Kable i przewody a kompatybilność elektromagnetyczna - wprowadzenie
Przykład metalowej dławnicy z ekranem EMC w postaci "drucianej szczotki"
K. Kuczyński
W środowisku przemysłowym, gdzie występują liczne układy napędowe, sterowniki i automaty spawalnicze, mogą powstawać zakłócenia elektromagnetyczne (EMC) wpływające na działanie innych urządzeń. Problemy pojawiają się szczególnie przy zastosowaniu długich przewodów zasilających lub do transmisji danych pomiędzy urządzeniami. Aby temu zapobiec, stosuje się odpowiednie środki ochrony w postaci filtrów i ekranów oraz przez zastosowanie kabli ekranowanych.
Zobacz także
dr hab. inż. Andrzej Sowa Przewody o izolacji wysokonapięciowej w ochronie odgromowej obiektów budowlanych
Elementy urządzenia piorunochronnego powinny zapewnić odprowadzenie prądu piorunowego do uziomu bez możliwości jego niekontrolowanego rozpływu w instalacji elektrycznej oraz obwodach sygnałowych ułożonych...
Elementy urządzenia piorunochronnego powinny zapewnić odprowadzenie prądu piorunowego do uziomu bez możliwości jego niekontrolowanego rozpływu w instalacji elektrycznej oraz obwodach sygnałowych ułożonych na dachu, ścianach bocznych oraz wewnątrz obiektu budowlanego. Spełniając powyższe zalecenie należy zapewnić ochronę wszelkiego rodzaju nadbudówek dachowych, anten oraz instalacji przed bezpośrednim oddziaływaniem rozpływającego się prądu piorunowego.
mgr inż. Julian Wiatr Ochrona przeciwpożarowa kabli i przewodów (część 1.)
Bezpieczeństwo pożarowe jest jednym z podstawowych wymagań stawianych obiektom budowlanym przez przepisy techniczno-prawne, w tym Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie...
Bezpieczeństwo pożarowe jest jednym z podstawowych wymagań stawianych obiektom budowlanym przez przepisy techniczno-prawne, w tym Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późniejszymi zmianami), szczególnie zaliczanych do kategorii zagrożenia ludzi (ZLI - ZLV).
APATOR SA SPV RM – regulator parku energii z funkcją strażnika mocy dla nowoczesnej generacji rozproszonej
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne...
Rosnący udział odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym sprawia, że coraz większego znaczenia nabiera nie tylko sama produkcja energii, ale również jej bezpieczne, przewidywalne i zgodne z wymaganiami operatorów zarządzanie. Farmy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, instalacje biogazowe czy układy przemysłowe typu „zero eksport” wymagają dziś rozwiązań, które pozwalają kontrolować parametry pracy źródeł, ograniczać moc oddawaną do sieci oraz zapewniać skuteczną komunikację z systemami...
Długie przewody mogą działać jak anteny, mogące zbierać zakłócenia radiowe, co niekorzystnie wpływa na sygnał użytkowy, np. z czujnika parametrów środowiskowych lub enkodera. W wyniku działania zakłóceń na urządzenia mogą następować zarówno niezauważalne przekłamania pojedynczych wartości pomiarowych, jak i całkowita awaria linii produkcyjnej.
Z drugiej strony, przewody mogą również działać jak nadajniki zakłóceń.
Koniecznym i skutecznym środkiem zaradczym jest montaż różnego typu filtrów w uziemionej szafie rozdzielczej, przy jednoczesnym stosowaniu ekranowanych kabli [1]. W praktyce jednak najsłabszym punktem okazuje się często przepust kabla w szafie. Zły styk ekranu kabla z obudową metalową nierzadko niweczy założone działania związane z ekranowaniem.
Ochrona przed zaburzeniami elektromagnetycznymi
Przez kompatybilność elektromagnetyczną (EMC – Electromagnetic Compatibility) należy rozumieć własność całego urządzenia, nie tylko kabla, polegającą na tym, że praca urządzenia nie jest zakłócana przez zewnętrzne zaburzenia elektromagnetyczne oraz pracujące urządzenie nie zakłóca pracy urządzeń znajdujących się w pobliżu.
Włącza się w to również samo urządzenie, które nie zakłóca swojej pracy. Zakłóceniem elektromagnetycznym jest bowiem każde zjawisko elektromagnetyczne, które może pogorszyć działanie urządzenia w postaci pola elektromagnetycznego lub sygnału elektrycznego [1, 2].
Aby zapobiec niepożądanym zachowaniom urządzeń, stosuje się redukcję emisji i generowania zakłóceń, zmniejszenie efektywności mechanizmu rozprzestrzeniania zakłóceń oraz zwiększenie odporności urządzenia, np. przez ekranowanie.
Skuteczność ekranowania jest wypadkową częstotliwości, odległości od źródła zaburzeń oraz trzech parametrów materiału: grubości ekranu, gęstości krycia oraz przewodności materiału, z którego wykonano ekran.
Ponieważ ekrany kabli mających zapewnić kompatybilność elektromagnetyczną są najczęściej wykonywane z miedzi – trzeci parametr jest dla wszystkich tego typu kabli jednakowy. Bardzo trudno jest na etapie projektowania stwierdzić, jaki ekran będzie wystarczający, jaka musi być skuteczność ekranowania, dlatego warto brać pod uwagę zawsze jak najgorszy przypadek [3, 4].
Koncepcje ekranowania
W przypadku zjawiska zakłóceń, istotnego z punktu widzenia środowisk przemysłowych, zasadniczo należy rozróżniać zakłócenia związane z przewodzeniem i zakłócenia rozprzestrzeniające się w powietrzu (radiowo).
Emisje zakłóceń, związane z polem, pochodzące np. bezpośrednio z obwodów drukowanych lub mogące na nie oddziaływać, można skutecznie tłumić poprzez montaż podzespołów elektrycznych lub elektronicznych w zamkniętych obudowach metalowych, takich jak szafy metalowe.
W przypadku zastosowania blach o dużej przenikalności magnetycznej, gdy nie są dostępne większe otwory lub przepusty, powstaje klatka Faradaya, zapewniająca skuteczną ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.
W warunkach przemysłowych ten rodzaj ekranowania jest z reguły związany z bardzo wysokimi kosztami i niemal niemożliwy do realizacji w maszynach mobilnych. Alternatywą są kable z oplotem ekranującym. W tym przypadku jakość ekranowania zależy przede wszystkim od struktury i gęstości oplotu.
Dodatkowo, za pomocą odpowiednich mechanicznych elementów mocujących (dławnic), konieczne jest uzyskanie możliwie idealnego połączenia ekranu kabla ze ścianką obudowy w celu zapobieżenia przenikania do środka zakłóceń odprowadzanych na ekran. Decydujące znaczenie ma w tym przypadku oporność upływowa, tzn. opór „widoczny” dla poprzecznej fali elektromagnetycznej na ekranie kabla, kiedy dochodzi do złącza kabel–obudowa [3].
Połączenie pomiędzy ekranem kabla a obudową musi mieć niską rezystancję.
Aby to osiągnąć, należy dążyć do maksymalizacji powierzchni styku. W przypadku idealnym ekran kabla tworzy ze ścianką obudowy zamknięte połączenie, będące kontynuacją obudowy, bez otworów.
Połączenie musi charakteryzować się również niską indukcyjnością, co oznacza, że ekran kabla należy poprowadzić na ściankę obudowy na minimalnym odcinku o maksymalnie szerokiej średnicy. Zaleca się wybór takiej formy styku, aby przewód wewnętrzny osłonięty był całkowicie.
W praktyce często najpierw wprowadza się kabel do obudowy, a następnie przykłada ekran gdzieś we wnętrzu obudowy, przy czym oplot często zostaje przedłużony cienką linką. Ten sposób postępowania niemal wyklucza skuteczne ekranowanie. Nie należy również zapominać o sprawach praktycznych, gdzie wymagane są: prosta obsługa i łatwy montaż [3].
Ekrany w kablach
Ekrany służące zapewnieniu kompatybilności elektromagnetycznej, jeśli są elementem kabli i przewodów giętkich, mają zazwyczaj konstrukcję plecioną. Oplot wykonuje się z drutów miedzianych lub miedzianych ocynowanych. Druty miedziane ocynowane są bardziej odporne na korozję w przypadku uszkodzenia powłoki zewnętrznej i pozwalają na łatwiejsze wykonanie pewnego połączenia elektrycznego.
Należy zwrócić uwagę, że w przypadku kabli produkowanych przez kilka firm, gdzie nazwa wynika np. z normy, a nie jest nazwą firmową, konstrukcja kabli nie zawsze jest identyczna.
Ekran pleciony ma znaczną grubość, ale niższą niż inne konstrukcje gęstość krycia.
Gęstość krycia, wyrażona w procentach, określa powierzchnię kabla "przykrytą" ekranem. Skuteczność ekranowania jest tu bardzo dobra i daje się regulować na etapie produkcji kabla za pomocą zmiany grubości drutu i gęstości krycia.
Jednak największą zaletą tego typu ekranu jest jego giętkość i odporność na drgania. Część kabli sterowniczych posiadających tego typu ekran ma przezroczystą powłokę zewnętrzną, co umożliwia optyczną kontrolę ciągłości ekranu [4].
W niektórych konstrukcjach kabli zamiast ekranu miedzianego stosuje się oplot z cienkich drutów stalowych. Oplot taki nie stanowi bardzo skutecznego ekranu z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej, jednak znacznie poprawia własności mechaniczne kabla.
Należy też pamiętać o uziemieniu tego oplotu (podobnie jak ekranu) ze względów bezpieczeństwa. W przypadku kabli do ułożenia na stałe, z żyłami jednodrutowymi, ekran może mieć formę taśmy miedzianej. Ekran ten ma 100% gęstość krycia i bardzo dobrą skuteczność ekranowania.
Niestety, ekran tego typu nie nadaje się do kabli elastycznych i nie jest odporny na drgania.
Kolejną formą ekranu jest folia metalizowana zaopatrzona w żyłę uziemiającą, umożliwiająca podłączenie ekranu.
Ekran taki jest często nazywany ekranem elektrostatycznym, gdyż jego zadaniem jest przede wszystkim odprowadzenie ładunków elektrycznych mogących zakłócić sygnały niskoprądowe. Skuteczność ekranowania ekranów foliowych jest niewielka, bo mimo 100% pokrycia mają one bardzo małą grubość. Ponieważ ekrany tego typu są elastyczne i zajmują w konstrukcji kabla niewiele miejsca, świetnie nadają się do ekranowania par wieloparowych kabli sterowniczych oraz do ekranowania kabli teleinformatycznych i sygnałowych [4].
Ekrany mają nie tylko chronić sygnał przesyłany kablem przed zakłóceniami, ale w niektórych sytuacjach działają w „drugą stronę”, czyli nie dopuszczają do zakłócania urządzeń znajdujących się w pobliżu kabla przez sygnał przesyłany kablem. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku kabli łączących przekształtnik z silnikiem.
Kolejną funkcją, jaką spełniają ekrany w kablach, jest zapewnienie bezpieczeństwa obsługi.
Uziemiony ekran nie pozwala na pojawienie się napięcia na zewnątrz kabla, nawet w przypadku uszkodzenia powłoki. Taka konstrukcja jest stosowana w kablach górniczych, gdzie bardzo często zdarzają się uszkodzenia powłok kabli i przewodów oponowych.
Tę samą rolę odgrywają żyły powrotne kabli energetycznych, które zamykają pętlę zwarciową w przypadku uszkodzenia izolacji. Żyły powrotne kabli energetycznych są często błędnie nazywane ekranami, co skutkuje stosowaniem tych kabli w aplikacjach wymagających kompatybilności elektromagnetycznej [4].
Niestety, z powodu bardzo małej gęstości krycia skuteczność ekranowania żył powrotnych jest niska i kable tego typu nie powinny być stosowane jako mające zapewnić EMC.
Ekrany są stosowane również w kablach górniczych pracujących w wyrobiskach zagrożonych wybuchem metanu lub pyłu węglowego. Dla zwiększenia bezpieczeństwa ekran indywidualny posiada każda żyła zarówno w kablach sterowniczych, jak i zasilających. Zapobiega to powstaniu zwarć międzyfazowych oraz pojawieniu się napięcia na zewnątrz kabla [4, 5].
Przekształtniki energoelektroniczne
Zastosowanie nowoczesnych przekształtników energoelektronicznych pozwala na poprawę właściwości napędowych maszyny indukcyjnej. Wadą tego typu rozwiązania są pojawiające się zjawiska pasożytnicze, które przy zasilaniu sieciowym nie występują lub nie są brane pod uwagę ze względu na ich znikome znaczenie.
Stosowanie długich kabli pomiędzy falownikiem a silnikiem powoduje dodatkowo pogorszenie warunków pracy silnika, co znacznie wpływa na skrócenie jego żywotności oraz zwiększa prawdopodobieństwo awarii. Pojawiają się przepięcia na zaciskach silnika o dużej amplitudzie i wysokiej częstotliwości oscylacji.
Parametrami wpływającymi na amplitudę i częstotliwość oscylacji są długość i właściwości elektryczne kabla silnikowego oraz stromość napięciowa (du/dt) impulsów wyjściowych falownika PWM. Z tego powodu pojawiają się wyładowania niezupełne w izolacji zwojowej silnika. Mają one charakter impulsowy o dużej częstotliwości (do setek MHz) i wzbudzają zakłócenia elektryczne i elektromagnetyczne, przez co utrudniają pracę innych urządzeń elektrycznych [2].
W kablach silnikowych i silnikach napędów powstaje pasożytniczy pojemnościowy prąd doziemny, który płynie w przewodzie ochronnym PE. Konieczne jest zatem stosowanie środków zaradczych ograniczających ujemne skutki stosowania falowników i długich kabli zasilających silnik [2].
Obecność izolacji pomiędzy uzwojeniem stojana a obwodem magnetycznym oraz to, że w czasie pracy wirnik jest praktycznie odizolowany od pozostałych części silnika (poprzez film olejowy w łożysku) powoduje, że w silniku powstaje układ pojemności pomiędzy jego elementami składowymi.
Pojemności te zwane są "pojemnościami wewnętrznymi silnika", których elektrodami są uzwojenie stojana oraz rdzeń stojana i wirnika, a dielektrykiem jest izolacja przewodów zwojowych, izolacja żłobkowa, szczelina powietrzna oraz film olejowy w łożyskach.
Pojemności wewnętrzne silników indukcyjnych niskiego napięcia są parametrami praktycznie pomijanymi przy ich projektowaniu i badaniu, bowiem przy zasilaniu napięciem sieciowym nie mają one istotnego znaczenia dla użytkowników.
Wartość tych pojemności jest rzędu kilku nF. Nabierają one znaczenia dopiero przy zasilaniu z falowników PWM, w sposób istotny wpływają bowiem na procesy przejściowe i zjawiska pasożytnicze powstające w obwodzie maszyny, dlatego znajomość ich wartości ma zasadnicze znaczenie dla określenia wielkości zjawisk ubocznych powstających w elementach konstrukcyjnych silników [2].
Przy zasilaniu silników napięciem sinusoidalnym o małej częstotliwości (f ≤ 50Hz) impedancje pasożytnicze są bardzo duże i nie odgrywają większego znaczenia w powstawaniu zjawisk pasożytniczych w silniku.
W przypadku zasilania silników z falowników PWM, gdzie szybkość narastania napięcia wyjściowego dochodzi do 1800 V/μs, pojemności wewnętrzne silnika i kabla silnikowego zaczynają odgrywać dużą rolę w powstawaniu prądów doziemnych w elementach konstrukcyjnych silnika [2].
W celu zapewnienia zmiany prędkości silnika indukcyjnego przez falownik PWM wytwarzany jest trójfazowy przebieg napięcia o regulowanej wartości częstotliwości pierwszej harmonicznej.
W związku z powyższym, prócz harmonicznej podstawowej otrzymuje się także harmoniczne napięcia wyższych rzędów [2]. Pojawiają się harmoniczne napięcia o podstawowej składowej od 0 do około 50 Hz, harmoniczne wstęg bocznych wokół wielokrotności częstotliwości fali nośnej na poziomie kHz oraz harmoniczne o częstotliwościach radiowych, wynikające ze stromości przełączania kluczy tranzystorowych (IGBT).
Pierwszy zakres częstotliwości jest z punktu widzenia zakłóceń w kablu podłączonym do wyjścia falownika mało istotny, natomiast drugi generuje zjawiska niepożądane wynikające z ujawnienia się pojemności pasożytniczej kabla silnikowego i silnika indukcyjnego [2]. Trzeci i ostatni zakres częstotliwości odpowiada za emisję zakłóceń elektromagnetycznych (na poziomie MHz) do otoczenia. Zakłócenia te rozchodzą się swobodnie we wszystkich kierunkach.
Kabel silnikowy w układzie z falownikiem PWM stanowi podstawowe źródło zakłóceń elektromagnetycznych całego układu automatyki maszyny. Konieczne jest więc stosowanie ekranowanych przewodów silnikowych spełniających wymagania normy PN EN 55011:2012P w zakresie emisji zakłóceń.
Literatura
- J. Szymański, Stosowanie filtrów EMC w sieciach IT zasilających napędy z napięciowymi przemiennikami częstotliwości, „elektro.info” nr 12/2008.
- P. Zientek, Wpływ parametrów wyjściowych falowników PWM i kabla zasilającego na zjawiska pasożytnicze w silnikach indukcyjnych, Zeszyty Problemowe – „Maszyny Elektryczne” Nr 71/2005, s. 71.
- Materiały firmy Lappkabel.
- Materiały firmy Bitner.
- Materiały firmy Helukabel.
