In den zunehmend vernetzten Industrieumgebungen wird elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) immer wichtiger. Denn vor allem in Industrieanlagen, in denen Motoren eingesetzt werden, die von Frequenzumrichtern gesteuert werden, kann es zu unerwünschten Strömen, sogenannten Ableitströmen, auf Schutzerdleitungen (PE) und Potentialausgleichsleitungen (PA) kommen. Diese haben oft negative Auswirkungen auf Maschinen und Anlagen. Die Technische Universität (TU) Darmstadt hat daher das Forschungsprojekt „PEPA“ initiiert, zur „Bestimmung, Vorhersage und Reduzierung von PE-/PA-Strömen in Netzen mit hohem Anteil von Frequenzumrichtern.“ Es wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen der Ausschreibung „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“. Die Projektpartner aus Forschung und Industrie arbeiteten unter der Projektleitung von Projektträger Jülich an verschiedenen Aspekten des Themas – darunter auch der führende Anbieter für integrierte Lösungen und Markenprodukte im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie, der in dem Projekt die zeroCM®-Technologie zur Reduktion von Ableitströmen entwickelt hat. Seit November 2023 läuft die zweite Runde von PEPA mit einem Komplettbudget von 1,39 Millionen Euro mit einer Laufzeit von drei Jahren. LAPP arbeitet in diesem Zuge an der weiteren Verbesserung der EMV bei Leitungen für die Antriebstechnik, insbesondere für Servomotoren.
Innovatives Kabeldesign erhöht EMV
Im ersten PEPA-Projekt war LAPP verantwortlich für das Arbeitspaket „Kopplungen zwischen benachbarten Leitungen sowie mit Anlagenteilen. Messungen und Optimierungen der Kabelkonstruktion“. Stefan Hilsenbeck, Head of Advanced Technology Development bei LAPP, erklärt: „Die firmenübergreifende Forschung war für LAPP interessant und attraktiv, weil wir gemeinsam mit unseren Partnern an einem komplexen Thema aus der Automatisierungs- bzw. Antriebswelt arbeiten konnten. Dabei ging es u. a. um die korrekte Auswahl und fachgerechte Installation der Verbindungskomponenten – dazu haben wir von LAPP natürlich einiges beizutragen.“
Basierend auf den Messergebnissen am Referenzaufbau, welcher innerhalb des Forschungsprojekt eigens entwickelt wurde, erarbeiteten die Ingenieure von LAPP einen neuen Ansatz für die Kabeltechnik in Hinsicht auf EMV. Bisherige Konstruktionen waren eher auf geringe Außendurchmesser und optische Symmetrie getrimmt, das Problem EMV wurde meist durch Schirmung gelöst. Mit zeroCM® geht LAPP jetzt einen anderen Weg: Die Leitung ist visuell unsymmetrisch, erzielt aber komplette elektromagnetische Symmetrie bei gleichzeitig reduziertem Einsatz von Schirmung. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes wurde mit einer Prototypleitung, zwischenzeitlich als ÖLFLEX® SERVO FD zeroCM ein Serienprodukt, im Forschungsprojet durch Versuche bei den Projektpartnern bestätigt.
PEPA 2: Weitere Entwicklungsarbeit für die Zukunft der Smart Factory
Die neue Technologie beseitigt zwar nicht die Ursachen von Ableitströmen, reduziert diese jedoch um bis zu 80 Prozent. Das führt zudem zu verringerter Last am Frequenzumrichter, so dass längere Kabel verwendet werden können, ohne die Spezifikationen des Umrichters zu übersteigen. Zudem unterbindet zeroCM®-Technologie Spannungspegel auf dem Masse- / Erdpotential auf der Verbraucherseite, was besonders wichtig ist, wenn etwa Analoggeber oder andere empfindliche Sensoren zum Einsatz kommen.
In der zweiten Runde des Forschungsprojekts analysiert LAPP die Rolle von Hybridleitungen bei Störstromflüssen und arbeitet an einer sogenannten One-Cable-Solution (OCS) für Servomotoren. Der Hintergrund: Servomotoren, wie sie in industriellen Maschinen und Anlagen oft zum Einsatz kommen, werden herkömmlicherweise von zwei Kabeln gespeist – eine Energieleitung und eine Datenleitung, die verschiedene Parameter wie die Drehzahl, Winkelstellung des Rotors oder die Temperatur an die Steuerung übermittelt. Bei Ein-Kabel-Lösungen werden Daten- und Energie-Adern in einem gemeinsamen Kabel integriert. Hier bietet LAPP heute bereits eine breite Produktpalette konform zu den gängigen Herstellern und Übertragungsstandards an. Bei der Entwicklung solcher Leitungen muss sehr darauf geachtet werden, dass die starken Ströme in der Energieleitung nicht auf den empfindlichen Datenkanal der Steuerleitung „übersprechen“, also zu Störsignalen führen können.
Der innovative zeroCM®-Technologieansatz soll dabei zum Einsatz kommen, um neben der Reduktion von Ableitströmen nun auch Querkopplungen bei kombinierten Energie- und Steuerleitungen für Servomotoren weiter zu reduzieren. Die Vorteile einer Lösung mit nur einem Kabel sind vielfältig: Ein Kabel nimmt weniger Raum ein als zwei, der Ansatz spart Material, reduziert die Komplexität beim Anschluss und erleichtert die dynamische Führung von Leitungen, etwa in Schleppketten.
Stefan Hilsenbeck kommentiert: „Wir waren mit dem Ergebnis von PEPA hochzufrieden: Nicht nur haben wir mit der zeroCM®-Technologie eine Innovation entwickelt, die unseren Kunden handfeste Vorteile im Rahmen der Entwicklung Richtung Smart Factory bietet, sondern wir konnten zudem generell wichtiges Know-how aufbauen zu Themen wie EMV und Antriebstechnik, die für unsere Kunden und uns selbst hochrelevant sind. Deshalb waren wir auch beim Nachfolgeprojekt PEPA2 sofort an Bord und freuen uns auf die Gelegenheit, mit unseren Partnern aus Forschung und Industrie, darunter SEW, Danfoss, Magnetec, Bender und Dovitech zusammenzuarbeiten.“
Die Mitarbeit von LAPP bei PEPA und PEPA2 gliedert sich ein in eine ganze Reihe von Forschungsprojekten, an denen das Unternehmen beteiligt ist, darunter Projekte zu Gleichstrom (DC-INDUSTRIE, DC-INDUSTRIE2, ODCA), Energienetzen in automatisierten Produktionsanlagen (DC|hyPASim) oder der Entwicklung von Lösungen für bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV, BIPV2 und BALDACHIN).