Kompatybilność elektromagnetyczna. Rola kabli, przewodów i osprzętu kablowego

Spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej wymusza stosowanie odpowiedniego asortymentu produktów, które umożliwią kontrolę i eliminację pojawiających się zakłóceń. Dlatego też w specyfikacjach technicznych czy kartach katalogowych różnych produktów coraz częściej można spotkać pojęcie „ekran”. Dlaczego tak się dzieje i z czym jest to związane?


Spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej wymusza stosowanie odpowiedniego asortymentu produktów, które umożliwią kontrolę i eliminację pojawiających się zakłóceń. Dlatego też w specyfikacjach technicznych czy kartach katalogowych różnych produktów coraz częściej można spotkać pojęcie „ekran”. Dlaczego tak się dzieje i z czym jest to związane?

Kompatybilność elektromagnetyczna obejmuje wszystkie zagadnienia dotyczące nieoczekiwanych usterek sprzętu elektrycznego spowodowanych działaniem pól i procesów elektrycznych, magnetycznych, elektromagnetycznych. Zagadnienie to zyskuje na znaczeniu w czasach Przemysłu 4.0, który jest kolejnym etapem zwiększania nasycenia obszaru przemysłowego urządzeniami elektronicznymi. A tym samym rośnie liczba źródeł potencjalnych zakłóceń z jednej strony, a odbiorników tych zakłóceń z drugiej, co powoduje często niezamierzone oddziaływania między nimi.

Może to nie tylko utrudniać produkcję, ale i być niebezpieczne. Przykładem mogą być systemy sterowania, które generalnie są elektroniczne, a to one decydują, jak zachowują się maszyny i inne urządzenia. Zatem, jeżeli wystąpi zakłócenie elektromagnetyczne, system może wykonać jakiś „niebezpieczny ruch”, np. napęd zatrzymanej maszyny nieoczekiwanie ruszy i zaczyna przyspieszać. Nazywamy to niespodziewanym uruchomieniem.

– W przypadku skutków zakłóceń elektromagnetycznych najczęściej mamy do czynienia nie z załączaniem czy wyłączaniem obwodów, lecz z zakłóceniami sygnałów. Na przykład wartość ciśnienia czy temperatury może być odczytywana przez przetwornik jako inna, niż jest w rzeczywistości – mówi Marek Trajdos, konsultant ds. technicznych, HELUKABEL Polska.

Sygnały cyfrowej transmisji danych są wprawdzie odporne na większość zakłóceń. Nie ma tu sytuacji, jak w przypadku sygnału analogowego, że zaindukowanie w obwodzie chwilowej wartości napięcia zakłócającego na poziomie kilkunastu miliwoltów wpłynie na zmianę odczytywanej wartości ciśnienia. Liczone są impulsy o kształcie prostokątnym (lub prawie prostokątnym), miliwoltowe zmiany amplitudy tych impulsów są nieznaczące. Dodatkowo przesyłanym danym towarzyszy sprawdzająca suma kontrolna – w wypadku różnicy wartości transmisja jest powtarzana do skutku.

I tu może powstać nowy problem – opóźnienie. W warunkach znacznych zakłóceń, transmisje będą musiały być powtarzane do skutku (nawet setki razy), co może rozsynchronizować cały system sterowania i wyłączyć nawet linię awaryjnie. Przy jeszcze większych zakłóceniach obwody wejściowe mogą ulec trwałemu uszkodzeniu itd. Tak dzieje się w przypadku wystąpienia przepięć.

Projekt zgodny ze sztuką
Aby zapobiegać takim sytuacjom, systemy sterowania powinny być wyposażone w elementy likwidujące szkodliwy potencjał lub też umożliwiające jego pełną kontrolę. Zastosowanie w aplikacji właściwie dobranego osprzętu w znikomym stopniu ma wpływ na koszt inwestycji.

Na całym świecie, ale i w krajach europejskich obowiązują przepisy dotyczące bezpieczeństwa wyrobu. Na terenie Europy w przypadku maszyn to dyrektywa maszynowa (w tym też i o kompatybilności elektromagnetycznej), a w przypadku instalacji technicznych budynku to dyrektywa niskonapięciowa oraz badania reakcji na ogień instalacji elektrycznych (w Polsce określane jako „rozporządzenie CPR”). Wymagania te trzeba po prostu spełnić, jeżeli nie chce się popaść w konflikt z obowiązującym prawem. Dodatkowo powyższe przepisy są uzupełnione przez zbiory norm zharmonizowanych, które dają projektantom konkretne zalecenia.
Poza normami, rozporządzeniami i dyrektywami są jeszcze wytyczne producentów, którzy wszelkie kwestie związane z EMC rozpatrzyli i zweryfikowali, przygotowując wyroby do wprowadzenia na rynki unijne i krajowe. W zasadzie bez zawierzenia producentom, projektant nie mógłby w dzisiejszych czasach śledzić lawinowego postępu technicznego i tzw. tyranii wyboru, aby w sensownym czasie zrealizować projekt.

Przykład zakłócenia: prądy pasożytnicze w układzie napędowym z przekształtnikiem częstotliwości
Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat przekształtnika częstotliwości zasilający silnik indukcyjny, w którym zaznaczono dwie szczególne pojemności pasożytnicze (Cc – kabla i CM – silnika). Ich wartość dla najbardziej typowej częstotliwości 50 Hz nie ma praktycznego znaczenia, ale falownik generuje impulsy prostokątne (prawie) o częstotliwości modulacji, czyli o wartości kilku, kilkunastu kiloherców i to zmienia obraz sytuacji. Dla tak wysokich częstotliwości pojawia się przepływ prądu IHF (zaznaczony linią w kolorze czerwonym), który „szukając sobie drogi” płynie przez wszystkie przewodzące części konstrukcyjne i zamyka się do przekształtnika poprzez sieć zasilającą. Dla średnich i dużych napędów wartość tego prądu może mieć znaczne wartości, sięgające kilkudziesięciu amperów. Droga przepływu może być dość rozległa, powodując zakłócenia elektromagnetyczne nawet na znacznym obszarze.



Rys. 1. Uproszczony schemat drogi przepływu prądów pasożytniczych w układzie napędowym z przekształtnikiem częstotliwości PWM


– Problemu tego nie da się niestety całkowicie wyeliminować. Można natomiast wpływ tego przepływu zredukować, „zmu- szając” prąd do poruszania się po zadanej drodze, którą można otoczyć „opieką” ekranu – tłumaczy Marek Trajdos.

Na rysunku 2 widać, jak znacząco zmieniła się droga przepływu prądu pasożytniczego oznaczona podobnie kolorem czerwonym. Jest krótsza, prąd płynie przez ekran, obudowę przekształtnika i kondensatory filtra. Omija konstrukcję hali lub maszyny, a przede wszystkim sieć zasilania. Źródło zakłóceń zostało zredukowane.



Rys. 2. Ten sam schemat z zaznaczonymi kolorem niebieskim dwoma nowymi elementami: przewodem ekranowanym, który łączy falownik z silnikiem i filtrem sieciowym


Jak zapobiegać zakłóceniom?
Projektując taką instalację, warto korzystać nie tylko z aktów prawnych, ale również z dobrych praktyk i materiałów producentów produkujących dodatkowe komponenty. Przykładowo silnik powinien mieć skrzynkę zaciskową, metalową, aby można wykorzystać ją jako przestrzeń ekranowaną.

Wkręcamy do niej dławicę kablową przystosowaną do przyłączenia przewodu siłowego ekranowanego. Przykładowy dławik nowej generacji HELUTOP MS-EP4 znacznie ułatwia montaż, zapewnia lepszy styk na pełnym obwodzie i przede wszystkim nie odcina części drutów ekranu przy zaciskaniu.



HELUTOP® MS-EP4 – dławik nowej generacji


Dławik EMC stosujemy do wszystkich kabli ekranowanych, w szczególności dedykowanych do pracy z serwonapędami. Np. do kabli w powłoce z modyfikowanego PVC, TOPFLEX-EMV-UV-2YSLCYK-J lub kabli bezhalogenowych typu TOPFLEX-06-EMV-UV-2XSLCHK-J, tak w wersji asymetrycznej jak i symetrycznej (3 Plus).

Ten drugi model ma następujące atuty:

• średnio o 20% zwiększona obciążalność prądowa żył,
• temperatura pracy na żyle zwiększona z 70°C do 90°C,
• klasa CPR Dca – s2, d1, a1 (przewód bezhalogenowy, uniepalniony, do stosowania w większości rodzajów budynków, jedynie nie w obszarach dróg ewakuacyjnych),
• podstawowa oferta do 240 mm², co pozwala na obciążenie prądem nawet ponad 500 A dla żyły roboczej.

Ponadto przewód ten spełnia wymagania kompatybilności elektromagnetycznej i bezpieczeństwa elektrycznego (oznakowanie CE), jest metrowany, może być ułożony zarówno w budynku, jak i bezpośrednio w ziemi, a także wystawiony na działanie promieni UV. Wszystko to świadczy o jego ogromnej uniwersalności (jeden typ przewodu falownikowego w całym obiekcie).



Przewód do serwonapędów w powłoce PVC – TOPFLEX®-EMV-UV-2YSLCYK-J



Bezhalogenowy przewód do serwonapędów – TOPFLEX®-06-EMV-UV-2XSLCHK-J


Taśma pleciona uziemiająca płaska i z gładką płaszczyzną styku



Jak połączyć w takim układzie wszystkie punkty uziemienia? Na pewno nie zwykłymi odcinkami żył ochronnych. Ponieważ mamy do czynienia z wyższymi częstotliwościami, a połączenia o przekroju kołowym (jak zwykła żyła) mają niestety zbyt dużą impedancję, zatem nie będą w praktyce spełniać dobrze powierzonej im roli – nie zapewniając wystarczającego przejścia wyrównawczego.
Powinniśmy więc zastosować taśmę plecioną uziemiającą. Analogicznie jak w przypadku przewodu i dławika silnika potrzebne jest nie tylko połączenie o określonym kształcie, ale i dobrym styku powierzchniowego. Zatem liczy się ta widoczna na powyższym rysunku końcówka plecionki – musi być płaska, bez szwów i nagnieceń.

Kluczowa w większości przypadków jest jakość użytych komponentów. Słaba ich jakość zwyczajnie się nie opłaca. Te elementy nie mają z reguły dużego udziału procentowego w wartości projektu, jeśli jednak nie mamy dobrego styku, to nie uzyskamy dobrego efektu końcowego. Wytyczne producentów czy też normy nie precyzują takich szczegółów.

HELUKABEL Polska Sp. z o.o.
Krze Duże 2
96-325 Radziejowice
tel.: 46 858 01 00
e-mail: biuro@helukabel.pl
www.helukabel.pl