Print

Odrušení pohonů

-- 01.09.08

Pohony s regulovatelnými otáčkami (Adjustable-Speed Drives – ASD) jsou vynikající pro úsporu energie a optimalizaci automatizačních systémů, ale při svém provozu produkují vysokofrekvenční elektromagnetické rušení. Hlavním zdrojem elektromagnetického rušení (Electromagnetic Interference – EMI) jsou rychle spínané tranzistory způsobující značné změny napětí ve výkonové sekci pohonu. EMI označuje jakékoli rušení u běžného provozu zařízení (a pohonů) z důvodu průchodu mimořádného množství energie podél kabelových vedení (emise vedení) nebo příjmem vyzařovaných vln (vyzařované emise). EMI vedení má frekvenční spektrum od 150 kHz až do 30 MHz, zatímco vyzařované EMI je v rozsahu 30 MHz až 1 GHz. Ačkoli zde píšeme o střídavých pohonech, tato otázka se týká i stejnosměrných pohonů. Vysokofrekvenční rušení (Radio-Frequency Interference – RFI) je související rušení, které ovlivňuje komunikační zařízení; obvykle se považuje za podmnožinu EMI. I když je rušení EMI/RFI nad pásmem slyšitelnosti, jejich účinek lze v komunikačních zařízeních slyšet.

EMI musí být potlačováno při návrhu a instalaci ASD, aby se předešlo zhoršené funkci nebo poškození samotného pohonu, stejně jako je nutno omezit šíření rušení na okolní přístroje a zařízení. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je obecnou koncepcí zahrnující potlačování EMI a odolnost elektrických/ elektronických zařízení. Stěžejní mezinárodní norma EMC, zabývající se i pohony (IEC 61300-3), doporučuje řešení krytí systému motorového pohonu (Power Drive System – PDS), zahrnující pohony, motory, skříně a kabeláž.

 

Vhodnost pro dané prostředí

 

Norma IEC 61300-3 definuje dvě různá prostředí pro instalaci. Obytné oblasti (první prostředí) mají přísnější požadavky na EMC než průmyslová zařízení (druhé prostředí). „Systém PDS, připojený k veřejné síti nízkého napětí (první prostředí), vyžaduje filtry EMI,“ poznamenává Mark Kenyon, manažer produktového marketingu pro nízkonapěťové pohony společnosti ABB Automation. Použití filtrů se doporučuje rovněž v průmyslových situacích (druhé prostředí), nachází-li se v okolí potenciální oběti (náchylná zařízení),“ říká.

 

Novější pohony s regulovatelnými otáčkami mají integrovaný filtr EMI/ RFI přímo ve skříni. Na fotografii vidíme střídavý pohon ACH550 společnosti ABB Automation, splňující platnou normu IEC pro elektromagnetickou kompatibilitu v obytném prostředí. Zdroj: ABB

 

 

Filtry EMI potlačují rušení vedením v místě připojení k síti prostřednictvím odvodu rušení do země. „Většina nových pohonů je standardně vybavena filtry EMI (pro druhé prostředí) využívajícími feritová jádra (nebo kroužky) a síť s vazbou odpor-kapacita (Resistance- Capacitance – RC),“ říká Kenyon. „U některých pohonů je jako volitelná možnost nabízeno vybavení doplňkovými filtry pro první prostředí, instalovanými dovnitř nebo vně pohonů,“ dodává.

Společnost Siemens Energy & Automation při vývoji pohonů s regulovatelnými otáčkami věnuje jevům EMI/RFI plnou pozornost. „Pohony jsou testovány ve zvukové komoře, aby bylo zajištěno, že emise elektromagnetického rušení do okolí jsou minimalizovány a pohony nejsou ovlivněny vnějším prostředím,“ vysvětluje Wolfgang Hilmer, manažer pro technologii pohonů. Testování se zaměřuje na napájecí modul, kde se nacházejí rychle spínané bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (Insulated-Gate Bipolar Transistors – IGBT), které EMI generují.

 

Vstupní filtr EMI může dramaticky snížit EMI vedení pohonu, jak ukazují testy provedené společností Yaskawa Electric America pro pohon o výkonu 0,7 kW běžící s frekvencí 60 Hz (nosný kmitočet byl nastaven na 2 kHz). Mezní linie odpovídají normě EN 55011, Třída B pro prostředí obytných domů a nemocnic.

 

 

Filtrování je důležitou obranou proti EMI/ RFI. Pohony Siemens jsou filtry EMI vybaveny standardně, aby splňovaly požadavky na EMC pro průmyslové aplikace. Menší pohony obvykle mají vestavěný filtr EMI. „U větších pohonů je filtr často samostatnou přídavnou jednotkou. Zachycuje elektromagnetický šum přecházející do vedení,“ říká Hilmer.

 

 

 

 

Není to tak jednoduché

 

Omezování vyzařovaného rušení může být případem, kdy situace není tak snadná, jak vypadá, protože proti vyzařovanému rušení musí být stíněny nejrůznější části systému motorového pohonu. Hlavní pozornost je věnována krytům, kabeláži a instalaci systému. Společnost ABB doporučuje následující opatření:

  • kryty s nelakovaným, nekorodujícím povrchem v místech, kde se stýkají desky, dvířka a další kovové části, stejně jako vodivá těsnění dvířek a krytů;
  • nelakované instalační desky fixně upevněné ke společnému zemnicímu bodu, který zajišťuje, že všechny samostatné kovové díly budou mít jedinou cestu k uzemnění;
  • speciální vysokofrekvenční (VF) kabelové přívody pro VF uzemnění stínění napájecích kabelů;
  • vodivá těsnění pro VF uzemnění stínění řídicího kabelu;
  • stíněné napájecí a řídicí kabely, každý vedený samostatně a
  • uzemnění celé instalace systému PDS.

 

Testování u společnosti Siemens ukázalo, že uzemnění krytu pohonu je pro snižování EMI velice důležité, zejména u velkých, zapouzdřených jednotek. „Základním způsobem odstranění elektromagnetického šumu je provést uzemnění cestami s nízkým odporem,“ říká Hilmer. „Kovové kryty navíc fungují jako stínění a snižují míru rušení. Pro zajištění dobře vodivé cesty má zásadní význam konstrukce se svařovaným rámem.“ U pohonu připojeného k rámu by rovněž měla být zemnicí sběrnice, představující cestu s nízkým indukčním odporem pro uzemnění elektromagnetického šumu.

K dalším základním opatřením pro zajištění EMC, která Hilmer uvádí, patří uzemňovací pásy mezi dvířky a krytem. Použití samotného zemnicího vodiče nestačí, protože pro zdroje elektromagnetického rušení představuje cestu s vysokým odporem. „Pro uzemnění dvířek k rámu používáme pletené pásy. Jejich velký povrch může účinně odvést vysokofrekvenční rušení,“ dodává.

Všechny prvky systému PDS – pohon, motor a kabely, musejí být uzemněny. „Zbytek systému je stejně důležitý jako pohon samotný,“ dodává Hilmer. To zahrnuje pečlivou pozornost věnovanou instalaci pohonu, která doplňuje úsilí výrobce o minimalizaci emisí EMI/RFI, vysvětluje.

 

Z pohledu norem

 

Pohony s regulovatelnými otáčkami musejí splňovat normy pro EMC, používají-li se v Evropě a v jiných zemích, ovšem v USA momentálně neexistují normy, které by přímo a zcela pokrývaly problematiku EMC pohonů. Platná mezinárodní norma, IEC 61800-3, definuje čtyři kategorie limitů EMI související s výkonem pohonu a obytným či průmyslovým prostředím. Popisuje také metodiku testování pohonů ASD. Evropská norma EN 55011 definuje podobné požadavky na průmyslová a vědecká/lékařská rádiová zařízení.

Dalším příkladem instalačního opatření pro potlačení EMI je použití stínicích svorek pro zajištění 360° kontaktu napájecího kabelu motoru se zemnicí lištou ve skříni pohonu Siemens Sinamics.

 

 

Nejbližší související americkou normou jsou pravidla a předpisy FCC (Federal Communications Commission), část 15. „Z nich jsou však vyňata průmyslová zařízení, jako jsou pohony, pokud nezpůsobují nežádoucí rušení, a v takovém případě je výrobce pohonu povinen problém napravit,“ říká Kenyon ze společnosti ABB.

 

 

Splnění požadavků na EMC vyžaduje věnovat pozornost detailům. Příkladem může být doplnění speciálních mřížek (stínicích desek z perforovaného plechu pro zajištění EMC), když měření ukázala potřebu jejich instalace dovnitř skříně pohonů Siemens Sinamics. Zdroj: Siemens Energy and Automation

 

 

Vyjmutí pohonů z působnosti předpisů FCC, část 15, je způsobeno absencí testovací metodiky přizpůsobené pro pohony. „Je obtížné definovat test, který by ověřil soulad se specifikací, protože pohony nemají standardní typ ani délku kabelu napájejícího motor,“ dodává Kenyon.

Většina výrobců pohonů zařazuje filtrování pro zajištění EMC jako standardní prvek pro naplnění rostoucí poptávky po globálních produktech pohonů s jednotným designem a získání obchodních příležitostí pro vývoz OEM výrobcům. „Náklady na doplnění filtrů jsou vyvažovány tím, že již není nutné mít v nabídce různé pohony pro Severní Ameriku a jiné trhy,“ dodává společnost ABB.

Společnost Siemens rovněž prosazuje jednotný design pro EMC svých pohonů s regulovatelnými otáčkami bez ohledu na to, kde jsou vyrobeny. „To se děje i bez ohledu na menší důraz na předpisy pro EMC kladený v USA,“ vysvětluje Hilmer. Prvky, jako jsou požadavky společnosti NEC nebo rozdíly mezi provedením jističů a pojistek (IEC vs NEMA), jsou upravovány lokálně.

Také Danfoss Drives připomíná rostoucí mezinárodní přijetí nových harmonizovaných norem IEC, jako je IEC 61800-3 pro EMC pohonů. Jorn Landkildehus, manažer společnosti Danfoss pro EMC, spolehlivost a funkční bezpečnost, navíc připomíná novou evropskou směrnici pro EMC č. 2004/108/ES jako další normu, která dále zpřesňuje požadavky na EMC. Vyžaduje dokumentované použití zásad dobré technické praxe v oblastech EMC, jako je zmírňování emisí, vodivá spojení, vyzařování a odolnost zařízení proti rušení.

„To je v souladu s naším úsilím o zvýšení pozornosti věnované dopadu instalace na chování pohonů z hlediska EMI,“ říká Landkildehus. Společnost Danfoss vydává pokyny a pořádá školení pro vzdělávání zaměstnanců a zákazníků, pokud jde o správné techniky instalace systémů střídavých pohonů.

 

Optimalizujte velikost filtrů

 

Společnost Yaskawa Electric America připomíná, že elektromagnetické rušení generované určitou topologií pohonů je neměnné. „Nicméně můžeme do pohonu implementovat filtry pro omezení šíření rušení a jeho vlivu na vnější elektrické prostředí,“ říká Dr. Mahesh Swamy, hlavní technik pro výzkum a vývoj společnosti Yaskawa. Filtr EMI (uvnitř nebo vně pohonu) se používá pro potlačení rušení vedením, v závislosti na požadované míře snížení EMI, zatímco stínění kabelů je jasnou volbou pro potlačení vyzařovaného EMI. Swamy však rychle dodává, že stínění kabely mohou zvýšit EMI vedením z důvodu přítomnosti nízkoimpedanční cesty pro zemnicí proudy z vodičů k uzemněnému stínění. Doporučuje pečlivou optimalizaci pro prevenci vzniku nežádoucích zemnicích proudů.

Pokročilá konstrukce pohonů má však také své přínosy. Tříúrovňová topologie střídavých pohonů, kterou tato společnost představila v roce 2003, přestože nesnižuje úrovně EMI přímo, usnadňuje filtrování v soufázovém i normálním režimu. Podle údajů společnosti se tím významně snižuje EMI vedením a vyzařováním. „Velikost filtrů je značně snížena díky menšímu kroku u souvisejícího soufázového napětí při provozu s výstupem přesahujícím 230–240 V,“ pokračuje Swamy. Tříúrovňové provedení má rovněž spektrum výstupního nosného kmitočtu přirozeně vyšší, než je provozní frekvence (obvykle 2:1). „Díky tomu je možné snížit velikost filtru sinusových vln v normálním režimu,“ uvádí. Menší filtr, vyvinutý společností Yaskawa, je podle údajů této společnosti velmi účinný pro potlačení EMI vedením.

Další vyspělou topologií střídavých pohonů, představenou společností Yaskawa v roce 2005, je maticový měnič – přímý střídavý-střídavý čtyřkvadrantový měnič, dodávaný bez těžkopádného připojení k stejnosměrnému obvodu. Maticový měnič Yaskawa rovněž umožňuje menší velikost kroku u filtru v soufázovém režimu. Tato architektura navíc umožňuje vývoj kombinace filtru pro normální/soufázový režim, který podle testů významně snižuje velikost vstupního filtru EMI,“ vysvětluje Swamy.

Ve všech vstupních filtrech EMI se používá kondenzátor typu linka-zem (line-ground). „O nich je známo, že způsobují velké zemní proudy. Integrace filtru pro soufázový a normální režim do maticového měniče může desetkrát zmenšit vstupní kondenzátor typu linka-zem ve filtru EMI,“ říká Swamy. „To má obrovský význam pro odstranění problémů s používáním agresivních metod filtrování EMI.“

 

Vyvážení výkonu a EMI

 

Společnost Baldor Electric potvrzuje, že generování vysokofrekvenčního rušení je nežádoucím důsledkem novějších zařízení se spínaným napájením, umožňujících vysoký výkon střídavých pohonů. „Je nutno dosáhnout náležité rovnováhy – vyvinout konstrukci pohonu, která poskytuje potřebné spínané přechody pro zvýšení účinnosti a výkonu pohonu a motoru a zároveň omezuje EMI, které tyto rychlé přechody obvykle způsobují,“ říká Phil M. Camp, P.E., produktový specialista na vysoce výkonné střídavé pohony.

Linková tlumivka ve vstupním měniči, v místě, kde se pohon připojuje k napájecímu systému, pomáhá omezovat šíření EMI do systému závodu. „Nicméně ještě lepší volbou než linková tlumivka by byl izolační transformátor,“ říká Camp. „Transformátory poskytují lepší potlačení EMI ke zdroji, při současném snižování koeficientů amplitudy linky, což snižuje zátěž kladenou na měnič,“ vysvětluje.

Také společnost Baldor považuje filtry EMI za nezbytnou součást pohonů. „Filtry musejí být zkonstruovány tak, aby potlačovaly diferenciální (mezi vedeními) i soufázové (mezi vedením a zemí) rušení,“ uvádí Camp. Další hledisko se týká konkrétně vysoce výkonných pohonů, které využívají fázově řízená zařízení (jako jsou usměrňovače SCR) pro přípravné nabíjení kondenzátorů sběrnice během spouštění pohonu. „Emise rušení pohonu budou sníženy, pokud se fázově řízená zařízení používají pouze pro přípravné nabíjení, ale nevyužívají se pro regulaci napětí sběrnice při normálním provozu,“ poznamenává Camp.

Také provedení výstupního invertoru může značně omezit EMI generované pohonem. „Při volbě výstupních spínačů by se mělo dbát na odpovídající hodnotu strmosti zařízení tak, aby spínání zařízení mohlo být řízeno hradlovým proudem,“ říká Camp. „Inverzní dioda u každého spínače by měla mít ‚měkké‘ vypnutí a nízkou zotavovací dobu v závěrném směru. Hradlové budicí zesilovače by měly být navrženy tak, aby spínaly zařízení způsobem, který omezuje četnost změn napětí (dv/dt) na výstupu pohonu.“ To vyžaduje uvážlivý kompromis mezi omezením rušení způsobeného pomalejším spínáním a většími ztrátami ze spínání v invertorové části z důvodu delšího přechodu mezi zapnutím a vypnutím napájecích zařízení.

Softwarové algoritmy využívající koncepci prostorových vektorů a modulace šířkou impulsu (PWM) dále pomáhají potlačovat EMI díky minimalizaci spínacích přechodů výstupních zařízení. „Další softwarová koncepce využívá tzv. zatemňování minimální šířkou impulsu – metoda, kdy jsou potlačovány impulsy kratší než specifikovaná jednorázová časová perioda (např. 5 µs),“ vysvětluje Camp.

 

Blízkost obytných oblastí

 

Wolfgang Hilmer ze společnosti Siemens zdůrazňuje, že střídavé pohony se stále více začínají využívat poblíž obytných oblastí, například v systémech ventilace a klimatizace budov a u městských čistíren odpadních vod. Tím se dále zvyšují nároky na potlačení EMI a požadavky na to, aby instalace pohonu odpovídala přísným předpisům pro EMC.

Naproti tomu průmyslová zařízení jsou téměř vždy vybavena transformátorem, který obvykle blokuje EMI/RFI pohonu, aby se nedostalo za hranice závodu. Je zde také větší kapacita pro boj s vyzařovaným EMI ve srovnání s obytným prostředím.

„Pro splnění předpisů pro EMI u průmyslových pohonů často stačí malé, interní filtry,“ poznamenávají zástupci společnosti Yaskawa Electric. Nicméně pro splnění předpisů pro EMI, stanovených normami IEC pro aplikace v obytném prostředí včetně nemocnic, mohou být nezbytné vnější a možná i dvoustupňové filtry.

Společnost Danfoss Drives potvrzuje, že nejtěžší je splnit požadavky na EMC v prostředí domácností. „Vzhledem k tomu, že aplikace pro ventilaci a klimatizaci patří k tradičním trhům této společnosti, společnost Danfoss navrhuje své pohony s ohledem na požadavky na EMC, a to už od první fáze návrhu,“ říká Landkildehus. Tento přístup vedl k návrhu moderních filtrů EMI/RFI poskytujících spolehlivé a hospodárné zajištění EMC.

Tyto filtry jsou zabudovány do pohonů a jsou určeny pro dlouhé motorové kabely (obvykle 150 m stíněné a 300 m nestíněné). „Pro splnění tohoto požadavku muselo být jejich provedení optimalizováno i z hlediska tepelného managementu. Vestavěné filtry poskytují výhodu integrace své tepelné koncepce do celkové tepelné koncepce pohonu,“ říká Landkildehus.

S ohledem na rostoucí trend globálního navrhování pohonů se dá očekávat, že stále více pohonů s regulovatelnými otáčkami bude splňovat mezinárodní normy pro EMC, a proto bude jejich provoz „tišší“.

ce


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI