Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Kompatybilność elektromagnetyczna napędów miniaturowych

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) opisuje zdolność elementów elektrycznych i elektronicznych do jednoczesnego działania w określonym środowisku bez wzajemnych zaburzeń. Użytkownicy muszą brać to złożone zagadnienie pod uwagę w przypadku stosowania napędów regulowanych i podjąć odpowiednie kroki.
Article Image

W latach 20. XX wieku konflikt pomiędzy technologią napędów elektrycznych stosowanych w ruchu miejskim a powstającym sektorem telekomunikacyjnym doprowadził do rozwoju poddziedziny kompatybilności elektromagnetycznej – eliminacji zaburzeń radiowych.

W dzisiejszych czasach napędy elektryczne zwykle są regulowane. Oprócz komponentów służących do konwersji energii zawierają one również komponenty telekomunikacyjne wymagane przez czujniki do transmisji danych. Ze względu na zaburzenia emitowane podczas konwersji energii ważne jest zapewnienie niezbędnej odporności na zaburzenia czujników i urządzeń telekomunikacyjnych – często na jak najmniejszej przestrzeni.

Certyfikacja w miejscu zastosowania

Wartości graniczne dla regulowanych napędów elektrycznych w zakresie emisji zaburzeń elektromagnetycznych oraz odporności na te zaburzenia określa norma PN-EN 61800-3. Norma ta stanowi jednak tylko podstawę do oceny napędu gotowego do pracy. Nie można w wiarygodny sposób przewidzieć, jak będzie się on zachowywał w urządzeniu końcowym. W tym wypadku użytkownik jest zobowiązany do uzyskania certyfikatu dotyczącego konkretnego zastosowania. W systemach zawierających miniaturowe napędy elektryczne energia elektryczna jest zwykle przekształcana kilka razy. Powstają przemienne wielkości elektryczne jako napięcia i prądy o bardzo różnych częstotliwościach (rysunek 1), np. przełączanie na stopniu wyjściowym, pola zaburzeń (elektro)magnetycznych podczas pracy dynamicznej lub wahania napięcia (tętnienia) podczas przełączania napędów.

Rysunek 1. Zakresy częstotliwości różnych sygnałów i zakłóceń w otoczeniu sterowanego napędu

Dyrektywa EMC 2014/30/UE dotyczy urządzeń na jednolitym rynku europejskim, natomiast konkretnej oceny dokonuje się w oparciu o tzw. normy zharmonizowane. W przypadku urządzeń sprzedawanych bezpośrednio użytkownikom końcowym wymagana jest zgodność z dyrektywą EMC potwierdzona oznaczeniem CE. Jednak urządzenia, które nie są wprowadzane na jednolity rynek europejski lub które są przeznaczone do zastosowania w przemyśle, często wymagają potwierdzenia zgodności.

Wartości graniczne w przypadku napędów regulowanych

Norma PN-EN 61800-3 stanowi podstawę do oceny gotowego do pracy napędu złożonego z silnika i falownika lub kontrolera ruchu, zasilanych bezpośrednio z sieci. Określa również zasady konfiguracji pomiarów. Do rodzajów zaburzeń mają zastosowanie różne określenia: w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz są one definiowane jako napięcie zaburzeń w dB (μV), w zakresie częstotliwości od 30 MHz do 300 MHz jako moc zaburzeń w dB (pW), a w zakresie od 30 MHz do 6 GHz jako pole zaburzeń w dB (μV/m).

To podejście zakłada, że przemienne wielkości o niskiej częstotliwości występują przede wszystkim jako napięcie zaburzeń nakładające się na zasilanie. Prądy tętniące napędu regulowanego mogą wówczas wpływać np. na działanie sterownika PLC podłączonego równolegle (rysunek 2). Podobnie skok napięcia zasilania podczas hamowania może spowodować, że urządzenia połączone równolegle zainicjują wyłączenie ochronne. Moc zaburzeń i pole zaburzeń opisują promieniowane rozchodzenie się pól elektromagnetycznych.

Rysunek 2. Sprzężenie galwaniczne wielu elementów w połączeniu DC. Energia regenerowana może powodować krytyczne przepięcia

Wyzwanie w postaci pola zaburzeń

Podczas certyfikacji urządzenia ze zintegrowanym napędem miniaturowym często największym wyzwaniem jest pole zaburzeń. Możliwe środki zapobiegawcze to np. filtry na wyjściach zasilania do tłumienia prądów zaburzeń o wysokiej częstotliwości (rysunek 3). Każdy przewód zasilający silnik zwykle musi być w pełni ekranowany. To samo dotyczy przewodu czujnika ułożonego oddzielnie od przewodu zasilającego silnik. Ważne jest również, aby wszystkie elementy przewodzące były podłączone do tzw. uziemienia funkcjonalnego za pomocą złączy z ekranowaniem RF. Bazując na uziemieniu funkcjonalnym, oba końce ekranu można następnie połączyć na płasko. Zwykłe uziemienie ochronne jest wystarczające tylko w bardzo niewielkiej liczbie przypadków.

Rysunek 3. Typowe środki ochronne dla zwiększenia odporności na zaburzenia wejść zasilania, sygnału i komunikacji

Podczas, gdy pole zaburzeń jest skutecznie tłumione przez uziemienie funkcjonalne i przewody ekranowane, w rezultacie powrotny prąd przemienny w płycie podstawy ma tendencję do wzrostu. Jeżeli te prądy przemienne płyną z powrotem do przekształtnika przełączającego przez sieć lub zasilacz, napięcie prądu przemiennego na przewodzie zasilającym nieuchronnie wzrasta, a tym samym wzrasta również napięcie zaburzeń. Dlatego często potrzebny jest dodatkowy filtr na linii zasilającej, który ogranicza rozchodzenie się tych prądów. Do producenta urządzenia należy decyzja, czy zainstaluje taki filtr przed każdym napędem – w przypadku napędów miniaturowych zazwyczaj na linii zasilającej 24 V lub 48 V – czy tylko przed zasilaczem po stronie prądu przemiennego. To drugie rozwiązanie zapewnia oszczędność kosztów, ale sprawdza się tylko w przypadku napędów zaprojektowanych w taki sposób, aby nie wywoływały wzajemnych zaburzeń.

Odporność na zaburzenia w testach standardowych

Standardowe testy odporności na zaburzenia obejmują szeroki zakres efektów elektromagnetycznych, takich jak odporność na zaburzenia wywoływane przez wyładowania elektrostatyczne (ESD) i pola elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości emitowane przez nadajnik w pobliżu, odporność na szybkie elektryczne stany przejściowe (impulsy), przepięcia, np. spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, lub zaburzenia współbieżne o częstotliwościach radiowych na dłuższych przewodach czujników i przewodach komunikacyjnych. Dodatkowe testy dla krótszych zapadów napięcia są zdefiniowane przede wszystkim dla napędów zasilanych bezpośrednio z sieci elektrycznej. Z drugiej strony typowe wahania napięcia wielu napędów dynamicznych w systemie zasilanym prądem stałym nie są wykrywane.

W przypadku napędów miniaturowych dodatkowe możliwości eliminacji zaburzeń obejmują użycie możliwie jak najkrótszych kabli lub zastosowanie diod ochronnych po stronie zasilania. Inną możliwość stanowią filtry ferrytowe, takie jak stosowane w kablach analogowych monitorów komputerowych lub w przewodach komunikacyjnych. W przypadku napędów kompaktowych enkodery stanowią główne wyzwanie, jeśli chodzi o odporność komponentów na zaburzenia. Również wymagają instalacji w niewielkiej przestrzeni.

Jednak nawet w przypadku małych enkoderów wystarczającą podstawową ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi można osiągnąć dzięki kompaktowym elementom ochronnym. Natężenia pola określone dla odporności na zaburzenia zasadniczo nie stanowią problemu ani w zakresie częstotliwości radiowych, ani w zakresie częstotliwości napięcia w sieci elektroenergetycznej. Odporność na zaburzenia wywoływane przez impulsy lub szybkie elektryczne stany przejściowe wymaga filtrów zarówno na przyłączu zasilania, jak i kablach sygnałowych.

Stanowi to jednak problem w przypadku przyłączy zasilania, ponieważ zasilanie jest zazwyczaj podłączone bezpośrednio do zintegrowanych obwodów enkodera. Skuteczna ochrona jest zatem możliwa tylko w kompletnym urządzeniu. Pełna ochrona bezpośrednio w enkoderach przed standardowymi zaburzeniami nie jest zazwyczaj konieczna. W razie potrzeby można jednak zainstalować diodę ochronną, np. na płytce adaptera.

Sygnał testowy dla przewodzonych zakłóceń w zakresie częstotliwości radiowych zgodnie z normą IEC 61000-4-6 ma większą moc niż sygnał użyteczny typowych enkoderów. Wykorzystanie filtrów sygnału współbieżnego w enkoderze dla silników o średnicach od 20 do 22 mm nie jest jednak możliwe. W tym przypadku należy przeprowadzić ocenę na poziomie urządzenia, aby określić, jakiego typu zaburzeń można się spodziewać. W razie potrzeby odporność na zaburzenia można poprawić za pomocą zewnętrznie podłączonych ferrytów.

Spadki napięcia w zasilaczu układu napędowego mogą spowodować wyłączenie układu. W zależności od bufora zasilania enkodera w kontrolerze ruchu, enkoder może mieć niewystarczające zasilanie w przypadku spadków napięcia. W takim przypadku enkodery przyrostowe tracą informacje o pozycji bezwzględnej i wymagają odtworzenia punktu odniesienia.

Zgodność projektu i dokumentacji z wymogami w zakresie EMC

Kompatybilność elektromagnetyczna w przypadku napędów miniaturowych ma niebagatelne znaczenie dla użytkowników. Dlatego specjaliści w zakresie napędów z firmy FAULHABER szczegółowo zbadali to złożone zagadnienie. Wszystkie kontrolery ruchu w naszej szerokiej ofercie są zgodne z obowiązującymi przepisami w zakresie EMC. Nie tylko urządzenia zostały odpowiednio zoptymalizowane, ale także dokumentacja została dostosowana, aby zapewnić użytkownikom jak najlepsze wsparcie podczas certyfikacji własnych urządzeń.

Faulhaber
www.faulhaber.com

Firma: Faulhaber
Tematyka materiału: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów miniaturowych, EMC, certyfikacja, Zgodność projektu i dokumentacji z wymogami w zakresie EMC
Źródło
Elektronika Praktyczna październik 2022
Udostępnij
Zobacz wszystkie quizy
Quiz weekendowy
Mikroprocesory (µP),
Mikrokontrolery (µC)
1/12 Architektura RISC w porównaniu do architektury CISC charakteryzuje się:
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"