LAPP
ÖLFLEX® SERVO FD zeroCM

Obecnie silniki elektryczne w automatyce procesowej są sterowane wyłącznie za pomocą przemienników częstotliwości. Ten rodzaj sterowania oferuje znaczną poprawę w zakresie efektywności energetycznej i procesowej. Jednak ze względu na zasadę sterowania pojawiają się niepożądane efekty uboczne i generowane są prądy upływowe. Im więcej komponentów jest zaangażowanych, tym większe jest ryzyko wystąpienia takich zakłóceń. Jednocześnie przestrzenie montażowe w maszynach i systemach stają się coraz mniejsze. Aby uniknąć kosztownych przestojów produkcyjnych w inteligentnej fabryce, najlepiej jest rozważyć temat EMC już w fazie planowania.

Przemyślana konstrukcja przewodów

W ramach projektu badawczego „PEPA” firma LAPP zademonstrowała, w jaki sposób można praktycznie wyeliminować zakłócenia w rozwiązaniach przyłączeniowych. W projekcie uczestniczyły również firmy SEW-EURODRIVE, BLOCK, Danfoss, MAGNETEC oraz Uniwersytet Techniczny w Darmstadt. W tym gronie LAPP prowadził projekt roboczy nr 4 o nazwie „Sprzężenia pomiędzy sąsiednimi przewodami, jak również z komponentami instalacji. Pomiary i optymalizacja konstrukcji przewodów”. Celem tego roboczego pakietu jest wspieranie wspólnych badań nad złożonym tematem z automatyki i napędów.

Typowe spektrum prądów upływowych mierzonych na przewodach uziemienia ochronnego i przewodu wyrównawczego.

Przedmiotem badań było ustalenie, dlaczego na przewodach wyrównania potencjałów (PA) lub przewodach ochronnych (PE) bardzo często występują niepożądane prądy. Ze względu na sposób sterowania (modulacja szerokości impulsów) powstają prądy zakłócające w zakresie od ok. 3 kHz do 1 MHz. Odpływają one przez części obudowy, przewody PA/PE, a w najgorszym przypadku przez ekranowanie linii danych w kierunku potencjału uziemienia lub do źródła. Prądy wyrównawcze wysokiej częstotliwości o amplitudzie 10A lub większej nie są rzadkością. Skutkiem tego są niedopuszczalnie wysokie prądy w uziemieniu ochronnym oraz błędne działanie wyłączników różnicowoprądowych (RCD). Usterki te są trudne do znalezienia ponieważ nie przebiegają w sposób systematyczny. Dlatego firma LAPP postawiła sobie za cel zbadanie fizycznych mechanizmów sprzężenia w przewodach łączących silniki i wyprowadzenie z tego nowego typu konstrukcji przewodów. Wynikiem tego rozwoju jest technologia zeroCM®.

Technologia okablowania wystawiona na próbę

Źródłem innowacji było wystawienie na próbę status quo w technologii kablowej. Poprzednie projekty miały tendencję do skupiania się na małych średnicach zewnętrznych i optycznie symetrycznej budowy przewodów. Do tego czasu problem EMC był zawsze rozwiązywany przez ekranowanie. Tym razem LAPP zastosował inne podejście z technologią zeroCM. Przewód jest wizualnie asymetryczny, ale osiągnięto 100% symetrii elektromagnetycznej. Oznacza to, że wymagane jest jeszcze mniej ekranowania.

Sekretem technologii zeroCM® jest specjalna, innowacyjna technika splotu. Trzy przewodniki fazowe są ułożone symetrycznie i skręcone w warstwie wewnętrznej. Dodatkowo w warstwie zewnętrznej, wokół trzech żył fazowych, nawinięty jest co najmniej jeden przewód ochronny o przeciwnym kierunku oplotu. Sama zaś izolacja przewodów jest zoptymalizowana pod względem pojemności. Składa się z polietylenu, polipropylenu lub wariantu spienionego. Pomiędzy warstwą wewnętrzną, a zewnętrzną znajduje się włóknina rozdzielająca. Dzięki takiej konstrukcji osiąga się idealną symetrię elektryczną. Zmniejsza to promieniowanie magnetyczne i znacznie redukuje sprzężenia wewnętrzne. Pierwszym prototypem przewodu o nowej konstrukcji jest ÖLFLEX® SERVO FD zeroCM. Nadaje się on szczególnie do stosowania w połączeniu z przetwornikami częstotliwości.

Udana próba

Efektywność nowego przewodu ÖLFLEX® SERVO FD zeroCM została potwierdzona w ramach projektu badawczego PEPA. Oprócz badania instalacji komponentów zoptymalizowanej pod kątem EMC  oceniono między innymi rolę przewodu wyjściowego. Do porównania wybrano identyczne stanowisko badawcze z systemem napędowym z wyrównaniem potencjałów oraz równoległą linią sygnałową (ProfiNet). Porównano cztery obwody:

  • ekranowany przewód standardowy w izolacji PVC,
  • niskopojemnościowy przewód serwo,
  • symetryczny przewód silnikowy z trzema żyłami ochronnymi,
  • nowy przewód zeroCM® o zoptymalizowanej strukturze

Wyniki były jednoznaczne. Najlepsze wartości pod względem prądu upływowego na wyjściu przekształtnika osiągnięto dzięki niskopojemnościowej konstrukcji przewodu zeroCM®. Generowane prądy upływowe stanowią dodatkowe obciążenie dla przetwornicy częstotliwości i wszystkich zaangażowanych komponentów. Ponadto zbadano prąd zakłócający płynący przez równoległą linię sygnałową. W tym przypadku również zastosowanie przewodu zeroCM® sprzyja uzyskaniu możliwie najniższych prądów zakłócających. Badania przeprowadzone u partnerów projektu zaowocowały również wyraźnymi zaleceniami dotyczącymi optymalnej instalacji przetworników częstotliwości, takimi jak np. niskoimpedancyjne, kompatybilne z RF, ciągłe uziemienie między falownikiem a silnikiem. Duże znaczenie ma przy tym połączenie ekranu za pomocą wtyczek zgodnych z normami EMC lub dookólne połączenie ekranu, jak np. w przypadku zastosowanych dławnic kablowych SKINTOP® BRUSH EMC.

Prąd upływowy (poziom skuteczny i maksymalny) zmierzony na wyjściu przetwornicy częstotliwości przy mocy 4 kW i długości kabla 50 m.

Możliwość zastosowania dłuższych przewodów

Podsumowując, technologia zeroCM® nie eliminuje przyczyny zakłóceń EMC, ale rozwiązuje jeden z istotnych problemów, w których zakłócenia są wprowadzane do środowiska systemowego. Z jednej strony nowa konstrukcja przewodów umożliwia zmniejszenie prądów wyrównawczych nawet o 80% na wyjściu przetwornicy częstotliwości oraz na ścieżkach równoległych. Z drugiej strony zmniejszone prądy upływowe przewodów zapewniają mniejsze obciążenie samej przetwornicy i jej elementów. Na przykład można układać dłuższe przewody bez eksploatacji przetwornicy częstotliwości poza jej specyfikacjami (EMC). Technologia zeroCM® zapobiega również występowaniu poziomów napięcia na styku ziemi/potencjał uziemienia po stronie odbiorcy. Jest to szczególnie ważne w przypadku zastosowania np. wrażliwej technologii czujników, takich jak enkodery analogowe.

Chociaż nowy przewód może wydawać się trudny przy pierwszym montażu, okablowanie pozostaje tak proste jak zwykle, a nawet prostsze. Teraz głównym celem LAPP jest wypełnienie swojego portfolio w technologię zeroCM®. Kolejnym krokiem będą przewody o konstrukcji hybrydowej.

Krzywa pomiarowa pokazuje emisję zakłóceń przewodzonych przez przetwornicę częstotliwości zgodnie z normą DIN EN IEC 61800-3 oraz poprawę w przypadku zastosowania serwo kabla zeroCM®.

Informacje o autorze

Po ukończeniu studiów w zakresie optoelektronicznej technologii laserowej na Uniwersytecie w Aalen, mgr inż. Stefan Hilsenbeck zdobył wieloletnie doświadczenie w dziedzinie czujników przemysłowych i automatyki. W firmie LAPP, na obecnym stanowisku starszego inżyniera ds. zaawansowanej technologii, zajmuje się istotnymi tematami technologicznymi, takimi jak EMC i konserwacja predykcyjna.