Napędy o regulowanej prędkości mają poza niewątpliwymi zaletami, jak na przykład oszczędność energii, pewną wadę. Chodzi o tendencję do generowania zakłóceń elektrycznych w postaci szumu, który przy projektowaniu napędów oraz ich montażu musi być zminimalizowany.
Głównym źródłem szumu elektrycznego, znanego także jako interferencja elektromagnetyczna (EMI), są szybko przełączalne tranzystory znajdujące się w części zasilającej silniki. Jako EMI określa się jakąkolwiek interferencję podczas normalnej pracy urządzenia (napędu) spowodowaną przepływem niechcianej energii wzdłuż kabla (z ang. conducted noise) lub przez dielektryk (z ang. radiated noise). Pierwszy rodzaj szumu to sygnały o częstotliwościach od 150 kHz do 30 MHz, a drugi 30 MHz do 1 GHz.
Chociaż artykuł traktuje o napędach wykorzystujących napięcie zmienne, napędy zasilane prądem stałym także powodują zakłócenia. Sygnały o częstotliwościach radiowych (z ang. RFI) są zakłóceniami, które niekorzystnie wpływają na osprzęt komunikacyjny i są ogólnie postrzegane jako składnik EMI. Ponieważ częstotliwości EMI/RFI wykraczają poza zakres słyszalności ucha ludzkiego, ich wpływ może być słyszalny w urządzeniach komunikacyjnych.
EMI musi być minimalizowane zarówno w fazie projektowania, jak też instalacji napędów z zasilaniem AC. Chodzi o zapobieżenie zmniejszenia osiągów napędu lub jego uszkodzenia, a także aby ograniczyć propagację zakłóceń do pobliskich urządzeń. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) jest ogólnym podejściem, które ma na celu ograniczanie EMI i ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych. System złożony ze sterownika napędu elektrycznego, silnika, obudowy oraz kabli powinien być rozpatrywany jako całość i spełniać wymogi określone w normie IEC 61300-3.
Dopasować się do otoczenia
Norma IEC 61300-3 określa dwa środowiska instalacji napędów elektrycznych. Wymagania EMC w obszarach zaludnionych (pierwsze środowisko) są bardziej surowe, niż wymagania w obszarach przemysłowych (drugie środowisko). Jak mówi Mark Kenyon, menadżer ds. sprzedaży napędów niskonapięciowych w ABB Automation INC, napęd elektryczny podłączony do publicznej, niskonapięciowej sieci (pierwsze środowisko), musi mieć filtry EMI. Według niego korzystne jest stosowanie filtrów także w zastosowaniach przemysłowych (drugie środowisko), jeżeli w pobliżu znajdują się potencjalne ?ofiary? ? wrażliwe urządzenia. Filtry EMI ograniczają zakłócenia przenoszone przez przewodnik przez uziemienie zakłóceń w miejscu zastosowania filtra. Standardowe wyposażenie większości nowych napędów stanowi dodatkowy, drugi filtr EMI. Wykorzystuje on rdzeń (lub pierścień) ferrytowy oraz elementy rezystancyjne i pojemnościowe (RC).
? Dodatkowe filtry instalowanewewnątrz lub na zewnątrz napędu oferowane są jako opcja do niektórych napędów ? uzupełnia Mark Kenyon.
W Siemens Energy&Automation zakłócenia EMI/RFI są traktowane ze szczególną uwagą w czasie projektowania napędu o zmiennej prędkości. Wolfgang Hilmer, menadżer ds. technologii napędowej podkreśla, że napędy testowane są w komorze akustycznej. W ten sposób producent sprawdza, czy emitowany hałas jest zminimalizowany, zaś napęd niewrażliwy na zakłócenia zewnętrzne. Testy dotyczą głównie modułu zasilania, w którym znajdują się szybko przełączalne tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), generujące EMI.
Filtrowanie jest istotnym mechanizmem obronnym przeciwko EMI/RFI. Filtr EMI jest standardowym wyposażeniem napędów Siemens, dzięki któremu spełniają wymagania EMC dotyczące aplikacji przemysłowych. Z tym, że ? jak mówi Wolfgang Hilmer ? w większych napędach filtry stanowią często dodatkową zewnętrzną jednostkę. Wyłapuje ona szum elektryczny biegnący ku linii.
Wejściowy filtr EMI może znacząco zredukować szumy przewodzone napędu, tak jak pokazały to testy Yaskawa Electrc dla napędu o mocy 0,7 kW, pracującego z częstotliwością 60 Hz (częstotliwość nośna 2 kHz). Linie określają limit zgodnie z normą EN 55011, klasa B dla obszarów mieszkalnych / szpitali.
Diabeł tkwi w szczegółach
Przy redukowaniu zakłóceń promieniowanych ważne mogą okazać się szczegóły. Dlatego różne elementy systemu napędowego muszą być ekranowane we właściwy sposób, aby zminimalizować zakłócenia mogące przedostawać się z zewnątrz. Ogromną uwagę przykłada się do obudowy, przewodów i sposobu instalacji.
Zalecenia przytaczane przez ABB zawierają użycie:
- obudów z niepomalowanymi, niekorodującymi powierzchniami w miejscach styków, drzwi oraz innych metalowych części pozostających z sobą w kontakcie, a także przewodzących uszczelek do drzwi i pokryw;
- niepomalowanych gniazd mocujących, ściśle połączonych ze wspólnym punktem uziemienia, co daje pewność, że wszystkie odseparowane metalowe części połączone są tą samą ścieżką z uziemieniem;
- specjalnych wysoko częstotliwościowych gniazd przewodowych do uziemiania ekranów przewodów;
- przewodzących uszczelek do uziemiania kabli sygnałowych;
- ekranowanych kabli zasilających i sygnałowych prowadzonych oddzielnie
- uziemianie całej instalacji sterownika napędu.
Testy przeprowadzone w Siemensie dowiodły, że uziemianie obudowy napędu jest niezwykle istotne przy ograniczaniu EMI ? szczególnie dla dużych jednostek umieszczonych w szafach sterowniczych.
? Najlepszym sposobem, aby pozbyć się przydźwięku od zakłóceń jest uziemianie urządzeń połączeniami o niskiej rezystancji ? mówi Wolfgang Hilmer. ? Co więcej, metalowe obudowy zachowują się jak osłona tłumiąca hałas, a spawany szkielet jest podstawą do zapewnienia dobrej ścieżki przewodzącej. Powinno także stosować się szynę uziemienia podłączoną do szkieletu, która charakteryzuje się niską impedancją, aby uziemić szum elektryczny.
Inne zalecenia, które wypunktowuje Hilmer, dotyczą użycia taśm łączących drzwiczki i obudowę. Użycie wyłącznie kabli uziemiających nie jest wystarczające, ponieważ przedstawiają one wysoko rezystancyjną ścieżkę dla źródeł szumu elektrycznego.
? Używamy plecionych taśm w celu uziemienia drzwiczek do szkieletu urządzenia ? dodaje przedstawiciel Siemensa. ? Duża powierzchnia może efektywnie przewodzić szum o wysokiej częstotliwości.Wszystkie elementy napędów elektrycznych ? sterownik, silnik i kable ? muszą być uziemione.
Z jego doświadczeń wynika, że reszta systemu jest równie ważna, jak napęd sam w sobie.
Optymalizowanie wielkości filtru
Yaskawa Electric America (YEA) zauważa, że szum elektryczny generowany przez konkretną topologię układu napędowego jest stały.
? Jesteśmy jednak w stanie zaimplementować filtry w napędzie, aby zredukować propagację zakłóceń i ich wpływ na zewnętrzne urządzenia ? mówi dr Mahesh Swamy, kierownik sekcji inżynierów w japońskiej firmie.
Filtr EMI (wewnątrz napędu lub poza nim) jest używany do ograniczenia zakłóceń przewodzonych zależnie od wymaganego ograniczenia poziomu EMI. Natomiast ekranowanie kabli jest oczywistym sposobem ograniczania zakłóceń promieniowanych. Swamy podkreśla jednak, że ekranowane kable mogą spowodować zwiększenie zakłóceń przewodzonych z powodu obecności ścieżki o niskiej impedancji dla prądów uziemiających pomiędzy przewodnikami a uziemioną obudową. Dlatego sugeruje ostrożną optymalizację, aby zapobiec pogorszeniu jakości uziemienia.
Dopracowany projekt napędu przynosi korzyści. Zaprezentowana przez YEA w 2003 roku trzyczęściowa topologia napędu prądu zmiennego nie obniża bezpośrednio EMI. Upraszcza natomiast filtrowanie zarówno szumu mierzonego między sygnałem fazy a sygnałem neutralnym, jak i między uziemieniem a przewodami zasilającymi. Twierdzi się, że to ostatecznie ogranicza szumy przewodzone i promieniowane.
? Wielkość filtru jest znacznie zmniejszona w wyniku mniejszego skoku napięcia mierzonego między przewodami zasilającymi, kiedy napięcie na wyjściu przekracza 230-240 V ? kontynuuje Swamy. ? Dodatkowo, trzysegmentowa konstrukcja ma wyjściowe widmo częstotliwości z natury rzeczy większe, niż częstotliwość nośna, typowo 2:1. To pomaga zmniejszyć wielkość filtrów na przewodach zasilających.
Mniejszy filtr opracowany przez YEA jest podobno bardzo efektywny w redukowaniu przewodzonych szumów EMI.
Inna zaawansowana technologia napędu zaprezentowana przez YEA w 2005 roku to konwerter matrycowy. Bezpośredni, AC/AC czterokwadrantowy konwerter bez nadmiernie rozbudowanej części DC. Pozwala on stosować filtry na mniejsze skoki napięcia zasilającego. Co więcej, architektura rozwiązania prowadzi sama w sobie do projektu jednego filtru. Zarówno do szumów między przewodami zasilającymi, jak i między tymi przewodami a uziemieniem. Testy pokazały, że w ten sposób można znacząco zredukować wielkość filtrów wejściowych EMI. Każde z wejść filtra bocznikowane jest do uziemienia kondensatorem.
Kolejnym przykładem szczegółu w instalacji, który ma na celu redukcję EMI, jest użycie zacisku w formie ekranu, aby zapewnić kontakt przewodu zasilającego napęd z szyną ekranów EMC w szafach sterowniczych Siemens.
? Jest to powszechna metoda powodująca duże prądy uziemiające ? dodaje Mahesh Swamy. ? Dzięki zintegrowaniu filtrów zasilanie-uziemienie oraz stosowaniu ich na przewodach zasilających w konwerterze matrycowym można zredukować dziesięciokrotnie pojemność kondensatorów wejściowych. To jest bardzo znaczące złagodzenie problemów stosowania agresywnych metod filtracji EMI.
Potrzeba kompromisu
Baldor Electric potwierdza, że wysoko częstotliwościowy szum jest niepożądanym skutkiem pracy nowoczesnych, przełączających elementów mocy. Pozwala budować napędy elektryczne prądu zmiennego o wysokich parametrach.
? Przy projektowaniu napędu trzeba zachować odpowiedni balans między potrzebą stosowania tranzystorów przełączających do poprawy sprawności urządzenia a koniecznością ograniczania EMI, które powodowane są przez szybkie przełączanie ? mówi Phil M. Camp, P.E, specjalista ds. napędów prądu zmiennego o wysokiej sprawności.
EMC wymaga przywiązywania uwagi do każdego szczegółu. Jednym z przykładów jest dodanie specjalnych ekranów (perforowanych ekranowych płyt metalowych EMC) wszędzie tam, gdzie pomiary wskazują na potrzebę montowania takich płyt w obudowie napędów Sinamics Siemensa. Źródło: Siemens Energy & Automation
Filtr szeregowy w postaci cewki na przewodzie zasilającym napęd pomaga w ograniczaniu emitowania EMI do sieci elektrycznej. Jednakże, jak twierdzi Camp, transformator separujący może być lepszym rozwiązaniem niż cewka filtrująca. Transformatory zapewniają lepszą filtrację EMI przez ograniczenie pików napięć w stosunku do wartości RMS sygnału. To ogranicza obciążenia, jakim poddawany jest konwerter.
Baldor, podobnie jak inne firmy, postrzega filtry EMI jako niezbędne wyposażenie napędu. Camp podkreśla, że filtry powinny być projektowane tak, aby pomagać w zmniejszaniu zarówno szumów linia-linia, jak i linia- -uziemienie.
Kolejna kwestia dotyczy bezpośrednio napędów o wyższych mocach, które używają kontrolowanych fazą elementów (takich jak tyrystory SCR), aby pomóc we wstępnej fazie ładowania kondensatorów zaraz po włączeniu napędu. Hałas emitowany przez napęd będzie zredukowany, jeśli elementy sterowane fazą będą używane jedynie do wstępnego ładowania, nie zaś do regulowania napięcia na szynie podczas normalnej pracy. Odpowiednie zaprojektowanie wyjściowego inwertera może także ograniczyć generowane EMI.
? Wybór wyjściowych elementów przełączających powinien być dokonany z uwzględnieniem ich transkonduktancji tak, żeby przełączanie elementu było kontrolowane przez prąd bramki ? mówi Phil Camp. ? Diody flyback pracujące równolegle z każdym kluczem powinny wyłączać się ?delikatnie? i mieć krótki czas powrotu do zdolności zaworowych. Drivery bramek powinny być dobrane w taki sposób, aby przełączać tranzystory zapewniając ograniczone zmiany napięcia (dv/dt) na wyjściu sterownika napędu.
Wymaga to ostrożnego kompromisu między redukcją hałasu z wolnego przełączania a większymi stratami przy przełączaniu w sekcji inwertera z powodu dłuższych tranzycji włączania / wyłączania elementów mocy.
Programowe algorytmy sterowania wektorowego oraz szerokością impulsów (PWM) to kolejny krok redukowania EMI (przez minimalizowanie tranzycji w elementach przełączających). Inny programowy sposób rozważa użycie ?minimalnej długości impulsu?. To technika, w której eliminowane są impulsy krótsze niż przyjęty czas włączenia (np. 5?s).
Sąsiedztwo mieszkalne
Wolfgang Hilmer z Siemensa zauważa, że coraz więcej napędów prądu zmiennego jest instalowanych w pobliżu obszarów zamieszkiwanych przez ludzi. Są to wdrożenia sanitarne (ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja), a także wodociągowe. To dodatkowo wymusza konieczność minimalizacji EMI. Co można osiągnąć przez instalację napędów zgodnie z wytycznymi dotyczącymi EMI. Dla odmiany, w obszarach przemysłowych, urządzenia prawie zawsze zawierają transformator separujący, który blokuje EMI/RFI, generowane przez napędy przed dostaniem się do sieci energetycznej. Ponadto, jest tam znacznie więcej miejsca w porównaniu doobszarów mieszkalnych, aby przeciwdziałać zakłóceniom promieniowanym.
Według przedstawicieli Yaskawa Electric małe, wewnętrzne filtry są zazwyczaj wystarczające, aby sprostać wymaganiom EMI dla napędów stosowanych w przemyśle. Jednakże aby dostosować się do standardów EMC dla publicznych zastosowań ? w tym szpitali ? potrzebne są zewnętrzne i prawdopodobnie dwustopniowe filtry. Specjaliści z Danfoss Drives potwierdzają, że wymagania EMC w domowych zastosowaniach są najtrudniejsze do spełnienia. Na potrzeby aplikacji sanitarnych Danfoss projektuje napędy, mając na uwadze zagadnienia związane z EMC już od pierwszej fazy koncepcyjnej. W ten sposób powstały filtry EMI/RFI, wbudowane w napędy, zaprojektowane do współpracy z długimi kablami łączącymi sterownik z silnikiem (typowo 150 m przewodu w ekranie i 300 m bez ekranu).
? Aby sprostać temu wymaganiu, projekt musi być zoptymalizowany także od strony ilości wydzielanego ciepła i sposobu jego rozpraszania ? mówi jeden z przedstawicieli Danfossa. ? Zaletą wbudowanych filtrów jest możliwości integracji ich wymagań dotyczących odprowadzania ciepła z wymaganiami cieplnymi całego sterownika napędu.
Wraz z rosnącym trendem do projektowania urządzeń na rynek globalny należy spodziewać się, że więcej napędów o regulowanej prędkości będzie spełniać międzynarodowe standardy EMC. Dzięki temu będą charakteryzować się ?cichą? pracą.
Frank J. Bartos
Artykuł pod redakcją Łukasza Urbańskiego, studenta V roku Wydziału Elektrycznego Politechniki Szczecińskiej