Вопросы проводки и питания для электромагнитной совместимости преобразователей частоты

Преобразователи частоты подтвердили свою способность повышать эффективность использования энергии и эксплуатационную гибкость многих установок. За последние годы технология преобразователей частоты была существенно улучшена, позволяя легко и экономно с точки зрения затрат применять их, мало заботясь о надежности.

В то время как преобразователи частоты для установок стали практически защищенными от неправильного использования, все еще остаются некоторые важные проблемы установки. В настоящем документе представлен обзор проблем проводки сигналов и питания, поскольку проблема электромагнитной совместимости EMC (Electro Magnetic Compatibility) касается типового серийного и производственного оборудования. Обсуждаются только определенные высокочастотные явления (излучение помех в диапазоне радиочастот, помехоустойчивость в диапазоне радиочастот). Низкочастотные явления (гармоники, неуравновешенность сетевого напряжения, провалы напряжения) не рассматриваются. Специальные установки или соответствие Европейским директивам CE EMC потребуют строгого соблюдения соответствующих стандартов, поэтому и не приведены в настоящем документе.Ниже, в справочном разделе представлены несколько обязательных отраслевых стандартов.

Последствия электромагнитных помех

Преобразователи частоты компании Danfoss были разработаны для обеспечения надежных характеристик в сложных условиях промышленного использования. Встроенные функции фильтрации помех в диапазоне радиочастот, многочисленные заземления отдельных сигналов и прочная конструкция гарантирует надежные технические характеристики. Несмотря на то что связанные с электромагнитными помехами нарушения работы преобразователей частоты не являются обычными, могут наблюдаться следующие последствия электромагнитных помех:
• Колебания оборотов двигателя;
• Ошибки последовательной передачи данных;
• Непредвиденные отказы ЦПУ регулируемых преобразователей частоты;
• Необъяснимые ошибки регулируемых преобразователей частоты.

Помехи для другого смежного оборудования являются более распространенным явлением. В общем случае другое оборудование управления производственными процессами имеет высокий уровень помехозащищенности от электромагнитных помех. Однако не промышленная, коммерческая и бытовая аппаратура часто восприимчива к низким уровням электромагнитных помех. Вредные воздействия на эти системы могут включать в себя следующее:
• нарушение или ненормальное поведение сигнала датчиков давления / расхода / температуры;
• помехи для радио- и телеприемников;
• помехи телефонной связи;
• потеря данных в компьютерной сети;
• отказы систем цифрового управления.

Источники электромагнитных помех

Современные преобразователи частоты используют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistors), чтобы обеспечивать эффективные и недорогие средства для создания широтно-импульсно-модулированной [ШИМ] выходной кривой, необходимой для точного управления двигателями. Эти устройства быстро переключают фиксированное напряжение шины постоянного тока, создавая кривую ШИМ с переменной частотой и переменным напряжением. Это быстрое изменение напряжения [dV/dt] является основным источником генерируемых преобразователями частоты электромагнитных помех.

Схема №1. Упрощенная схема преобразователя частоты – Быстрое изменение напряжения, вызываемое переключением биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, создает высокочастотные электромагнитные помехи.

Распространение электромагнитных помех

Генерируемые преобразователями частоты электромагнитные помехи передаются как в линию переменного тока, так и излучаются на соседние проводники. Данный эффект иллюстрируется на приведенной ниже схеме.

Схема №2. Блуждающие токи – Паразитная емкость между проводниками двигателя, заземлением оборудования и другими соседними проводниками приводит к возникновению наведенных высокочастотных токов.

Высокий импеданс контура заземления на высоких частотах приводит к мгновенному напряжению в точках, считающихся находящимися под «потенциалом земли». Это напряжение может появляться во всей системе в виде сигнала помехи общего вида, который может вступать в конфликт с сигналами управления.

Теоретически, эти токи будут возвращаться в шину постоянного тока преобразователя частоты через контур заземления и высокочастотную обходную сеть в пределах самого преобразователя частоты. Однако несовершенство заземления преобразователя частоты и системы заземления оборудования может вызвать выход некоторых токов наружу в сеть питания.

Схема № 3. Токи в проводниках линии сигналов – Незащищенные или неправильно проложенные проводники линии сигналов, располагающиеся рядом или параллельно проводникам двигателя и линии переменного тока, подвержены электромагнитным помехам

Проводники линии сигналов особенно уязвимы, когда они на некоторой длине проложены параллельно проводникам питания. Наводимые в этих проводниках электромагнитные помехи могут негативно повлиять как на преобразователь частоты, так и на подключенное устройство управления.

Схема №4. Токи в линии переменного тока – высокочастотные токи могут наводиться в линии переменного тока, питающей преобразователь частоты, когда проводники линии переменного тока располагаются рядом с кабелями двигателя.

Поскольку эти токи будут проявлять тенденцию возвращаться в преобразователь частоты, несовершенства в системе будут приводить к тому, что некоторые токи будут перетекать по нежелательным путям, подвергая таким образом воздействию электромагнитных помех другие места.

Превентивные меры

Связанные с электромагнитными помехами проблемы более эффективно смягчаются на этапах проектирования и монтажа, а не после ввода системы в эксплуатацию. Многие перечисленные в настоящем документе шаги могут быть применены при относительно низких расходах, по сравнению с расходами на более позднее определение и устранение этой проблемы на месте.

Заземление

Преобразователь частоты и двигатель должны быть надежно заземлены через раму оборудования. Хорошее высокочастотное соединение необходимо, чтобы позволить высокочастотным токам возвращаться в преобразователь частоты, а не распространяться по сети питания. Соединение заземления будет неэффективным, если оно обладает высоким импедансом для высокочастотных токов, поэтому оно должно быть как можно короче и прямее. Плоский кабель в оплетке имеет меньший высокочастотный импеданс, чем круглый кабель. Простая установка преобразователя частоты или двигателя на окрашенную поверхность не создаст эффективного соединения заземления. В дополнение рекомендуется установка отдельного проводника заземления между преобразователем частоты и управляемым двигателем.

Прокладка кабелей

Следует избегать параллельной прокладки проводки двигателя, проводки линии переменного тока и проводки линии сигналов. Если невозможно избежать параллельной прокладки, следует обеспечить зазор между кабелями в 6–8 дюймов (152,4–203,2 мм) или разделить их заземленной проводящей перегородкой. Следует избегать прокладки кабелей через открытый воздух.

Выбор кабелей для линии сигналов

Провода с одним проводником номиналом 600 Вольт обеспечивают минимальную защиту от электромагнитных помех . Предлагаются кабели с витой парой или экранированной витой парой, которые специально разработаны для минимизации отрицательного влияния электромагнитных помех. Хотя неэкранированные кабели с витой парой часто являются подходящими, кабели с экранированной витой парой обеспечивают еще одну степень защиты. (Информацию об относительной эффективности различных методов экранирования см. в Приложении II.)

Экран кабелей линии сигналов должен заделываться только на одном конце с помощью зажима вокруг всего зачищенного экрана кабеля. Следует избегать заделки экрана с помощью проволоки, так как это увеличивает высокочастотный импеданс и портит эффективность экрана. (Информацию по методам заделки экранов см. в Приложении III.)

Простой альтернативой является скручивание вместе двух одножильных проводов, чтобы обеспечить сбалансированную емкостную и индуктивную связь, взаимно устраняя таким образом помехи при дифференциальном включении. Не являясь настолько же эффективной, как истинный кабель с витой парой, эта альтернатива может быть использована на месте с использованием подручных материалов.

Выбор кабеля для двигателя

Контроль за проводниками двигателя имеет наибольшее влияние на характеристики электромагнитных помех системы. Этим проводникам должно уделяться максимальное внимание, когда электромагнитные помехи являются проблемой. Одножильные провода обеспечивают минимальную защиту от излучения электромагнитных помех. Часто, когда эти провода прокладываются отдельно от линии сигналов и линии переменного тока, дополнительные меры не требуются. Если же эти проводники прокладываются рядом с другими восприимчивыми проводниками, или если есть подозрение, что система создает проблемы электромагнитных помех, следует рассмотреть альтернативные методы прокладки проводки двигателя.

Установка экранированных кабелей питания является наиболее эффективным средством смягчения проблем электромагнитных помех. Экран кабеля заставляет шумовой ток течь обратно в преобразователь частоты до того, как он попадает обратно в сеть питания или выбирает другие нежелательные и непредсказуемые высокочастотные пути. В отличие от проводки линии сигналов экранирование кабелей двигателя должны быть заделаны с обоих концов.

Если экранированные кабели двигателя недоступны, тогда 3-фазные проводники плюс заземление в кабелепроводе обеспечат некоторый уровень защиты. Такой метод не будет настолько же эффективным, как экранированный кабель, поскольку невозможно избежать контакта кабелепровода в различных точках в пределах данного оборудования.

Выбор кабелей для последовательной передачи данных

На рынке существует большое количество серийно выпускаемых интерфейсов и протоколов передачи данных. Каждый из них рекомендует один или несколько специальных типов кабелей с витыми парами, экранированными витыми парами или собственных конструкций. При выборе кабелей следует обратиться к документации изготовителей. Аналогичные рекомендации относятся как к кабелям систем передачи данных, так и кабелям систем передачи сигналов. Приветствуется использование кабелей с витыми парами и прокладка их вдали от проводников питания. Хотя экранированные кабели с витой парой обеспечивают дополнительную защиту от электромагнитных помех, электрическая емкость экрана может ограничить максимальную допустимую длину кабеля для высоких скоростей передачи данных.

Приложение I

Правильная установка с точки зрения электромагнитной совместимости EMC

Приложение II

Эффективность экранирования кабелей

— Плакированный алюминием с медной жилой

 

— Витой медный провод или бронированный кабель со стальной жилой

 

— Медный провод с одним слоем оплетки с переменным процентом покрытия экрана

 

— Медный провод с двумя слоями оплетки

 

— Два слоя медного провода с оплеткой с магнитным, экранным/бронированным промежуточным слоем

— Кабель внутри медной стальной трубки

 

— Свинцовый кабель с толщиной стенки 1,1 мм с полным покрытием

Приложение III

Заделки экранов кабелей

— Правильное заземление
Кабели системы управления и кабели последовательной передачи данных должны быть оснащены кабельными зажимами на обоих концах, чтобы гарантировать наилучший возможный электрический контакт.

 

 

— Неправильное заземление
Запрещается использовать отрезки витой пары, поскольку они увеличивают импеданс экрана на высоких частотах.

 

 

 

— Защита с учетом потенциала земли между ПЛК и VLT
Если потенциал земли между преобразователем частоты VLT и ПЛК (и т.п.) отличается, может возникать электрический шум, который может нарушать работу всей системы. Эту проблему можно решить за счет установки уравнительного кабеля, который следует расположить рядом с кабелем системы управления. Минимальное поперечное сечение данного кабеля: 16 мм².

 

— Контуры заземления на 50/60 Гц
При использовании очень длинных кабелей системы управления, могут возникать контуры заземления на 50/60 Гц. Эту проблему можно решить за счет подключения одного конца экрана к заземлению через конденсатор на 100 нФ (используя короткие провода).

 

 

— Кабели для систем последовательной передачи данных
Шумовые точки низкой частоты между двумя преобразователями частоты VLT могут быть исключены за счет подключения одного конца экрана к клемме 61. Эта клемма подключены к земле через внутреннюю резистивно-емкостную(RC) связь. Рекомендуется использовать кабели с витой парой, чтобы снижать помехи при дифференциальном подключении между проводниками.