INFORMACJA PL 06.03

Kable kompatybilne
elekromagnetycznie
w nowoczesnym napędzie
elektrycznym

M

3~

INFORMACJE

PL 06.03

Kable kompatybilne elekromagnetycznie w
nowoczesnym napędzie elektrycznym

Zawartość Str.

1. Wprowadzenie .................................................................................3

2. Definicje i regulacje prawne ...........................................................4

3. Zakłócenia radioelektryczne natężenia pola .................................6

4. Zakłócenia radioelektryczne napięcia ...........................................7

5. Przykładowe zagadnienia na podst. przykładów napędowych....8

5.1 Odciążenia spowodowane przepięciami ...............................10

5.2 Obciążenia spowodowane oscylacjami.................................10

5.3 Prądy upływu pojemnościowego...........................................11

5.4 Praca w warunkach doziemienia............................................12

6. Podsumowanie..............................................................................13

INFORMACJE

PL 06.03

1. Wprowadzenie

EMC (kompatybilność elektromagnetyczna) stała się głównym tematem
ostatnich lat.

Dwoma powodami tego stanu rzeczy są:

1.) Prawne uregulowanie w zakresie EMC..

2.) Zastosowania wysoko zaawansowanych produktów

energoelektronicznych, szczególnie w obszarze napędu
elektrycznego.

Szczególnie w nowoczesnym napędzie elektrycznym, powiązanie
pomiędzy technologią i wykładnią prawa oraz wymagania stawiane kablom
i przewodom wynikające z powyższego zostaną niżej przedstawione.

INFORMACJE

PL 06.03

2. Definicje i regulacje prawne

W świetle obowiązujących regulacji, EMC jest definiowana w następujący
sposób:

Kompatybilnośc elektromagnetyczna (EMC) jest zdolnością
urządzenia elektrycznego lub elektronicznego do pracy w
środowisku elektromagnetycznym zgodnie z prawem i bez
wpływu na otaczające środowisko ponad dopuszczalny zakres.

Określone urządzenia muszą pracować zgodnie z przepisami nawet w
środowisku zakłócanym i nie mogą na to środowisko oddziaływać w
większym stopniu niż jest do dopuszczalne.

Oznacza to konieczność wprowadzenia następującego rozróżnienia:

• Odporności na zakłócenia oraz

• Emisji (zakłóceń wprowadzanych do środowiska)

Należy zwrócić uwagę, że okablowanie obwodu mocy układu napędowego
niezależnie od roli, którą pełni w sterowaniu stanowi źródło emisji zakłóceń.
Nie należy przy tym oczekiwać, że przesył mocy na poziomie kilku lub
więcej kW może być zakłócony przez elektromagnetyczne oddziaływanie
radioelektryczne.

Unormowania w zakresie EMC nie stanowią o specyficznych cechach
okablowania. Powoduje to konieczność poszukiwania odniesienia do
innych regulacji. Unormowania nie określają szczegółów emisji zakłóceń
dotyczących kabli i przewodów. Nakazują jedynie traktować je jako jedną z
części systemu elektrycznego.

W opisanej tu sytuacji właściwy jest standard określony normą
międzynarodową EN 55011 z roku 1991 lub podobnymi regulacjami
krajowymi..

Niniejszy standard zatytułowany został „Tłumienie zakłóceń
radioelektrycznych urządzeń i systemów elektrycznych. Ograniczenia i
metody pomiarowe dla urządzeń przemysłowych, sprzętu naukowego i
medycznego wysokiej częstotliwości."

W niniejszym standardzie, zostały określone poziomy dopuszczalnej emisji
zakłóceń dla urządzeń elektrycznych oraz odpowiednich metod

INFORMACJE

PL 06.03

pomiarowych. Rozróżniono pojęcia tłumienia zakłóceń radioelektrycznych i
napięć zakłócających.

INFORMACJE

PL 06.03

3. Zakłócenia radioelektryczne

natężenia pola

Zakłócenia radioelektryczne odpowiadają (nieprzewodzonym) falom
elektromagnetycznym.

W nowoczesnych układach energoelektronicznych, wysokie częstotliwości
powodują, że przewody stają się źródłem emisji fal elektromagnetycznych
do środowiska nie przewodzącego. Występowanie częstotliwości na
poziomie kilku MHz, oznacza, że są to systemy wysokich częstotliwości. W
inżynierii wysokich częstotliwości wiadomo, że charakterystyki wszystkich
zmiennych zależą od wartości częstotliwości. Podobnie, ograniczenia
poziomu zakłóceń natężenia pola wynikają z przyjęcia uwarunkowań
częstotliwościowych, dla których podstawę stanowi częstotliwość 30 MHz
(patrz tabela 1.).

Zakłócenie radioelektryczne natężenia pola dBµV/m

Zakres częstotliwości
MHz

Grupa
Klasa
Odległość

1

A

30 m

1

B

30 m

0,15 ... 30
30 ... 230
230 ... 1000

-

30
37

-

30
37

Grupa 1 zawiera wszystkie urządzenia z grupy ISM*, w których energia
wysokiej częstotliwości (HF) jest generowana w sposób zamierzony..

Klasa A: urządzeń nie można włączać do sieci zasilającej obszaru
mieszkalnego (nieprzemysłowego).

Klasa B: urządzenia, które mogą być dołączane bezpośrednio do sieci
zasilających obszaru mieszkalnego.

Tabela 1:

Zakłócenia radioelektryczne natężenia pola.

* Industry, Scientyfic and Medicine – Przemysłowe, badawcze i medyczne.

INFORMACJE

PL 06.03

4. Zakłócenia radioelektryczne

napięcia

Poniżej częstotliwości 30 MHz, dominują zakłócenia przewodzone.
Zakłócenia radioelektryczne odpowiadają „falom harmonicznym” . W tym
przypadku wszystkie te fale odbiegają od przebiegu sinusoidalnego o
częstotliwości 50 Hz. Ich amplitudy nie powinny przekraczać pewnych
wartości granicznych.

Rys. 1: Zakłócenia radioelektryczne, napięciowe, klasy B



Zakłócenia radioelektryczne napięciowe są wprowadzane do 50 Hz sieci
zasilającej, np. do publicznej sieci rozdzielczej 400 V.

56 dBµV

Wart.qasi szczytowa 60 dBµV

46 dBµV

Wartość średnia 50 dBµV

INFORMACJE

PL 06.03

5. Wybrane zagadnienia na podstawie

przykładów napędowych

Połączenia w nowoczesnych napędach mogą zostać przeanalizowane przy
pomocy następującego przykładu.

W nowoczesnym napędzie zmiennoprędkościowym trójfazowego prądu
zmiennego, silnik jest zwykle podłączony do przekształtnika częstotliwości
z pośrednim, napięciowym obwodem prądu stałego.














Rys. 2: Schemat blokowy: Napęd trójfazowy
prądu zmiennego sterowany przekształtnikiem PWM



Schemat blokowy przedstawia trójfazowe źródło napięcia, mostek
prostownika, generujący napięcie stałe obwodu pośredniego, falownik,
który jest źródłem zasilania dla silnika i silnik trójfazowy.
Falownik musi być wyposażony w nowoczesne, szybkie tranzystory IGBT
(tranzystor bipolarny z izolowaną bramką). Są one szybsze od
stosowanych wcześniej tyrystorów (wyłączalnych – przyp.tł.) GTO.
W celu wytworzenia trójfazowej fali napięcia o zmiennej częstotliwości,
napięcie obwodu pośredniego jest przełączane przez obwód falownika ze
stałą częstotliwością, tworząc serie impulsów o zmiennej szerokości i
polaryzacji.

Filtr sieciowy

Przekształtnik częstotliwości Ekranowany

kabel

mocy

3 AC

M

3~

Silnik

trófazowy

Falownik

Obwód DC

Prost.

3 AC

INFORMACJE

PL 06.03

Dzięki określonej sekwencji czasowej zmian polaryzacji i czasu trwania
poszczególnych impulsów napięciowych, podstawowa fala napięcia układa
się w przebieg sinusoidalny o częstotliwości odpowiadającej pożądanej
prędkości silnika.

Rys. 3: Przebieg wyjściowego napięcia przekszt. częstotliwości
(z

pominięciem kabla silnikowego)

Częstotliwość typowo znajduje się w zakresie pomiędzy 0 i 50 Hz. Jest to
typowy zakres regulacji, realizowany bez żadnych problemów
technicznych..

Napięcie członu DC

1
Tp

u



U

d

U

M

u

u

eff

pierwszej harm.

częstotliwość impulsowania

INFORMACJE

PL 06.03

5.1 Obciążenia spowodowane przepięciami

Zgodnie z analizą fal Fouriera, każda podstawowa oscylacja (podstawowa
fala) posiada również harmoniczne. Częstotliwości tych harmonicznych są
tym wyższe, im krzywa sygnału wykazuje ostrzejsze zbocza i kąty załamań.
W tym należy upatrywać problem związany z kablami łączącymi silnik z
przekształtnikiem. Nowe tranzystory IGBT przełączają znacznie szybciej niż
tyrystory GTO – w przybliżeniu w ciągu 300 ns. W zakresie niskiego
napięcia, skutkuje to podniesieniem stromości do około 3-4 kV/ms i zakres
częstotliwości wyższych harmonicznych przekracza 100 MHz.

Jest to krytyczne pod względem impedancji falowej, znanej z techniki
wysokich częstotliwości. We wszystkich przypadkach, w których
impedancja falowa ulega zmianie w czasie transmisji, nadchodzące fale
elektromagnetyczne ulegają w miejszym lub większym stopniu odbiciu. Ma
to miejsce na obu zakończeniach kabla, którym podłączony jest silnik.
Adaptacja (długości ) kabla jest niewykonalna, ponieważ impedancja falowa
wyjścia przekształtnika częstotliwości lub silnika nie jest znana wcześniej.
Wpływ impedancji falowej ujawnia się w wypadku, gdy długość przewodu
przekazującego energię jest większa, niż długość fali. Przy częstotliwości
30 MHz długość fali wynosi około 10 m. Stanowi to całkiem typową długość
kabli połączeniowych silnika.

5.2 Obciążenia spowodowane oscylacjami

Jeżeli długość kabla jest mniejsza od długości fali, łącze kablowe
zachowuje się jak zwykła impedancja, np. jak kondensator. W takim
przypadku, przekształtnik częstotliwości przełącza każdy impuls napięcia
na reaktancji rozproszenia. Dlatego, wyraźne przeregulowania pojawiają
się na początku i końcu każdego impulsu napięciowego. Rysunek 4.
Pokazuje taki oscylogram (porównanie rys. 4.: charakterystyki czasowe
napięcia wyjściowego z przeregulowaniami).

Można zauważyć, że maksymalna amplituda całkowitego napięcia
przekracza ponad dwa razy wartość napięcia w obwodzie prądu stałego.
Napięcie w obwodzie pośrednim jest wyższe od znamionowego napięcia
silnika. Przeregulowanie następuje z częstotliwością impulsowania
przekształtnika. Typowe częstotliwości impulsowania mieszczą się w
zakresie od 0,5 do 20 kHz. Skutkuje to występowaniem w normalnym kablu
ustawicznych przepięć.

INFORMACJE

PL 06.03

Rys. 4: Przebieg napięcia wyjściowego przekształtnika
częstotliwości – pomiar przy silniku.

5.3 Prądy upływu pojemnościowego

Z powodu kompatybilności elektromagnetycznej jest wymagany kabel
ekranowany, uziemiony na obu końcach, ze względu na wysokie
częstotliwości (HF). Wysokie częstotliwości ujawniają obecność
pasożytniczych pojemności, niezauwazalnych przy zasilaniu 50 Hz.

Rys.5. przedstawia przekrój poprzeczny kabla ekranowanego (należy
zwrócić uwagę na pojemności pasożytnicze pomiędzy ekranem a
przewodem).
Pojemność pasożytnicza jest wynikiem występowania dielektryka pomiędzy
przewodzącymi przewodem i ekranem. Niewłaściwy dielektryk powoduje
występowanie znacznej pojemności. W rezultacie znaczne prądy
przepływają poprzez pojemność z przewodów do ziemi. Prądy te
dodatkowo podnoszą temperaturę warstw izolacyjnych. Ponadto
wprowadzają dodatkowe obciążenie prądowe ekranu i jego podłączeń.
Stanowi to powód modyfikacji wymiarów w przekroju poprzecznym kabla.

û = 1700 V

u

U

międzyprzew.

Napięcie obwodu pr.stałego

f

Siln.

= 50 Hz

f

Sieć

= 50 Hz

Silnik IEC 690V/199A

0

0 V

INFORMACJE

PL 06.03

Rys. 5: Pojemności żyła/ekran (kabel symetryczny)

5.4 Praca w warunkach doziemienia

W wielu przypadkach, szczególnie dla napędów dużej mocy, jest
wymagane, aby doziemienie w jednej fazie nie spowodowało
natychmiastowego wyłączenia. Przy założeniu że punkt zerowy gwiazdy
transformatora nie jest uziemiony (układ IT – przyp. tł.)

Taki przypadek zachodzi tu dla kabla ekranowanego. Napięcie
znamionowe np. przewodu fazy U kabla jest wóczas z definicji odpowiednie
do napięcia pomiędzy fazami. Z rysunku 5. Widzimy, że pomiędzy
przewodami fazowymi znajdują się dwie warstwy izolacyjne. Napięcie
odkłada się w tym przypadku pomiędzy przewodem fazowym a ekranem.
Jest ono wówczas izolowane jedynie jedną warstwą izolacji. W wypadku
doziemienia jednej z faz, napięcie wejściowe u występuje w kazdym
przypadku pomiędzy każdą z pozostałych faz i ekranem. Izolacja żył tych
pozostałych faz musi w takim przypadku wytrzymać wejściowe napięcie U
uwzględniając amplitudy wszystkich zawartych w nim harmonicznych.

Płaszcz

Ekran

Przewód

Izolacja wewnętrzna

i

S

prąd upływu pojemnościowego

C pojemność żyła/ekran

i

S

INFORMACJE

PL 06.03

6. Podsumowanie

Poniżej wymieniono dodatkowe obciążenia, którym poddawana jest izolacja
żył kabla zasilającego silnik w układzie napędowym:

•

wysokie częstotliwości (~ 10^2 MHz)

•

zbocza impulsów napięcia (~ 3..4 kV/ms)

•

przepięcia o wartości przekraczającej znaminowe napięcie silnika

(wspólczynnik 2..3)

•

ograniczone prądy upływu pojemnościowego

•

możliwość pracy w warunkach doziemienia jednej fazy

W oparciu o uwarunkowania przedstawione wyżej, należy przy
projektowaniu kabla wziąć pod uwagę:

Przyczyna Zjawisko

Elementy

kabli

Efekt wytrzymałości izol.> starzenia

Materiał izolacyjny płaszcza

Działanie dielektryka pomiędzy
przewodem i ekranem

Profil przewodu, budowa kabla,
materiał izolacyjny płaszcza

Prądy upływu pojemnościowego

Wymiarowanie przekroju ekranu

Wysokie
Częstotliwości

Emisja elekromagnetyczna

Konstrukcja ekranu i kabla,
konstrukcja podłączeń ekranów

Poziom stromości
napięciowej du/dt

Wymagania odpowiadające
parametrom elektrycznym

Materiał izolacyjny płaszcza

Napięcie obwodu
pośredniego

Wymagania odpowiadające
parametrom elektrycznym

Materiał i grubość płaszcza

Podwyższone wymagania
materiałowe i grubości warstwy
isolacji

Materiał i grubość płaszcza

Wartości amplitud
harmonicznych

Emisja elekromagnetyczna

Konstrukcja ekranu, konstrukcja kabla,
Konstrukcja podłączeń ekranów

Znamionowe napięcie
silnika

Nie istotne

Zawartość wyższych
harmonicznych w
prądzie silnika

Nie istotne

INFORMACJE

PL 06.03

Dla napędów (falownikowych – przyp.tł.) firma PIRELLI opracowała
specjalne kable i przewody przystosowane do pracy w szerokim zakresie
aplikacji przemysłowych, a w szczególności układach dźwigowych i
przemyśle okrętowym.

Uzyskano podstawowe dane dotyczące tego rodzaju kabli i przewodów.
Jednakże, wymagało to przeprowadzenia zakrojonych na szeroką skalę
badań, dla wielu przypadków pracy przekształtników częstotliwości.

Rozwinięcie niniejszych prac zostało opublikowane w wielu pismach
technicznych.

Program produkcyjny kabli i przewodów firmy PIRELLI zapewnia gotowe
rozwiązania w zakresie niskich i średnich napięć dla połączeń silnikowych
optymalizowanych pod kątem EMC w praktycznie każdym zastosowaniu.

Literatura:

Heublein, H.: Störungsfreie Datenübertragung -

Erlangen: Publicis MCD Verlag, 1996

Heublein, H. Transmitting Data without Interference -

Erlangen: Publicis MCD Verlag, 1998

Kohling, A.: CE-Konformitätskennzeichnung -

Erlangen: Publicis MCD Verlag, 1998

PKN:

Polska Norma PN-T-01030, grudzień 1996

Kompatybilność elektromagnetyczna. Terminologia.

INFORMACJA PL 06.03

Information PIRELLI
© 2001 PIRELLI Kabel und Systeme GmbH & Co. KG
Layout, Technische Beratung: IBB Ingenieure GmbH
Druck: Druckerei Siebel, Lindlar

Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit großer Sorgfalt
vorgegangen.
Fehler können jedoch nicht ausgeschlossen werden.



E
s

s
i
n
d

k
eine Messungen auf den Zeichnungen vorzunehmen.
Alle Fotos sind Eigentum der Fa. PIRELLI Kabel und Systeme GmbH & Co. KG.
Die Fa. PIRELLI Kabel und Systeme GmbH & Co. KG übernimmt keine Haftung für beiläufige
oder Folgeschäden im Zusammenhang mit der Verwendung der Information.
Verbesserungsvorschläge und Hinweise sind an die rückseitige Adresse zu richten.

Alle Rechte vorbehalten. Dieses Dokument darf weder im Ganzen noch in Teilen davon
kopiert, vervielfältigt, in eine andere Sprache übersetzt oder auf elektronischen Medien
gespeichert werden.

HELUKABEL POLSKA SP z o.o.

Wilkowa Wieś 7

05-084 Leszno

tel [phone]

fax [phone]

Wszystkie informacje techniczne oraz tłumaczenie na jęz polski, przez firmę
HULUKABEL Polska Sp. Z o.o. zgodnie z umową pomiędzy firmami PIRELLI i
HELUKABEL Polska.

PIRELLI Kabel und Systeme

GmbH & Co. KG

Vertrieb Deutschland

Gartenfelder Straße 28

13599 Berlin

Tel. [phone]
Fax [phone]

PIRELLI Kabel und Systeme

GmbH & Co. KG

Vertrieb Export

Austraße 99

96465 Neustadt b. Coburg

Tel. [phone]
Fax [phone]