EMC in de aandrijftechniek Aandrijftechniek in de praktijk

Aandrijfcomponenten \ Motion Control \ Systemen \ Service & Reparatie
EMC in de aandrijftechniek
Uitgave
08/2002
Aandrijftechniek in de praktijk
10530479 / NL
Inhoudsopgave
1
Inleiding ............................................................................................................ 4
2
Stoormechanismen.......................................................................................... 5
2.1 Gedrag van een leiding bij hogere frequenties ......................................... 7
2.2 Oorzaken van hoogfrequente storingen.................................................. 11
2.3 Storingsbronnen en hun gevolgen .......................................................... 12
2.4 Koppelmogelijkheden.............................................................................. 27
2.5 Stoormechanismen bij frequentieregelaars ............................................ 38
3
EMC-ontwerp ................................................................................................... 45
3.1 Invloed van de locatie van de installatie ................................................. 46
3.2 Netkwaliteit.............................................................................................. 48
3.3 Projectering van het besturingspaneel.................................................... 49
3.4 Componentenselectie ............................................................................. 52
4
EMC-maatregelen............................................................................................ 53
4.1 Aarding.................................................................................................... 53
4.2 Bekabeling .............................................................................................. 57
4.3 Voeding................................................................................................... 65
4.4 Signaaloverdracht ................................................................................... 66
4.5 Opbouw van het besturingspaneel ......................................................... 67
4.6 Toepassing van filters ............................................................................. 69
4.7 Toepassing van ontstoringscomponenten bij frequentieregelaars.......... 73
5
Normen en wetten ........................................................................................... 82
5.1 Belangrijke begrippen ............................................................................. 83
5.2 Indeling naar toepassingsgebieden ........................................................ 84
5.3 Overzicht van normen en wetten ............................................................ 87
6
EMC-begrippen................................................................................................ 89
7
Index................................................................................................................. 91
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
3
1
Inleiding
1
Inleiding
In januari 1996 werd binnen de Europese Unie de richtlijn voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC-richtlijn 89/336/EG) van kracht. Deze richtlijn heeft onder leveranciers,
installateurs en gebruikers voor enige verwarring gezorgd.
SEW biedt met deze uitgave uit de reeks 'Aandrijftechniek in de praktijk' aanvullende informatie op het thema 'EMC in de aandrijftechniek'.
De thema’s waar het zwaartepunt op ligt zijn:
•
stoormechanismen – hoe EMC-problemen ontstaan;
•
EMC-ontwerp – waar bij het projecteren al rekening mee moet worden gehouden;
•
EMC in de praktijk – uitvoering en werking van EMC-maatregelen.
Bovendien geven wij nog een overzicht van relevante richtlijnen en normen.
Deze uitgave richt zich nauw op praktische feiten en ervaringen, om welke reden afgezien werd van de wetenschappelijke nauwkeurigheid, wanneer een exacte uitvoering de
installatie onnodig gecompliceerd gemaakt zou hebben. De gegevens betreffen algemene richtlijnen. Vanwege de vele installatiemogelijkheden kunnen echter voor het individuele geval geen absolute richtwaarden worden opgegeven.
Raadpleeg voor een exacte projectering van SEW-producten de gegevens in de desbetreffende catalogi.
4
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
2
Stoormechanismen
De elektromagnetische compatibiliteit wordt in de aandrijftechniek steeds belangrijker.
Onder invloed van de technische vooruitgang worden steeds meer elektrische en elektronische componenten in een steeds kleinere ruimte geconcentreerd. Gelijktijdig nemen de modulatiefrequenties van informatieverwerkende apparatuur en van de aandrijfelektronica toe. Het gevaar van onderlinge beïnvloeding en de hiermee verbonden onbetrouwbare werking wordt daardoor steeds groter.
Afbeelding 1 geeft een voorbeeld van de beïnvloeding van een meetleiding.
Afbeelding 1: storing door straling [1] via een niveaumeter [2], kabel [3], verwerking [4]
00279AXX
Voor het ontstaan van een storing moet er in principe aan drie voorwaarden zijn voldaan:
– er moet een storingsbron zijn;
– er moet een storingsgevoelig object zijn;
– er moet een koppelingsmogelijkheid tussen beide zijn.
Ook als er aan de bovengenoemde voorwaarden is voldaan, is er sprake van een storing, als de beïnvloeding de toelaatbare waarde overschrijdt.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
5
2
Stoormechanismen
Het doel van dit hoofdstuk is om de verschillende storingsbronnen en de koppeling van
de stoorsignalen te verklaren. Er wordt uitgelegd van welke invloeden het storingsniveau afhangt. Bovendien worden voorbeelden van de verschillende storingsbronnen
genoemd. Vooraf worden de samenhang en begrippen verklaard om de toegankelijkheid tot dit hoofdstuk te vergemakkelijken.
De 'Elektromagnetische beïnvloeding' heeft hoofdzakelijk pas bij hogere frequenties gevolgen. Dit betekent dat een doelmatige werking van een installatie pas dan kan worden
bereikt als de installatie naast de bedrijfstechnisch eisen ook aan de hoogfrequenteisen
voldoet (bijv. aarding, afscherming, filtering).
Voorwaarden voor een storingsvrije werking van een installatie zijn:
•
een aangepaste minimum-storingsimmuniteit van de toegepaste componenten;
•
een beperkte storingsemissie van de toegepaste componenten.
De wijze van monteren en installeren is van wezenlijk belang bij de EMC.
Het eenvoudigst kan EMC gerealiseerd worden als er reeds bij het ontwerp rekening
mee wordt gehouden. Maatregelen achteraf zijn in het algemeen bijzonder ingrijpend.
Zij zijn vaak door de benodigde ruimte duurder dan gemiddeld en brengen extra montage- en stilstandskosten met zich mee.
Dit geldt ook voor de modernisering en het onderhoud van bestaande installaties. Alleen
als er in de ontwerpfase rekening mee wordt gehouden, is een prijsgunstige EMC mogelijk.
00280BXX
Afbeelding 2: amplitude A over de frequentie F met storingsemissie [1], signaal-ruisverhouding [2]
en storingsimmuniteit [3]
De keuze en installatie van de componenten moeten voor een storingsvrije werking een
voldoende signaal-ruisverhouding waarborgen.
6
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
2.1
Gedrag van een leiding bij hogere frequenties
Om de optredende storingen te begrijpen is het van belang het gedrag van enkele componenten te onderzoeken. Deze componenten kunnen in het laagfrequent- en hoogfrequentbereik verschillend reageren.
LF-bereik =
gelijkspanning en netwisselspanning.
HF-bereik =
frequentiebereik vanaf 1 MHz, de grens ligt niet exact vast en kan, afhankelijk van de afmetingen, al aanzienlijk lager beginnen.
Wezenlijke verschillen in het LF- en HF-bereik worden aan de hand van het frequentiegedrag van de leiding weergegeven. De frequentieafhankelijke weerstand, de zogenaamde impedantie van de leiding, wordt in aanmerking genomen.
00281AXX
Afbeelding 3: impedantie Z van een koperen geleider van 1m lengte in relatie met de frequentie f
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
7
2
Stoormechanismen
Het gedrag van de leiding wordt bepaald door de volgende onderwerpen:
LF-bereik
– de doorsnede van de leiding is bepalend voor de impedantie;
– de impedantie van de leiding is alleen thermisch gezien belangrijk
(stroombelasting).
HF-bereik
– de lengte van de leiding is bepalend;
– de doorsnede van de leiding heeft nagenoeg geen invloed op de
impedantie;
– de impedantie van de leiding is van wezenlijk belang voor het bedrijfsgedrag.
Waardoor is het gedrag van de leiding te verklaren? Afbeelding 4 laat een stroomvoerende geleider zien.
Afbeelding 4: stroomvoerende geleider
I
B
LS
X
Y
00282AXX
= stroom
= magnetisch veld
= strooi-inductiviteit
= geleider
= isolatie
Rondom de geleider wordt een magnetisch veld B opgebouwd dat een verandering van
de stroom I tegenwerkt; de geleider gedraagt zich als een inductiviteit LS. De inductiviteit
van een rechte, langgerekte geleider ligt ongeveer bij 1 µH / m (lengte I >> diameter D).
8
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Afbeelding 5: twee geleiders onder spanning
00283AXX
Afbeelding 5 laat twee geleiders met verschillende spanning zien. Tussen de geleiders
onderling en tussen elke geleider en aarde vormt zich een elektrisch veld; de geleiders
werken als de platen van een condensator.
De capaciteit van een dergelijke ongewenste condensator noemt men parasitaire capaciteit C P.
0284AXX
Afbeelding 6: impedantie Z van een condensator en een spoel in relatie met de frequentie f
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
9
2
Stoormechanismen
Het frequentieafhankelijke gedrag van een leiding ziet u in de volgende afbeeldingen.
05547AXX
Afbeelding 7: vervangingsschema van een geleider
RS
RI
LS
CP
= serieweerstand
= isolatieweerstand
= strooi-inductiviteit
= parasitaire capaciteit
Gedrag van een leiding
in het LF-bereik
ZL = axiale impedantie
ZQ = radiale impedantie
in het HF-bereik
ZL = axiale impedantie
ZQ = radiale impedantie
In het LF-bereik is de axiale impedantie van een langgerekte geleider zeer klein, de radiale impedantie (isolatieweerstand) daarentegen zeer groot.
In het HF-bereik wordt de radiale impedantie (isolatieweerstand) door de parasitaire capaciteit overbrugd. Met toenemende frequentie wordt de koppeling van een storing over
de kabelisolatie altijd eenvoudiger, als dit niet door passende maatregelen wordt voorkomen. De axiale impedantie neemt met stijgende frequentie toe. Daarom worden bij
hogere frequenties door geringe stromen relatief hoge spanningsverliezen veroorzaakt.
10
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
2.2
Oorzaken van hoogfrequente storingen
Hoe komen hoogfrequente storingen in een installatie, die eigenlijk alleen werkt met gelijkspanning of netwisselspanning? Afbeelding 8 laat het frequentiespectrum van verschillende signaalvormen zien. Ieder niet-sinusvormig signaal bevat behalve zijn grondfrequentie ook nog veelvouden van de grondfrequentie, de zogenaamde harmonischen.
In het algemeen is het HF-deel van een signaal des te groter, naarmate de amplitude
van het signaal verandert.
00286BXX
Afbeelding 8: signaalvormen [1] met hun signaalspectrumaandeel [2] opgedeeld in grondfrequentie A en harmonischen B
Dit betekent dat bijv. elk schakelpunt hoogfrequente signalen genereert, die storingen
kunnen veroorzaken.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
11
2
Stoormechanismen
2.3
Storingsbronnen en hun gevolgen
Deze paragraaf gaat in op verschillende soorten storingsbronnen en verduidelijkt aan
de hand van voorbeelden het stoormechanisme en de gevolgen. De volgende tabel laat
een selectie van verschillende storingsbronnen zien.
Tabel 1: storingsbronnen
Technische storingsbronnen
Natuurlijke storingsbronnen
bijv.
atmosferische ruis
galactische ruis
bliksem
elektrostatische ontlading
Beoogde emissie
Onbedoelde emissie
bijv.
schakelaars
fluorescentielampen
motoren
lasinstallaties
vermogenselektronica
netgelijkrichters
digitale apparatuur (computers
enz.)
bijv.
radioverkeer
radar
inductiekooktoestellen
magnetrons
HF-drooginstallaties
Er zijn verdere onderverdelingen naar frequentiebandbreedte (smalbandig of breedbandig) en storingsgedrag die afhankelijk van de wijze van benaderen zinvol kunnen zijn.
gelijkstroommotor
besturing
schakelaars
vermogenselektronica
radioverkeer
LW
MW
KW
UKW
TV
SAT
radar
fluorescentielampen
bliksem
netgelijkrichters
computers
100 Hz
LFbereik
1 kHz
10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz
1 GHz
10 GHz
HFbereik
Bovenstaande afbeelding laat het frequentiebereik zien, waarin enkele storingsbronnen
actief zijn.
12
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Afbeelding 9 geeft weer bij welke afmetingen en frequenties leidinggebonden en ingestraalde storingen bestaan.
In bereik [1] worden stoorsignalen hoofdzakelijk via de aansluitleidingen gekoppeld.
Storingsbron en storingsgevoelig object zijn met elkaar verbonden door leidingen die de
storing transporteren. In bereik [2] wordt het stoorsignaal bovendien door de storingsbron uitgestraald en kan bij het storingsgevoelig object via de aansluitleidingen of de behuizing worden ingekoppeld. Een directe verbinding tussen storingsbron en storingsgevoelig object is hier niet noodzakelijk.
00767AXX
Afbeelding 9: bereik van leidinggebonden [1] en ingestraalde [2] storing in relatie met de stoorfrequentie f en afmeting (l = leidinglengte, apparaatafmetingen, sleufbreedte enz.)
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
13
2
Stoormechanismen
Netharmonischen
Frequentiespectrum: hoofdzakelijk in het LF-bereik
Energiegehalte: energierijk
I
t
I
Z
UN
I
Z
U
UN = U – I × Z
UN
U
t
t
I×Z
U
UN
t
Afbeelding 10: gelijkrichter met condensator aan het net
t
t
00288BXX
Afbeelding 10 laat het gedrag zien van een gelijkrichter aan het net met een erachter
geplaatste condensator. Omdat de condensator alleen wordt bijgeladen op het moment
dat de netspanning hoger is dan de spanning aan de condensator, vloeit de stroom in
de voedingsleiding in de vorm van korte, hoge niet-sinusvormige bijlaadpieken. Deze
veroorzaken een spanningsval over de netimpedantie Z. Deze is voor de andere verbruikers merkbaar als vervorming van de spanning UN. De spanning is niet meer sinusvormig, d.w.z. er is een golf in de sinus, de zogenaamde netharmonische.
Een maat voor het aandeel van de netharmonischen van een grootheid (grootheid =
stroom of spanning) is de THD:
THD
[1]
THD
S1
Sn
= total harmonic distortion (aandeel hogere harmonischen)
= grondfrequentie van stroom of spanning
= n-de harmonische van stroom of spanning
Men spreekt over netharmonischen bij netvervormingen tot een frequentie van 2,5 kHz.
Het betreft storingen in het LF-bereik.
Het aandeel van harmonische van stroom of spanning is zoveel groter, als de verandering van stroom of spanning sneller is. Een groot aandeel van harmonische kan leiden
tot pieken en dalen op de netspanning, die sterk van de normale waarden afwijken. De
zo ontstane spanningspieken hebben vanwege hun relatief lange duur van enige ms
een hoog energiegehalte en kunnen in extreme gevallen tot beschadiging van aangesloten apparatuur leiden. De netharmonischen kunnen permanent of sporadisch optreden.
14
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Compensatieinstallaties
Harmonischen kunnen in het net oscillatiekringen aantreffen die in kritieke gevallen tot
aanzienlijke overspanningen leiden. Een parallel-oscillatiekring kan bijv. door condensatoren van de compensatie-installatie en door de hoofdinductiviteit van de voedingstransformator gecreëerd worden. Ligt een van de harmonischen met zijn frequentie
dicht bij de resonantiefrequentie dan kan door een schakelhandeling (vaak uitschakeling van condensatoren bij geringe belasting) een gevaarlijke netspanningsresonantie
optreden.
Om het risico van netresonanties te voorkomen adviseren fabrikanten van compensatieinstallaties om vanaf een omvormer-aandeel van ca. 20 – 25 % van het totale aansluitvermogen smoorspoelen toe te passen.
Bewijs van het opslingerend vermogen van netten, veroorzaakt door harmonischen:
Het 50Hz-net is door de elfde harmonische (= 550 Hz) ten gevolge van een schakelhandeling tot opslingering geactiveerd.
De resonantiefrequentie fRes bedraagt voor fase L1 583 Hz en voor fase 2 592 Hz.
Afbeelding 11: voorbeeld van het opslingerend vermogen van netten
Voorbeelden van
bronnen van netharmonischen
00745AXX
•
softstarters, frequentieregelaars, servoregelaars, toerentalregelaars
•
vlamboogovens
•
inductieovens
•
fluorescentielampen (ook gecompenseerde)
•
verzadigde magnetische circuits (bijv. transformator en smoorspoel in verzadiging)
•
huishoudelijke apparatuur zoals radio, televisie en computer
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
15
2
Stoormechanismen
Voorbeelden van
gevolgen van netharmonischen
Tabel 2: gevolgen van netharmonischen
Regelaar
Gevolg
Transformator
verhoogde verliezen en verwarming, er kunnen verzadigingsverschijnselen optreden
Elektromotoren
verhoogde verliezen, toerentalvariaties
Kabel
verhoogde ohmse en diëlektrische verliezen
Condensatoren
verwarming, veroudering, resonantieverschijnselen
Meet- en regelinstallaties
meetfouten, functiebeperking en functieverlies
Nulspanningsschakelaars
ongewilde uitschakelingen
Netharmonischen kunnen door de volgende maatregelen verminderd worden:
Netschommelingen, netonderbreking, netdippen,
overspanningen
•
met een geschikte compensatie-installatie
•
met een netsmoorspoel voor de veroorzaker
•
door voeding met een scheidingstransformator
Frequentiespectrum: hoofdzakelijk in het LF-bereik
Energiegehalte: energierijk
Afbeelding 12: storingen in het laagspanningsnet
00289AXX
[1] = netschommelingen, geflikker
[2] = netdip
[3] = netonderbreking
[4] = overspanning in het net
Afbeelding 12 laat verschillende storingen in het LF-bereik zien, die in het laagspanningsnet kunnen optreden. Apparaten die op zo’n net zijn aangesloten moeten voldoende storingsimmuun zijn om een storingsvrije werking te verzekeren. Anderzijds moet het
laagspanningsnet een minimumkwaliteit bezitten die door de gebruiker gewaarborgd
moet worden.
16
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Netstoringen kunnen de volgende oorzaken hebben:
Tabel 3: oorzaken van netstoringen
Bliksem
Storingen
Mogelijk oorzaken
Gevolgen
Spanningsschommelingen
bijv. vlamboogovens, lasapparatuur, sterke lastschommelingen
(bijv. liften, persen)
verlichtingsschommelingen
(geflikker)
Spanningsdippen
schakelen van grote belastingen
(aanlopen van grote motoren,
elektrische verwarmingen en
ovens enz.) kortsluitingen in het
net ...
koppelvariaties, eventueel
bedrijfsstoring
Spanningsonderbrekingen
bijschakelen van grote transformatoren, motoren, condensatoren
afvallen en trillen van relais, afvallen van de motorrem
Overspanningen
schakelhandelingen in het middenspanningsnet, onweer, schakelen van compensatieinstallaties zonder smoorspoelen
beschadiging van elektronische
apparatuur, bedrijfsstoring
Frequentiebereik: gevolgen in het LF- en HF-bereik
Energiegehalte: zeer energierijk
00290BXX
Afbeelding 13: bliksem, directe inslag en magnetisch veld MF (verdeelinrichting = D, aardlus = E)
Een van de energierijkste storingsbronnen is de bliksem. Deze bereikt spanningen in
het megavoltgebied en stromen tot boven de 100 kA.
Afbeelding 14 laat zien dat er hoofdzakelijk twee koppelwegen zijn voor de invloed van
de bliksem. Ten eerste is dit bij directe inslag de stroom en de daarmee optredende
spanningsval, die tot aanzienlijk overspanningen in de desbetreffende installatie kan leiden. Ten tweede veroorzaakt de hoge bliksemstroom en zijn snelle verandering zeer
sterke magneetveldveranderingen.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
17
2
Stoormechanismen
Net als bij de transformator induceren deze magneetveldveranderingen in kabellussen
in de directe omgeving hoge stromen en spanningen. Dit kan ertoe leiden dat ook achter
een ingebouwde overspanningsbeveiliging onder ongunstige omstandigheden ontoelaatbare overspanningen optreden.
De optredende spanningen kunnen leiden tot storingen in de werking en tot beschadiging van elektrische en elektronische apparatuur.
Door een goede ontwerp van de kabelloop kunnen deze spanningen zeer sterk gereduceerd worden (bijv. vermazing en stervormige bedrading).
Afbeelding 14: genormeerde overspanningspuls volgens IEC 801-5
00799ADE
tr = stijgtijd
td = impulsduur
U/I = amplitude
afbeelding 14 geeft de genormeerde impuls weer (surge of hybride impuls), waarmee
de storingsimmuniteit tegen de gevolgen van bliksem in het elektriciteitsnet getest
wordt.
18
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Burst
Frequentiebereik: gevolgen hoofdzakelijk in het HF-bereik
Energiegehalte: gering
Afbeelding 15: ontstaan van een burst-impuls
00291AXX
Met 'Burst' wordt een gevolg van snelle transiënte storingen met steile flanken aangegeven. Burst-impulsen ontstaan als elektromechanische schakelaars stroomvoerend
geopend worden. Oorzaak zijn de in de stroomkring aanwezige inductiviteiten, die ervoor zorgen dat de stroom niet direct naar nul teruggaat. Deze inductiviteiten kunnen
zowel in geconcentreerde vorm (elektromotor, elektrische rem, transformator, smoorspoel) als ook in de vorm van een inductiviteit in de voedingskabel bestaan.
De zich openende schakelaar stelt in dit geval een capaciteit C voor, waarvan de waarde afneemt, als de afstand van de zich openende contacten toeneemt:
Capaciteit
[2]
C
ε
A
d
= capaciteit van de schakelaarcontacten
= diëlektrische constante
= oppervlakte van de contacten
= afstand van de contacten
Op het afschakelmoment is in de inductiviteit energie opgeslagen. De inductiviteit laat
de stroom na het schakelmoment verder vloeien. Deze stroom laadt de capaciteit C van
de schakelaar op. Daarbij geldt de volgende samenhang:
Energie
[3]
W
C
U
L
I
= in de stroomkring opgeslagen energie
= capaciteit van de schakelaarcontacten
= spanning over het schakelaarcontact
= inductiviteit van het onderbroken circuit
= stroom tijdens het afschakelmoment
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
19
2
Stoormechanismen
De door de inductiviteit veroorzaakte stroom laadt de schakelaarcapaciteit C op. Daar
de capaciteit van de schakelaar zeer klein is (enkele pF), kan de spanning over de schakelaar zeer hoge waarden bereiken. Als de schakelaar geopend wordt, heeft de luchtspleet tussen de contacten nog niet zijn volle isolatiewaarde bereikt: er treedt overslag
op. De schakelaarcondensator C ontlaadt zich.
Nadat daardoor de spanning over de schakelaar weer naar nul is gedaald, wordt de
schakelaarcapaciteit opnieuw door de stroom opgeladen. Omdat de schakelaarcontacten zich in de tussentijd verder van elkaar hebben verwijderd, breekt de luchtspleet tussen de contacten nu bij een hogere spanning. Dit herhaalt zich zo lang tot de isolatiewaarde van de luchtspleet tussen de contacten groot genoeg is om verdere overslagen
te verhinderen. De weerstand in de stroomkring (leidingweerstanden, gebruikers enz.)
dempt de oplaadstroom: hoe groter de weerstand is, des te sneller vermindert de burstimpuls.
Afbeelding 16: gemeten burst-impuls
20
00292AXX
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Tussen de schakelaarcontacten kan een spanning overeenkomstig afbeelding 17 gemeten worden. De spanning wordt zoveel groter als de stroom op het afschakelmoment
en de inductiviteit in de onderbroken stroomkring groter is. De spanning wordt zoveel
kleiner als de capaciteit tussen de schakelaarcontacten groter is. Burst-impulsen bereiken spanningen tot 10 kV.
00293
Afbeelding 17: beveiligingsschakelingen tegen burst-storingen: A diodenschakeling / B varistorschakeling / C RC-schakeling
afbeelding 17 toont verschillende dempingsmogelijkheden voor deze soort storing.
Bij variant A staat een diode parallel over de inductiviteit: de stroom kan daarover vrijlopen, de stroom in de inductiviteit wordt niet onderbroken en over de schakelcontacten
wordt geen hoge spanning opgebouwd. Deze beveiligingsschakeling is alleen bij gelijkspanning mogelijk.
Bij variant B wordt een spanningsafhankelijke weerstand over de contacten geplaatst,
een zogenaamde varistor. Deze begrenst de spanning over de schakelaar. De varistor
moet daarbij zo gekozen worden, dat deze de optredende energie W en de schakelfrequentie verdragen kan. De energie kan met [F3] ingeschat worden. Deze schakelvariant
is geschikt voor gelijk- en wisselspanning.
Bij variant C wordt een RC-circuit over de contacten aangesloten: de spanning over het
contact daalt bij stijgende capaciteit, de weerstand zorgt voor een snelle afbouw van de
optredende schakelimpuls.
De beveiligingsschakelingen B en C kunnen zowel bij de schakelaar als bij de inductiviteit geplaatst worden.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
21
2
Stoormechanismen
Voor elektrische en elektronische apparatuur wordt een aan de omgeving aangepaste
storingsimmuniteit tegen burst-impulsen vereist. Afbeelding 19 laat de daarvoor gedefinieerde normimpuls zien.
Afbeelding 18: genormeerd burst-testsignaal volgens IEC 801-4
00294BXX
Het burst-testsignaal met de afzonderlijke pulsen P heeft de volgende parameters:
tr = 5 ns (stijgtijd)
td = 50 ns (impulsduur)
f = 2,5 / 5 kHz (herhalingsfrequentie)
U = 0,5 / 1 / 2 / 4 kW (amplitude)
Fundamenteel soortgelijke stoorsignalen ontstaan bij de toepassing van halfgeleiderschakelaars. Daar moet door passende maatregelen in de schakeling gewaarborgd
worden, dat de optredende overspanningen niet tot beschadiging van de halfgeleiders
leiden. De met halfgeleiderschakelaars mogelijk hoge schakelfrequenties kunnen tot
een aanzienlijk storingsniveau leiden. De zeer korte schakeltijden genereren hoogfrequente stoorsignalen.
Voorbeelden van mogelijke gevolgen van burst-impulsen:
•
uitval of storing van computers en netwerken;
•
vervorming van analoge signalen;
•
foutschakelingen van initiators en andere schakelaars;
•
beschadiging van gevoelige halfgeleiders.
Bij de burst gaat het om een hoogfrequente storing die gemakkelijk nabijgelegen leidingen kan beïnvloeden.
22
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Elektrostatische
ontlading
Frequentiebereik: gevolgen in het HF-bereik
Energiegehalte: gering
00295BXX
Afbeelding 19: elektrostatische oplading op rubber mat [1] en pvc-vloerbedekking [2] bij de relatieve vochtigheid HR
Loopt een persoon met rubberzolen over een synthetisch tapijt, dan kan een elektrostatische oplading worden waargenomen. Dit effect treedt ook op bij andere materialen.
Nadert deze persoon een ongeladen, geleidend en geaard voorwerp, dan vindt een
elektrostatische ontlading plaats (Engels ESD = electrostatic discharge).
Elektrostatische oplading vindt plaats door het scheiden van twee elkaar rakende materialen, waarvan er ten minste één een isolator moet zijn, omdat de ladingen anders gelijk
weer afvloeien.
Elektrostatische opladingen ontstaan bijvoorbeeld bij het lopen over isolerende tapijten,
bij het opstaan uit een stoel, bij het hanteren van kunststof onderdelen, bij het afwikkelen
van kunststof- en papierbanen van rollen, bij het stromen van isolerende vloeistoffen
door leidingen enzovoort. Bij ongunstige materiaalcombinatie en een geringe luchtvochtigheid kunnen spanningen tot 30 kV worden waargenomen.
Bij het ontladen ontstaan zeer snelle, impulsvormige stromen, die storingen kunnen veroorzaken.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
23
2
Stoormechanismen
Elektrostatische ontladingen kunnen ook in en aan apparatuur optreden als de voorwaarden daarvoor aanwezig zijn.
Afbeelding 20: genormeerde ESD-impuls volgens IEC 801-2
00296AXX
Voor elektrische en elektronische apparatuur wordt een aan de omgeving aangepaste
storingsimmuniteit tegen ESD vereist. Afbeelding 20 laat de genormeerde impuls zien.
De ontlading vindt in zeer korte tijd plaats, de impuls heeft een hoogfrequent spectrum.
De hoogfrequente stroomstoot, die bij de ontlading ontstaat, kan vooral halfgeleiderlagen beschadigen of vernietigen. De elektrostatische oplading kan door geleidende
vloerbedekkingen, speciale schoenen, aardingsbanden en dergelijke vermeden worden.
Mogelijke gevolgen:
•
storingen van digitale systemen;
•
verstoring van halfgeleiders, sluipende defecten.
Bij ESD gaat het om een hoogfrequente storing die gemakkelijk nabijgelegen leidingen
kan beïnvloeden.
24
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Straling
Frequentiebereik: HF-bereik
Energiegehalte: meestal gering, dit kan echter in uitzonderingsgevallen zeer groot worden (bijv. in de directe omgeving van televisie- en radiozenders).
Afbeelding 21: storing door straling [1] via een niveaumeter [2], kabel [3], verwerking [4]
00279BXX
Afbeelding 22 laat zien hoe een storing door straling via een leiding, op een storingsgevoelig object gekoppeld kan worden. De meetleiding werkt in dit geval als ontvangstantenne. Van belang voor de maat van de koppeling is de golflengte I van de straling en
de lengte van de leiding.
Daarbij geldt het volgende verband:
Golflengte
[4]
λ
c
f
= golflengte van de straling in lucht in m, bijv. 30 m bij 10 MHz
= lichtsnelheid (ca. 300000000 m/s)
= frequentie van de straling in Hz
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
25
2
Stoormechanismen
Als vuistregel kan er van worden uitgegaan dat de leiding aanzienlijke stralingscomponenten kan ontvangen, zodra haar lengte een tiende van de golflengte bereikt. De leiding fungeert als ontvangstantenne. Omgekeerd geldt, dat een leiding die een hoogfrequent signaal transporteert, vanaf een lengte van een tiende van de golflengte merkbaar
met het afstralen van het signaal begint. Zij fungeert als zendantenne.
Als tegenmaatregel kunnen apparaten in metalen behuizingen gemonteerd worden
(kooi van Faraday); leidingen kunnen worden afgeschermd. Via schermonderbrekingen, spleten en openingen in behuizingen die 10% van de golflengte bereiken, kunnen
echter weer waarneembare signalen afgestraald of ontvangen worden.
Mogelijke stoorzenders
Mogelijke gevolgen:
26
•
radiozenders, televisiezenders, mobiele telefoons, walkie-talkies;
•
HF-materiaaldrooginstallaties, magnetrons
•
vlambooglasapparatuur
•
korte, pulsvormige storingen (ESD, burst ...)
•
hoogfrequent gestuurde systemen (computers, procesapparatuur etc.)
•
vervormde analoge signalen
•
foutief functioneren
•
foute metingen
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
2.4
Koppelmogelijkheden
In de laatste paragraaf zijn verschillende storingsbronnen beschreven. Hier wordt nu beschreven via welke wegen de storingen S het storingsgevoelig object kunnen bereiken.
Er wordt onderscheid gemaakt in vier soorten koppelingen, waarbij het bij de laatste drie
in principe om verschillende verschijningsvormen van de stralingskoppeling gaat:
•
galvanische koppeling
•
inductieve koppeling
•
capacitieve koppeling
•
straling
Al naargelang het uitbreidingspatroon van de storing worden twee verschillende soorten
storingen onderscheiden:
Symmetrische
storing
•
symmetrische storing (afbeelding 22)
•
asymmetrische storing (afbeelding 23)
Deze domineert bij lage frequenties; de stoorstroomkring wordt door de aanwezige leidingen gesloten. Een stoorstroom IS veroorzaakt hier direct een stoorspanningsval over
de meetweerstand R.
Afbeelding 22: symmetrische storing
00297AXX
S = storing
IS = stoorstroom
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
27
2
Stoormechanismen
Asymmetrische
storing
De stoorstroomkring wordt hier door parasitaire capaciteiten CP gesloten. Omdat deze
bij lage frequenties een hoge impedantie bezitten, kunnen asymmetrische storingen in
het LF-bereik worden verwaarloosd. Noemenswaardige stoorstromen IS1 en IS2 vloeien
pas bij hogere frequenties. Over de meetweerstand R heeft dit een verschilspanningsval
van de heen- en teruggaande leiding US1 – US2 tot gevolg. In het HF-bereik vertegenwoordigen asymmetrische storingen het hoofdprobleem. Ze zijn vaak zeer moeilijk op
te sporen, omdat niet altijd duidelijk is waar de stoorstroomkring door parasitaire capaciteiten gesloten wordt.
Afbeelding 23: asymmetrische storing
S
IS1
CP
IS2
28
00298AXX
= storing
= stoorstroom 1
= parasitaire capaciteit
= stoorstroom 2
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Galvanische koppeling (leidingkoppeling)
Frequentiebereik: zowel in het LF- als in het HF-bereik actief
I
&
I
t
Z
U1
U1
U
A
t
B
U
t
U1 = U – I · Z
U1
I·Z
U
t
Afbeelding 24: voorbeeld van galvanische koppeling
t
t
00299AXX
Galvanische koppeling treedt op, als verschillende stroomkringen zich o.a. verdelen in
spanningsbronnen, kabelgoten en kabels. In afbeelding 24 ziet u het er aan ten grondslag liggende principe. De stroom in circuit A (digitale schakeling) veroorzaakt over de
gemeenschappelijke impedantie Z een spanningsverlies. Dit spanningsverlies wordt in
circuit B (analoge schakeling) merkbaar als spanningsdip in de voeding. Het spanningsverlies is zoveel groter als de stroom en de gemeenschappelijke koppelimpedantie groter zijn.
De galvanische koppeling tussen twee stroomkringen kan door de volgende maatregelen worden verminderd:
•
gescheiden voeding van vermogenscircuits en signaalcircuits;
•
verkleinen van de koppelimpedantie Z door stervormige bedrading; het sterpunt
moet zo dicht mogelijk bij de voedingsbron liggen, omdat voor hogere frequenties de
impedantie van de voedingsleiding in eerste instantie door haar lengte wordt bepaald.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
29
2
Stoormechanismen
Inductieve koppeling
Frequentiebereik: zowel in het LF- als in het HF-bereik actief
Afbeelding 25: inductieve koppeling tussen motorkabel en stuurstroomcircuit op print
00300AXX
IL = stroom in de motorkabel
B = magnetisch veld
US = stoorspanning
Om elke stroomvoerende geleider wordt een magnetisch veld B opgebouwd dat proportioneel is met de stroom IL door de geleider. Snijdt dit magnetisch veld een verticaal
daaraan liggende kabellus, dan wordt daar een spanning geïnduceerd als het magnetisch veld van sterkte verandert (transformatorprincipe). De spanning is proportioneel
met het kabellus-oppervlak en met de sterkte van de verandering van het magnetisch
veld. Dit betekent dat een stoorspanning alleen geïnduceerd wordt, als de stroomsterkte
in het belastingscircuit verandert (wisselstroom of geschakelde gelijkstroom). Een constante gelijkstroom veroorzaakt hier geen stoorspanning.
De volgende factoren hebben invloed op de stoorspanning:
•
De afstand: de stoorspanning daalt met toenemende afstand tussen belastingscircuit
en gestoord circuit.
•
De plaatsing: ligt de kabellus parallel aan de krachtlijnen, dan wordt er geen stoorspanning geïnduceerd. Bij een rechte hoek tussen kabellus en krachtlijnen treedt de
maximale stoorspanning op.
•
De frequentie: bij stijgende frequentie van de belastingstroom wordt de stoorspanning groter.
•
Het vlak van de kabellus: de stoorspanning is proportioneel met het vlak van de kabellus.
Stoorspanning kunnen ook ontstaan als de kabellus in het magnetisch veld bewogen
wordt (dynamo-principe), bijv. door trilling.
30
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Maatregelen tegen
inductieve koppeling
Twisten
Bijzonder effectief om de inductieve koppeling te verminderen is het twisten van de
heen- en teruggaande geleider (afbeelding 27). Daarbij worden vele kleine vlakken A
gevormd, waarin deels stoorspanningen met afwisselend voorteken worden geïnduceerd. Over de meetweerstand is slechts nog een kleine stoorspanning actief. De stoorspanning wordt in het algemeen niet exact nul, omdat de lusvlakken A niet gelijk zijn en
omdat het magnetisch veld B in de lussen verschillend is (bijv. vanwege de verschillende afstand tot de storingsbron).
Het twisten wordt effectiever als de lussen kleiner zijn. Dit wordt bereikt door een groter
aantal slagen.
00696AXX
Afbeelding 26: niet-getwiste voedingskabel met magnetisch veld B, lusvlakken A en deelstoorspanningen US
00697AXX
Afbeelding 27: getwiste voedingskabel met magnetisch veld B, lusvlakken A en deelstoorspanningen US
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
31
2
Stoormechanismen
Afscherming
Afbeelding 28: afscherming tegen magnetische velden
B
E
AE
AR
S
00698AXX
= magnetisch veld
= schermaarde
= aardlusvlak
= rest van het lusvlak
= scherm
afbeelding 28 laat zien hoe een scherm van elektrisch geleidend materiaal tegen inductieve koppeling werkt, als het voor de koppeling actieve vlak wordt verkleind. Dit betekent ook dat een scherm van niet-magnetisch materiaal alleen dan kan functioneren, als
het scherm aan beide einden aan aarde wordt gelegd, omdat het anders geen kortsluitlus voor het stoormagnetisch veld vormt. Over de meetweerstand staat slechts een kleine stoorspanning.
Het scherm sluit het hoofdaandeel van de stoorspanning kort; door het scherm vloeit
een kortsluitstroom die hoge waarden kan bereiken. Om grote lusstromen te vermijden
kan één einde van de afscherming via een condensator aan aarde worden gelegd.
Afbeelding 29: één einde van de afscherming is via een condensator aan aarde gelegd
00870AXX
De afscherming is effectiever naarmate de rest van het lusvlak kleiner is. Daarom moeten de onafgeschermde aansluitingen van de leidingen zo kort mogelijk worden gehouden. Ook de aansluitlengten van de afscherming moeten zo kort mogelijk worden gehouden.
32
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Capacitieve koppeling
Frequentiebereik: HF-bereik
UL
US
t
t
CP
CP
CP
IS
R
I
UM
M
t
UM = U – I · R
US
UM
UM
I·R
t
t
t
Afbeelding 30: capacitieve koppeling tussen vermogens- en signaalleiding
t
00699AXX
Twee nabijgelegen leidingen bezitten onderling een parasitaire capaciteit. Als er op een
leiding een spanningsverandering plaatsvindt, dan vloeit er via de parasitaire capaciteit
CP een stoorstroom IS in de nabijgelegen leiding en veroorzaakt een stoorspanning aan
de meetweerstand. Voor de stoorstroom geldt de volgende formule:
Stoorstroom
[5]
IS
CP
∆U
∆t
= stoorstroom
= parasitaire capaciteit
= spanningsverandering over de storende leiding
= duur van de spanningsverandering
De volgende factoren zijn van invloed op de stoorstroom:
•
De ingangsweerstand R: hoe hoogohmiger de ingangsweerstand is, des te hoger is
de stoorspanning die door de stoorstroom wordt veroorzaakt.
•
De afstand tussen de leidingen: naargelang de afstand groter is, is de parasitaire capaciteit en ook de stoorstroom kleiner. De parasitaire capaciteit neemt toe met kleinere leidingafstand (dit komt overeen met de afstand tussen de condensatorplaten)
en met de lengte waarover de leidingen parallel liggen (de lengte maal de leidingdiameter komt ongeveer overeen met de oppervlakte van de condensatorplaten) ([2]).
•
De amplitude van de stoorspanning: de stoorstroom neemt toe met stijgende amplitude van de spanning op de storende leiding.
•
De flankstijlheid van de stoorspanning (veranderingssnelheid): de stoorstroom
neemt toe met stijgende flankstijlheid van de stoorspanning.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
33
2
Stoormechanismen
Maatregelen tegen
capacitieve koppeling
Afscherming
Afbeelding 31: eenzijdige schermaarding
00700AXX
Voor de afscherming tegen capacitieve koppeling voldoet het theoretisch, het scherm
slechts aan één zijde te aarden, omdat het geaarde scherm de tegenpool van de parasitaire condensator vormt. De afgeschermde ader bevindt zich in een kooi van Faraday.
De stoorstroom vloeit nu via het scherm af.
De eenzijdige aarding van de afscherming functioneert echter niet tegen magnetische
velden; praktisch altijd is tweezijdige aarding van de afscherming aan te bevelen. De
voor de koppeling noodzakelijke parasitaire condensatoren worden pas bij hoge frequenties laagohmig, zodat de capacitieve koppeling praktisch alleen in het HF-gebied
optreedt.
34
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Straling
Door straling kunnen storingen op een signaalleiding op een stroomkring overgedragen
worden (afbeelding 1 en afbeelding 21). De leidingen en stroomkringen fungeren daarbij
als zend- en ontvangstantennes.
00701BXX
Afbeelding 32: elektromagnetische golf met elektrisch veld E, magnetisch veld H en voortbewegingsrichting x
Bij hogere frequenties worden signalen in toenemende mate uitgestraald en bewegen
zich voort in de vorm van een golf (afhankelijk van de leidinglengte).
Voorbeeld: frequentie:
golflengte:
f = 30 MHz
[4]
λ =10 m
Een leiding met de lengte λ / 10 = 1 m straalt al merkbaar af en ontvangt al aanzienlijke
signalen.
In afbeelding 32 ziet u dat elektromagnetische golven een magnetisch en een elektrisch
component bezitten. De componenten zijn vast met elkaar verbonden, d.w.z. een magnetisch HF-veld genereert een elektrisch HF-veld en omgekeerd. De energie van de golf
pendelt tussen de beide componenten. Als een component wordt gedempt, dan wordt
de totale golf gedempt.
De verhouding tussen beide componenten wordt impedantie Z genoemd en is afhankelijk van het medium waarover deze zich voortbeweegt en van de afstand tot de zender:
Impedantie
[6]
Z
E
H
= impedantie (in lucht, ver bij de zender vandaan: 377 Ω)
= veldsterkte van het elektrisch veld
= veldsterkte van het magnetisch veld
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
35
2
Stoormechanismen
In principe zijn er twee basisvormen van antennes:
Afbeelding 33: magnetische dipool [1] en elektrische dipool [2]
H
E
36
= magnetisch veld
= elektrisch veld
00702BXX
CR = geleider = ontvangstantenne
CS = geleider = zendantenne
Magnetische
dipool
Elke geleiderlus kan zowel als zend- als ontvangstantenne functioneren. De lus functioneert als magnetische dipool, die een magnetisch veld uitstraalt of ontvangt. De oorzaak van de uitstraling is de stroom die door de geleiderlus vloeit. Bij de ontvangst wordt
een stroom in de lus geïnduceerd. De onderste grensfrequentie ligt zoveel lager als het
vlak van de lus groter is. Dichtbij de magnetische dipool is het magnetisch veld de dominerende component van de golf. Ontstoringsmaatregelen functioneren daarom dichtbij de magnetische dipool pas dan effectief als zij het magnetische veld beïnvloeden.
Elektrische dipool
Iedere geleider kan zowel als zend- als ontvangstantenne functioneren. De geleider
functioneert daarbij als elektrische dipool, die elektrische velden uitstraalt of ontvangt.
De oorzaak van de uitstraling is de spanningsval, die over de geleider optreedt. Bij de
ontvangst wordt een spanning in de geleider geïnduceerd. De onderste grensfrequentie
ligt zoveel lager als de geleider langer is. Dichtbij de elektrische dipool is het elektrische
veld de dominerende component van de golf. Ontstoringsmaatregelen functioneren
daarom dichtbij de elektrische dipool pas dan effectief als zij het elektrische veld beïnvloeden.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen
Maatregelen tegen
straling
2
Afscherming
Een doelmatig middel tegen elektromagnetische straling is de afscherming. De afscherming werkt in principe zo, dat deze een component van de elektromagnetische golf kortsluit. Omdat beide componenten met elkaar vervlochten zijn, wordt daarbij de andere
component mee gedempt. Met een elektrisch geleidende afscherming (meestal een koperen afscherming) wordt de elektrische veldcomponent kortgesloten en met een magnetisch geleidende afscherming (meestal hoogpermeabele materialen) de magnetische
component.
De elektrisch geleidende afscherming is overal daar effectief, waar de golf een aanzienlijk elektrisch component heeft. In de buurt van een magnetische dipool bezit zij slechts
een zeer geringe werking, die echter met toenemende schermdikte groter wordt (het
magnetisch veld wordt door wervelstromen, die zich in het materiaal ontwikkelen, gecompenseerd). Daarom zijn dunne folies en opgebrachte metaallagen daar voor een effectieve afscherming niet geschikt. De elektrisch geleidende afscherming is vooral voor
het hogere frequentiebereik geschikt.
De wezenlijke eigenschap van de magnetisch geleidende afscherming is de permeabiliteit van het materiaal. Omdat de permeabiliteit bij hoge frequenties sterk vermindert,
wordt de magnetische afscherming hoofdzakelijk bij lagere frequenties in de buurt van
magnetische dipoolantennes toegepast. De werking bij hogere frequenties berust
hoofdzakelijk op magnetisatieverliezen in het schermmateriaal; de magnetische afscherming functioneert als een dempingsweerstand voor de golf. Omdat de magnetische afscherming ten opzichte van de elektrische afscherming relatief duur is, wordt die
slechts in weinig gevallen toegepast.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
37
2
Stoormechanismen
2.5
Stoormechanismen bij frequentieregelaars
Bij het gebruik van omvormers met gelijkspanningstussenkring treden enkele effecten
op die alleen met de juiste kennis over de werking verklaarbaar zijn.
Een frequentieregelaar genereert uit de sinusvormige wisselspanning van het net een
uitgangsspanning, waarvan de amplitude en frequentie in een groot bereik kunnen worden ingesteld. Hiervoor wordt de netspanning naar de zogenaamde tussenkringspanning gelijkgericht. Uit deze tussenkringspanning wordt met behulp van een eindtrap een
pulsvormige uitgangsspanning gegenereerd. Met een regelaar wordt de pulsbreedte
van de uitgangsspanning zo gevarieerd, dat aan de inductiviteit van de motor een bijna
sinusvormige stroom verschijnt (pulsbreedtemodulatie = PWM). Het schakelen van de
uitgangsspanning is noodzakelijk om de verliezen in de eindtrap klein te houden en
daarmee een hoog rendement te bereiken. afbeelding 34 laat het principeschema zien
van een frequentieregelaar met gelijkspanningstussenkring.
M
U
U
U
t
t
t
00769AXX
Afbeelding 34: principeschema van een frequentieregelaar met gelijkspanningstussenkring
38
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
De pulserende uitgangsspanning en de uitgangsstroom zijn in afbeelding 36 weergegeven. De flankstijlheid van de rechthoekige impulsen is zeer groot; er worden waarden
van enige kV/µs bereikt.
U
t
I
t
Afbeelding 35: uitgangsspanning en uitgangsstroom van een frequentieregelaar
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
00770AXX
39
2
Stoormechanismen
Een signaal bevat een zoveel meer hoogfrequent aandeel als de spanning en de flankstijlheid van het signaal groter zijn. Omdat bij een frequentieregelaar beide grootheden
zeer hoge waarden aannemen is het stoorsignaal overeenkomstig hoog. Afbeelding 36
laat een specifiek frequentiespectrum van de uitgangsspanning zien.
00771BXX
Afbeelding 36: karakteristiek van het frequentiespectrum van de uitgangsspanning van een
frequentieregelaar
[1] = modulatiefrequentie van de frequentieregelaar
[2] = daling proportioneel 1/f
[3] = reciproque waarde van de stijgtijd van de uitgangsspanning
[4] = daling proportioneel 1/f2
De principiële werking van een frequentieregelaar heeft enkele specifieke stoormechanismen tot gevolg die nu nader beschouwd zullen worden.
40
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen
Uitstraling
2
De uitgangsspanning van een frequentieregelaar bevat noodzakelijkerwijs hoogfrequente componenten. Afhankelijk van de schakelfrequentie van de vermogenshalfgeleiders in de eindtrap (meestal IGBT’s) bezitten de spanningscomponenten niet-verwaarloosbare aandelen tot het frequentiebereik rond 100 MHz. Er ontstaat reeds bij korte leidingen een waarneembare uitstraling.
Dit kan ertoe leiden dat voor het toepassingsgebied bestaande grenswaarden van de
uitstraling overschreden worden en storingen aan nabijgelegen leidingen gekoppeld
kunnen worden. De volgende maatregelen bestrijden dit.
Afscherming
Door vakkundige afscherming kan de uitstraling duidelijk verminderd worden. De afscherming moet daartoe aan beide zijden aan aarde gelegd worden. De invloed van de
afscherming kan bij langere leidingen worden verbeterd door de afscherming verdeeld
over de lengte meerdere keren aan aarde te leggen. Ook de bekabeling met een stalen
bewapening, in een metalen buis of in een metalen kabelkanaal dempen de uitstraling,
hoewel niet zo effectief als een koperen afscherming.
Ferrietkernen
Ferrietkernen functioneren voor hoge frequenties als een serieschakeling van een spoel
en een weerstand. Samen met de leidingcapaciteit vormt de ferrietkern een laagdoorlaatfilter, waarmee de flanken van de uitgangsspanning minder stijl worden. Met geschikte dimensionering is het mogelijk aan de bestaande grenswaarden van uitstraling
te voldoen. Ook het storingspotentiaal van de motorleiding wordt daardoor duidelijk verminderd.
Hetzelfde effect heeft een zogenaamd 'flankenbreker-filter; daarin zijn al kleine condensatoren ingebouwd.
Uitgangsfilter
(sinusfilter)
Een sinusfilter maakt van de pulserende uitgangsspanning een bij benadering sinusvormige uitgangsspanning. Bij een goede filteropbouw wordt het storingsniveau op de leiding en daarmee ook de uitstraling sterk verminderd.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
41
2
Stoormechanismen
Aardlekstroom
Afbeelding 37: frequentieregelaar met motorkabel en motor
[1] = nettransformator
[2] = voedingskabel
[3] = frequentieregelaar
00772BXX
[4] = motorkabel
[5] = aardlekstroom
Iedere leiding bezit een parasitaire capaciteit. Over deze capaciteit vloeien, veroorzaakt
door de pulserende uitgangsspanning, hoogfrequente stromen naar aarde, de zogenaamde lekstromen. Deze stromen kunnen in de vorm van korte, spitse naaldimpulsen
worden gemeten.
In een installatie met onvoldoende, niet HF-conforme potentiaalvereffening kunnen
deze lekstromen potentiaalsprongen veroorzaken die tot storingen leiden. De lekstromen veroorzaken bovendien hoogfrequente magnetische velden, die in geleiderlussen
stoorspanningen kunnen induceren.
De parasitaire capaciteit van een leiding wordt door afscherming duidelijk (typisch factor
2–3) verhoogd. In ongunstige gevallen kunnen door de afscherming van de motorleidingen storingen veroorzaakt worden, omdat door een verhoging van de parasitaire capaciteit de lekstromen toenemen en een groter HF-aandeel krijgen. In zulke gevallen moeten uitgangsfilters of ferrietkernen in plaats van afgeschermde leidingen voor het ontstoren worden toegepast.
Het belangrijkste onstoringsmiddel tegen de gevolgen van hoogfrequente lekstromen is een hoogfrequent-geschikt aardingsconcept in het besturingspaneel
en in de installatie.
Bij frequentieregelaars ligt de lekstroom gebruikelijk boven de 3,5 mA. Dit stelt bijzondere eisen aan de aarding.
42
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
2
Stoormechanismen
Netstroomharmonischen
In afbeelding 34 is de principiële opbouw van een frequentieregelaar weergegeven. Aan
de ingang zorgt een gelijkrichter ervoor dat een tussenkringcondensator opgeladen
wordt om energie op te slaan. Deze tussenkring kan alleen door het net opgeladen worden als de momentele waarde van de netspanning boven de momentele waarde van de
tussenkringspanning ligt (afbeelding 38).
00773BXX
Afbeelding 38: spanningen en stromen in de frequentieregelaar
IN = netstroom
UN = netspanning fase-fase
UN
UNC
= gelijkgerichte netspanning
= spanning op de tussenkringcondensator
De netstroom is niet sinusvormig maar bevat hoogfrequente harmonischen die tot vervorming van de netspanning leiden. Dit heeft verhoogde verliezen en beperkingen in de
werking tot gevolg. De netharmonischen veroorzaken bovendien, vergeleken met de uitgangsstroom, een duidelijk hogere netstroom. Tabel 4 laat het specifieke aandeel van
harmonischen in de netstroom van verschillende frequentieregelaars bij vollast zien.
Tabel 4: aandeel van netharmonischen t.o.v. de grondfrequentie bij verschillende 3 kWfrequentieregelaars
Harmonischen
Conventioneel apparaat
Conventioneel apparaat met netsmoorspoel
Modern apparaat met
'slanke' tussenkring
(bijv. MOVITRAC® 31)
5e
86 %
42 %
25 %
e
72 %
17 %
13 %
11e
42 %
8%
9%
uitgangsstroom
7,3 A
7,3 A
7,3 A
netstroom
9,4 A
6,9 A
6,7 A
7
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
43
2
Stoormechanismen
De waarden van moderne frequentieregelaars met 'slanke' tussenkring liggen dichtbij
de theoretische waarde die met netgelijkrichting bereikt kan worden; ook met een
netsmoorspoel kan hier geen verdere verbetering worden bereikt.
Betere waarden kunnen alleen nog worden bereikt door het toepassen van een scheidingstransformator of door een zeer kostbare schakeling aan de ingang, waarbij componenten gebruikt worden die sinusvormige afname van het net mogelijk maken.
Door een compensatie-installatie kan de grootte van de rimpel verminderd worden. Fabrikanten van compensatie-installaties adviseren om vanaf een frequentieregelaar-aandeel van ca. 20 – 25 % van het totale aansluitvermogen inductieve compensatie-installaties toe te passen om het risico van netresonanties te voorkomen.
44
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-ontwerp
3
3
EMC-ontwerp
De huidige vereiste CE-markering van elektrische apparatuur en machines heeft betrekking op verschillende EG-richtlijnen. Dat zijn al naargelang de productsoort:
•
Laagspanningsrichtlijn 73/23/EG (betreft elektrische veiligheid)
– betreft in principe alle elektrische bedrijfsmiddelen.
•
Machinerichtlijn 89/392/EG (betreft veiligheid en ongevallenrisico)
– betreft alle machines en installaties met bewegende delen.
•
EMC-richtlijn 89/336/EG
– betreft alle elektrische apparatuur, echter geen componenten die niet algemeen
verkrijgbaar zijn.
De conformiteitsverklaring voor de CE-markering voor niet-gebruiksklare apparatuur1
behoeft niet dwingend ook de EMC-richtlijn in te sluiten. Dit is in de regel ook zelfs niet
mogelijk omdat het garanderen van een EMC-genormeerde toepassing niet alleen geschikte componenten, maar ook deskundige montage en bedrading vereist.
Hoe belangrijk een EMC-ontwerp voor machines en installaties is, leren de volgende ervaringen uit de praktijk:
•
prijsgunstige installatie door het voorkomen van EMC-maatregelen achteraf;
•
korte inbedrijfstellingstijd door het vermijden van zoeken naar storingen;
•
betrouwbaarder bedrijf door het vermijden van machine- en installatiestoringen;
•
langere levensduur van de elektrische onderdelen door beveiliging tegen schadelijke
EMC-invloeden.
Het EMC-ontwerp moet rekening houden met de omstandigheden ter plaatse van de installatie. Daarmee worden de EMC-kosten tot het noodzakelijke beperkt. De opdrachtgever of de latere gebruiker van de installatie moet daarom informatie verstrekken, die
het de ontwerper mogelijk maken, overeenkomstig de EMC-omgeving de juiste EMCmaatregelen te treffen. Ook moet hij aan de ontwerper informatie verstrekken over het
bestaande elektriciteitsnet en de netkwaliteit, omdat deze eveneens invloed op het
EMC-ontwerp uitoefenen.
1. De nieuwe EMC-productnorm (ontwerp 11.95) voor elektrische aandrijvingen spreekt van zogenaamde
'beperkte verkrijgbaarheid', d.w.z. zij beoogt een traject waarbij het in het verkeer brengen beperkt is tot
handelaren, klanten of gebruikers, die over EMC-kennis beschikken.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
45
3
EMC-ontwerp
3.1
Invloed van de locatie van de installatie
De EMC-normen definiëren voor verschillende 'omgevingen' verschillende EMC-eisen
in de vorm van grenswaarden. Onder omgeving wordt de specifieke situatie van de opstelling verstaan gelet op het EMC-aspect. De volgende principiële eisen worden daarbij
aan elektrische uitrustingen gesteld:
Tabel 5: eisen aan de omgeving
Omgeving
Storingsimmuniteit
Storingsemissie
Verklaring
Bedrijfsterreinen en woonwijken = 'eerste
omgeving' volgens EMCnorm.
Relatief geringe
eisen tegen
elektromagnetische storingen
Hoge eisen,
d.w.z. zelf zo
goed mogelijk
ontstoord,
grenswaarde
klasse B
Radio-, televisieontvangst- en telecommunicatiesystemen en gegevensverwerkingssystemen zijn voor
deze gebieden toonaangevend. Zij moeten tegen
ontoelaatbare elektromagnetische storingen beveiligd worden, d.w.z. elektrische uitrustingen moeten
een hoge ontstoringsgraad bezitten.
Industrieterreinen = 'tweede
omgeving' volgens EMCnorm.
Hoge eisen
tegen elektromagnetische
storingen
Relatief geringe
eisen, d.w.z.
zelf slechts fundamenteel ontstoord,
grenswaarde
kl.A
De locatie zelf is elektromagnetisch zwaar belast.
Ervaring leert, dat een elektrisch apparaat voor lage
eisen tegen elektromagnetische storingen door
aanvullende maatregelen moeilijk tegen hoge elektromagnetische belastingen te bewapenen is. De
noodzakelijke storingsimmuniteit moet reeds bij de
constructie van het elektrisch apparaat bereikt worden.
Industrieterreinen installaties
die ter plaatse
van het bedrijf
samengebouwd worden
(zie EMC-wet
§ 5 alinea 5).
Hoge eisen
tegen elektromagnetische
storingen
Geen eisen
voorgeschreven
Er zijn geen grenswaarden van kracht; het oogmerk
van de beveiliging moet echter aangehouden worden. Het vermoeden bestaat dat bij deskundig
installeren met inachtneming van de fabrieksvoorschriften de EMC-eisen aangehouden worden.
Soms kan het nodig zijn bij geschillen over apparatuur die door straling wordt beïnvloed, buiten de
installatie achteraf nog filters aan te brengen.
De onderscheiden eisen aan de verschillende omgevingen vereisen maatregelen die
zijn toegesneden op de plaats van opstelling. Producenten en leveranciers van elektrische componenten moeten de productspecificaties op de desbetreffende omgeving afstemmen. Dit wordt bereikt als elektrische componenten minimaal de specificaties overeenkomstig 'tweede omgeving' (industrieterreinen) bezitten, d.w.z. zij hebben een hoge
storingsimmuniteit, zijn zelf echter fundamenteel ontstoord. Voor de toepassing in 'eerste omgeving' (bedrijfsterreinen/woonwijken) kan men met selectieve, aanvullende
maatregelen de storingsemissie door aanvullende apparatuur (netfilters, EMC-modules,
afgeschermde leidingen) verder verminderen.
46
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
3
EMC-ontwerp
EMC-ontwerp met als voorbeeld frequentieregelaar MOVITRAC®31C:
Eisen voor de storingsimmuniteit
Toepassingsgebied
Maatregelen
Relevante norm
Apparaten die slechts voor het aansluiten
op het openbare laagspanningsnet in
woongebieden bedoeld zijn.
Geen verdere componenten / apparaten
nodig. Bedradings-/installatievoorschrift
aanhouden.
EN 50 082-1
Apparaten die bedoeld zijn voor het
gebruik in industriële omgeving.
Geen verdere componenten / apparaten
nodig. Bedradings-/installatievoorschrift
aanhouden.
EN 50 082-2
Eisen voor de storingsemissie
Toepassingsgebied
Maatregelen
Relevante norm
Apparaten die op een openbaar laagspanningsnet zijn aangesloten, dat ook
woonhuizen voedt.
EMC-modules EF... of netfilters NF... +
uitgangssmoorspoel HD... of netfilters
NF... + uitgangsfilters HF... of in plaats
van uitgangsfilters HF... afscherming
motorkabel.
EN 50 081-1
Installaties die op een industrieel laagspanningsnet zijn aangesloten en op de
bedrijfslocatie worden samengesteld.
Geen verdere componenten / apparaten
nodig. Bedradings-/installatievoorschrift
aanhouden.
EMC-wet
Apparaten die op een industrieel laagspanningsnet zijn aangesloten of op
openbare netten, die geen huishoudingen verzorgen en niet op de bedrijfslocatie worden samengesteld.
EMC-modules EF... of netfilters NF... +
uitgangssmoorspoel HD... of netfilters
NF... + uitgangsfilters HF... of in plaats
van uitgangsfilters HF... afscherming
motorkabel.
EN 50 081-2
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
47
3
EMC-ontwerp
3.2
Netkwaliteit
De volgende storingen beïnvloeden de netkwaliteit:
Tabel 6: criteria voor netkwaliteit
Projecteringsadviezen
Soort
Oorzaken
Spanningsvariaties
Nettransformatoren zonder vermogensreserves.
Lange voedingsleidingen (deels met te krappe kabeldoorsnede), waarop
sterk wisselende belastingen zijn aangesloten.
Noodstroomaggregaten.
Frequentievariaties
Komt slechts voor bij 'eilandbedrijf', d.w.z. bij netten zonder koppeling aan
het openbare elektriciteitsnet. De belasting van de generator veroorzaakt
een toerentalvermindering = frequentiedip.
Spanningsdippen /- flikkering
Netten waarop gebruikers met zeer hoge inschakel- of aanloopstromen zijn
aangesloten, deels in combinatie met lange voedingsleidingen.
Nettransformatoren zonder vermogensreserves.
Transiënte overspanningen
Opwekking door het schakelen van inductieve gebruikers (bijv. weerstandslassen).
Niet afgeregelde / defecte compensatie-installaties (ontlaadweerstanden
van de condensatoren).
Atmosferische overspanning (blikseminslag.
Aandeel van de hogere harmonischen bij de netspanning
Verbruikers met niet-sinusvormige stroomafname: apparaten met gelijkrichterschakelingen en condensatorbelasting, bijv.:
apparaten die met faseaansnijding werken (regelaars voor gelijkstroomaandrijvingen, softstarters, frequentieregelaars, dimmers, wisselstroominstelapparatuur).
Frequentieregelaar / apparaten met schakelende voedingen (pc’s televisie...).
Zij genereren door stroomvervorming over de netimpedanties spanningsopslingeringen (harmonischen). Hun frequentie is een veelvoud (heel getal)
van de netfrequentie. Het belangrijkste aandeel bestaat meestal uit oneven
harmonischen tot ca. de 15de.
Harmonischen belasten leidingen van het net, beveiligingen en transformator. Zij kunnen netresonanties veroorzaken en tot storingen leiden in de
werking van andere verbruikers.
Spannings- en frequentievariaties kunnen door aanpassing van het vermogen van
het net aan de werkelijke behoefte tot acceptabele grenzen worden teruggebracht,
d.w.z. door een grotere voedingstransformator; eventueel in combinatie met zorgvuldig
geprojecteerde voedingskabels.
Spanningsdippen zijn onvermijdelijk wat betreft hun ontstaan, hun gevolgen kunnen
echter worden begrensd. Belastingen met zeer hoge inschakel- of aanloopstromen kunnen separaat worden gevoed (aparte voedingskabel of separate voedingstransformator).
Transiënte overspanningen zijn wat hun ontstaan aangaat eveneens onvermijdelijk.
Zij moeten met de installatie van een overspanningsbeveiliging worden bestreden. Dergelijke beveiligingen bestaan uit varistors en gasgevulde overspanningsafleiders, deels
gecombineerd. Zij worden aan de laagspanningszijde voor het te beveiligen elektrische
component geïnstalleerd. Eigen smeltpatronen met meldcontact zorgen ervoor dat een
opgetreden defect direct wordt herkend.
48
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-ontwerp
3
Netharmonischen kunnen bij hun ontstaan beperkt of gereduceerd worden. Vóór apparaten met veel vervorming van netstroom worden netsmoorspoelen geplaatst. Deze
vlakken de ingangsstroom af, maken hem bijna sinusvormig en reduceren daarmee de
harmonischen. Bovendien hebben netsmoorspoelen door hun impedantie een ontkoppelende werking en verbeteren de overspanningsbeveiliging van apparatuur door begrenzing van de snelheid van de stroomtoename.
Tegenwoordig is er meetapparatuur beschikbaar, waarmee het aandeel van de harmonische van de gebruikers op het net selectief en sommerend kan worden vastgesteld.
Daarmee zijn dan ook doelgerichte tegenmaatregelen te projecteren:
3.3
•
bij belastingen die veel harmonischen veroorzaken netsmoorspoelen (uK ≥ 4 %)
plaatsen;
•
bij compensatie-installaties smoorspoelen toepassen (overleggen met fabrikanten
van compensatie-installaties);
•
absorptieschakeling in het laagspanningsnet installeren (kortsluiting voor harmonischen).
Projectering van het besturingspaneel
De plaatstalen schakelkast is uit het EMC-oogpunt een goede oplossing, omdat hij vergeleken met andere gebruikelijke materialen (roestvaststaal, aluminium, kunststof) ook
eigenschappen voor de magnetische afscherming bezit. Kunststof schakelkasten zijn uit
EMC-oogpunt ongunstig; bovendien voeren zij het inwendig opgewekte verliesvermogen via hun oppervlak slecht af.
Aan de montageplaat van de schakelkast moet bijzondere zorg worden besteed. Deze
zorgt naast de bevestiging van de componenten ook voor de oppervlakteaarding van inbouwapparatuur met metalen behuizing. Verzinkte stalen platen zijn daarvoor het best
geschikt.
Ongunstig zijn:
•
Gelakte montageplaten: de lak onder de inbouwplaats moet zorgvuldig verwijderd
worden; daarna is de bescherming tegen corrosie niet meer gegarandeerd.
•
Blank aluminium montageplaten: blank aluminium is met een oxidelaag bedekt, die
ook hoge weerstand heeft.
•
Geëloxeerde aluminium montageplaten: de opgebrachte laag heeft een hoge weerstand en laat zich moeilijk verwijderen.
De montageplaat moet oppervlakte-contact maken met de schakelkast. Deze op zijn
beurt moet goed geleidend contact met de machine-/halconstructie maken.
De PE-rail is het centrale aansluitpunt voor de PE-geleiders van elk afzonderlijk apparaat in het besturingspaneel (stervormige aarding). De PE-aansluiting vervangt geen
HF-aarding en geen afscherming, maar is om veiligheidstechnische redenen voorgeschreven voor de veiligheidsaarding.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
49
3
EMC-ontwerp
Indeling van de
apparatuur in het
besturingspaneel
•
EMC-componenten (netfilters / uitgangsfilters / EMC-filters voor in- en uitgangen)
moeten zo dicht mogelijk bij het bijbehorende apparaat geplaatst worden, zodat de
bedrading tussen de EMC-componenten en regelaar kort blijven (max. afstand:
50 cm). Opletten op de noodzakelijke vrije ventilatieruimte van de apparatuur.
•
Apparaten met veel signaaluitwisseling vlak bij elkaar plaatsen, zodat lange leidingen vermeden worden: hoe korter de verbinding, des te minder kunnen de signalen
gestoord worden.
•
Interface-relais moeten in de nabijheid van de signaalingang geplaatst worden. Deze
heeft een hoge impedantie, is dus storingsgevoeliger dan de signaaluitgang.
•
Scheiding van leidingen met een hoog storingspotentiaal van leidingen met een lage
signaalspanning door ze in gescheiden draadkokers te leggen. Een afstand van
20 cm is in de meeste gevallen voldoende. Leidingen met hoog storingspotentiaal
zijn bijv. onafgeschermde leidingen aan de uitgang van de frequentieregelaar en van
de remchopper, stuurstroombedrading van magneetschakelaars, bedrading van
magneetventielen en elektromagnetische remmen.
•
Afgeschermde leidingen niet via de klemmen van het besturingspaneel, maar direct
naar het apparaat voeren. De afschermlitze van deze kabels moet direct aan de behuizing van het apparaat of onder de behuizing aan de montageplaat van de kast
met een metalen kabelbeugel worden geaard. Het verlengen van de afscherming
door aangesoldeerde draden is niet toelaatbaar.
•
Aanvullende tip (geen aanwijzing vanuit EMC-optiek): warmtegevoelige apparatuur
moet niet in het bovenstel deel van de schakelkastruimte worden geplaatst. In een
200 cm hoge schakelkast kan dit bij ongunstige ventilatie-omstandigheden in een
temperatuurverschil >30 K tussen onder en boven resulteren.
Zinvol is een indeling van de componenten naar de soort van de te verwerken signalen.
Hier wordt een indeling in vier categorieën gemaakt:
Categorie I (zeer
gevoelig)
Categorie II
(gevoelig)
Categorie III (storingsbronnen)
Categorie IV
(krachtige storingsbronnen)
50
•
analoge sensoren (met resolutie op mV-niveau);
•
meetleidingen (sondes, opnemers etc.);
•
capacitieve naderingsschakelaars.
•
signaalleidingen met lage spanning (veldbussen etc.);
•
digitale schakelleidingen (binaire in- en uitgangen etc.);
•
voedingen voor signalen (10 V, 24 V etc.);
•
stuurstroomleidingen voor inductieve belasting (remmen, magneetschakelaars, relais etc.)
•
ontstoorde vermogenskabels (bijv. gefilterde uitgangskabel van de frequentieregelaar);
•
voedingskabels (niet geschakeld).
•
voedingskabels naar lasinstallaties;
•
vermogenscircuits;
•
geschakelde vermogenskabels (omvormers, elektronische toerentalinstelapparatuur
etc.).
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
3
EMC-ontwerp
Apparaten van verschillende categorieën moeten in verschillende schakelkasten geïnstalleerd worden. Apparatuur van de categorieën I en II en van de categorieën III en IV
behoren in gescheiden schakelkasten ondergebracht te worden. Als dat niet mogelijk is
dan moeten de velden door een rondom contact makende metalen wand worden gescheiden.
Afbeelding 39: voorbeeld van leidingloop in het besturingspaneel
I, II, III, IV = leidingen van de categorie I tot IV
[A] = verwerkingseenheid
[B] = aandrijfelektronica
[C] = besturing
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
00778BXX
[D] = magneetschakelaars en beveiligingen
[E] = hoofdschakelaar
[F] = metalen scheidingswand
[G] = sensor met signaaloptimalisatie
51
3
EMC-ontwerp
3.4
Componentenselectie
De keuze van de componenten bepaalt de te bereiken storingsimmuniteit van de installatie. Wezenlijk criterium voor de keuze is de locatie van de installatie. De componenten
moeten aan de geldende minimumeisen of aan de betreffende productnorm voldoen.
Bij de toepassing van de componenten moet gelet worden op de installatievoorschriften
van de fabrikant met betrekking tot EMC. Deze betreffen in het algemeen de soort van
de toe te passen leidingen (afgeschermd / onafgeschermd, paarsgewijze getwist etc.),
de aarding van de apparatuur en eventueel noodzakelijke filters.
Bij de projectering moet ook op de volgende componenten gelet worden.
Leidingcategorieën
•
Verlichting (fluorescentielampen bijv. hebben een hoog storingspotentiaal)
•
Magneetschakelaar en relais in de buurt van apparaten van de categorieën I en II
moeten ontstoord worden.
•
Onderdelen die voor de potentiaalvereffening dienen, moeten op HF-conforme wijze
worden verbonden,
•
Voedingsapparatuur (niet ontstoorde schakelende voedingen bijv. hebben een hoog
storingspotentiaal)
De geselecteerde leidingen moeten primair aan de door de bedrijfsomstandigheden bepaalde eisen voldoen (doorsnede, isolatiespanning, milieuvoorwaarden etc.). De uitvoering (met/zonder afscherming, getwist) moet overeenkomstig de tabellen in hoofdstuk
4.2.1 plaatsvinden.
Als afgeschermde leidingen over grote afstanden worden gelegd, dan kan de afschermende werking worden verbeterd, als de afscherming op praktische afstanden door een
kabelbeugel met groot contactvlak wordt geaard. De werking van de afscherming vermindert met de lengte. Gemeenschappelijke kabels voor leidingen van verschillende categorieën moeten worden vermeden, omdat vanwege de zeer korte afstand van de leidingen van elkaar, de onderlinge beïnvloeding zeer groot is.
Signaaloverdracht
Een ander belangrijk punt bij de projectering van een installatie is de signaaloverdracht.
Dit geldt zowel voor stuurstroom- als voor meetleidingen. De tabel in hoofdstuk 4.4 geeft
een overzicht van gebruikelijke overdrachtsmethoden.
Kleine meetsignalen moeten direct bij de sensor versterkt en geoptimaliseerd worden
en pas daarna naar de eigenlijke verwerking worden overgedragen. Zwakke analoge
signalen mogen niet over grote lengten worden getransporteerd. Zulke signalen kunnen
alleen door ingrijpende maatregelen tegen storingsinvloeden beveiligd worden.
Een potentiaalvoerende, asymmetrische signaaloverdracht (bijv. RS-232) leent zich in
een industriële omgeving slechts voor diagnose- en bewakingsdoeleinden en voor de
communicatie over korte afstanden. Deze mag niet voor besturingstaken over grote afstanden worden toegepast.
52
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
4
EMC-maatregelen
4.1
Aarding
De aarding speelt een bijzonder belangrijke rol bij het storingsvrij functioneren van een
installatie. Van cruciaal belang bij een installatie is dat de componenten zowel in het LFals in het HF-gebied hetzelfde aardpotentiaal hebben. Daarom moet reeds bij de projectering van een installatie rekening gehouden worden met HF-aarding. Alle componenten
van de installatie moeten laagohmig geaard worden (zowel voor lage frequenties (LF)
als voor hoge frequenties (HF)). Daarom moet in de installatie een aardingsnet aanwezig zijn dat ook voor hoge frequenties een eenduidig aardpotentiaal ter beschikking stelt.
In afbeelding 41 is een voorbeeld van zo’n aardingsnet weergegeven.
2
1
5
3
6
3
6
6
4
Afbeelding 40: aardingsnet van een installatie in een gebouw
1
2
3
schakelkast vermogensdeel
schakelkast signaalspanningen
kabelgoot vermogenscomponenten
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
5
6
00711BXX
gelaste staalbewapening
kabelgoot signaalspanningen
aardverbindingen
53
4
EMC-maatregelen
Voor de meeste elektromagnetische storingen betekent de beschermleiding een zeer
hoge HF-impedantie. Aardleidingen hebben slechts dan nut, als zij een maasnet vormen.
In afbeelding 41 wordt de impedantie weergegeven van een koperen leiding in relatie
met de frequentie. De leiding vormt voor hoge frequenties, onafhankelijk van de doorsnede, een hoge impedantie. Ze is dan ook ongeschikt voor de HF-aarding van de afschermingen.
00281AXX
Afbeelding 41: impedantie Z van een koperen geleider van 1m lengte in relatie met de frequentie f
Er moet worden gewaarborgd dat overal in de installatie zowel voor LF als voor HF hetzelfde aardpotentiaal ter beschikking staat. Van belang is de componenten laagohmig
met dit net te verbinden.
54
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
X
Y
A
B
Afbeelding 42: aardverbindingen: A – metaal / B – HF-litze
X
Y
00727AXX
In afbeelding 42 worden aardverbindingen weergegeven die ook voor hoge frequenties
een laagohmige verbinding betekenen.
Er zijn verschillende mogelijkheden een laagohmig aardpotentiaal te garanderen:
•
een brede, vlakke verbinding (1:3 < X:Y < 3:1, zie afbeelding 3), die aan beide einden vlak met het aardpotentiaal verbonden is;
•
een verbinding van vele afzonderlijke, van elkaar geïsoleerde geleiders (aardlitze);
•
een afgeschermde leiding: de afscherming vormt voor HF een zeer laagohmige verbinding.
Al deze mogelijkheden hebben een zeer geringe inductiviteit en daarmee een zeer geringe weerstand voor hoge frequenties.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
55
4
EMC-maatregelen
Van wezenlijke invloed op de kwaliteit van een aardverbinding is de contactverbinding.
De werking van de beste aardgeleider kan door een slordige of ondoelmatige contactverbinding teniet worden gedaan. In afbeelding 43 ziet u waar bij de contactverbindingen op gelet moet worden.
Afbeelding 43: contactverbinding van aardleiders
56
00729AXX
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
In afbeelding 44 ziet u, waarop gelet moet worden bij de verbinding van kabelgoten.
00730AXX
Afbeelding 44: verbinding van kabelgoten
4.2
Bekabeling
Leidingcategorieën en kabelselectie
De bekabeling levert een aanzienlijk aandeel aan de EMC van een installatie. Voor een
beter begrip zijn de leidingen in vier verschillende categorieën ingedeeld:
Tabel 7: indeling van de leidingen in groepen
Leidingcategorie
Storingsbron
Gevoelig
I (zeer gevoelig)
–
++
II (gevoelig)
0
+
kabels voor digitale signalen (bijv. veldbussen
e.d.)
kabels voor geschakelde signalen (24V-binaire
schakelaars enz.)
voeding voor signalen (10 V, 24 V etc.)
III (storingsbronnen)
+
0
stuurstroomkabels voor inductieve belasting (ontstoord)
ontstoorde vermogenskabels (magneetschakelaars, remmen enz.)
voedingskabels (niet geschakeld).
++
–
voedingskabels naar lasinstallaties
vermogenscircuits
elektronische toerentalinstelapparatuur
uitgangskabels van frequentieregelaars
IV (sterke storingsbron)
Voorbeeld
kabels voor analoge signalen
meetleidingen (sondes, opnemers etc.)
juist ----------------onjuist
++
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
+
0
–
––
57
4
EMC-maatregelen
Voor de in de vorige tabel gedefinieerde leidingcategorieën worden de volgende kabeltypes geadviseerd:
Tabel 8: samenhang kabeltypes en leidingcategorieën
Leidingcategorie
Eigenschap
Enkeladerig
Getwiste
aderparen
Getwiste
aderparen,
bewapend
Afscherming
(gevlochten)
Afscherming
(gevlochten
& folie)
I
zeer gevoelig
–
0
+
++
++
II
gevoelig
0
+
+
+ +1)
+ +1)
+1)
+ +1)
III
storingsbron
0
+
+
IV
sterke storingsbron
––
–
0
+
+
++
1) duur, meestal niet noodzakelijk
goed ---------------------------------- slecht
++
+
0
–
––
Geschiktheid van de kabeltypes met het oog op EMC:
Tabel 9: geschiktheid van de kabeltypes met het oog op EMC
Leiding
0 – 50
Hz
HF < 5
MHz
HF > 5
MHz
Asymmetrische
onderdrukking
Symmetrische
onderdrukking
Geschikt
voor
Toepassingsgebied
enkeladerig
0
–1)
––
––
––
aderpaar
parallel
0
–
––
getwiste
aderparen
+
+ tot 100
kHz
0
––
+
zwakke
storingsbron
weinig gestoorde
industrieomgeving
getwiste
aderparen, bewapend
+
+
0
+
++
zwakke
storingsbronnen
weinig gestoorde
industrieomgeving, -signalen <
10 MHz
folieafscherming
–
0
+
zwakke
storingsbronnen
gestoorde industrieomgeving, signalen < 10
MHz
gevlochten
afscherming
++
++
+
industriële
storingsbronnen
industrieomgeving, meten,
besturen, regelen
afscherming
(gevlochten & folie)
++
++
++
sterke storingsbronnen
gevoelige leidingen in sterk
gestoorde omgeving
alleen tot 60 Hz
alleen tot 60 Hz
1) als heengaande en retourgeleider gemeenschappelijk op kleine afstand gelegd zijn
goed ---------------------------------- slecht
++
58
+
0
–
––
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
De storingsbeïnvloeiding van kabels van verschillende leidingcategorieën kan door een
goed geplande aanleg sterk worden verminderd. In veel gevallen is zo het gebruik van
onafgeschermde kabels mogelijk.
Ook door twisten kan het koppelen van storingen sterk verminderd worden. Het twisten
is des te efficiënter, als de geleiders met meer slagen per lengte-eenheid getwist worden.
Voor een geringe koppeling van storingen moet de afstand van de kabels zoveel groter
worden als de kabels langer parallel lopen.
II
L2 >> L1
L1
II
d2 >> d1
IV
d1
IV
Afbeelding 45: afstand tussen kabels van verschillende leidingcategorieën (hier II en IV)
00750AXX
Leidingen van de categorieën I en II en de categorieën III en IV op zo groot mogelijke
afstand van elkaar leggen is zeer effectief. In veel gevallen blijkt een afstand van 10 cm
tussen leidingen van de categorieën I en II, 20 cm tussen leidingen van de categorieën
II en III en eveneens 20 cm tussen leidingen van de groepen III en IV voldoende. Bij
langere leidingen en/of bijzondere omstandigheden kunnen echter grotere waarden
noodzakelijk zijn.
00751CXX
Afbeelding 46: verschillende oplossingen voor het leggen van kabels van de groepen I, II, III en
IV (MP = metalen scheidingswand)
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
59
4
EMC-maatregelen
Niet gebruikte geleiders moeten aan beide zijden geaard worden. Bij geleiders van de
categorie I kunnen door de aardverbinding onder bepaalde omstandigheden bromstoringen (LF < 50 Hz) op het gebruikte signaal gekoppeld worden.
00752AXX
Afbeelding 47: aarding van niet benutte geleider
Kabels van de categorieën I en II en van de categorieën III en IV altijd haaks kruisen.
II
I
III
90°
III
IV
IV
II
90°
I
00753AXX
Afbeelding 48: kruisen van kabels van verschillende categorieën
Tussen twee componenten in de installatie moet een doorgaand aardingsvlak bestaan.
Alle kabels moeten langs het aardingsvlak worden geleid.
A
A1
A3
A2
M
M
Afbeelding 49: leidingloop langs het aardingsvlak
00706AXX
A / A1 / A2 / A3 = vlakken van de aardlussen
60
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
De heengaande en retourgeleider moeten over de totale lengte gemeenschappelijk gelegd worden. Iedere voedingskabel moet samen met de bijbehorende aardleider worden
geïnstalleerd.
24 V
24 V
5V
5V
00710AXX
Afbeelding 50: heengaande en retourgeleider gezamenlijk leggen
Afscherming
De storingskoppeling op een leiding kan door toepassing van afgeschermde kabels
sterk worden verminderd. Van belang voor de schermdemping is de schermaansluiting.
In afbeelding 12 is de invloed weergegeven van de lengte van de schermaansluiting op
de schermimpedantie.
ZS
1
100 Ω
2
10 Ω
3
1Ω
4
100 mΩ
10 mΩ
1 mΩ
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz
100 MHz
Afbeelding 51: schermimpedantie ZS in relatie met de aansluitlengte en de frequentie f
1
2
3
schermaansluitlengte 1000 mm
schermaansluitlengte 50 mm
schermaansluitlengte 4 mm
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
afscherming rondom geaard
(concentrische afwerking)
f
00754AXX
schermaansluitlengte =
lengte van het samengedraaide schermeinde van
de aangesloten kabel
61
4
EMC-maatregelen
De volgende relatie bestaat tussen de schermdemping en de schermimpedantie:
Schermdemping
[7]
D
ZI
ZS
= schermdemping; komt overeen met de factor waarmee de storing t.o.v. een onafgeschermde
leiding gedempt wordt
= HF-impedantie van de inwendige geleider
= HF-impedantie van de afscherming
Aan de hand van drie rekenvoorbeelden zal worden aangetoond hoe de schermdemping van één en dezelfde kabel afhangt van de schermaansluiting. De berekeningen
gelden voor de betreffende kabel en kunnen niet gegeneraliseerd worden.
Berekeningsvoorbeeld voor schermdemping
Voorbeeld 1: schermdemping met rondom afgewerkte schermaansluiting bij 1 MHz
Gegevens:
ZI = 3 Ω (impedantie van de inwendige geleider bij 1 MHz)
ZS = 3 Ω (impedantie van de afscherming bij 1 MHz uit
afbeelding 51)
Stoorsignalen worden bij 1 MHz met factor 1000 gedempt.
Voorbeeld 2: schermdemping met schermaansluitlengte 50 mm bij 1 MHz
Gegevens:
ZI = 3 Ω (impedantie van de inwendige geleider bij 1 MHz)
ZS = 0,3 Ω (impedantie van de afscherming bij 1 MHz uit
afbeelding 51)
Stoorsignalen worden bij 1 MHz met factor 10 gedempt.
Voorbeeld 3: schermdemping met schermaansluitlengte 1.000 mm bij 1 MHz
Gegevens:
ZI = 3 Ω (impedantie van de inwendige geleider bij 1 MHz)
ZS = 3 Ω (impedantie van de afscherming bij 1 MHz uit
afbeelding 51)
Stoorsignalen worden bij 1 MHz met factor 1, d.w.z. helemaal
niet gedempt.
Zoals de voorbeelden 1 – 3 aantonen, kan door een slechte schermafwerking het resultaat van de afscherming aanzienlijk verslechterd of zelfs geheel teniet gedaan worden.
In de praktijk kunnen met in de handel verkrijgbare afgeschermde leidingen
breedbandig dempingsfactoren van ca. 1000 bereikt worden.
62
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
Belangrijk voor de schermaansluiting is de aarding van de gehele omtrek van de afscherming. De afscherming moet geaard worden op de behuizing of op een geaard vlak
(blank metaal). In afbeelding 52 ziet u hoe dat gerealiseerd kan worden.
00755AXX
Afbeelding 52: voorbeelden voor schermafwerking met metalen beugels, metalen PG-doorvoeringen
Bij kunststof behuizingen wordt de afscherming zo dicht mogelijk bij de behuizing geaard. Deze wordt dan tot aan de klem in of aan de behuizing verder geleid.
00816BXX
Afbeelding 53: schermaansluiting bij kunststof behuizingen
PH
S
smin
= kunststof behuizing
= aarding over gehele omtrek
= kortst mogelijke afstand tussen geaard scherm en behuizing
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
63
4
EMC-maatregelen
In afbeelding 15 ziet u hoe de aanleg van de kabel in een kabelgoot (K) of op een hoekprofiel tot vermindering van de uitstraling benut kan worden (S = schermeffect).
K
K
S
E
S
S
S
E S
S
Afbeelding 54: vermindering van de uitstraling
00756AXX
Het effect van de afscherming wordt door een gesloten kabelgoot verbeterd.
Algemene regels
voor bekabeling
64
•
Overtuig u ervan dat overal in de installatie hetzelfde aardpotentiaal (aarding LF-/HFconform) bestaat (afbeelding 40).
•
Leg nooit leidingen van de categorieën I en II met leidingen van de categorieën III en
IV in dezelfde kabel of in dezelfde bundel.
•
Verminder de lengte, waarover de kabels van de categorieën I en II met kabels van
de categorieën III en IV lopen tot het absolute minimum. Leg deze kabels op een
maximale afstand van elkaar.
•
Houd de afstand tussen de leidingcategorieën aan (afbeelding 45).
•
Maak het vlak van de aardlussen zo klein mogelijk (afbeelding 49).
•
Leg de heengaande geleider altijd zo dicht mogelijk bij de retourgeleider (afbeelding
50). Het twisten van de heengaande en retourgeleider vermindert de storingskoppeling.
•
Het gebruik van afgeschermde kabels staat het benutten van dezelfde kabelgoot toe
ook bij verschillende leidingcategorieën.
•
Aard de afscherming aan beide zijden, aard de afscherming met groot contactoppervlak. Enkelzijdige aarding heeft weinig effect. Als de afscherming niet geaard wordt,
kunnen er hoge aanrakingsspanningen ontstaan!
•
Aard de niet gebruikte adres in een kabel aan beide zijden (afbeelding 47).
•
Kabels van de categorieën I en II en van de categorieën III en IV mogen elkaar alleen
haaks kruisen (afbeelding 48).
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
4.3
Voeding
Netspanning
Bij de voeding van meerdere apparaten uit een gemeenschappelijke bron ontstaan
spanningsvariaties op de gemeenschappelijke netaansluiting, die tot storingen kunnen
leiden. Daarom moeten apparaten overeenkomstig hun afgenomen vermogen op een
geschikte groep worden aangesloten. Als er grote spanningsvariaties op het net te verwachten zijn, dan moet voor gevoelige apparatuur zoals besturings- en meetapparatuur
en dergelijke met een scheidingstransformator een aparte voeding worden opgebouwd.
In afbeelding 16 ziet u een voorbeeld van zo’n voeding (1) van vermogenscomponenten
(2) en gevoelige apparatuur (3).
1
2
3
2
1
3
Afbeelding 55: concept voor de netvoeding
00757AXX
De apparaten moeten stervormig op de voedingsbron worden aangesloten. Worden gevoelige apparaten of apparaten met een groot vermogen toegepast, dan zijn gescheiden voedingen noodzakelijk.
Signaalspanningen
Voor signaalspanningen (bijv. 24 VDC) is het van belang dat analoge verbruikers (bijv.
meetsondes, opnemers o.a.) en digitale verbruikers ( relais, magneetschakelaars, remmen o.a.) over verschillende delen van het circuit of ten minste over verschillende
stroomkringen verdeeld worden die stervormig op de uitgang zijn aangesloten. Heengaande en retourgeleider moeten altijd gemeenschappelijk worden gelegd.
In afbeelding 56 ziet u een voedingsconcept voor de voeding van signaalspanning (1)
van vermogenscomponenten (2), kleinere vermogenscomponenten (3) en componenten voor kleine signaalspanningen (4)
Afbeelding 56: concept voor voeding van signaalspanning met getwiste aders
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
00758BXX
65
4
EMC-maatregelen
4.4
Signaaloverdracht
Het gedrag van een installatie wordt in ruime mate beïnvloed door de soort signaaloverdracht. De storingsgevoeligheid van een signaaloverdracht is bij gelijke wijze van overdracht des te kleiner naarmate het signaal groter is. In omgevingen met hoog stoorsignaal zijn alleen verschilsignalen met potentiaalscheiding tussen zender en ontvanger
toepasbaar. De volgende tabel geeft een overzicht van de storingsgevoeligheid van verschillende manieren van signaaloverdracht.
Tabel 10: storingsgevoeligheid van verschillende manieren van signaaloverdracht
Signaaloverdracht
Aanbevolen toepassing
Analoog signaal
Alleen in omgeving met weinig storingen en bij krachtig signaal en/
of geringe eisen aan de signaalkwaliteit. Iedere stoorspanning vervormt het meetresultaat.
Asymmetrische overdracht (bijv.
RS-232)
Alleen in een omgeving met weinig storingen. Kleine potentiaalverschillen tussen ontvanger en zender kunnen al tot overdrachtsfouten
leiden. Voornamelijk gebruikt als diagnose- of inbedrijfstellingsprotocol.
Symmetrische overdracht (bijv. RS485)
Geschikt voor industrieomgeving. Potentiaalverschillen tot enkele
tientallen volts worden onderdrukt. Hogere asymmetrische storingen
leiden tot overdrachtsfouten of tot een defect.
Potentiaalgescheiden
Geschikt voor industrieomgeving. Potentiaalverschillen tussen zender en ontvanger hebben geen invloed op de signaaloverdracht.
Frequentiegemoduleerd
Geschikt voor sterk gestoorde industrieomgeving. Storingen treden
slechts dan op, als het overdrachtssignaal totaal vervormd wordt.
Optische overdracht
Geschikt voor sterk gestoorde industrieomgeving. Elektromagnetische storingen kunnen de overdracht niet beïnvloeden (echter wel
direct de zender of ontvanger).
Gevoelige analoge signalen moeten direct bij de sensor worden bewerkten als versterkt
signaal, door middel van een geschikte wijze van overdracht verder worden getransporteerd.
Communicatieleidingen die het besturingspaneel verlaten, moeten met symmetrische,
potentiaalgescheiden overdracht verwerkt worden. Frequentiegemoduleerde en optische overdracht zijn zeer betrouwbare soorten van overdracht, die voor veel toepassingen echter te kostbaar zijn.
66
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-maatregelen
4.5
4
Opbouw van het besturingspaneel
Indeling van de
componenten
Van grote invloed op de EMC van een besturingspaneel is de verdeling van de componenten over de schakelkastvelden. De indeling moet zo gekozen worden dat het mogelijk is, kabels van verschillende leidingcategorieën ruimtelijk te scheiden. De componenten moeten zo gekozen worden dat zij voldoen aan de eisen aan de storingsimmuniteit
en storingsemissie. In afbeelding 18 ziet u een voorbeeld van de opbouw van een paneel met bijzondere aandacht voor de ruimtelijke scheiding.
00765BXX
Afbeelding 57: schakelkastvelden met voeding, vermogenscomponenten enz.
[1]
[2]
[3]
[4]
= besturing
= vermogenselektronica
= relais
= verwerking opnemers
[5]
[6]
[7]
[8]
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
= 24V-voeding
= netmagneetschakelaars
= filter
= magneetschakelaars en
beveiligingen
[9] = hoofdschakelaar
[10] = metalen scheidingswand
67
4
EMC-maatregelen
Belangrijk:
•
korte leidingen
•
scheiding van de categorieën
•
categorieën I/II en III/IV haaks kruisen
•
scheidingswand rondom geaard
•
gescheiden panelen voor vermogenselektronica en signalen
•
afscherming bij het in- en uitgaan van de kast op de apparatuur aarden
Erg belangrijk voor het correct functioneren van de installatie is het gemeenschappelijke
aardpotentiaal van de componenten in het besturingspaneel. Om die te waarborgen
moet de montageplaat uit verzinkt, ongelakt materiaal bestaan. Met de aardrail moet
een laag-inductieve verbinding bestaan. Aangrenzende velden van het besturingspaneel met apparatuur van de categorieën I en II en van de groepen III en IV moeten door
een rondom geaarde stalen wand worden gescheiden. Fluorescentielampen kunnen als
zender van hoogfrequente signalen tot storingen leiden.
Effect van
afscherming
Het besturingspaneel kan als een kooi van Faraday tot vermindering van de uitstraling
bijdragen. Er zijn speciale uitvoeringen die met contactveren aan de deur de storingsemissie zeer effectief verhinderen. Deze kostbare oplossing is alleen in uitzonderlijke gevallen noodzakelijk. Het besturingspaneel behoudt zijn afschermende werking alleen,
wanneer alle in- en uitgaande kabels afgeschermd zijn, daar deze anders als antenne
werken. De kabelafschermingen moeten direct bij de doorvoering geaard worden. In afbeelding 58 worden daarvoor verschillende mogelijkheden getoond. Alternatief kunnen
deze kabels ook worden gefilterd. De filters moeten direct bij de doorvoering worden gemonteerd of de leiding tussen filter en kabeldoorvoering moet worden afgeschermd.
Een enkele onafgeschermde of ongefilterde kabel kan alle andere maatregelen teniet doen.
00775AXX
Afbeelding 58: correcte kabeldoorvoeringen in het besturingspaneel (metalen verbindingen)
68
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
4.6
Toepassing van filters
Een belangrijke maatregel voor het aanhouden van de EMC is het filteren van de leidingen. De filtering werkt altijd in beide richtingen, d.w.z. zij verhoogt de storingsimmuniteit
en vermindert de storingsemissie op de gefilterde leiding. De correcte werking van het
filter hangt wezenlijk af van de deskundige inbouw.
Daarbij spelen hoofdzakelijk drie factoren een rol:
•
inbouwplaats
•
aarding
•
kabelloop
Als met deze factoren geen rekening wordt gehouden, kan de filterwerking geheel of gedeeltelijk verloren gaan.
Inbouwplaats
Er zijn twee gunstige inbouwplaatsen voor filters:
[A]Een goede inbouwplaats voor een filter is direct bij de doorvoering van de gefilterde
kabel in de metalen behuizing. In dit geval kan de leiding tussen filter en regelaar problemen geven, omdat op dit stuk leiding storingen gekoppeld kunnen worden. Deze
problemen kunnen door afscherming van dit deel van de leiding worden opgeheven.
[B]Eveneens een goede inbouwplaats voor een filter is direct bij het bijbehorende apparaat. In dit geval kan de leiding tussen filter en kabeldoorvoering problemen geven,
omdat hier storingen gekoppeld kunnen worden. Deze problemen kunnen door afscherming van dit deel van de leiding worden opgeheven.
[A]
G
[B]
G
F
F
Afbeelding 59: installatiemogelijkheden van apparaat (G) en bijbehorend filter (F)
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
00776AXX
69
4
EMC-maatregelen
Aarding
Daar bijna alle filters afvoercondensatoren naar aarde toepassen, hangt de filterwerking
in belangrijke mate af van de aarding van het filter. Een slechte aarding kan door een
weerstand RE en een inductiviteit LE worden voorgesteld (→afbeelding 21). De slechte
aarding verhindert dat bij hoge frequenties de stoorspanning door de afvoercondensator
wordt kortgesloten. Dit kan ertoe leiden dat het filter F compleet wordt overbrugd.
Omdat een filter in het algemeen de stoorspanningen kortsluit, om de stoorstromen IS
naar de storingsbron terug te laten vloeien, moet de verbinding tussen filter en storingsbron zo’n klein mogelijke inductiviteit bezitten. Een gemeenschappelijke blanke, metalen montageplaat of een afgeschermde leiding tussen filter en storingsbron zijn hierbij
zeer effectief.
IS
IS
F
LE
RE
Afbeelding 60: vervangschema voor filter met slechte aarding
F
LE
IS
RE
Kabelloop
70
=
=
=
=
00759AXX
filter
aardingsinductiviteit
stoorstroom
aardingsweerstand
De filterwerking kan alleen dan worden gewaarborgd, als de gefilterde en de ongefilterde kabels op de grootst mogelijke afstand van elkaar worden gelegd. Storingen kunnen
anders van de ongefilterde naar de gefilterde kabel worden gekoppeld. Is het gescheiden leggen van deze beide kabels niet mogelijk, dan moet de ongefilterde kabel worden
afgeschermd.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
Selectie van filters
Een juiste keuze van het filter is alleen mogelijk door meting. Alle filterfabrikanten stellen
weliswaar meetkarakteristieken voor de demping ter beschikking, maar deze curven
worden echter altijd met 50 ohm impedantie op de filterin- en uitgang bepaald. Omdat
de werkelijke in de installatie aanwezige afsluitweerstanden van deze waarden afwijken,
worden andere dempingswaarden bereikt. Dat kan ertoe leiden dat filters met gelijke
specificaties in de praktijk zeer verschillende dempingswaarden bereiken.
De volgende tabel laat zien volgens welke criteria de filters geselecteerd behoren te
worden.
Impedantie aan de ingang
Filteropbouw
Impedantie aan de uitgang
hoog
hoog
laag
hoog
hoog
laag
laag
laag
Voor veel toepassingen bieden filterfabrikanten aangepaste filters aan.
Voor ontstoringsdoeleinden zijn meestal laagdoorlaatfilters nodig die het laagfrequente
signaal laten passeren en het hoogfrequente stoorsignaal uitfilteren.
Het eenvoudigste filter bestaat uit condensatoren en smoorspoelen. De volgende tabel
laat de werking zien van deze componenten. Voor lage frequenties zijn elektrolytische
condensatoren en smoorspoelen met een blikpakket zeer geschikt; voor hogere frequenties worden papier- en keramische condensatoren en ferrietkernen toegepast.
Inductieve ontstoring
Capacitieve ontstoring
NF: R << ZL
HF: R >> ZL
NF: R << ZC
HF: R >> ZC
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
71
4
EMC-maatregelen
Om hoogfrequente asymmetrische storingen te onderdrukken is een ferrietringkern
waar de heengaande en retourgeleider gemeenschappelijk worden doorgevoerd, zeer
geschikt. Voor de bedrijfsstroom IB is praktisch geen inductiviteit actief, omdat de magnetische stromen in de kern elkaar onderling opheffen. Voor asymmetrische stoorstromen IS is een zeer hoge inductiviteit actief die deze stromen goed dempt. De ferrietringkern functioneert als een laagdoorlaatfilter.
00762BXX
Afbeelding 61: ferrietringkern
IS = stoorstroom
IB = bedrijfsstroom
72
MS = magnetisch veld t.g.v. stoorstroom
MB = magnetisch veld t.g.v.
bedrijfsstroom
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
4.7
Toepassing van ontstoringscomponenten bij frequentieregelaars
Dit hoofdstuk geeft aanwijzingen voor de projectering. Raadpleeg voor een exacte projectering van SEW-producten de gegevens in de desbetreffende catalogi.
Netsmoorspoel
Een netsmoorspoel kan de volgende functies overnemen:
Commutatievervorming
Een frequentieregelaar heeft aan de ingang meestal een gelijkrichter. De bedrijfsstroom
van de frequentieregelaar vloeit telkens over twee diodes van de gelijkrichter naar de
gelijkspanningstussenkring. Tijdens het proces commuteert de stroom van de ene diode
naar de volgende. Op het moment van commutatie sluit de gelijkrichter het net zolang
kort, tot de diode die eerst geleidend was, zijn spertoestand weer heeft bereikt. In afbeelding 62 ziet u zo’n commutatievervorming op de netspanning.
U
t
00788AXX
Afbeelding 62: commutatievervorming op de netspanning
In afbeelding 63 wordt het enkelfasige vervangschema voor commutatievervorming getoond.
Afbeelding 63: vervangschema voor commutatievervorming
00789BXX
Op het moment van commutatie maakt de diode een kortsluiting X, bij de netaansluiting
zakt de spanning UN in. De impedantie ZN en ZU vormen dan een spanningsdeler, waarover de netspanning staat.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
73
4
EMC-maatregelen
De volgende spanning staat dan op het aansluitpunt:
Netspanning
[8]
UNK
UNK
ZU
ZN
= netspanning op het aansluitpunt op het moment van commutatie
= netspanning bij de nettransformator op het moment van commutatie
= impedantie voor de gelijkrichter (voedingskabel, netsmoorspoel etc.)
= netimpedantie (impedantie van de nettransformator)
Vaak wordt een netsmoorspoel met uK = 4 % toegepast; de netspanning kan dan maximaal ongeveer 20 % inzakken. Dit is vooral voor apparaten met thyristoren in de netgelijkrichter van belang omdat daar de commutatievervorming meerdere 100 µs kan duren.
Voor omvormers met diodes in de netgelijkrichter zijn de tijden aanzienlijk korter, bovendien verloopt de commutering meestal stroomloos. Daarom zijn vervormingen op de
netspanning nauwelijks waar te nemen. Een netsmoorspoel moet hier niet toegepast
worden.
Bestendigheid
tegen overspanning
Bij het optreden van overspanningsimpulsen in het net vloeit op het eerste ogenblik een
zeer hoge stroom de frequentieregelaar in, omdat de tussenkringcondensator nu opgeladen wordt met de hogere, op de aansluitklemmen staande spanning. Bij deze stroom
wordt nog de stroom opgeteld, die door eventueel aanwezige overspanningsafleiders
vloeit. Bij zeer hoge overspanningspulsen kan de toelaatbare spanning van de halfgeleiders overschreden worden. De netgelijkrichter kan door de hoge stroom thermisch
beschadigd worden.
Een netsmoorspoel vermindert de stroom die door de overspanningspuls wordt opgewekt. Bovendien veroorzaakt de stroom spanningsverlies over de netsmoorspoel. Op
de klemmen van de frequentieregelaar is alleen nog de overspanning minus het spanningsverlies actief.
Oorzaken voor zulke overspanningsimpulsen kunnen bijv. kortsluitingen en schakelhandelingen in het net zijn, maar ook fout werkende compensatie-installaties.
Netharmonischen
74
De netstroom van traditionele frequentieregelaar bevat een groot aandeel aan harmonischen. Oorzaak daarvan is de niet-sinusvormige netstroom. Een netsmoorspoel kan
de pulsvormige stroom aanzienlijk afvlakken. Het aandeel aan harmonischen zakt daardoor aanzienlijk (voor de vijfde harmonische typisch met factor 2).
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-maatregelen
4
Bij moderne frequentieregelaars met slanke tussenkring zijn de harmonischen in de netstroom al zover gedaald, dat met een netsmoorspoel geen noemenswaardige verbeteringen meer mogelijk zijn.
Signaalvorm en frequentiespectrum van de netstroom
zonder netsmoorspoel
Inschakelstroom
met netsmoorspoel
signaalvorm netstroom
signaalvorm netstroom
frequentiespectrum netstroom
frequentiespectrum netstroom
A = grondfrequentie / B = harmonische
A = grondfrequentie / B = harmonische
Worden meerdere frequentieregelaars met een netmagneetschakelaar ingeschakeld,
dan worden de inschakelstromen opgeteld. Oorzaak van de inschakelstroomstoot is het
opladen van de tussenkringcondensator. Vooral bij kleine netmagneetschakelaars kan
een te hoge inschakelstroomstoot tot verkleven of vastlassen van de magneetschakelaarcontacten leiden. Een netsmoorspoel kan de inschakelstroomstoot aanzienlijk verminderen.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
75
4
EMC-maatregelen
Selectie van de
netsmoorspoel
Een netsmoorspoel wordt geselecteerd aan de hand van de nominale stroom van de frequentieregelaar en de netspanning, waarop de frequentieregelaar is aangesloten. De
inductiviteit wordt bepaald door de constructie door de fabrikant.
Een gemeenschappelijke netsmoorspoel voor meerdere frequentieregelaars moet geselecteerd worden voor de som van de stromen.
Voorbeeld:
frequentieregelaar 1 IN = 7 A
frequentieregelaar 2 IN = 7 A
frequentieregelaar 3 IN = 12 A
frequentieregelaar 4 IN = 20 A
netspanning UN =3 x 400VAC
→ minimum nominale stroom netsmoorspoel
IDr =7 A +7 A +12 A +20 A = 46 A
→ minimum nominale spanning netsmoorspoel UN =3 x 400 VAC
De minimum nominale stroom van de netsmoorspoel kan gereduceerd worden, wanneer de frequentieregelaars niet gelijktijdig nominaal belast worden (gelijktijdigheidsfactor).
Toepassing van de
netsmoorspoel
Netfilter
De toepassing van een netsmoorspoel wordt in de volgende gevallen aanbevolen:
•
bij een net waar hoge spanningspieken te verwachten zijn;
•
bij meerdere kleine frequentieregelaars achter een gemeenschappelijke netmagneetschakelaar;
•
als een groot van het totale aansluitvermogen van het net uit traditionele frequentieregelaars bestaat.
Het netfilter zorgt ervoor dat de door de frequentieregelaar gegenereerde stoorspanningen niet in het net kunnen komen. Het netfilter moet zo dicht mogelijk bij de betreffende
frequentieregelaar geplaatst zijn; de behuizing van netfilter en frequentieregelaar moeten hoogfrequent geaard zijn en via een montageplaat met elkaar zijn verbonden (bijv.
door montage op een metalen, ongelakte achterwand van een schakelkast).
Afbeelding 64: montage netfilter F / frequentieregelaar U/f
00791BXX
Belangrijk is een vlak metalen contact tussen filter en frequentieregelaar!
76
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
4
EMC-maatregelen
In plaats van één netfilter per frequentieregelaar kan ook een gemeenschappelijk netfilter voor het gehele besturingspaneel worden toegepast. Voor frequentieregelaars is
meestal een driefasenetfilter voldoende, dat voor de som van de regelaarstromen geschikt is. Als er ook eenfasige gebruikers gefilterd worden, dan moet er een viergeleider
netfilter toegepast worden. Het netfilter moet zo dicht mogelijk gemonteerd worden bij
de plaats waar de voedingskabel de schakelkast binnen komt. De gefilterde leiding mag
niet parallel aan ongefilterde leidingen liggen.
Selectie
Een netfilter wordt geselecteerd aan de hand van de stroom van de frequentieregelaar
en de netspanning waarop de frequentieregelaar wordt aangesloten. Een netfilter voor
meerdere frequentieregelaars wordt net als de netsmoorspoel geselecteerd voor de
som van de stromen van de gebruikte frequentieregelaars. Om een bevredigende filterdemping te waarborgen, moet het door de regelaarfabrikant opgegeven type worden
toegepast.
Voor de keuze van viergeleiderfilters kunnen de filterfabrikanten vaak advies geven.
Toepassing van
netfilters
Uitgangsfilter
(sinusfilter)
Het verdient aanbeveling om netfilters toe te passen onder de volgende omstandigheden:
•
bij gebruik in een woonwijk;
•
met inachtneming van grenswaarden in het industriegebied;
•
waar gevoelige gebruikers op hetzelfde net zijn aangesloten;
•
voor optimalisatie van de EMC in een complexe installatie.
Afbeelding 65 laat de spanning zien aan de uitgang van de frequentieregelaar met en
zonder sinusfilter.
U
t
Afbeelding 65: uitgangsspanning met en zonder sinusfilter
00793AXX
Het sinusfilter genereert uit de blokvormige uitgangsspanning een in hoofdzaak sinusvormige uitgangsspanning. Dit is van invloed op de volgende zaken.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
77
4
EMC-maatregelen
Groepsaandrijving
Bij menige toepassing worden meerdere motoren gemeenschappelijk op één frequentieregelaar aangesloten (groepsaandrijving). De uitgangsspanning van een frequentieregelaar wordt uit blokvormige impulsen opgebouwd. Deze veroorzaken in de parasitaire capaciteiten van de motorkabel en motorwikkeling aardlekstroompieken. Bij de
groepsaandrijving worden deze aardlekstromen opgeteld. Deze aardlekstromen kunnen voor de frequentieregelaar ontoelaatbare waarden bereiken (al naargelang het aantal parallel aangesloten motoren, kabellengte, het soort kabel aan de uitgang van de frequentieregelaar en motorgrootte). Bovendien kan een aanzienlijk deel van de stroom in
de leiding verloren gaan. Dit geldt ook bij een motor met een lange, afgeschermde kabel.
Bij toepassing van een sinusfilter ontstaan deze aardlekstroompieken niet omdat daar
de uitgangsspanning sinusvormig is. Er gaat een klein deel van de motorstroom in het
sinusfilter verloren; deze is echter onafhankelijk van externe factoren (aantal motoren,
soort kabel en kabellengte).
Ruisfiltering
De blokvormige pulsen van de uitgangsspanning van de frequentieregelaar veroorzaken ruis in de motor. Deze ruis in het gebied van de modulatiefrequentie van de frequentieregelaar kan als onaangenaam ervaren worden.
Met een sinusfilter wordt deze ruis in de motor sterk gedempt; het filter zelf genereert
ruis bij de modulatiefrequentie.
Radio-ontstoring
De radio-ontstoring reduceert de storingsemissie. Bij goede constructie van het sinusfilter door de fabrikant is radio-ontstoring van de uitgangskabel mogelijk. Daarmee behoeven bij toepassingen, waarop de grenswaarden moeten worden aangehouden, geen afgeschermde motorkabels gelegd te worden. Voor het installeren moeten de voorschriften van de fabrikant worden aangehouden. Ook bij radio-ontstoorde uitvoering zijn er
nog storingen op de uitgangskabel aanwezig; vergeleken met de ongefilterde uitgangsspanning zijn ze sterk gedempt.
Selectie
Net als netsmoorspoelen en netfilters moeten sinusfilters geselecteerd worden aan de
hand van de nominale stroom en nominale spanning. Is de nominale stroom van de motor kleiner dan die van de gebruikte frequentieregelaar, dan kan het filter afgestemd worden op de motorstroom (bij parallelbedrijf van meerdere motoren op de som van de motorstromen).
Bij de selectie moet erop gelet worden dat:
78
•
er spanningsverlies bij het filter optreedt, waardoor de spanning op de motor dienovereenkomstig lager wordt;
•
een deel van de uitgangsstroom in het filter verloren gaat.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-maatregelen
Toepassing
Uitgangssmoorspoel
4
In de volgende gevallen wordt de toepassing van sinusfilters aanbevolen:
•
voor groepsaandrijving op een frequentieregelaar;
•
als filter voor ruis;
•
voor radio-ontstoring bij onafgeschermde motorkabels (bijv. sleepringen of kabelkatleidingen);
•
voor het verminderen van het stroomverlies bij lange kabels.
Uitgangssmoorspoelen vormen samen met de parasitaire capaciteiten (leidingcapaciteit, capaciteit van de motorwikkeling en van de afscherming etc.) op de uitgang van de
frequentieregelaar een laagdoorlaatfilter. Afbeelding 70 laat de vorm van de uitgangsspanning van de frequentieregelaar zien zonder en met uitgangssmoorspoel.
Effect van de uitgangssmoorspoel
Regelaaruitgang zonder uitgangssmoorspoel
Regelaaruitgang met uitgangssmoorspoel
De blokvormige pulsen van de uitgangsspanning worden afgerond; hun vorm blijft echter in principe bewaard. Het stoorsignaal van de uitgangskabel wordt verminderd, maar
niet geheel geëlimineerd. De uitgangsspanning achter de uitgangssmoorspoel is niet sinusvormig. Als uitgangssmoorspoel wordt meestal een ferrietringkern gebruikt, waaromheen de uitgangsgeleiders gewikkeld worden. De ferrieringkern functioneert als
stroomgecompenseerde smoorspoel (zie afbeelding 61). Een ferrietringkern heeft het
voordeel dat er geen extra spanningsverlies op de uitgang van de frequentieregelaar
optreedt. Gewoonlijk voldoen 3 – 5 wikkelingen om een kern. Er bestaan ook uitgangssmoorspoelen die in de lengterichting zijn opgebouwd, waarop hier niet verder wordt ingegaan.
Selectie
Uitgangssmoorspoelen in ferrietkernuitvoering kunnen onafhankelijk van het regelaarvermogen worden toegepast. Is het vanwege de leidingdoorsnede niet mogelijk het vereiste aantal wikkelingen in de kern door te voeren, dan kunnen meerdere kernen achter
elkaar worden gebruikt. De inductiviteit van de uitgangssmoorspoel is evenredig met het
kwadraat van het aantal wikkelingen:
Inductiviteit
[9]
LT
n
L1
= totale inductiviteit van de uitgangssmoorspoel
= aantal wikkelingen
= inductiviteit van de uitgangssmoorspoel met één wikkeling
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
79
4
EMC-maatregelen
Voorbeeld
1) uitgangssmoorspoel met vierwikkelingen
LT = 4 x 4 x L1 = 16 x L1
2) 2 uitgangssmoorspoelen met elk drie wikkelingen
LT = 3 x 3 x L1 x 2 = 18 x L1
3) 4 uitgangssmoorspoelen met elk twee wikkelingen
LT = 2 x 2 x L1 x 4 = 16 x L1
In elk van deze drie gevallen wordt ongeveer hetzelfde ontstorende effect bereikt. Er
mogen niet meer dan vijf wikkelingen om een kern geslagen worden, daar anders de
ontstorende werking door verzadigingseffecten kan afnemen.
In het algemeen kan de uitgangssmoorspoel op twee manieren gewikkeld worden:
Wikkelen met drie uitgangsleidingen plus PE:
voordeel:
– geringere opwarming
– hogere verzadigingsbestendigheid
nadeel:
– verminderde ontstorende werking
– minder wikkelingen mogelijk
Wikkelen met drie uitgangsleidingen zonder PE:
voordeel:
– hogere ontstorende werking
– groter aantal wikkelingen mogelijk
nadeel
– grotere opwarming
– geringere verzadigingsbestendigheid
Toepassing
Het gebruik van uitgangssmoorspoelen wordt in de volgende gevallen aanbevolen:
•
voor de radio-ontstoring van de frequentieregelaaruitgang (eventueel met onafgeschermde leidingen);
•
om achteraf EMC-problemen te behandelen;
•
voor ontstoring als zowel spanningsverlies als stroomverlies niet toelaatbaar zijn.
Een uitgangssmoorspoel kan onder de volgende omstandigheden niet worden
toegepast:
•
vermindering van motorgeluid;
•
groepsaandrijving op een frequentieregelaar;
•
voor het verminderen van het stroomverlies bij lange kabels.
Een uitgangssmoorspoel dient alleen voor de ontstoring van de frequentieregelaaruitgang. Bij juiste dimensionering kunnen de grenswaarden van de uitstraling voor de radio-ontstoring worden aangehouden.
80
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-maatregelen
EMC-module
De EMC-module is een onderbouwfilter voor frequentieregelaars om de in- en uitgang
van de frequentieregelaar te ontstoren. Hij bevat een netfilter voor de ingang en een uitgangssmoorspoel voor de uitgang van de frequentieregelaar. Voordelen zijn de plaatsbesparende inbouw en de door de bouwvorm automatisch verkregen HF-conforme contact tussen frequentieregelaar en filter.
Selectie
Volgens opgave van de fabrikant van de frequentieregelaar geschikt voor de regelaar.
Toepassing
Het gebruik van EMC-modules wordt in de volgende gevallen aanbevolen:
•
voor de radio-ontstoring van de frequentieregelaar met onafgeschermde leidingen;
•
om achteraf EMC-problemen te behandelen.
4
Een EMC-module kan onder de volgende omstandigheden niet worden toegepast:
Afscherming
•
vermindering van motorgeluid;
•
groepsaandrijving op een frequentieregelaar;
•
vermindering van het stroomverlies bij lange kabels.
Door vakkundige afscherming wordt de uitstraling duidelijk verminderd. De afscherming
moet daartoe aan beide zijden aan aarde gelegd worden. Het effect van de afscherming
wordt bij lange kabels verbeterd als het scherm meerdere malen met een beugel (belangrijk: rondom contact!) aan een doorgaande metalen constructie wordt geaard. Ook
de bekabeling met een stalen bewapening, in een metalen buis of kabelkanaal dempen
de uitstraling, hoewel niet zo effectief als een koperen afscherming.
De parasitaire capaciteit van een leiding wordt door afscherming duidelijk verhoogd (typisch factor 2–3). Op een afgeschermde kabel gaat daardoor bij toenemende lengte een
steeds groter aandeel van de motorstroom in de vorm van aardlekstroom verloren. In
ongunstige gevallen kunnen door de afscherming van de motorleidingen storingen veroorzaakt worden, omdat door een verhoging van de parasitaire capaciteit de lekstromen
toenemen en een groter hoogfrequentaandeel krijgen. Dan moeten uitgangsfilters of ferrietkernen in plaats van afgeschermde leidingen voor het ontstoren worden toegepast.
Het belangrijkste onstoringsmiddel tegen de gevolgen van hoogfrequente lekstromen is
een hoogfrequentconform aardingsconcept in het besturingspaneel en in de installatie.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
81
5
Normen en wetten
5
Normen en wetten
De normering en wetgeving op het gebied van EMC is in de laatste jaren wezenlijk veranderd. De volgende oorzaken hebben hiertoe geleid.
•
De noodzaak ontstond, normen op EMC-grenswaarden overeenkomstig de huidige
technische behoeften aan te passen. Principiële trend van dit aanpassingsproces
was de stapsgewijze verhoging van het EMC-verdraagzaamheidsniveau naar waarden die voor huidige technische uitrustingen voldoende zekerheid bieden, 'in de
elektromagnetische omgeving bevredigend te werken, zonder daarbij zelf elektromagnetische storingen te veroorzaken, die voor andere in deze omgeving aanwezige apparatuur onaanvaardbaar zouden zijn' (Citaat uit de EMC-wet).
Dit principe is leidraad van de EMC-wet en de huidige EMC-normen.
82
•
Een ander streven van de normering is, alle EMC-eisen die betrekking hebben op
producten, in een gemeenschappelijke zogenaamde EMC-productnorm samen te
brengen. Dit biedt het voordeel dat alle EMC-aspecten (storingsimmuniteit en storingsemissie, verklaringen, meetmethoden enz.) daarin opgenomen zijn. Voor bijv.
elektrische aandrijvingen is deze in voorbereiding (DIN IEC 22G/21/CDV). Als er een
productnorm bestaat dan moet deze in plaats van de basisnorm worden gebruikt, De
gebruiker moet voor de beoordeling van de EMC-situatie van een apparaat slechts
controleren of de fabrikant voldoet aan de basisnorm of aan de productnorm. Deze
bevatten slechts een opsomming van de EMC-normen, waarop de fabrikant moet letten.
•
De wetgever was met betrekking tot de totstandkoming van de EG-interne markt verplicht de op dat moment geldende nationale wettelijke regelingen (in Duitsland bijv.
het Funkschutzgesetz) door een EG-geharmoniseerde nationale wet te vervangen.
De Europese Commissie heeft in 1989 voor dit doel de EMC-richtlijn 89/336/EEG afgekondigd, waarin voor de EG-lidstaten o.a. een harmonisatie-overgangsperiode tot
31-12-1995 is vastgelegd. De Bondsrepubliek Duitsland heeft de EMC-richtlijn in november 1992 in de Duitse EMC-wet (EMVG) omgezet. Deze is inmiddels geheel herzien in juni 1995.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Normen en wetten
5.1
5
Belangrijke begrippen
Fabrikant
'In de zin van deze wet is de fabrikant diegene, die voor het ontwerp en de vervaardiging
van een onder de EMC-richtlijn vallend product verantwoordelijk is of uit reeds geproduceerde eindproducten een nieuw product vervaardigt of een product verandert, ombouwt of aanpast'.
Wat betekent dat voor de machinefabrikant of installateur? Hij koopt aandrijfapparatuur, die hij in zijn machine / installatie inbouwt en met andere componenten verknoopt.
Elektromagnetische storing
•
Daarmee draagt hij de verantwoordelijkheid voor de waarborging van de juiste EMCsamenbouw van de ingekochte aandrijfcomponenten.
•
De leverancier van de aandrijfcomponenten helpt, doordat hij de machinebouwer /
installateur inzage geeft in de technische handboeken, die de methoden en maatregelen tot waarborging van de EMC beschrijven.
'In de zin van deze wet is elektromagnetische storing ieder elektromagnetisch verschijnsel dat het functioneren van een apparaat kan beïnvloeden. Een elektromagnetische
storing kan elektromagnetische ruis, een ongewenst signaal of een verandering van het
voortbewegingsmedium zijn'.
Wat betekent dat? Elektromagnetische storingen zijn alle soorten storingen, bijv.:
Storingsimmuniteit
•
ESD = ontlading van statische elektriciteit;
•
Surge = piekspanning (gevolgen van bliksem / schakelhandelingen in het net);
•
HF-instraling (via lucht);
•
HF-koppeling via leidingen;
•
Burst = snelle transiënte storingen (openende contacten van inductieve circuits).
'In de zin van deze wet is storingsimmuniteit het vermogen van een apparaat, gedurende een elektromagnetische storing zonder functiebeperking te werken'.
Wat betekent dat? Met storingsimmuniteit wordt de graad van immuniteit tegen van
buiten inwerkende EMC-invloeden beschreven. Hiervoor gelden ook de begrippen:
•
EMB = elektromagnetische beïnvloeding;
•
passief gedrag;
•
emissiegedrag.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
83
5
Normen en wetten
Relatie
De fabrikant in relatie met omvormers en andere vermogenselektronische apparaten.
Fabrikant in de zin van de EMC-wet is diegene die het vermogenselektronische apparaat in een machine ontwerpt, terwijl hij verschillende componenten (schakelkast, plc,
magneetschakelaars, beveiligingen, frequentieregelaars, hulpapparatuur, opnemers,
encoders, motoren, mechaniek, hydrauliek enz.) tot één geheel samenwerkende machine samenbouwt en deze in omloop brengt.
Hij moet de EMC-conformiteit van de machine waarborgen, terwijl hij zijn ontwerpen met
EMC-deskundigheid uitvoert. Daarvoor moet hij weten welke maatregelen voor de componenten, rekening houdend met de locatie van de machine, getroffen moeten worden.
Deze opdracht kan hij slechts met behulp van de componentenleverancier oplossen.
Deze moet steun bieden met betrekking tot de installatie van zijn componenten.
Als de machinefabrikant het EMC-ontwerp bij de constructie en de bouw van de machine consequent doorvoert, is aan alle voorwaarden voldaan om zijn machine te voorzien
van de CE-markering. Dit bevestigt de conformiteit met alle EG-richtlijnen (hier in het bijzonder de EMC-richtlijn).
5.2
Indeling naar toepassingsgebieden
De huidige normen maken onderscheid met betrekking tot de omgeving van de locatie
van de installatie tussen industriegebied en woonwijk. Deze gebieden worden in de zogenaamde basisnormen gedefinieerd.
Tabel 11: indeling van basisnormen naar de omgeving van de opstellingsplaats van de installatie
Titel van de norm
Voor het industriegebied
Voor de woonwijk
basisnorm voor de storingsemissie
EN 50 081-2
EN 50 081-1
basisnorm voor de storingsimmuniteit
EN 50 082-2
EN 50 082-1
Worden er basisnormen of productnormen gebruikt die overeenstemmen met het toepassingsgebied, dan is aan alle EMC-eisen voldaan.
84
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Normen en wetten
5
Tabel 13 laat een lijst van de EMC-testen zien die door de basisnormen worden gedekt.
Tabel 12: basisnorm storingsemissie
Basisnorm storingsemissie
Vereiste meting
volgens
Omschrijving
EN 50081- 1
EN 55022
Grenswaarden en meetmethoden voor radiostoringen
van inrichtingen van de informatieverwerking
EN 55014
Grenswaarden en meetmethoden voor radiostoringen
van apparaten die met elektromotoren worden aangedreven en huishoudelijke apparatuur
EN 50081-2
EN 61000-3-21)
Grenswaarden voor stromen van hogere harmonischen
EN 61000-3-31)
Grenswaarden voor spanningsvariaties en flikkeringen
EN 55011
Grenswaarden en meetmethoden voor radiostoringen
van industriële, wetenschappelijke en medische apparatuur
1) behoeven slechts voor bepaalde apparaten toegepast te worden
Tabel 13: basisnorm storingsimmuniteit
Basisnorm storingsimmuniteit
Vereiste meting
volgens
Omschrijving
EN 50082-1
EN 61000-4-2
Storingsimmuniteit tegen ontlading van statische elektriciteit
EN 61000-4-3
Storingsimmuniteit tegen hoogfrequente elektromagnetische velden
EN 61000-4-4
Storingsimmuniteit tegen snelle transiënte elektrische
storingen / burst
EN 61000-4-2
Storingsimmuniteit tegen ontlading van statische elektriciteit
EN 61000-4-3
Storingsimmuniteit tegen hoogfrequente elektromagnetische velden
EN 61000-4-4
Storingsimmuniteit tegen snelle transiënte elektrische
storingen / burst
EN 61000-4-6
Storingsimmuniteit tegen leidinggebonden storingen,
geïnduceerd door hoogfrequente velden
EN 61000-4-81)
Storingsimmuniteit tegen magnetische velden met energietechnische frequenties
EN 50082-2
1) behoeven slechts voor bepaalde apparaten toegepast te worden
Een apparaat conform EN 50081-1, voldoet ook aan EN 50081-2.
Een apparaat conform EN 50082-2 , voldoet ook aan EN 50082-1.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
85
5
Normen en wetten
Definitie toepassingsgebieden
De indeling in de twee toepassingsgebieden resulteert in de volgende definitie (zie
EN 50081-2 en EN 50082-2, beide hoofdstuk 5). Daarin betekent:
Industriële gebieden
EN 50 081-2: industriële gebieden worden door de aanwezigheid van een of meerdere
van de volgende kenmerken getypeerd:
•
er is industriële, wetenschappelijke en medische apparatuur (ISM-apparatuur) aanwezig;
•
grote inductieve of capacitieve belastingen worden veelvuldig geschakeld;
•
de stromen een de daaraan verbonden magnetische velden zijn hoog.
Dit zijn bepaalde elementen voor een industriële elektromagnetische omgeving en onderscheiden de industriële van andere omgevingen.
Woonwijk, midden- en kleinbedrijf
EN 50 082-1: de door deze norm vastgelegde omgevingen zijn woonwijken, locaties van
kantoren, nijverheid en van kleine bedrijven, zowel binnen als buiten de gebouwen. De
volgende – hoewel niet volledige – lijst geeft aan welke ruimte de norm omvat:
•
woongebouwen/woonetages, woningen, kamers enz.;
•
verkoopruimten zoals winkels, supermarkten enz.;
•
kantoorruimten voor overheid, banken enz.;
•
amusementsbedrijven zoals bioscopen, openbare restaurants, danslokalen enz.;
•
plaatsen in de open lucht zoals tankstations, parken, pretparken sportterreinen enz.;
•
ruimten van kleine bedrijven zoals werkplaatsen, laboratoria, dienstverleningscentra
enz.
Alle locaties die daardoor getypeerd zijn dat zij direct aan het openbare laagspanningsnet zijn aangesloten, worden beschouwd als woonwijk resp. als locaties van kantoren,
nijverheid en van kleine bedrijven.
86
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Normen en wetten
5.3
5
Overzicht van normen en wetten
Het volgende overzicht laat de gebruikelijkste EMC-normen en -wetten per 31-12-1996
zien.
Tabel 14: overzicht van normen en wetten
EMC-normen / wetten
89/336/EEG (= 1989)
EMC-richtlijn
EMVG van 30-8-1995
EMC-wet (EMC-richtlijn omgezet naar Duitse wet)
DIN IEC 22G/21/CDV (ontwerp:
nov. 1995)
EMC-productnorm inclusief testmethode voor elektrische aandrijvingen
eisen voor de storingsimmuniteit: hoofdstuk 5
eisen voor de storingsemissie: hoofdstuk 6
a) storingsemissie (bron)
EN 50081-1 = VDE 0839T81-1
EN 50081-2 = VDE 0839 T 81-2
EN 55 011 = VDE 0875 T11
EN 55 014 = VDE 0875 T14
basisnorm (defin./meetvoorw.): woonwijk
basisnorm (defin./meetvoorw.): industriegebied
grenswaarden: industriële apparatuur (= ISM-apparatuur →hoofdstuk 12)
grenswaarden: huishoudelijke apparatuur
EN 61000-3-2 = VDE 0838 T 2
EMC: grenswaarden voor stromen van hogere harmonischen (IN ≤
16A)
b) storingsimmuniteit (doel)
EN 50082-1 = VDE 0839 T 82-1
EN 50082-2 = VDE 0839 T 82-2
basisnorm: woonwijk
basisnorm: industriegebied
EN 61000-4-2
= DIN VDE 0843 T2
= IEC 801-2 = IEC 1000-4-2
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
ontlading van statische elektriciteit (=ESD)
ENV 50 140
= DIN VDE 0847 T3
= EC 801-3 = IEC 1000-4-3
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
HF-instraling
EN 61000-4-4
= DIN VDE 0847 T4-4
= IEC 801-4 = IEC 1000-4-4
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
snelle transiënte storingen (= burst)
EN 61000-4-5
= DIN VDE 0843 T5
= IEC 801-5 = IEC 1000-4-5
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
stootspanning (= surge)
ENV 50 141
= DIN VDE 0843 T6
= IEC 801-6 = IEC 1000-4-6
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
HF-koppeling via leidingen
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
87
5
Normen en wetten
Productnorm
Voor elektrische aandrijvingen (PDS = Power Drive Systems) is er een EMC-productnorm in het ontwerpstadium die alle EMC-eisen afdekt. Hij geldt zowel voor industriegebieden als voor woonwijken (woonwijken = 'eerste omgeving'; industriegebied = 'tweede
omgeving'). De norm bevat:
•
begrippen en bindende voorschriften (1e en 2e omgeving/algem. en beperkte verkrijgbaarheid/...) in hoofdstuk 3;
•
algemene eisen (beproevingen/testrapport/documenten voor de gebruiker) in hoofdstuk 4;
•
eisen voor de storingsimmuniteit in hoofdstuk 5;
•
eisen voor de storingsemissie in hoofdstuk 6;
•
minimumeisen om te voldoen aan veiligheidskenmerken in hoofdstuk 7;
•
EMC-methoden en laagfrequente verschijnselen appendix A + B.
Deze EMC-productnorm heeft na aanvaarding voorrang boven alle eisen van de basisnormen! Daarmee wordt duidelijk dat de destijds relevante normen in de nabije toekomst voor het gebied van de elektrische aandrijvingen door deze norm worden vervangen.
88
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
EMC-begrippen
6
6
EMC-begrippen
Aardlekstroom
Stroom die van leidingen of apparaten via parasitaire capaciteiten naar aarde
vloeit.
Aardpotentiaal
Gemeenschappelijk aardpotentiaal voor alle apparaten van een installatie.
Asymmetrische storing
Asymmetrische storing. Deze storing openbaart zich bij hoge frequenties; de
stoorstroomkring wordt door parasitaire capaciteiten gesloten.
Burst
Een reeks snelle transiënte storingen met steile flanken.
Commutatievervorming
Netspanningsvervorming bij het wisselen van de stroom van de ene gelijkrichterdiode bij de netingang naar de volgende.
Dipool
Elektrische dipool: een geleider fungeert als zend- en ontvangstantenne voor
elektrische velden.
Magnetische dipool: een geleiderlus fungeert als zend- en ontvangstantenne
voor magnetische velden.
Elektrostatische ontlading (ESD)
Storing met geringe energie-inhoud en hoge frequentie-inhoud, die door onderlinge wrijving van verschillende materialen ontstaat.
EMC
Elektromagnetische compatibiliteit. Eisen aan de apparatuur:
• het genereren van elektromagnetische storingen moet zo ver begrensd worden, dat een gedefinieerd bedrijf van radio- en telecommunicatieapparatuur
en andere apparatuur mogelijk is;
• deze apparaten moeten een passende immuniteit tegen elektromagnetische
storingen bezitten, zodat een gedefinieerd bedrijf mogelijk is (citaat uit de
EMC-wet).
EMC-module
Onderbouwfilter met netfilter en uitgangssmoorspoel.
ESD
Electrostatic discharge →elektrostatische ontlading.
Ferrietkern
Voor het onderdrukken van hoogfrequente asymmetrische storingen.
Harmonischen
Hogere frequenties van de basisfrequentie die door vervorming van de sinusvormige basisfrequentie ontstaan.
Hybride impuls
→Surge
Impedantie
Frequentieafhankelijke weerstand.
Industriegebied
Locatie van de installatie met hoge eisen aan de storingsimmuniteit en relatief
lage eisen aan de storingsemissie.
Koppeling
•
•
•
Galvanische koppeling: deze ontstaat als meerdere apparaten die dezelfde
spanningsbron, leidingen e.d. gebruiken.
Inductieve koppeling: deze ontstaat al het magnetisch vel van een stroomvoerende geleider in een geleiderlus een stoorspanning induceert.
Capacitieve koppeling: deze ontstaat als via de parasitaire capaciteit van
nabijgelegen geleiders stoorsignalen worden overgedragen.
Netfilter
Om stoorspanningen van en naar het net te voorkomen.
Netsmoorspoel
Om de commutatievervorming en netharmonische te verminderen en de inschakelstroom in het net te reduceren en om de overspanningsimmuniteit van de
regelaar te verbeteren.
Omgeving
Locatie van de installatie, zie toepassingsgebied.
Parasitaire capaciteit
Capaciteit die bijv. tussen twee nabijgelegen leidingen aanwezig is. De leidingen
vormen daarbij de beide platen van een condensator.
Radio-ontstoring
Maatregelen voor het verminderen van radiostoringen onder wettelijke grenswaarden.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
89
6
90
EMC-begrippen
Schermdemping
De schermdemping geeft aan in welke mate storingen door toepassing van een
afscherming worden verminderd.
Signaal-ruisverhouding
Dit is de afstand tussen storingsemissie en storingsimmuniteit.
Sinusfilter
Voor radio-ontstoring, filtering van ruis en om lekstroompieken bij groepsaandrijvingen te reduceren. Het sinusfilter genereert uit de blokvormige impulsen van
de uitgangsspanning een in wezen sinusvormige spanning.
Surge
Energierijke overspanningspuls in het LF- en HF-bereik, zoals deze bijv. door
blikseminslag kan worden veroorzaakt.
Symmetrische storing
Symmetrische storing. Deze domineert bij lage frequenties; de stoorstroomkring
wordt door de aanwezige leidingen gesloten.
Toepassingsgebieden
Onderverdeling van de plaats van de installaties in industriegebieden en woonwijken.
Uitgangsfilter
Zie sinusfilter
Uitgangssmoorspoel
Om het storingsniveau van de kabel aan de uitgang te verlagen. De smoorspoel
vormt met parasitaire capaciteiten een laagdoorlaatfilter die de blokvormige
impulsen van de uitgangsspanning afrondt.
Woonwijk
Locatie van de installatie met relatief geringe eisen aan de storingsimmuniteit en
hoge eisen aan de storingsemissie.
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
Index
7
7
Index
L
A
aarding 53, 60, 64, 69, 70
aardingsnet 53
aardingsvlak 60
aardpotentiaal 64
aardverbinding 55
afscherming 61, 64, 81
analoog signaal 66
asymmetrische overdracht 66
B
bestendigheid tegen overspanning 74
laagfrequentbereik 7
leidingcategorieën 57, 59, 60, 64, 67
leidingloop 61
LF-bereik 7
N
netfilter 76, 77
netharmonischen 74
netsmoorspoel 73, 76
netspanning 65
netvoeding 65
O
commutatievervorming 73
ontstoringscomponenten 73
opbouw besturingspaneel 67
optische overdracht 66
D
P
demping door afscherming 61
doorsnede 8
parasitaire capaciteit 9
potentiaalscheiding 66
E
R
effect van afscherming 68
effect van de afscherming 64
elektromagnetische beïnvloeding 6
EMC 6
EMC-module 81
radio-ontstoring 78
ruisfiltering 78
C
F
filters 69, 70, 71
frequentiegedrag 7
frequentiemodulatie 66
G
groepsaandrijving 78
H
HF-bereik 7
hoogfrequentbereik 7
I
impedantie 8
inbouwplaats 69
inschakelstroom 75
installatiecomponenten 60
K
kabeldoorvoering 68
kabelgoot 57, 64
kabelloop 69, 70
kabelselectie 57
kabeltypes 58
koppeling 5, 6
kunststof behuizing 63
Aandrijftechniek in de praktijk – EMC in de aandrijftechniek
S
schermaansluiting 61, 63
schermdemping 62
schermimpedantie 61, 62
signaaloverdracht 66
signaal-ruisverhouding 6
signaalspanningen 65
signaalvoeding 65
sinusfilter 77
stoormechanismen 5
storingsbron 5, 6
storingsemissie 6, 78
storingsgevoelig object 5
storingsimmuniteit 6, 66
storingskoppeling 61
storingsniveau 6
stoorsignalen 6
symmetrische overdracht 66
T
twisten 59
U
uitgangsfilter 77
uitgangssmoorspoel 79
V
voeding 65
voedingsconcept 65
91
Aandrijfcomponenten \ Motion Control \ Systemen \ Service & Reparatie