diese Maßnahme empfiehlt sich u.a. für die Treiber sämtliche Leistungstransistoren. Da so weitgehend verhindert wird, daß Gleichtaktströme durch die Steuerlogik fließen, verbessert sich auch die Eigenstörsicherheit des Generators deutlich. Eine vollständige Unterbindung von Gleichtaktströmen ist durch die Verwendung von Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecken möglich. Für die Übertragung sehr kurzer Impulse, wie sie im Hochstrom-Nadelimpulsgenerator auftreten, sind dynamisch hochwertige Optokoppler oder Lichtwellenleitersysteme erforderlich, um die Impulsparameter nicht zu verfälschen.

Gleichtaktströme auf energieführenden Leitungen lassen sich ebenfalls verringern, indem die Leiter gemeinsam durch einen Kern geführt werden. Die Feldkompensation bei Gegentaktströmen verhindert eine Sättigung des Kernes durch den Nutzstrom.
Die Verwendung von verdrillten Leitungen oder Koaxialleitungen reduziert die Gleichtaktabstrahlung nicht, da diese Maßnahmen auf der Kompensation der Felder beider Leiter beruhen.
Gleichtaktströme sind mit Hilfe eines Oszilloskops mit Breitband-Strommeßzange leicht aufzuspüren, indem Hin- und Rückleiter der zu untersuchenden Leitung gemeinsam durch die Strommeßzange geführt werden. Der Gegentaktanteil der beiden Leiterströme hebt sich dann auf, und das Meßergebnis liefert direkt den Gleichtaktstrom. Da Gleichtaktströme durch schnelle Potentialänderungen verursacht werden, lassen sich Gleichtaktstrahler auch mit Hilfe einer Nahfeldsonde für elektrische Felder aufspüren.
Bild 7 zeigt die Wirkung von EMV-Maßnahmen am Beispiel des Hochstrom-Nadelimpulsgenerators. Erprobt wurde die Einhausung der Spaltschleife in ein Stahlblechgehäuse. Um die verbleibende Störfeldstärke weiter zu vermindern, wurden sämtliche Leitungen zwischen Generator, Stromversorgung und Spaltzuleitung zur Gleichtaktstromreduzierung mit Ferritkernen versehen.

Literatur

¹ Prof. Dr.-Ing. G. Wollenberg, Lehrstuhlleiter Theoretische und Allgemeine Elektrotechnik,
Dr.-Ing. H.-P. Schulze und Dipl.-Ing. F. Luhn, wissenschaftliche Mitarbeiter
Institut Allgemeine Elektrotechnik und Leistungselektronik (IELE)

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