Zakłócenia elektromagnetyczne – O czym powinni wiedzieć użytkownicy napędów

Przemienniki częstotliwości stosowane w napędach mają skłonność do generowania elektromagnetycznych zakłóceń (EMI) i jednocześnie są na nie podatne. Producenci napędów i instalatorzy mogą minimalizować EMI, zwiększając kompatybilność elektromagnetyczną poprzez uziemianie, ekranowanie itd.

Staranna selekcja kabli z punktu widzenia EMC jest bardzo istotna. SEW Eurodrive zaleca 10 cm odstęp między kablami grupy I i II oraz 20 cm między grupami II i III oraz III i IV.
Szybko przełączalne tranzystory mocy i wyjścia z modulacją szerokości impulsów (PWM) w przemiennikach częstotliwości i generowane przez nie szybkie zmiany napięcia są przyczyną powstawania zakłóceń elektromagnetycznych. EMI odnosi się do każdego zakłócenia normalnej pracy urządzenia (oraz napędu). Wyróżnia się dwa główne rodzaje EMI: przewodzone (o zakresie częstotliwości 150 kHz ? 30 MHz), powodowane niepożądanym przepływem energii przez kable i złącza, oraz promieniowane EMI (30 MHz ? 1 GHz), będące efektem propagacji fali w przestrzeni. Istnieje kilka mechanizmów przenoszenia się zakłóceń elektromagnetycznych, które zostały opisane poniżej.
Projekt i montaż napędu muszą uwzględniać istnienie EMI i aktywnie z nimi walczyć po to, aby zapobiegać zmniejszeniu wydajności lub, w skrajnych przypadkach, uszkodzeniu napędu. Równie ważnym celem jest zmniejszenie niekorzystnego wpływu na pozostałe urządzenia. Kompatybilność elekromagnetyczna (EMC) określa ogólne zasady przeciwdziałania zakłóceniom.
Dopuszczalny limit EMI jest zmienny i zależy od miejsca montażu napędu. Główny międzynarodowy standard EMC dla napędów (IEC 61800-3) określa dwa podstawowe obszary zastosowań napędu ? obszar zamieszkany (włącznie z biurami i szpitalami) oraz obszar przemysłowy, dla których zdefiniowano oddzielne limity EMI.
Niekorzystne sprzężenia
Nawiązując do słów Matta Murraya, będącego wewnętrznym trenerem w SEW Eurodrive, wyróżnić można dwa główne wskaźniki EMI: emisję (maksymalną wartość interferencji, które napęd jest wstanie przekazać innym urządzeniom) oraz podatność (czyli jaka jest maksymalna wielkość EMI, która nie zakłóca pracy napędu). ? Przemysłowe instalacje mają większe limity EMI, ponieważ ryzyko niekorzystnego wpływu na człowieka jest mniejsze, a urządzenia przemysłowe są mniej czułe na zakłócenia ? stwierdził Murray.
Firma Baldor Electric także rozróżnia emisję i podatność, ale interpretuje to ostatnie jako odporność lub zdolność napędu do poprawnej pracy przy EMI pochodzącym gdzieś z systemu. Rick Kirkpatrick, menedżer sprzedaży napędów serii V*S w Baldor, podaje przykłady trudnych aplikacji napędowych znajdujących się w otoczeniu dużej liczby przyrządów, włączając w to stanowiska pomiarowe i dynamometryczne oraz szpitale. ? Praca bardzo czułych przyrządów może być zakłócana przez generowane przez napędy EMI. Niekorzystne zakłócenia mogą spowodować błędną pracę lub nawet wyłączenie systemów podtrzymujących życie ? dodaje. Napędy w szpitalnych systemach sanitarnych mogą się okazać źródłem emisji zakłóceń.

Filtry to klucz do łagodzenia EMI. Przedstawione na rysunku komponenty to fragment szerokiej oferty filtrów RFI/EMC firmy Block USA LP do napędowych przemienników częstotliwości i innych urządzeń energoelektronicznych. Trójfazowa seria HLD-110 stosowana po stronie zasilania może filtrować sygnały o napięciu o maksymalnym 520 V i prądzie do 30 A (na pojedynczą fazę).
? Odporność napędów to zupełnie inna historia ? kontynuuje Kirkpatrick. ? Na przykład procesowi spawania towarzyszą niekorzystne warunki,które mogą być przyczyną samoczynnego wyłączania się napędów, ale często wini się napęd, a nie źródło zakłóceń (spawanie). Napęd prądu zmiennego w pobliżu napędu prądu stałego to kolejne zagrożenie EMI. Kirkpatrick dodaje, że napęd DC może powodować ?zafalowania? linii AC, które mogą być groźne dla napędów AC wyposażonych w tyrystory SCR. Na szczęście mniejsza niż kiedyś popularność napędów DC powoduje, że tego problemu nie obserwuje się już tak często.
Beckhoff Automation zaznacza, że skłonność serwonapędów (lub innych nowoczesnych napędów) do generowania bardzo silnych zakłóceń przewodzonych jest efektem dużej pojemności między napędem a uziemieniem, będącej wynikową pojemnością kabli silnikowych i połączeń wewnątrz silnika. ? Częstotliwość przeładowań tej pojemności jest zbliżona do częstotliwości generatora PWM napędu ? mówi Bob Swalley, inżynier aplikacji i wsparcia w Beckhoff.
? EMI może przenosić się w różny sposób ? zaznacza Swalley. Przewodzony szum jest generowany przez prąd płynący między napędem a silnikiem. Szumy te przenoszone są do innych komponentów przez wspólne przewody. Sprzężenie przez impedancję ma miejsce wtedy, gdy obwody o zróżnicowanej mocy mają wspólne przewody zasilania i uziemienia, na których występują spadki napięcia. Innym mechanizmem przenoszenia EMI jest promieniowanie zakłóceń spowodowane przez źródła promieniowania pola elektrycznego i magnetycznego. ? Sprzężenie elektryczne jest spowodowane różnicą napięć między przewodnikami (takimi jak w kondensatorach), sprzężenie magnetyczne natomiast przepływem prądów w przewodnikach, podobnie jak transformatorach ? wyjaśnia Swalley.
Dla firmy ABB główna różnica między aplikacjami dla obszarów zamieszkanych i przemysłowych wynika z faktu stosowania lub nie specjalnych koryt kablowych i odpowiedniego prowadzenia właściwych przewodów. ? Stosowanie wspólnych koryt kablowych prowadzi do sprzężeń pojemnościowych wyjściowego sygnału mocy PWM z przewodami zasilania i innymi kablami ? stwierdza Mike Olson, menedżer ds. sterowania i energoelektroniki w systemach sanitarnych w ABB. ? Przeszkoleni przez producenta napędu klienci przemysłowi znacznie częściej instalują droższe kable dedykowane do przemienników częstotliwości.
W przeciwieństwie do klientów przemysłowych odbiorcy indywidualni często wykorzystują możliwie najtańsze okablowanie. ? Niedrogie okablowanie zapewnia poprawną pracę urządzenia, jeśli zostanie umieszczone w odpowiednio uziemionych i połączonych metalowych korytach kablowych, a urządzenie zostanie podłączone przy pomocy czterech przewodów (zasilanie oraz uziemienie). Może jednak sprawić kłopoty, jeśli przewody poprowadzono niedbale i nie zastosowano uziemienia ? stwierdza Olson. ? Co więcej, szpitale, lotniska, szkoły itp. często mają urządzenia wrażliwe na EMI/RFI, co jeszcze bardziej pogarsza sytuację ? dodaje.
Uziemianie, uziemianie?
Ponieważ walka z EMI dotyczy całego systemu (napędów, sterowania, szaf sterowniczych, okablowania), odpowiednie uziemienie wszystkich elementów to klucz do sukcesu. Wszyscy respondenci tego artykułu byli co do tego zgodni.
W długiej karierze Olsona niemal wszystkie problemy z szumem elektrycznym były spowodowane niewłaściwym montażem. ? Bardzo duża część problemów wynikała ze złego uziemienia ? mówi Olson. Aby uniknąć problemów z EMI/RFI, stanowczo poleca zatrudnienie doświadczonej i wysoko wykwalifikowanej ekipy, która zainstaluje przemiennik częstotliwości i zagwarantuje, że instrukcje instalacji urządzenia dostarczone przez producenta zostały zrealizowane ?co do słowa?.
SEW Eurodrive podkreśla znaczenie poprawnego uziemiania urządzeń. ? W rzeczywistości, stanowi to numer jeden problemów EMI w większości instalacji naszych klientów ? sugeruje Murray. Początkujący instalatorzy często popełniają jakiś błąd w okablowaniu; przepisy w USA nie poświęcają wystarczająco dużo uwagi zagadnieniom poprawnego uziemiania.
Murray przywołuje najczęściej spotykane praktyki uziemiania: uziemianie w celu przeciwdziałania szumom niskiej częstotliwości i porażeniu prądem oraz uziemianie chroniące przed szumami wysokoczęstotliwościowymi, które jest najbardziej istotne z punktu widzenia minimalizacji EMI. Niektórzy instalatorzy wierzą, że ?uziemienie to zielono-żółty przewód i dopóki ma połączenie z zaciskiem śrubowym obok koryta kablowego?, wszystko jest OK. ? To rozwiązanie nie zapewnia odpowiedniego uziemienia z punktu widzenia EMC ? wyjaśnia Murray.
Przepływ przez przewodnik sygnału o wysokiej częstotliwości powoduje powstawanie efektu naskórkowości ? elektrony nie płyną całym przekrojem przewodnika, ale jedynie jego powierzchnią zewnętrzną. Aby pozbyć się wysokoczęstotliwościowego szumu, trzeba upewnić się, że powierzchnia styku złączy uziemienia jest odpowiednio duża. ? Uziemienie ekranu we właściwy sposób ? po całym obwodzie ? jest szansą na pozbycie się szumu ? stwierdza Murray. Dodatkowo, wszystkie elementy i urządzenia systemu muszą mieć jeden wspólny punkt odniesienia dla uziemień nisko- i wysokoczęstotliwościowych.
Rada dla użytkowników
ABB rekomenduje stosowanie metalowych koryt lub specjalnych kabli z ekranowaniem (z trzema symetrycznymi przewodami uziemiającymi i trzema symetrycznymi przewodami zasilającymi silnik). Oddzielne metalowe koryta są wymagane dla kabli:

  • zasilających napęd
  • silnikowych
  • zasilających obwody jednofazowe
  • komunikacyjnych i zasilających 24 V

? Z tego powodu do każdego zainstalowanego przemiennika częstotliwości powinny być doprowadzone przynajmniej trzy oddzielne metalowe koryta, które są odpowiednio połączone i uziemione ? stwierdza Olson.
Zalecenia SEW Eurodrive są zależne przede wszystkim od obszaru stosowania napędów i związanych z nimi wymagań dotyczących filtrów na wejściu i/lub wyjściu przemienników. ? Oferujemy (podobnie jak inni) dwie serie tych samych przemienników ? jedną bez, a drugą z filtrami EMI ? stwierdza Murray. ? Małe przemysłowe napędy mają zwykle wbudowany filtr EMI, natomiast do wersji cywilnych typowo stosujemy zewnętrzny filtr wyjściowy. Dla SEW jest to ekonomicznie uzasadnione. W Europie napędy zdają się być droższe ze względu na bardziej surowe wymagania EMC i potrzebę większej kompatybilności ? nadmienia Murray.
Poprawne prowadzenie kabli to inny bardzo istotny aspekt EMC. SEW Eurodrive potwierdza, że wcale nie tak trudno zobaczyć aplikacje z niskonapięciowym kablem enkodera (24 VDC) rzuconym na wyjściowy kabel mocy z sygnałem 460 V z generatora PWM. W efekcie każdy przewodnik w systemie staje się nadajnikiem lub odbiornikiem zakłóceń. Rada: upewnij się, że sygnał enkodera (i innych niskonapięciowych sygnałów) jest odpowiednio ekranowany. W większych aplikacjach z dużą ilością napędów i podsystemów SEW rekomenduje gruntowne przeanalizowanie wymagań EMC, które powinno być przeprowadzone przez inżyniera aplikacji.
W Baldor Electric sposobem na zakłócenia powodowane przez napęd  jest zawsze wejściowy filtr EMI/EMC. ? Filtr umieszczony przed napędem, na jego linii zasilającej, zmniejsza ilość szumu, który napęd wprowadza do sieci, pomagając tym samym złagodzić interferencje w całym systemie ? stwierdza Kirkpatrick. Dobre jednostronne uziemienie napędu jest zwykle lekarstwem na jego odporność na zakłócenia. W niektórych przypadkach zwiększonej ilości zakłóceń, może być konieczne przeprojektowanie obwodów przemiennika, aby stworzyć dodatkowe płaszczyzny uziemiające.
Baldor także oferuje napędy w wersjach bez i z filtrem EMI. Napędy bez filtrów są sprzedawane przede wszystkim w USA. Wersje z filtrami są przeznaczone na rynki krajów, w których obowiązuje znak CE lub do zastosowań wewnątrz USA, jeśli EMI powodowane przez napędy stanowi problem. Do wersji napędów bez filtrów firma rekomenduje w takich sytuacjach zewnętrzne filtry.
Część europejskich producentów napędów oferuje tylko jedną wersję napędów ? z wbudowanymi filtrami ?  ponieważ uważają, że jest to tańsze rozwiązanie.
Nowoczesne konstrukcje przemienników częstotliwości stosowanych w napędach także łagodzą EMI. ? Producenci przemienników wysokiej jakości poświęcają teraz dużo uwagi na odpowiednie rozmieszczenie elementów w ich wnętrzu i prawidłowe prowadzenie ścieżek tak, aby uniknąć przenoszenia się sygnałów wysokiej częstotliwoścido linii zasilania ? dodaje Olson z ABB. Wbudowane w przemienniki ABB filtry dolnoprzepustowe RFI/EMI nie są w stanie trzymać zakłóceń na wodzy tylko w najgorszych instalacjach.
Frank J.Bartos pełni w Control Engineering funkcję redaktora specjalisty. Napisz do niego: braunbart@sbcglobal.net
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE
W jaki sposób użytkownicy powinni przeciwdziałać lub redukować EMI
Beckhoff Automation prosi użytkowników o przemyślane kablowanie i rozważenie następujących punktów:

  1. Do wszystkich cewek stosuj elementy przeciwprzepięciowe.
  2. Do połączeń między silnikiem a przemiennikiem częstotliwości używaj wyłącznie dedykowanego przez producenta okablowania.
  3. Używaj skręconych parami kabli i przesyłaj sygnały różnicowe oraz ekranuj wszystkie kable przenoszące niskonapięciowe sygnały, aby powstrzymać interferencje z obwodów mocy, takich jak silniki i przekaźniki.
  4. Nie twórz pętli mas ? stosuj jeden wspólny punkt uziemienia.
  5. Odseparuj kable pomiarowe i sterowania od kabli zasilających i silnikowych. Kable z różnych grup (zobacz tabelę na pierwszej stronie artykułu) umieszczaj pod kątem prostym.
  6. Używaj transformatorów separujących i jeśli to konieczne, filtrów sygnałów na liniach zasilających, aby nie przenosić zakłóceń na inne urządzenia.