Elektromagnetické rušení: Co by měli uživatelé měničů vědět

-- 25.04.10 21:00

Frekvenční měniče mívají tendenci generovat elektromagnetický šum (EMI) a být citlivé na rušení. Konstruktéři a montéři pohonů mohou minimalizovat EMI pomocí opatření ke zvýšení elektromagnetické kompatibility (EMC), jako je uzemnění, stínění a další prvky.

Rychlé přepínání výkonových tranzistorů a šířkově-pulsní modulace (PWM) výstupu frekvenčních měničů (VFD) vytváří velké a prudké výkyvy napětí, které generuje elektromagnetický šum neboli elektromagnetické rušení. Pod EMI spadají jakákoli rušení normálního provozu elektrických zařízení (a měničů). Jeho hlavními formami jsou EMI vedení (rozsah 150 kHz – 30 MHz), z důvodu průchodu mimořádného množství energie podél kabelových vedení, a vyzařované EMI (rozsah 30 MHz – 1 GHz) způsobené přenosem vln. U EMI existuje několik vazebních mechanismů, které jsou popsány níže. Provedení a montáž pohonu musí zmírňovat EMI, aby nedošlo ke zhoršení funkce nebo poškození pohonu.

Je nutno také omezit šíření rušení k blízkým zařízením nebo provozům. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je obecnou koncepcí pro řešení těchto otázek u elektrických zařízení. Limity EMI se liší podle toho, kde je měnič nainstalován. Hlavní mezinárodní norma EMI pro měniče (IEC 61800-3) definuje dvě instalační prostředí – obytné (včetně kanceláří a nemocnic) a průmyslové – s jinými limity EMI. V současnosti neexistuje žádná americká norma pokrývající problematiku EMC měničů (další informace na odkazu č. 1 online).

Klasifikační hlediska

Jak uvádí Matt Murray, podnikový školitel společnosti SEW Eurodrive, pro EMI a EMC platí dvě základní klasifikační hlediska: emise (limitní hodnota rušení, které může měnič způsobovat ostatním součástem systému) a citlivost (kolik EMI měnič snese, než dojde k jeho selhání). „Průmyslové instalace mají vyšší přípustné emisní limity z důvodu menší expozice pro osoby a obecně méně citlivým zařízením,“ říká Murray. Také společnost Baldor Electric rozlišuje mezi emisemi a citlivostí, ale citlivost interpretuje spíše jako odolnost neboli schopnost měničů fungovat bez zhoršení funkce za podmínek rušení EMI pocházejícího z jiných částí systému.

Rick Kirkpatrick, produktový manažer pro měniče řady V*S společnosti Baldor, uvádí příklady aplikací náročných na úroveň emisí měničů u systémů s vysokou mírou přístrojové techniky – včetně zkušebních stolic, dynamometrů a nemocnic. „Velmi citlivé přístroje mohou být „zmateny“ šumem produkovaným měničem (první případ) a mohou u mikroprocesorů životně kritických systému způsobovat zmatečný chod nebo vypnutí (druhý případ),“ říká. Měniče v rozsáhlém nemocničním klimatizačním systému by mohly být zdrojem emisí. „Odolnost měničů je jiný případ,“ pokračuje Kirkpatrick. Například svařování elektrickým obloukem je drsnou aplikací, která může způsobit vypnutí měniče, ale podezřívány jsou spíše měniče než skutečný zdroj šumu (svařování), a to z důvodu indikace poruchového hlášení.

Střídavé měniče v blízkosti stejnosměrných měničů představují další prostředí s intenzivním rušením EMI. Kirkpatrick dodává, že stejnosměrné měniče „mohou vytvářet výrazné ‚vruby‘ na průběhu střídavého napětí, což může u střídavých měničů způsobovat problém – zejména u měničů se vstupními můstky na bázi SCR.“ Nicméně velikost trhu se střídavými měniči tento problém redukuje. Společnost Beckhoff Automation upozorňuje na náchylnost servopohonů (nebo jiných vysoce výkonných pohonů) vůči velmi silnému šumu způsobenému vedením v důsledku vysoké kapacity od měniče k uzemnění v motorových kabelech a uvnitř motoru.

„Frekvence změn mezi nabitým a nenabitým stavem u této kapacity se rovná frekvenci modulace PWM měniče,“ říká Bob Swalley, technik pro aplikace a podporu společnosti Beckhoff. Vzniknout říká a následně dochází k vazbě mezi komponenty prostřednictvím propojovacích vodičů; k impedanční vazbě dochází, když zařízení v obvodu sdílejí společný zdroj energie, a tím i stejný svod k zemnicímu vodiči. „K dalším mechanismům patří vazba vyzařováním způsobená zdroji elektromagnetického pole, vazba elektrického pole způsobená rozdílem napětí mezi vodiči (jako u kondenzátorů) a vazba magnetického pole způsobená průchodem proudu ve vodičích, jako u transformátorů,“ vysvětluje Swalley. Podle názoru společnosti ABB je hlavním rozdílem mezi aplikací měničů v obytných a průmyslových oblastech časté používání lávek motorových kabelů a kombinovaných kabelových vedení v průmyslu. „To může způsobovat kapacitní vazbu vlnového průběhu PWM na výstupních kabelech se vstupními síťovými napájecími a signálovými kabely,“ říká Mike Olson, prodejní manažer pro napájecí a řídicí techniku a klimatizační systémy společnosti ABB.

Nicméně „zákazníci v průmyslu budou často instalovat dražší kabely pro frekvenční měniče, nabádá-li je k tomu výrobce měniče.“ Naproti tomu v neprůmyslových objektech se často používají ty nejlevnější jednotlivé vodiče, které ještě vyhovují místním předpisům. „Levný vodič funguje dobře, pokud je veden v řádně uzemněných a vodivě spojených kovových kabelových trasách a při použití čtyřžilového kabelu (tři vodiče a zem) – ale nefunguje příliš dobře, pokud je nedbale nainstalován nebo je použit pouze třížilový kabel,“ říká Olson. „Kromě toho se v nemocnicích, na letištích, ve školách apod., často využívají zařízení citlivá na EMI/RFI, čímž se dopad nedbalé instalace ještě zvyšuje,“ připomíná.

Zemnění, zemnění…

Protože řešení pro EMI se týkají celého systému (pohonů, motorů, skříní, kabeláže), řádné uzemnění všech prvků je zásadním klíčem k úspěchu. Jde o společné téma zmiňované všemi respondenty tohoto článku. Podle Olsonových dlouholetých zkušeností mají téměř všechny problémy s elektrickým rušením kořeny v nesprávné instalaci. „Značné procento těchto problémových instalací je způsobeno špatným nebo nedostatečným uzemněním,“ říká Olson. Pro zamezení problémů s EMI/RFI důrazně doporučuje angažovat dobře kvalifikovaného dodavatele elektrických zařízení, aby provedl instalaci frekvenčních měničů a zajistil, aby instalační pokyny výrobce měniče byly dodrženy „do posledního písmene“.

Společnost SEW Eurodrive podtrhuje důležitost náležitého uzemnění zařízení. „Ve skutečnosti jde o hlavní problém s EMI u většiny instalací zákazníků,“ říká Murray. Nové provozy mají často něco zapojeno nesprávně a zemnění se obecně u amerických instalací nevěnuje dostatečná příprava,“ říká (další informace viz internetový odkaz č. 2). Murray zmiňuje dvě různé používané metody zemnění: nízkofrekvenční (LF) uzemnění pro LF šum a ochranu před úrazem elektrickým proudem a vysokofrekvenční (HF) uzemnění, které má zásadní význam pro minimalizaci EMI. Někteří instalátoři se domnívají, že „zem je zelený vodič, a pokud je přišroubovaný k zemnici svorce v kabelové trase, vše je v pořádku.

Tato metoda je k zajištění dostatečného uzemnění pro EMC nedostatečná,“ vysvětluje Murray. Vysokofrekvenční šum je větším problémem, způsobujícím povrchový jev, kdy elektrony putují ven z vodičů. Pro odstranění tohoto HF šumu jsou nezbytná uzemnění s velkým povrchem. „Uzemnění po celém obvodu vně stínění umožňuje, aby všechen vysokofrekvenční šum pocházející z povrchového jevu přecházel do uzemnění,“ říká Murray. Všechna systémová zařízení navíc musejí mít při instalaci stejný referenční bod pro nízkofrekvenční a vysokofrekvenční uzemnění.

Doporučení uživatelům

Společnost ABB doporučuje použití kovových kabelových tras nebo kabelu pro VFD (průběžně protlačovaného pancéřového kabelu se třemi symetrickými zemnicími vodiči a třemi symetrickými fázovými vodiči). Oddělené kovové kabelové trasy jsou vyžadovány pro:

• vstupní napájení,

• výstupní (motorové) napájení,

• ovládací vodiče (115 V stříd.) a

• 24 V stejnosm. pro řídicí obvody nebo komunikační vodiče.

„Proto by každý řádně instalovaný frekvenční měnič měl mít nejméně tři samostatné kovové kabelové trasy, řádně vodivě spojené a uzemněné,“ říká Olson. Doporučení společnosti SEW Eurodrive pro instalace měničů v průmyslových a obytných oblastech se typicky liší v navrhovaném typu filtru EMI a/nebo výstupní tlumivky. „Naše firma (a další) nabízí dvě řady stejného střídače – jednu s filtrem EMI a druhou bez něj,“ říká Murray. U průmyslového závodu obvykle mají menší pohony filtr EMI zabudovaný, zatímco u instalací v obytných oblastech je běžný externí výstupní filtr. Toto řešení je pro společnost SEW ekonomické. „Měniče bývají dražší v Evropě z důvodu přísných předpisů pro EMC a nutnosti vyšší míry kompatibility,“ dodává Murray. Další zásadní oblastí EMC je správné vedení kabeláže.

Společnost SEW Eurodrive uvádí, že není vzácné vidět nízkonapěťový (24 V stejnosm.) kabel snímače otáček ležet na napájecím kabelu 460 V PWM. Díky tomu může jednotlivý vodič fungovat jako vysílač nebo přijímač šumu. Zajištění náležitého odstínění kabeláže snímače(a sběrnice) je dalším důležitým doporučením. U větších aplikací s mnoha měniči a podsystémy společnost SEW doporučuje, aby aplikační technik provedl měření zemnicí soustavy pro vyhodnocení požadavků pracoviště na EMC. U společnosti Baldor Electric je odpovědí na emise pohonů takřka vždy vstupní filtr EMI/ EMC. „Filtr umístěný před pohonem na přívodním střídavém vedení snižuje míru šumu, který pohon přenáší na vedení a zmírňuje rušení na jiných místech systému,“ říká Kirkpatrick.

Pokud jde o odolnost měniče, řešením obvykle jsou lepší metody zemnění na pracovišti. „V některých případech může být nezbytné přepracovat určité obvodové desky pohonu, a tím zlepšit zemnicí plochu, což pomáhá v prostředí s vysokou mírou šumu,“ říká. Také společnost Baldor nabízí pohony s EMI filtrem a bez něj. Pohony bez filtru jsou prodávány zejména v USA. Ty, které obsahují filtr, jdou do zemí vyžadujících označení CE nebo na místa v USA, kde EMI představuje problém,“ říká Kirkpatrick. „Pro řešení těchto situací v případě našich pohonů bez filtrů doporučujeme použít dostupné externí filtry.“

Nicméně někteří evropští výrobci pohonů považují jednotný „globální“ produkt za levnější cestu ke splnění požadavků na EMI. Ke zmírnění EMI přispívají také moderní provedení pohonů. „Výrobci kvalitních frekvenčních měničů nyní věnují ve fázi navrhování značnou pozornost uspořádání desky a vedení napájecích vodičů, aby nedocházelo k vazbě vysokofrekvenčního šumu zpět do napájecích vodičů,“ dodává Olson ze společnosti ABB. Dolní pásmové propusti RFI/ EMI zabudované do základních provedení frekvenčních měničů společnosti ABB údajně zabraňují vzniku těchto problémů u všech instalací, až na ta nejnáročnější prostředí.

Ce

Frank J. Bartos, P.E., je konzultantem časopisu Control Engineering. Kontaktujte jej na adrese braunbart@sbcglobal.net.

Autor: Frank J. Bartos, P.E., Control Engineering