В этом блоге Колина Харгиса, главного инженера Control Techniques, объясняются некоторые основополагающие идеи и принципы электромагнитной совместимости (ЭМС) приводов переменного тока.
Сначала стоит прояснить концепцию частотных спектров, которая широко используется инженерами EMC, но которая может вызвать путаницу. Один из способов помочь понять эффекты электромагнитной совместимости — это работать с точки зрения частотного содержания, или спектра, помехи. Это происходит главным образом потому, что распространение радиоволн лучше всего понять в терминах распространения синусоидальных волн известной частоты. Однако наиболее распространенным источником непреднамеренного электромагнитного излучения являются быстро меняющиеся электрические импульсы, поступающие в результате коммутационных операций, таких как переключение мощности в инверторе или импульсном источнике питания. Интуитивно очевидно, что чем быстрее изменяются импульсы, тем выше их частотное содержание. Для регулярных повторяющихся импульсов они связаны рядом Фурье, а для неповторяющихся импульсов — преобразованием Фурье. Вам не нужно быть высококлассным математиком, чтобы увидеть, что если последовательность импульсов имеет фронты импульсов со временем нарастания, то соответствующий частотный спектр будет содержать высокие уровни, по крайней мере, до частоты, и на практике это может быть верно до или даже больше.
Оборудованием, наиболее чувствительным к помехам, вызванным непреднамеренным электромагнитным излучением, является оборудование радиосвязи. Это связано с тем, что он специально разработан для реагирования на очень слабые сигналы в той части радиочастотного спектра, где он работает. Международные стандарты, которые регулируют пределы электромагнитного излучения, созданы международным органом CISPR, задачей которого является защита радиочастотного спектра.
В работе некоторых других устройств также используются чувствительные радиочастотные детекторы – например, емкостные датчики приближения, – и поэтому они также изначально чувствительны к электромагнитным помехам.
Большинство аналогового и цифрового оборудования намеренно не чувствительны, но оно может выйти из строя при воздействии чрезмерных уровней. Например, простой аналоговый управляющий вход может иметь расчетную полосу пропускания всего в 1 кГц или около того, что ниже диапазона радиочастот. Однако очень высокий уровень улавливания радиочастотной энергии может быть непреднамеренно исправлен аналоговой схемой и привести к низкочастотной ошибке. В цифровой схеме короткий импульс напряжения, вызванный электромагнитным импульсом, может вызвать битовую ошибку в адресе или данных, что приведет к сбою микропроцессора.
Идея заземления важна для EMC, но также и сбивает с толку. Хорошая ЭМС лучше всего достигается с помощью физически распространенной металлической опорной структуры, на которую можно положиться, чтобы вокруг нее не было разных электрических потенциалов. В стандартной промышленной электрической панели это была бы задняя панель панели. Большая площадь означает, что высокочастотный ток может протекать в конструкции без создания сильного магнитного поля или дифференциального напряжения. Обычно для EMC не важно, подключена ли эта структура к физическому заземлению (earth), поскольку длина провода, необходимая для подключения к земле, настолько велика, что его индуктивность делает его неуместным для высоких частот. Однако такие конструкции обычно подключаются к земле по соображениям электробезопасности, поэтому инженеры склонны называть их “землей”, потому что другого единственного подходящего английского слова не существует. Необходимо понимать, что именно их локальный эквипотенциальный эффект благоприятен для электромагнитной совместимости, а не тот факт, что они подключены к земле.
Во многих отношениях требования к электромагнитной совместимости для VSD ничем не отличаются от требований к другому профессиональному электронному оборудованию. Однако VSD содержит мощный инвертор с переключающими мощность полупроводниками, которые предназначены для генерации высоких и очень быстро меняющихся уровней напряжения и тока. Именно это быстро меняющееся напряжение и ток имеют тенденцию генерировать электромагнитное излучение в качестве побочного продукта, поэтому VSD потенциально является источником высокого уровня непреднамеренного электромагнитного излучения. При неправильной установке VSD может стать реальным источником помех для другого оборудования или “шума”, особенно если другое оборудование чувствительно (намеренно или непреднамеренно) к электромагнитным волнам.
Например, рассмотрим VSD, выход которого представляет собой последовательность импульсов в каждой фазе с частотой повторения 3 кГц и временем нарастания импульса около 100 нс. Частотный спектр этой последовательности импульсов содержит все гармоники 3 кГц. Они неуклонно уменьшаются с увеличением порядка гармоник, но все еще существует значительное содержание энергии, достигающее 10 МГц, и следует учитывать непреднамеренные выбросы примерно до 60 МГц. (Эти гармоники не следует путать с гармониками линии электропередачи, которые будут рассмотрены в отдельном блоге.) Если вы знакомы с распространением радиосигналов, то вы будете знать, что радиоволны в коротковолновых диапазонах примерно от 5 МГц до 20 МГц могут распространяться по всему миру – поэтому важно, чтобы мы не выделяли слишком много непреднамеренной электромагнитной энергии в этих регионах.
В порядке убывания важности ключевыми соединениями с VSD для электромагнитного излучения являются следующие:
1. Выходные клеммы к двигателю. Они передают полное выходное напряжение инвертора, которое представляет собой последовательность импульсов с широтной модуляцией и очень короткими фронтами. Как объяснялось выше, спектральный состав последовательности импульсов простирается примерно до 60 МГц, т.е. он охватывает радиочастотный спектр вплоть до предела коротковолновых диапазонов. Он не распространяется на УКВ, сверхвысокочастотный или микроволновый диапазоны, где работают современные коммуникационные технологии, такие как мобильные телефоны и Wi-Fi. Только полное электромагнитное экранирование этой схемы с тщательным вниманием к деталям предотвратит чрезмерное излучение.
2. Входные клеммы от источника питания. Часть высокочастотного тока, циркулирующего в паразитной емкости выходной цепи, отражается как синфазный ток на входных клеммах инвертора. Для уменьшения этого эффекта обычно устанавливается внутренний радиочастотный фильтр, но здесь может потребоваться дополнительный фильтр для минимизации излучения в источник питания. Опять же, для предотвращения чрезмерного выброса требуется тщательное внимание к деталям установки.
3. Управляющие терминалы. Они несут определенный уровень индуцированного “шумового” тока из-за их близости к внутренней силовой цепи инвертора. Необходимо соблюдать несколько основных правил, чтобы предотвратить непреднамеренные последствия выбросов.
Все вышесказанное направлено на минимизацию непреднамеренного излучения от инвертора, поскольку именно эта особенность отличает VSD от других распространенных промышленных электронных устройств малой мощности, таких как приборы, преобразователи, ПЛК, контроллеры движения и SCADA-системы. VSD также имеет сигнальные порты, передающие аналоговую и цифровую информацию, которые должны быть подключены правильно, чтобы избежать ошибок, вызванных непреднамеренной чувствительностью к входящей электромагнитной энергии. Требования к подключению этих портов ничем не отличаются от требований к другим электронным устройствам, но из-за соседнего мощного инвертора более вероятно, что несоблюдение инструкций приведет к помехам.
Правила кратко изложены на этой диаграмме:
Подключение инвертора к двигателю должно осуществляться с помощью экранированного кабеля питания. Экран должен быть непосредственно прикреплен (зажат или удерживался иным образом) в контакте с заземленными металлическими деталями инвертора и металлическим корпусом двигателя. Следует избегать “косичковых” соединений экрана, поскольку малой индуктивности косички будет достаточно, чтобы вызвать появление значительного напряжения шума на экране кабеля.
Должен быть установлен фильтр. В зависимости от области применения внутреннего фильтра может быть достаточно. Фильтр, предусмотренный в приводах CT, снижает излучение линии электропередачи до уровня, достаточно низкого, чтобы избежать помех для большинства электронных устройств общего назначения. Если существуют строгие ограничения, например, когда необходимо соблюдать строгий стандарт выбросов, или известно, что поблизости находится чувствительное оборудование связи, то на входе питания необходимо установить дополнительный фильтр. Конструкция фильтра должна быть предназначена для использования с VSD, и необходимо точно соблюдать инструкции по установке. Это означает, что фильтр должен быть установлен близко к инвертору и на той же металлической конструкции, что и инвертор и экран кабеля двигателя, чтобы обеспечить “заземляющее” соединение с минимальной самоиндукцией.
Подключения входного питания к фильтру должны быть отделены от “шумного” инвертора и его выходных подключений.
Для схем ввода-вывода общего назначения, в первую очередь логических 24 В и аналоговых систем 0-10 В, как правило, особых требований нет. Эти схемы не особенно критичны, поскольку они намеренно спроектированы с относительно низкой полосой пропускания, поэтому они вряд ли будут реагировать на высокочастотные индуцированные тревожные сигналы. Обычно проще всего подключить клемму управления приводом 0V к земле на приводе, но она также должна быть подключена непосредственно к соответствующим клеммам 0V или “заземления” других элементов оборудования, которым необходимо обмениваться данными управления.
Иногда конструкция системы требует, чтобы соединение 0 В было изолировано от земли. “Плавающий” 0 В обеспечивает отказ от любых помех, вызванных различиями в напряжениях заземления между элементами оборудования. Это используется, например, в традиционных аналоговых схемах управления технологическим процессом с сигнализацией 4-20 мА. Однако этот подход должен соблюдаться тщательно, и часто возникают проблемы, когда один конкретный элемент оборудования не может выдержать неизбежное шумовое напряжение, которое будет индуцироваться в соединении 0V.
В приложениях точного управления движением довольно часто используются сбалансированные аналоговые входы, т.е. клеммы “+” и “-“ отделены от 0V. При правильном использовании с двухжильным экранированным кабелем в соответствии с инструкциями по установке они могут обеспечить превосходную помехозащищенность – дифференциальная входная схема отклоняет низкочастотные помехи, а экранированный кабель отклоняет высокие частоты.
Цифровые источники данных, такие как датчики положения вала, очень важны, поскольку они имеют широкую полосу пропускания, что делает их восприимчивыми к высокочастотным помехам. Правильно установленный экранированный кабель витой пары обеспечивает хорошую помехозащищенность.
Наконец, схемы передачи данных с очень высокой пропускной способностью, такие как Ethernet, использующие неэкранированную витую пару (UTP), на самом деле обеспечивают очень хорошую помехозащищенность, в основном из-за изолированной трансформаторной связи в каждом узле, которая позволяет избежать циркулирующего шумового тока, а также обеспечивает превосходное подавление синфазных помех.
Из этого раздела вы можете видеть, что существует большое разнообразие типов схем управления, и правила между ними различаются. Если вы хотите узнать больше, я предлагаю хороший учебник в конце блога.
Экранированный кабель, казалось бы, довольно банальный компонент. Большинство инженеров-электронщиков сочли бы это банальным и не заслуживающим детального изучения. Однако экранированные кабели более сложны, чем может показаться на первый взгляд. Рассмотрим, например, следующие рекомендации, которые вы можете прочитать в рекомендациях EMC:
1. “Экран кабеля всегда должен быть правильно установлен в подходящий коаксиальный разъем, при этом оплетка должна прилегать к корпусу разъема по всей окружности, т.е. на 360°”.
2. “Во избежание контуров заземления кабельный экран должен быть подсоединен только с одного конца. На другом конце он должен быть коротко обрезан и изолирован”
3. “Броня силового кабеля должна быть подключена к земле только на конце питания”
4. “Броня силового кабеля должна быть непосредственно прикреплена к металлическим частям заземления инвертора и к корпусу двигателя”.
Руководящие принципы 1. и 4. прямо противоречат 2. и 3. Существуют и другие противоречивые рекомендации, например, использование “косички” для подключения кабельного экрана является обычным явлением в некоторых отраслях промышленности, но запрещено в других.
Все эти рекомендации имеют веские основания при некоторых обстоятельствах, но для того, чтобы экранированный кабель выполнял свою работу в присутствии электромагнитной энергии, рекомендации 2. и 3. неверны. Экран кабеля будет отклонять индукцию как электрического, так и магнитного поля только в том случае, если оба конца подключены правильно. В будущем блоге это будет объяснено подробнее.
