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
Stoormechanismen 2 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
Stoormechanismen 2 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 = HF-bereik = gelijkspanning en netwisselspanning. 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 00282AXX I = stroom B = magnetisch veld L S = strooi-inductiviteit X = geleider Y = 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 L S. 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
Stoormechanismen 2 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 R S = serieweerstand R I = isolatieweerstand L S = strooi-inductiviteit C P = parasitaire capaciteit in het LF-bereik Gedrag van een leiding in het HF-bereik Z L = axiale impedantie Z Q = radiale impedantie Z L = axiale impedantie Z Q = 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
Stoormechanismen 2 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 Natuurlijke storingsbronnen bijv. atmosferische ruis galactische ruis bliksem elektrostatische ontlading Technische storingsbronnen Beoogde emissie Onbedoelde emissie bijv. radioverkeer radar inductiekooktoestellen magnetrons HF-drooginstallaties bijv. schakelaars fluorescentielampen motoren lasinstallaties vermogenselektronica netgelijkrichters digitale apparatuur (computers enz.) Er zijn verdere onderverdelingen naar frequentiebandbreedte (smalbandig of breedbandig) en storingsgedrag die afhankelijk van de wijze van benaderen zinvol kunnen zijn. gelijkstroommotor besturing schakelaars radioverkeer LW MW KW UKW TV SAT radar fluorescentielampen bliksem netgelijkrichters computers 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz vermogenselektronica LFbereik HFbereik Bovenstaande afbeelding laat het frequentiebereik zien, waarin enkele storingsbronnen actief zijn. 12 Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen 2 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 Z I U Z U N I U N = U I Z U N U t U N U I Z t t t t Afbeelding 10: gelijkrichter met condensator aan het net 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 U N. 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 S 1 S n = 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
Stoormechanismen 2 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 50 Hz-net is door de elfde harmonische (= 550 Hz) ten gevolge van een schakelhandeling tot opslingering geactiveerd. De resonantiefrequentie f Res bedraagt voor fase L1 583 Hz en voor fase 2 592 Hz. Afbeelding 11: voorbeeld van het opslingerend vermogen van netten 00745AXX Voorbeelden van bronnen van netharmonischen 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 Tabel 2: gevolgen van netharmonischen Regelaar Transformator Elektromotoren Kabel Condensatoren Meet- en regelinstallaties Nulspanningsschakelaars Gevolg verhoogde verliezen en verwarming, er kunnen verzadigingsverschijnselen optreden verhoogde verliezen, toerentalvariaties verhoogde ohmse en diëlektrische verliezen verwarming, veroudering, resonantieverschijnselen meetfouten, functiebeperking en functieverlies ongewilde uitschakelingen Netharmonischen kunnen door de volgende maatregelen verminderd worden: met een geschikte compensatie-installatie met een netsmoorspoel voor de veroorzaker door voeding met een scheidingstransformator Voorbeelden van gevolgen van netharmonischen Netschommelingen, netonderbreking, netdippen, overspanningen 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
Stoormechanismen 2 Netstoringen kunnen de volgende oorzaken hebben: Tabel 3: oorzaken van netstoringen Storingen Mogelijk oorzaken Gevolgen Spanningsschommelingen bijv. vlamboogovens, lasapparatuur, sterke lastschommelingen (bijv. liften, persen) verlichtingsschommelingen (geflikker) Spanningsdippen Spanningsonderbrekingen Overspanningen schakelen van grote belastingen (aanlopen van grote motoren, elektrische verwarmingen en ovens enz.) kortsluitingen in het net... bijschakelen van grote transformatoren, motoren, condensatoren schakelhandelingen in het middenspanningsnet, onweer, schakelen van compensatieinstallaties zonder smoorspoelen koppelvariaties, eventueel bedrijfsstoring afvallen en trillen van relais, afvallen van de motorrem beschadiging van elektronische apparatuur, bedrijfsstoring Bliksem 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 t r = stijgtijd t d = 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
Stoormechanismen 2 Burst Frequentiebereik: gevolgen hoofdzakelijk in het HF-bereik Energiegehalte: gering Afbeelding 15: ontstaan van een burst-impuls 00291AXX Capaciteit [2] 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: 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 00292AXX 20 Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen 2 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: t r = 5 ns (stijgtijd) t d = 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
Stoormechanismen 2 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 H R 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
Stoormechanismen 2 Straling Frequentiebereik: HF-bereik Energiegehalte: meestal gering, dit kan echter in uitzonderingsgevallen zeer groot worden (bijv. in de directe omgeving van televisie- en radiozenders). 00279BXX Afbeelding 21: storing door straling [1] via een niveaumeter [2], kabel [3], verwerking [4] Golflengte [4] 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: 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 radiozenders, televisiezenders, mobiele telefoons, walkie-talkies; HF-materiaaldrooginstallaties, magnetrons vlambooglasapparatuur korte, pulsvormige storingen (ESD, burst...) hoogfrequent gestuurde systemen (computers, procesapparatuur etc.) Mogelijke gevolgen: vervormde analoge signalen foutief functioneren foute metingen 26 Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen 2 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 (afbeelding 22) asymmetrische storing (afbeelding 23) Symmetrische storing Deze domineert bij lage frequenties; de stoorstroomkring wordt door de aanwezige leidingen gesloten. Een stoorstroom I S veroorzaakt hier direct een stoorspanningsval over de meetweerstand R. Afbeelding 22: symmetrische storing 00297AXX S I S = storing = stoorstroom Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek 27
2 Stoormechanismen Asymmetrische storing De stoorstroomkring wordt hier door parasitaire capaciteiten C P gesloten. Omdat deze bij lage frequenties een hoge impedantie bezitten, kunnen asymmetrische storingen in het LF-bereik worden verwaarloosd. Noemenswaardige stoorstromen I S1 en I S2 vloeien pas bij hogere frequenties. Over de meetweerstand R heeft dit een verschilspanningsval van de heen- en teruggaande leiding U S1 U S2 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 00298AXX S = storing I S1 = stoorstroom 1 C P = parasitaire capaciteit I S2 = stoorstroom 2 28 Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen 2 Galvanische koppeling (leidingkoppeling) Frequentiebereik: zowel in het LF- als in het HF-bereik actief I t I & A Z U 1 U U 1 t U B t U 1 = U I Z U 1 U I Z t t t Afbeelding 24: voorbeeld van galvanische koppeling 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 I L = stroom in de motorkabel B = magnetisch veld U S = stoorspanning Om elke stroomvoerende geleider wordt een magnetisch veld B opgebouwd dat proportioneel is met de stroom I L 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
Stoormechanismen 2 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 U S 00697AXX Afbeelding 27: getwiste voedingskabel met magnetisch veld B, lusvlakken A en deelstoorspanningen U S Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek 31
2 Stoormechanismen Afscherming Afbeelding 28: afscherming tegen magnetische velden 00698AXX B = magnetisch veld E = schermaarde A E = aardlusvlak A R = rest van het lusvlak S = 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
Stoormechanismen 2 Capacitieve koppeling Frequentiebereik: HF-bereik U L U S t t C P C P C P I S R U M I t M U M = U I R U M t U M t U S t I R t Afbeelding 30: capacitieve koppeling tussen vermogens- en signaalleiding 00699AXX Twee nabijgelegen leidingen bezitten onderling een parasitaire capaciteit. Als er op een leiding een spanningsverandering plaatsvindt, dan vloeit er via de parasitaire capaciteit C P een stoorstroom I S in de nabijgelegen leiding en veroorzaakt een stoorspanning aan de meetweerstand. Voor de stoorstroom geldt de volgende formule: Stoorstroom [5] I S C P 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
Stoormechanismen 2 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 Impedantie [6] 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: f = 30 MHz [4] golflengte: 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: Z = impedantie (in lucht, ver bij de zender vandaan: 377 Ω) E = veldsterkte van het elektrisch veld H = 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] 00702BXX H E = magnetisch veld = elektrisch veld 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. 36 Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek
Stoormechanismen 2 Maatregelen tegen straling 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
Stoormechanismen 2 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 00770AXX Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek 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/f 2 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 2 Uitstraling 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 00772BXX [1] = nettransformator [2] = voedingskabel [3] = frequentieregelaar [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
Stoormechanismen 2 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). Afbeelding 38: spanningen en stromen in de frequentieregelaar 00773BXX I N = netstroom U N = netspanning fase-fase U N U N C = 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 5 e 86 % 42 % 25 % 7 e 72 % 17 % 13 % 11 e 42 % 8 % 9 % uitgangsstroom 7,3 A 7,3 A 7,3 A netstroom 9,4 A 6,9 A 6,7 A Modern apparaat met 'slanke' tussenkring (bijv. MOVITRAC 31) Aandrijftechniek in de praktijk EMC in de aandrijftechniek 43