Greiner Schaltanlagen GmbH

Einsatz geschirmter Schränke in Schaltanlagen

Automatische Steuerungs- und Regelungsanlagen sind heutzutage fester Bestandteil fast aller industrieller Produktionsprozesse. Immer leistungsfähigere Rechneranlagen übernehmen die Kontrolle über immer komplexer werdende Fertigungsabläufe. Mit zunehmender Automatisierung wachsen aber auch die Sicherheitsanforderungen an solche Anlagen. Im Zeitalter der Just-in-Time-Produktion können selbst kurzzeitige Produktionsausfälle mit enormen Kosten verbunden sein. Um Störungen und Ausfälle durch elektromagnetische Beeinflussung der Steuerung zu verhindern, kommen geschirmte Schaltschränke zum Einsatz. Häufig unbeachtet bleibt, dass ein solcher „EMV-Schrank“ lediglich Teil eines Gesamtkonzepts ist, der bei unüberlegtem Einsatz weitgehend wirkungslos bleiben muss.

Zur Schirmung störempfindlicher Steuerungselektronik gegen elektrostatische, niederfrequente elektrische und hochfrequente elektromagnetische Felder werden metallische Gehäuse oder Schränke eingesetzt.

Schirmwirkung gegen Felder

Die Schirmwirkung gegen elektrostatische Felder beruht auf einer Ladungsverschiebung in dem leitfähigen Gehäuse. Die durch ein äußeres Feld auf die Ladungsträger im Gehäusematerial einwirkenden elektrostatischen Feldkräfte bewirken eine Umverteilung der Ladungen derart, dass die von den verschobenen Ladungen ausgehenden elektrostatischen Felder die von außen einwirkenden Felder im Inneren des Gehäuse kompensieren.
In gleicher Weise wirkt die Schirmung gegen niederfrequente, quasistatische elektrische Wechselfelder. Mit wachsender Frequenz tritt jedoch in Abhängigkeit zu den Gehäuseabmessungen eine Phasenverschiebung zwischen den Feldern der umverteilten Ladungen ein, so dass eine vollständige Auslöschung der Felder im Inneren des Gehäuses nicht mehr gegeben ist.
Im hochfrequenten Bereich sind magnetisches und elektrisches Feld fest miteinander verkoppelt, im Fernfeld eines Senders über den Feldwellenwiderstand des freien Raums. Die auf das Gehäuse eintreffende elektromagnetische Welle verursacht in den leitenden Gehäusewänden Ströme, die selbst ein elektromagnetisches Feld verursachen. Die Schirmwirkung beruht in diesem Fall auf einer destruktiven Überlagerung der von außen einfallenden und der von den induzierten Strömen verursachten Felder. Die Güte einer Schirmung wird als frequenzabhängige Größe – die Schirmdämpfung – angegeben und ist von verschiedenen Material- und Geometriegrößen wie spezifischer Leitfähigkeit und Dicke des verwendeten Materials sowie den Gehäuseabmessungen abhängig.

Gehäuseöffnungen reduzieren die Schirmwirkung

Eine ideale Schirmwirkung erhält man nur für vollständig geschlossene Schirme. Für Gehäuse oder Schränke, die in der Regel aus einzelnen Elementen aufgebaut sind, bedeutet das, dass an den Verbindungsstellen durchgängige, gut leitfähige Kontaktierungen hergestellt werden müssen. Eventuell verbleibende Schlitze verhindern, ebenso wie die in der praktischen Ausführung fast immer notwendigen Gehäuseöffnungen für Belüftung oder Öffnungen für Anzeige- und Bedienelemente, die ungestörte Ladungsverschiebung oder Ausbildung von Wirbelströmen und reduzieren so die Schirmwirkung. In Abhängigkeit von den Abmessungen der Öffnungen stellen diese für höhere Frequenzen Schirmlücken dar, die ungehindert durchdrungen werden können. Im Besonderen Gehäuseschlitze können für einzelne Frequenzen als so genannte Schlitzstrahler wirken und im Gehäuseinneren Feldstärken hervorrufen, die für diese Frequenz am zu schützenden Objekt höher sein können als bei ungeschirmtem Aufbau.

Die Erdung – Potenzialanhebungen vermeiden

Ideale, geschlossene Schirme benötigen keinerlei Erdverbindung, um ihre Schirmwirkung zu erreichen. In der Praxis müssen jedoch alle Schirmteile eine Erdverbindung besitzen. Die Erdverbindungen stellen sicher, dass es zu keinen Potenzialanhebungen der Schirmteile gegenüber Erde kommen kann, die eine Personengefährdung durch zu hohe Berührungsspannungen zur Folge haben könnten und, dass bei nicht idealer Schirmauslegung, Störströme gegen Erde abgeleitet werden können. Dazu ist die Erdung so zu gestalten, dass eine niederimpedante Verbindung auch für den hochfrequenten Bereich besteht, was durch die Verwendung von Erdungsbändern oder feinadriger, verdrillter Litzen erreicht werden kann.

Kabeleinführungen

Die in der Regel notwendigerweise in ein Schirmgehäuse einzuführenden Leitungen und Kabel können, wenn sie ungefiltert eingeführt werden, die Schirmwirkung vollständig zunichte machen. Äußere elektromagnetische Felder induzieren in ungeschirmten Kabeln hochfrequente Störströme, die durch die Antennenwirkung der im geschirmten Raum verlegten Kabelanteile dort wieder ein elektromagnetisches Feld abstrahlen. Bei solchen Kabeln ist dafür zu sorgen, dass sie im Innern des geschirmten Raums störstromfrei gehalten werden. Das kann dadurch geschehen, dass das Kabel durch eine Kabelschirmung, die in geeigneter Weise mit dem Schirmgehäuse verbunden sein muss, mit in den Schirmraum integriert wird. Der Kabelschirm muss als eine Erweiterung des Gehäuseschirms betrachtet werden, wobei darauf zu achten ist, dass der Kabelschirm am fernen Ende ebenfalls geschlossen ist.

Geschlossene Konzepte – Öffnungen auf das Nötigste begrenzen

Für die optimale Integration störempfindlicher Steuerungselektronik in ein Schaltanlagensystem stehen speziell entwickelte EMV-Schränke mit hohen Schirmdämpfungswerten zur Verfügung.
Ideale Schirmwirkungen lassen sich nur durch vollständig geschlossene Schirme erzielen, weshalb bei der Schrankkonstruktion besonderes Augenmerk auf die Ausgestaltung der technisch notwendigen Gehäuseöffnungen gerichtet werden muss.
Gehäuseöffnungen:
Technisch einsetzbare Schirmschränke bestehen aus einzelnen Teilen, die nach dem Zusammenbau Fugen und Spalten aufweisen. Solche Fugen stellen für sich ausbildende Schirmströme bei einfachem Zusammenstecken oder Schrauben hohe Impedanzen dar, die die freie Ausbildung der Schirmströme beeinflussen und bei geeigneten Abmessungen als Schlitzstrahler fungieren können. Idealerweise sollten solche Fugen verschweißt oder verlötet sein, was jedoch zu einem Verlust an Funktionalität führt und in der Praxis nicht realisierbar ist. Durch den Einsatz von speziellen elektrischen Dichtungen, Federleisten oder leitfähige Kunststoffdichtungen kann jedoch bei vollem Funktionserhalt Abhilfe geschaffen werden. In Verbindung mit einer engen Verschraubung der Einzelteile werden die Übergangswiderstände minimiert und eine ausreichende Schirmdämpfung erzielt.
Anzeigeelemente benötigen Ausschnitte in einer metallischen Schirmgehäusekonstruktion, die zu einer Reduktion der Schirmwirkung führen können. Einige EMV-Schränke bieten die Möglichkeit, die Anzeigeelemente vollständig im Schirmsystem zu belassen. Eine Fronttür mit spezieller Glasscheibe ermöglicht den Blick auf Anzeigeelemente eingebauter Geräte ohne das Schirmungskonzept durchbrechen zu müssen. Die Sichtscheibe besteht aus einem leitfähigen Glas und ist über spezielle Kontakt- und Dichtungsmaterialien durchgängig gut leitfähig mit der Metallkonstruktion verbunden. Zum elektromagnetischen Verschließen von Lüftungsöffnungen werden Lochbleche mit geringen Lochquerschnitten verwendet.
Leitungseinführungen:
Zum Erhalt der Schirmwirkung der Schränke ist vom Anlagenbauer bzw. Installateur besondere Sorgfalt bei der Einführung von Kabeln und Leitungen notwendig.
Bei ungeschirmten Kabeln ist in Abhängigkeit von der Störbelastung eine geeignete Filterung direkt am Schrankeintritt notwendig.
Für den Erhalt der Schirmwirkung und die Effektivität des Filters ist die korrekte Einbauweise besonders wichtig. Bei einem Filtereinbau nach Bild 1 werden die externen Leitungen zunächst ungefiltert in das Schirmgehäuse eingeführt und erst innerhalb des Schirmgehäuses über den Filter geleitet.

In Bereichen paralleler Führung von gefilterten und ungefilterten Leitungen können Störgrößen der Leitungen vor dem Filter auf den entstörten Leitungen überkoppeln, so dass die Filterwirkung zunichte gemacht wird. Zusätzlich können die ungefiltert in das Schirmgehäuse eingeführten Leitungen elektromagnetische Felder abstrahlen, die sich dann ungehindert innerhalb des Schirmgehäuses ausbreiten und ebenfalls zu einer Störbeeinflussung führen können.
Bei korrektem Einbau ist das Filter in die Wand des Schirmgehäuses integriert und großflächig mit dieser und damit niederimpedant mit Masse verbunden (Bild 2). Es werden keine gestörten Leitungen in das Schirmgehäuse eingeführt, so dass es zu keiner Störkopplung zwischen ungefilterten und gefilterten Leitungen kommen kann.
Bei der Einführung geschirmter Kabel ist der Anschluss der Kabelschirme so auszugestalten, dass eine Erweiterung des geschirmten Raumes um den Kabelschirm erreicht wird. In diesem Fall wird die Gesamtschirmwirkung lediglich durch die Schirmwirkung des
Kabelschirmgeflechts beeinflusst.

Kabelschirm: Die Kontaktierung ist entscheidend

Die Wirkung von Kabelschirmen hängt neben Schirmkenndaten wie Leitfähigkeit, Dicke des Materials und Ausführung, z.B. Flechtart, maßgeblich von der Art der Kontaktierung ab. Auch hier muss, wie bei der Gehäuseschirmung auf ein geschlossenes Konzept geachtet werden.
Mangels geeigneter Anschlussmöglichkeiten findet man gelegentlich geschirmte Kabel, deren Schirm an der Eintrittsöffnung ohne Kontaktierung mit Masse oder weiterführenden Schirmteilen endet. In einem solchen Fall ist der Kabelschirm weitestgehend wirkungslos. Äußere Störgrößen können auf die ungeschirmten Leiterenden einkoppeln und möglicherweise vorhandene Schirmströme finden keine Ableitmöglichkeit gegen Masse, so dass auch sie auf die einzelnen Kabeladern einkoppeln können.
Eine weit verbreitete „Technik“ zur Schirmanbindung ist die Verwendung von sogenannten „Pig-tails“ (Bild 3). Hierbei wird das Schirmende zu einem dünnen Leiter zusammengedreht und über eine einfache Klemmstelle mit dem Gehäuseschirm oder einem weiterführenden Kabelschirm verbunden. Die hergestellte Masseverbindung zur Ableitung vorhandener Schirmströme besitzt, abhängig von der Länge „Pig-tail“, eine relativ hohe Impedanz, so dass die Schirmströme auf die Innenleiter überkoppeln können. Beste Schirmwirkung und optimale Störstromableitung liefert eine rundumkontaktierte Schirmanbindung an den Gehäuseschirm. Spezielle EMV-Verschraubungen, die in ihrem mechanischen Aufbau den Standard-PG-Verschraubungen entsprechen, ermöglichen eine solche Schirmauflegung (Bild 4).
Der Kabelschirm wird über den gesamten Umfang kontaktiert und großflächig mit dem metallischen Schirmgehäuse verbunden. Diese Verbindung besitzt eine niedrige Impedanz und das Gehäuse stellt die Fortsetzung des Kabelschirmes dar.

Speziell entwickelte EMV-Schranksysteme

Passend zu dem modularen GNS-Schaltschranksystem bietet die Fa. Greiner Schaltanlagen GmbH speziell entwickelte EMV-Schranksysteme an, die allen Anforderungen an die Konzeptionierung wirkungsvoller Schirmungssysteme gerecht werden (Bild 5).

Um größtmögliche Flexibilität bei der Realisierung von Anwenderanforderungen zu gewährleisten, sind die EMV-Schränke in der gleichen modularen Gerüstbauweise konstruiert wie die Standard-Schaltschränke.
Das Grundgerüst aus 50 mm breiten C-Profilschienen mit einer regelmäßigen Lochung von jeweils 25 mm trägt die äußeren Verkleidungsteile. Auf Basis eines Rastergrundmaßes nach DIN 43 660 wird im Innenbereich sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Aufbau das modulare Prinzip konsequent realisiert. Feldabmessungen erfolgen im Rastersprung von 200 mm, entsprechend DIN 41488.
Die Schränke, die in verschiedenen Variationen, u.a. mit und ohne Glastür angeboten werden, besitzen als Basiselemente von Schirmungssystemen hohe Schirmdämpfungswerte. Die Modularität des Systems ermöglicht, den Kundenanforderungen entsprechend, den Einsatz unterschiedlichen Dichtungsmaterials zum Erreichen der gewünschten Schirmdämpfungswerte. Die Bilder 6 und 7 zeigen den Schirmdämpfungsverlauf zweier exemplarischer Schrankaufbauten.
Die EMV-Palette wird komplettiert durch ein umfangreiches, praxisorientiertes Zubehörprogramm wie z.B. 19-Zoll-Schwenkrahmen. Schaltschranksockel, EMV-Dichtungsbänder, EMV-Verschraubungen u.v.m.