Masterproef EMI bij aandrijvingen
Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Afstudeerrichting Elektrotechniek Academiejaar 2011-2012
Pauline Verzele Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk
Voorwoord
Na drie goed gevulde jaren van studeren, komt uiteindelijk het moment waarop je een masterproef kiest. Een weloverwogen beslissing, maar tegelijk een sprong in het onbekende. EMI was voor mij een quasi vreemd onderwerp maar dat maakte het net een uitdaging. Het was een proces van vallen en opstaan waarbij de inspanningen niet altijd de verhoopte resultaten opleverden. Toch bleven mijn nieuwsgierigheid, wilskracht en de sfeer binnen het EMC-onderzoeksteam de belangrijkste drijfveren om steeds verder te gaan in de toch wel ‘wondere wereld van de EMC’. Ik hoop dan ook dat deze masterproef een vertrekbasis kan vormen voor verdere ontwikkelingen binnen het EMC- labo van Howest. Dit alles was niet mogelijk geweest zonder de steun van mijn promotoren. Met mijn vragen kon ik steeds bij dr. Jos Knockaert terecht, waar er tussenin altijd ruimte was voor een vrolijke noot. Graag bedank ik hem voor het geduld en vertrouwen en de kennis die ik gedurende deze masterproef dankzij hem verworven heb. Daarnaast bedank ik Bram Vanseveren voor de praktische bijstand, het altijd luisterende oor en het aanstekelijke enthousiasme om er steeds weer voor te gaan. Ook als de zaken iets minder vlot verliepen. Mijn dank gaat ook uit naar Johan Vanalme, die dit eindwerk met een arendsoog gevolgd heeft. Een speciaal dankwoordje richt ik aan Steve Dereyne en Pieter Defreyne, voor hun – altijd even enthousiaste technische ondersteuning. Tot slot wil ik mijn ouders bedanken, die mij de mogelijkheid gegeven hebben deze opleiding te volgen en steeds voor mij klaar stonden wanneer het nodig was.
Pauline Verzele Deerlijk, juni 2012
“Te midden van de moeilijkheid, ligt de mogelijkheid.” (A. Einstein)
I
Inhoudsopgave VOORWOORD ..................................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................................................ IV LIJST VAN GEBRUIKTE AFKORTINGEN ..................................................................................................V LIJST VAN FIGUREN ..................................................................................................................................... VI LIJST VAN TABELLEN .................................................................................................................................. IX 1
INLEIDING ................................................................................................................................................. 1
1.1. Situering ........................................................................................................................................................... 1 1.2. Doelstellingen .................................................................................................................................................. 1
2
BASISBEGRIPPEN IN VERBAND MET EMC ................................................................................... 3
2.1. De drie elementen ........................................................................................................................................... 3 2.2. Parasitair gedrag van componenten ................................................................................................................ 3 2.2.1. Weerstand ..................................................................................................................................................... 4 2.2.2. Spoel .............................................................................................................................................................. 5 2.2.3. Condensator .................................................................................................................................................. 5 2.2.4. Parasitair gedrag bij drives ............................................................................................................................ 6 2.3. De bron............................................................................................................................................................. 9 2.4. Common mode en differential mode ............................................................................................................. 10 2.4.1. Algemeen .................................................................................................................................................... 10 2.4.2. Common mode problematiek bij drives ...................................................................................................... 11 2.5. Koppelpaden .................................................................................................................................................. 13 2.5.1. Gemeenschappelijke impedantie................................................................................................................ 14 2.5.2. Capacitieve koppeling ................................................................................................................................. 15 2.5.3. Inductieve koppeling ................................................................................................................................... 15 2.5.4. Koppeling via EM-velden ............................................................................................................................. 16
3
REGELGEVING OMTRENT EMC ...................................................................................................... 17
3.1. Richtlijnen en normen .................................................................................................................................... 17 3.2. Meten van EMC .............................................................................................................................................. 19 3.2.1. Limieten volgens de normen ....................................................................................................................... 19 3.2.2. Opstelling .................................................................................................................................................... 19 3.2.3. Meetapparatuur .......................................................................................................................................... 20
4
METINGEN COMMON MODE SPANNING.................................................................................... 24
4.1. Meetmethode 1 ............................................................................................................................................. 24 4.2. Meetmethode 2 ............................................................................................................................................. 25 II
4.3. Meetmethode 3 ............................................................................................................................................. 27 4.4. Besluit metingen common mode spanning ................................................................................................... 28
5
PARAMETERS DIE EMI BEÏNVLOEDEN ...................................................................................... 29
5.1. Algemeen ....................................................................................................................................................... 29 5.1.1. De meetopstelling ....................................................................................................................................... 29 5.1.2. De meetreceiver .......................................................................................................................................... 30 5.1.3. Eenheid ....................................................................................................................................................... 32 5.1.4. PWM bij driefasige invertoren .................................................................................................................... 32 5.2. Invloed van de schakelfrequentie .................................................................................................................. 36 5.2.1. Spectrum van een trapezoïdaal signaal ...................................................................................................... 36 5.2.2. Opstelling .................................................................................................................................................... 38 5.2.3. Meetresultaten ........................................................................................................................................... 39 5.3. Invloed van de kabellengte en afscherming bij afwezigheid van een motor ................................................. 43 5.3.1. Geen kabel .................................................................................................................................................. 43 5.3.2. Kabel type 1................................................................................................................................................. 45 5.3.3. Kabel type 2 ................................................................................................................................................. 52 5.3.4. Vergelijking tussen kabel type 1 en kabel type 2 ........................................................................................ 58 5.3.5. Belang van de meetopstelling ..................................................................................................................... 61 5.4. Invloed van afscherming in aanwezigheid van een motor ............................................................................. 67 5.5. Filters .............................................................................................................................................................. 77 5.5.1. Netfilters ..................................................................................................................................................... 77 5.5.2. Output filters ............................................................................................................................................... 79 5.5.3. Metingen ..................................................................................................................................................... 82
6
BESLUIT ................................................................................................................................................... 84
7
LITERATUURLIJST ............................................................................................................................... 85
8
BIJLAGEN................................................................................................................................................. 87
8.1. Bijlage 1: Uittreksel uit de EMC richtlijn ......................................................................................................... 87 8.2. Bijlage 2: Datasheet kabel type 1 ................................................................................................................... 88 8.3. Bijlage 3: Datasheet kabel type 2 ................................................................................................................... 89 8.4. Bijlage 4: Datasheet kabel type 3 ................................................................................................................... 90
III
Abstract Nowadays, adjustable speed drives (ASD) with insulated gate bipolar transistor (IGBT) technology are commonly used in motor drive systems. The inverter stage of these ASD systems delivers a pulse width modulated (PWM) voltage to the motor, which means a high- frequency output signal. Due to the improvement of power electronic switching devices, switching frequencies between 2-20kHz and rise times of 150ns are no exception, and high levels of output voltage steepness (dv/dt) occur in differential mode and common mode voltage. As a consequence, motor winding failures, bearing currents and EMI (Electromagnetic Interference) can occur. The complete motor drive system contains the ASD, the motor and the motor cable. In this setup, unavoidable parasitic capacitances are present, for instance between the motor housing and the motor windings. The combination of these parasitic capacitances and a high dv/dt, let a high frequent stray current flow through the installation, representing a source of EMI. EMI can cause failure in electronic devices (such as PLC’s) and disturbs communication between systems. This thesis focusses on EMI as an effect of the common mode voltage. Parameters that influence conducted EMI are investigated by performing measurements. As the studied frequency range is from 9kHz up to 30MHz, the amount of radiated emission is negligible and only conducted emission is taken into account. Therefore, a test setup is built, so every parameter can be altered without changing the complete setup. When considering EMI, there are always three items present: a source, a victim and a coupling path in between. In this case, the ASD is the source. The switching frequency can be changed, and the effect on EMI is investigated. Other parameters that are studied are the length of the cable, the cable type and the cable shielding. Also the influence of the motor is explored. These parameters are basically a change of the coupling path, as the presence of parasitic capacitances is changed. Output filters are often used in order to reduce the dv/dt at the motor side of the ASD. The basic types of filters are studied, and some measurements with available output filters are performed to examine the influence on EMI. The main output of this thesis is a report of measurements, summarizing the influence on EMI of all investigated parameters. Also the test setup that was built to perform the measurements is a realization of this master thesis.
IV
Lijst van gebruikte afkortingen BNC
Bayonet Neill Concelman connector
CISPR
Comité international des perturbations radioélectriques
CM
Common mode
DM
Differential mode
EMC
Elektromagnetische compatibiliteit
EMI
Elektromagnetische interferentie
EUT
Equipment under test
IEC
International electrotechnical commission
ISM
Industrial, scientific and medical
LISN
Line impedance stabilisation network
MP
Maximum peak
PE
Protective earth
PLC
Programmable logic controller
PWM
Pulse width modulation
QP
Quasi peak
VNA
Virtual network analyser
VSI
Voltage source inverter
V
Lijst van figuren Figuur 2-1: De drie elementen ................................................................................................................................ 3 Figuur 2-2: Parasitair gedrag voor grote en kleine weerstand ................................................................................ 4 Figuur 2-3: Totaal parasitair gedrag van een weerstand ........................................................................................ 4 Figuur 2-4: Impedantieverloop weerstand ............................................................................................................. 5 Figuur 2-5: Impedantieverloop bij een spoel .......................................................................................................... 5 Figuur 2-6: Impedantieverloop bij een condensator .............................................................................................. 6 Figuur 2-7: Verbeterd equivalent schema condensator ......................................................................................... 6 Figuur 2-8: Enkelfasig model voor de ingangsimpedantie ...................................................................................... 7 Figuur 2-9: Differential mode impedantie .............................................................................................................. 7 Figuur 2-10: Differential mode impedantie, bodeplot ............................................................................................ 8 Figuur 2-11: Common mode impedantie, bodeplot ............................................................................................... 9 Figuur 2-12: Schakelflank PWM .............................................................................................................................. 9 Figuur 2-13: Differential mode .............................................................................................................................. 10 Figuur 2-14: Common mode ................................................................................................................................. 10 Figuur 2-15: Common & differential mode ........................................................................................................... 10 Figuur 2-16: Samenstelling veld ten gevolge van CM en DM ................................................................................ 11 Figuur 2-17: Common mode spanning .................................................................................................................. 12 Figuur 2-18: Common mode paden bij drive, kabel, motor en belasting ............................................................. 13 Figuur 2-19: Verschillende koppelpaden .............................................................................................................. 13 Figuur 2-20: Hoogfrequent equivalent van de verbinding naar referentie ........................................................... 14 Figuur 2-21: Steraarding........................................................................................................................................ 14 Figuur 2-22: Capacitieve koppeling ....................................................................................................................... 15 Figuur 2-23: Inductieve koppeling......................................................................................................................... 16 Figuur 3-1: Organisatie binnen het IEC ................................................................................................................. 18 Figuur 3-2: Peak detector (a) en quasi-peak detector (b) ..................................................................................... 20 Figuur 3-3: Testopstelling met LISN ...................................................................................................................... 21 Figuur 3-4: Interne opbouw LISN .......................................................................................................................... 21 Figuur 3-5: Equivalent schema voor storingen ..................................................................................................... 22 Figuur 3-6: Equivalent schema voor 50Hz voedingsspanning ............................................................................... 22 Figuur 3-7: Differential mode en common mode stroom in de kabel van het EUT .............................................. 23 Figuur 4-1: Meetmethodes common mode spanning .......................................................................................... 24 Figuur 4-2: Common mode spanning volgens meetmethode 1 ............................................................................ 24 Figuur 4-3: Simulatie van de common mode spanning, sterpunt t.o.v. motoraarding ......................................... 25 Figuur 4-4: Gemeten common mode spanning (20ms) ........................................................................................ 26 Figuur 4-5: Gemeten common mode spanning (ingezoomd) ............................................................................... 27 Figuur 4-6: Simulatie common mode spanning .................................................................................................... 27 Figuur 4-7: Common mode spanning tussen motorklemmen en motoraarding .................................................. 28 Figuur 5-1: Testopstelling ...................................................................................................................................... 29 Figuur 5-2: Basisprincipe spectrum analyser ........................................................................................................ 31 Figuur 5-3: Effect van de gekozen bandbreedte ................................................................................................... 32 Figuur 5-4: Driefasige VSI bruginvertor ................................................................................................................. 33 Figuur 5-5: PWM- sturing voor driefasige VSI ....................................................................................................... 34 Figuur 5-6: Spectrum van een takspanning en een busspanning van een driefasige invertorbrug ...................... 35 Figuur 5-7: Harmonisch spectrum bij een schakelfrequentie van 14kHz .............................................................. 35 VI
Figuur 5-8: Envelope van een trapezoïdaal signaal ............................................................................................... 37 Figuur 5-9: Omhullende van het spectrum van een trapezoïdaal signaal ............................................................. 37 Figuur 5-10: Invloed van de schakelfrequentie op het spectrum ......................................................................... 38 Figuur 5-11: Meetopstelling .................................................................................................................................. 39 Figuur 5-12: Max. Peak meting bij een schakelfrequentie van 6kHz .................................................................... 40 Figuur 5-13: Spectrum bij schakelfrequentie 14kHz en 2kHz, motorzijde ............................................................ 42 Figuur 5-14: Spectrum bij schakelfrequentie 14kHz en 2kHz, netzijde ................................................................. 42 Figuur 5-15: Spectrum van de schakelende voeding, lijn ...................................................................................... 42 Figuur 5-16: Geen motor noch kabel aanwezig .................................................................................................... 43 Figuur 5-17: Kabel aanwezig, afscherming en PE niet aangesloten ...................................................................... 43 Figuur 5-18: Kabel aanwezig, afscherming en PE aangesloten aan drive ............................................................. 43 Figuur 5-19: Geen motor noch kabel aan de uitgang bij verschillende schakelfrequenties (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................................................. 44 Figuur 5-20: Kabel (2m) aan de uitgang, afscherming en PE aangesloten aan drive bij verschillende schakelfrequenties (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................... 46 Figuur 5-21: Invloed van kabel en afscherming aan drive-zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 47 Figuur 5-22: Invloed van kabel en afscherming aan drive-zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 2kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 48 Figuur 5-23: Vergelijking 42m kabel t.o.v. 2m kabel, afscherming niet verbonden, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................. 50 Figuur 5-24: Vergelijking 42m kabel t.o.v. 2m kabel, afscherming aan drive, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 51 Figuur 5-25: Kabel (2m) aan de uitgang, afscherming en PE aangesloten aan drive (spectrum 9kHz tot 10MHz) 53 Figuur 5-26: Invloed van kabel en afscherming aan drive-zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 54 Figuur 5-27: Vergelijking 50m, 20m, 10m, 5m en 2m kabel, afscherming niet aangesloten, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ...................................................................................................................... 56 Figuur 5-28: Vergelijking 50m, 20m, 10m, 5m en 2m kabel, afscherming aan drive, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................. 57 Figuur 5-29: Invloed van het kabeltype (2m), afscherming niet aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) ......... 58 Figuur 5-30: Invloed van het kabeltype (42m en 50m), afscherming niet aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................................................. 58 Figuur 5-31: Invloed van het kabeltype (2m), afscherming aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................ 59 Figuur 5-32: Invloed van het kabeltype (42m en 50m), afscherming aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) . 59 Figuur 5-33: Gemeten impedantieverloop van kabel type 1 en kabel type 2 (kabellengte 2m)........................... 60 Figuur 5-34: Gemeten impedantieverloop van kabel type 1 (42m) en kabel type 2 (50m) .................................. 60 Figuur 5-35: Vergelijking 42m kabel en 2m kabel wanneer afscherming niet aangesloten is, kabel type 1, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)......................................................................................... 63 Figuur 5-36: Invloed van de opstelling van de kabel (42m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 1, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz) ...................................................................................... 64 Figuur 5-37: Invloed van de opstelling van de kabel (50m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 2, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz ....................................................................................... 65 Figuur 5-38: Invloed van de opstelling van de kabel (50m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 3, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz) ...................................................................................... 66 Figuur 5-39: Afscherming/PE nergens aangesloten .............................................................................................. 67 Figuur 5-40: Afscherming/PE enkel aan motor aangesloten ................................................................................ 67
VII
Figuur 5-41: Afscherming/PE enkel aan drive aangesloten .................................................................................. 67 Figuur 5-42: Afscherming/PE aan motor en drive aangesloten ............................................................................ 67 Figuur 5-43: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde, kabel 2m, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 69 Figuur 5-44: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde, kabel 42m, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz) ................................................................................................................................................... 70 Figuur 5-45: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde wanneer afscherming aan drive bevestigd is, kabel 2m, schakelfrequentie 14kHz ...................................................................................................................... 72 Figuur 5-46: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde wanneer afscherming aan drive bevestigd is, kabel 42m, schakelfrequentie 14kHz .................................................................................................................... 73 Figuur 5-47: Vergelijken van de vier setups met motor, schakelfrequentie 14kHz, kabel 2m (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................................................. 75 Figuur 5-48: Vergelijken van de vier setups met motor, schakelfrequentie 14kHz, kabel 42m (spectrum 9kHz tot 10MHz) .................................................................................................................................................................. 76 Figuur 5-49: Schematische opstelling met filters .................................................................................................. 77 Figuur 5-50: Onttrokken stroom bij drives ............................................................................................................ 78 Figuur 5-51: Line Reactor (NKD, Block Trafo) ........................................................................................................ 78 Figuur 5-52: Actief filter (EcoSine Active, Schaffner) ............................................................................................ 78 Figuur 5-53: Netfilter (FMAC, RELEC) .................................................................................................................... 78 Figuur 5-54: Opbouw typische netfilter (enkelfasig)............................................................................................. 79 Figuur 5-55: Motor Inductor (MR 3, Block Trafo).................................................................................................. 80 Figuur 5-56: dv/dt motor protection output filter (V1k, TCI) ................................................................................ 80 Figuur 5-57: dv/dt output filter (FN510, Schaffner) .............................................................................................. 80 Figuur 5-58: Sine wave filter (MCC 101, Danfoss) ................................................................................................. 80 Figuur 5-59: Voorstel outputfilter ......................................................................................................................... 81 Figuur 5-60: Asymmetrische sinusfilter (FN 530, Schaffner) ................................................................................. 81 Figuur 5-61: Invloed van de common mode choke op DM en CM ....................................................................... 81 Figuur 5-62: Totale Setup, bovenaanzicht ............................................................................................................ 82 Figuur 5-63: Invloed van filters op emissie, schakelfrequentie 8kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)....................... 83
VIII
Lijst van tabellen Tabel 3-1: Maximale emissie voor categorie C3 (IEC 61800-3) ............................................................................. 19 Tabel 5-1: Theoretische stijgingen in emissie, uitgedrukt in dB............................................................................ 41 Tabel 5-2: Vergelijking van theoretische t.o.v. gemeten stijging in emissie ......................................................... 41 Tabel 5-3: Gemeten capaciteit en inductiviteit kabels .......................................................................................... 59 Tabel 6-1: Samenvatting onderzochte parameters en hun invloed op EMI ......................................................... 84
IX
1
Inleiding
1.1. Situering Hedendaagse aandrijvingen worden veelal uitgevoerd met drives, die een PWM-spanning (Pulse Width Modulation) aanbieden aan de motor. De ontwikkeling van vermogenelektronische componenten zorgt ervoor dat er steeds sneller geschakeld wordt. Schakelfrequenties van 2-20kHz, en stijgtijden tot 150ns zijn geen uitzondering meer. Dit impliceert een zeer grote spanningssteilheid (dv/dt), zowel in de common mode (CM) als differential mode (DM) spanning. Deze spanningssteilheid kan aanleiding geven tot verscheidene problemen, zoals isolatiedoorslag van de motorwindingen en lagerstromen. In de hele opstelling van de aandrijving zijn onvermijdelijk parasitaire capaciteiten aanwezig, die in combinatie met de hoge common mode dv/dt, hoogfrequente lekstromen laten vloeien. Deze lekstromen banen zich een weg doorheen de hele installatie en de gevolgen hiervan uiten zich op verschillende manieren. Zo kunnen differentieelschakelaars ongewenst reageren en zijn deze lekstromen een bron van EMI (Elektromagnetische Interferentie). In dit eindwerk wordt de focus gelegd op EMI bij aandrijvingen, als gevolg van de common mode problematiek. Onder de aandrijving valt het geheel van kabel, motor en frequentieomvormer. Door de manier waarop de drive de motor aanstuurt, nl. via een PWM-signaal, kan er EMI optreden. In een praktische situatie is het niet altijd onmiddellijk duidelijk dat wanneer er een probleem optreedt, dit ten gevolge van EMI is. Meestal wordt het probleem zichtbaar door meet- en regelapparatuur (waaronder ook PLC’s) die niet naar behoren werkt, of telecommunicatie die verstoord wordt. Dit eindwerk kadert binnen het Interreg IVa i-mocca project (Interregional MObility and Competence Centres in Automation), waarin Howest een project-partner vormt.
1.2. Doelstellingen In een eerste luik wordt een literatuurstudie uitgevoerd, die meer inzicht verschaft in parasitair gedrag van componenten, en de common mode en differential mode problematiek. Ook wordt een stuk reglementering rond EMC bestudeerd, dat zal toelaten de meetopstelling volgens de norm uit te voeren. Vervolgens wordt de common mode spanning in beeld gebracht via metingen. In het tweede onderdeel van deze masterproef wordt de invloed van een aantal parameters op EMI onderzocht. Dit gebeurt aan de hand van metingen, waarbij telkens de setup veranderd wordt om de invloed van één bepaalde parameter na te gaan. Het frequentiedomein van 9kHz tot 30MHz wordt onderzocht, waardoor de emissie zich hoofdzakelijk via kabels voortplant (conducted emission). Straling valt dus buiten de scope van dit eindwerk. Ook ligt het accent op de common mode problematiek. Gevolgen van differential mode (zoals overspanningen) worden niet behandeld.
1
Een eerste parameter die onderzocht wordt is de schakelfrequentie van de drive. Ook de kabel zal blijken een belangrijke invloedsparameter te zijn. De kabellengte, het kabeltype en de manier waarop de afscherming verbonden wordt, zijn belangrijke aandachtspunten. Ook de invloed van de motor wordt nagegaan. Om EMI te reduceren worden in de praktijk vaak filters toegepast. De basistypes van uitgangsfilters worden bestudeerd, en hun invloed wordt gestaafd aan de hand van metingen. De belangrijkste output van dit eindwerk wordt een uitgebreid meetverslag, die de invloed van de onderzochte parameters op EMI aantoont. Daarnaast is er ook de testopstelling die opgebouwd werd om de metingen te kunnen uitvoeren.
2
2
Basisbegrippen in verband met EMC
2.1. De drie elementen Onder EMC wordt ‘elektromagnetische compatibiliteit’ verstaan. Wanneer toestellen elektromagnetisch compatibel zijn, betekent dit dat deze toestellen naast elkaar kunnen functioneren, zonder dat het ene toestel de werking van het andere hindert. Er wordt gesproken van EMI (elektromagnetische interferentie) als dit niet het geval is. Het ene toestel interfereert dan met het andere. In het EMC-vakgebied gelden twee gouden regels: 1) Gij zult niet storen 2) Gij zult niet gestoord worden Er kan respectievelijk gesproken worden van ‘emissie’ en ‘immuniteit’. Een toestel kan zorgen voor elektromagnetische storingen, waarbij het toestel als bron functioneert. Anderzijds kan een toestel ook in zijn werking gestoord worden. Hier is sprake van immuniteit, of de mate waarin een toestel bestand is tegen storingen. Schematisch kan dit voorgesteld worden zoals in Figuur 2-1. Bij EMC is er steeds sprake van een bron en een ontvanger (slachtoffer), die via een pad gekoppeld zijn aan elkaar.
Bron "emissie"
Koppelpad
Slachtoffer "immuniteit"
Figuur 2-1: De drie elementen
Het koppelpad kan zowel tussenliggende kabels zijn als lucht (bij antennewerking). Elk EMI-probleem kan aangepakt worden door op één van deze drie elementen in te spelen. Bij de bron kan de uitgestraalde emissie gereduceerd worden, bij het slachtoffer kan de immuniteit verhoogd worden. Ook het koppelpad kan gewijzigd worden, al is dit eerder een curatieve dan preventieve maatregel. Dit kan door afgeschermde kabels toe te passen, filters te plaatsen en dergelijke. Het EMC-gebied bestrijkt een zeer groot frequentiedomein (netfrequentie tot 400GHz) [1]. Hier wordt echter specifiek gekeken naar het gebied tussen 9kHz en 30MHz.
2.2. Parasitair gedrag van componenten Om het EMC-fenomeen goed te begrijpen is het nodig om het parasitair gedrag van componenten van naderbij te bekijken. Een derde gouden regel op EMC-vlak is: ‘niets is wat het lijkt’. Een spoel bijvoorbeeld gedraagt zich op netfrequentie misschien wel als een spoel, maar het capacitair gedrag zal bij hogere frequenties dominanter worden. Op zich is elke elektrische component dus een combinatie van weerstand, capaciteit en inductiviteit. Afhankelijk van de frequentie waarop gewerkt wordt, is een bepaald gedrag dominant [2].
3
2.2.1. Weerstand Voor kleine weerstanden zal bij hogere frequenties het inductief gedrag meer gaan meespelen. Een typische waarde hiervoor is 10nH. Bij grote weerstanden wordt het capacitief gedrag dominanter naarmate de frequentie stijgt. Hierdoor daalt de totale weerstand. Standaardwaarden hiervoor zijn 0,1 tot 1pF [2].
Figuur 2-2: Parasitair gedrag voor grote en kleine weerstand
Het volledig equivalent schema van een weerstand word afgebeeld in Figuur 2-3. Dit is een samenstelling van Figuur 2-2.
Figuur 2-3: Totaal parasitair gedrag van een weerstand
Het impedantieverloop wordt gegeven in Figuur 2-4. Er is een serieresonantiepunt te zien, waarvan de resonantiefrequentie bepaald wordt met formule 2.1.
4
Figuur 2-4: Impedantieverloop weerstand
√
Met:
[Hz]
2.1
L = Inductantie [H] C = Capaciteit [F]
2.2.2. Spoel Een spoel bezit steeds een ohmse weerstand, te wijten aan de weerstand van het gebruikte materiaal. Ook zijn er tussen de windingen parasitaire capaciteiten aanwezig. Op Figuur 2-5 is het impedantieverloop van een niet-ideale spoel afgebeeld. Hierbij stijgt de impedantie niet evenredig met de frequentie –zoals bij een ideale spoel wel het geval is- maar is er een resonantiepiek te zien, wat wijst op de aanwezigheid van een parallel geplaatste (parasitaire) condensator.
Figuur 2-5: Impedantieverloop bij een spoel
De formule voor de resonantiefrequentie is dezelfde als formule 2.1.
2.2.3. Condensator Een condensator heeft altijd aansluitdraden die zorgen voor bijkomende weerstand en inductiviteit. In het impedantieverloop is er een serieresonantie te zien.
5
Figuur 2-6: Impedantieverloop bij een condensator
Dit equivalent schema kan verder uitgebreid worden naargelang de benodigde nauwkeurigheid van de benadering. Het diëlektricum van een condensator is nooit perfect isolerend, waardoor er een kleine lekstroom zal ontstaan. Dit kan ook opgenomen worden in het equivalent schema (Figuur 2-7 [2]).
Figuur 2-7: Verbeterd equivalent schema condensator
2.2.4. Parasitair gedrag bij drives Bij drives worden PWM- pulsen gebruikt voor het aansturen van de motor. Deze pulsen bevatten een hoge frequentie- inhoud (zie verder onder punt 5.1.4. ) en kunnen voor allerlei problemen zorgen. Voorbeelden hiervan zijn EMI, beschadiging van de isolatie van de motorwindingen, lagerstromen, enz. [3] Daarom is het belangrijk niet enkel het laagfrequent model van een motor in gedachten te houden. Gezien de hogere orde frequentiecomponenten, is er nood aan een laag- én hoogfrequent motormodel. Hierbij moeten parasitaire componenten in rekening gebracht worden, zoals [4]: Parasitaire capaciteit tussen de statorwindingen van eenzelfde fase Parasitaire capaciteit tussen de statorwindingen en de motorbehuizing Parasitaire capaciteit tussen de statorwindingen van verschillende fasen Mutuele inductantie tussen de statorwindingen van eenzelfde fase Mutuele inductantie tussen de statorwindingen van verschillende fasen De weerstand van het statorframe en de statorwindingen Ook het skin-effect zal hier een rol spelen. De weerstand neemt toe naarmate de frequentie hoger wordt, dit tengevolge van stroomverdringing naar de buitenkant van de geleider.
6
Figuur 2-8 (rechts) geeft een vereenvoudigde afbeelding van het statorhuis van een motor met de drie fasen. Wanneer rekening gehouden wordt met parasitaire elementen, dan wordt het model in Figuur 2-8 (links) bekomen (enkelfasig) [4].
Figuur 2-8: Enkelfasig model voor de ingangsimpedantie
Cwe stelt de capaciteiten voor tussen de windingen. Lwe is de lekinductantie, en Rwe staat voor de jouleverliezen in de spoel. De capaciteit tussen de windingen en het statorhuis wordt voorgesteld door C ce, en Rce duidt op de weerstand van het pad dat de stroom ondervindt wanneer deze door het statorframe vloeit. Dit vormt een deel van het common mode pad (zie verder onder punt 2.4.2. ). Voor de differential mode impedantie wordt gekeken tussen twee lijnen (vb. L1 en L2) of er worden twee lijnen samen genomen en de impedantie tussen deze twee lijnen en de derde lijn wordt beschouwd (vb. L1 + L2, L3). In Figuur 2-9 staat de differential mode impedantie afgebeeld. Rlf en Llf staan respectievelijk voor de laagfrequente weerstand en inductantie. Chf stelt de parasitaire capaciteit tussen de windingen voor, terwijl RZ0 de karakteristieke impedantie voorstelt.
Figuur 2-9: Differential mode impedantie
Van deze common mode en differential mode impedanties kunnen bodeplots getekend worden. Bij de differential mode is in eerste instantie een inductief gedrag te zien, dat overgaat in een parallelresonantie op ±50kHz. Daarna wordt het gedrag opnieuw capacitief, gevolgd door een serieresonantie op ±6,5MHz (zie Figuur 2-10).
7
Figuur 2-10: Differential mode impedantie, bodeplot
De common mode impedantie bevindt zich tussen windingen en motorbehuizing. Deze wordt gemeten tussen een lijn en PE (vb. L1,PE) of er wordt gemeten tussen de drie lijnen samen en PE (L1+L2+L3, PE).
8
Figuur 2-11: Common mode impedantie, bodeplot
Op Figuur 2-11 is de bodeplot van de common mode impedantie te zien. Hier is het gedrag capacitief, tot het serieresonantiepunt op ±4,5MHz. Daarna domineert het inductief gedrag.
2.3. De bron Bij alle EMC-problemen is er een bron aanwezig die de oorzaak is van de storingen. Bij de drive zijn dit de steile flanken van het PWM- signaal. Deze stijgtijden zijn typisch 50 tot 150n [5]. Figuur 2-12 geeft een meting weer van de flanksteilheid bij de drive die gebruikt werd in de verdere metingen. 0
dv/dt > 5 kV/µs 50 tot 150 ns
-100
U (V)
-200
-300
-400
-500
-600
0
0,1
0,2
0,3 Time (µs)
0,4
0,5
0,6
Figuur 2-12: Schakelflank PWM
9
2.4. Common mode en differential mode 2.4.1. Algemeen Differential mode stroom is algemeen gezien de stroom die doorgaat in de ene lijn, en terugkeert in de andere lijn. Dit is de gewone functionele stroom. De differential mode spanning is dan ook de gewone voedingsspanning tussen twee lijnen (Figuur 2-13). De common mode stroom is een stroom die in beide lijnen doorgaat en via parasitaire elementen terugkeert naar de bron. Dit betekent dat de common-mode stroom enkel hoogfrequent kan zijn, anders kan deze niet vloeien (Figuur 2-14) [6].
Figuur 2-13: Differential mode
Figuur 2-14: Common mode
Figuur 2-15 geeft common mode en differential mode samen weer op één figuur.
Figuur 2-15: Common & differential mode
10
Er wordt verondersteld dat de kabels met doorgaande en terugkerende stroom dicht bij elkaar liggen (Figuur 2-16). Worden de uitgestraalde elektrische velden op een zekere afstand van de geleider beschouwd, dan zullen de velden ten gevolge van de differential mode stroom elkaar nagenoeg opheffen. Dit in tegenstelling tot de velden van de common mode stroom. Doordat beide common mode stromen in dezelfde richting vloeien, is ook hun elektrisch veld in dezelfde richting georiënteerd. Bijgevolg is het resulterend veld de som van de twee. Dit kan nu net voor (radiated) emissie zorgen. Het komt er dus op aan om de terugkerende common mode stroom zo dicht mogelijk te laten terugvloeien bij de doorgaande stroom. Dit is het principe van de afgeschermde kabel die gebruikt wordt bij aandrijvingen: het oppervlak binnen de stroomlus wordt geminimaliseerd.
Figuur 2-16: Samenstelling veld ten gevolge van CM en DM
2.4.2. Common mode problematiek bij drives De vraag kan gesteld worden wat nu de eigenlijke oorzaak is van EMI-problemen bij drives. Het antwoord hierop ligt in de common mode spanning en de wet van Kirchoff. Alle stromen die vertrekken uit een bron (= de common mode spanning), moeten ook ooit terugkeren naar de bron. In een driefasig, symmetrisch en evenwichtig systeem is de spanning in het sterpunt altijd nul. Bij drives geldt dit echter niet meer. De spanningen, gegenereerd door de uitgangstrap van de omvormer zijn PWM- signalen (Va, Vb en Vc). Deze spanningen zijn de som van de spanning over de motorwindingen en de spanning op het sterpunt (zie Figuur 2-17) [3]. 2.2 2.3 2.4
11
Van, Vbn en Vcn stellen de spanningen over de motorfasen voor, terwijl V n de spanning op het sterpunt voorstelt. Uit de formules 2.2, 2.3 en 2.4 volgt dat : ( ) 2.5 Op elk moment geldt dat: 2.6 Hieruit kan besloten worden dat de common-mode spanning te schrijven is als: 2.7 Met andere woorden, de common mode spanning is niet nul. Hierdoor ontstaat een potentiaalverschil tussen het sterpunt en de referentie. Indien zich hiertussen een geleidend pad bevindt, zal er een common mode stroom vloeien.
Figuur 2-17: Common mode spanning
De impedantie die zich tussen sterpunt en referentie bevindt, bestaat hoofdzakelijk uit parasitaire capaciteiten tussen de fasen en de aarding. De kabelcapaciteit tussen een fase en de afscherming heeft een waarde van ongeveer 500pF per meter lengte. Ook tussen motorwindingen en motorbehuizing bevindt zich een parasitaire capaciteit van 1 tot 30nF [7]. Als derde element is er nog de parasitaire capaciteit tussen de koelvin van de drive en de IGBT’s. De grootteorde van deze capaciteit ligt rond de 1nF per invertertak [8]. Deze drie elementen staan voorgesteld in Figuur 2-18. Onder punt 2.4.1. werd reeds vermeld dat de common mode stroom enkel kan vloeien als de common mode spanning over steile flanken beschikt. De common mode stroom wordt immers bepaald door: 2.8 In deze formule speelt de grootte van de (parasitaire) capaciteit een rol, maar ook de flanksteilheid van de common mode spanning (dv/dt). Gezien drives PWM- golven genereren, zullen de flanksteilheden van de common mode spanning groot zijn. De common mode stroom zal dan ook hoogfrequent zijn, typisch 100kHz tot enkele MHz.
12
Figuur 2-18: Common mode paden bij drive, kabel, motor en belasting
De afscherming van de motorkabel kan zowel één- als tweezijdig aangesloten worden. Ondanks dat sommige EMC- problemen zullen verholpen worden door de afscherming slechts aan één zijde te verbinden, is het in de meeste gevallen aangewezen om zowel aan motor- als drive-zijde de afscherming vast te maken. Door eenzijdig te aarden wordt het common mode pad via de afscherming weggenomen, maar de common mode bronspanning blijft bestaan. Hierdoor zal de common mode stroom zich een andere weg banen doorheen de installatie, om terug bij de bron te geraken. Deze alternatieve route kan door lagers, assen en dergelijke lopen (zie Figuur 2-18), wat nefaste gevolgen zal hebben op de levensduur van bepaalde onderdelen van de installatie. Ook in punt 2.4.1. werd reeds het belang van een afgeschermde kabel aangehaald: de terugkerende stroom moet zo dicht mogelijk bij de heengaande stroom lopen om straling tot een minimum te beperken. Dit kan enkel indien beide kanten van de afscherming verbonden zijn.
2.5. Koppelpaden Zoals Figuur 2-1 aantoont is er steeds een koppelpad nodig tussen bron en slachtoffer waarlangs de storing kan ingekoppeld worden. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden. Geleide emissie plant zich voort via de voedingskabel, of lange kabels kunnen voor uitgestraalde emissie zorgen die dan via antennewerking worden ingekoppeld in een ander toestel.
Figuur 2-19: Verschillende koppelpaden
De koppelpaden kunnen onderverdeeld worden in vier types [2]: Gemeenschappelijke impedantie Capacitieve koppeling
13
-
Inductieve koppeling Koppeling via EM-velden
2.5.1. Gemeenschappelijke impedantie Massa wordt algemeen gezien als een equipotentiaal vlak. Echter heeft deze massa niet altijd een verwaarloosbare impedantie. Laagfrequent is enkel de ohmse weerstand van belang, hoogfrequent zal de invloed van het inductief gedeelte toenemen. Wanneer nu stroom door die impedantie loopt, ontstaan er potentiaalverschillen, waardoor de referentiepotentiaal voor de aangesloten toestellen verschillend wordt. Dit wordt weergegeven in Figuur 2-20.
Figuur 2-20: Hoogfrequent equivalent van de verbinding naar referentie
̅̅̅
(̅
̅
̅ ) ̅̅̅
̅̅̅
(̅
̅
̅ ) ̅̅̅
(̅
̅ ) ̅̅̅̅
̅̅̅
(̅
̅
̅ ) ̅̅̅
(̅
̅ ) ̅̅̅
2.9 2.10 ̅ ̅̅̅
2.11
Waarbij Z = R + jωL. Een betere methode is het parallel verbinden van componenten met de massa, zoals in Figuur 2-21 wordt voorgesteld. Hierbij worden de lijnen zo veel mogelijk gesplitst (multipoint grounding).
Figuur 2-21: Steraarding
14
2.5.2. Capacitieve koppeling Tussen twee geleiders is altijd een parasitaire capaciteit aanwezig. Ook tussen ‘aarde’ en de geleiders bevindt zich een parasitaire capaciteit. In Figuur 2-22 wordt ten gevolge van systeem A een spanning geïnduceerd in systeem B. Deze spanning kan geschreven worden als: (
) (
2.12 )
2.13
Figuur 2-22: Capacitieve koppeling
Het beperken van de capacitieve koppeling kan op meerdere manieren, zoals een grote afstand tussen de geleiders houden, een grote ingangsimpedantie, of door afscherming.
2.5.3. Inductieve koppeling Rond een stroomvoerende geleider ontstaat een magnetisch veld. Dit veld kan een spanning induceren in een nabij gelegen geleider. Hierbij speelt de mutuele koppeling tussen beide geleiders een belangrijke rol. De grootte van de geïnduceerde spanning kan geschreven worden als: 2.14 Hierbij stelt M de mutuele koppeling voor. Het minteken duidt enkel op het feit dat de spanning zijn oorzaak van ontstaan tegenwerkt.
15
Figuur 2-23: Inductieve koppeling
Inductieve koppeling kan vermeden worden door o.a. het lusoppervlak klein te maken, draden te twisten (hierdoor wordt het netto veld rond de geleider nagenoeg nul), lussen loodrecht t.o.v. elkaar te plaatsen enz.
2.5.4. Koppeling via EM-velden Bovenvermelde koppelpaden komen zelden in zuivere vorm voor. Meestal zijn meerdere koppelpaden aanwezig en kunnen deze niet opgesplitst worden. Ook kan er inkoppeling zijn via antennewerking. Elektrische/elektronische systemen kunnen dienst doen als een grote antenne, en zorgen op die manier voor uitgestraalde emissie. Dit wordt hier echter niet besproken, gezien voor frequenties beneden de 30MHz dit stralingseffect verwaarloosd wordt, en het grootste deel van de emissie toe te schrijven is aan conducted emission [9].
16
3
Regelgeving omtrent EMC
3.1. Richtlijnen en normen Om vrij verkeer van goederen mogelijk te maken binnen Europa, werden door de Europese Commissie ‘richtlijnen’ in het leven geroepen. Deze richtlijnen bevatten de vereisten waaraan producten moeten voldoen, willen deze op de Europese markt verkocht worden. De technische aspecten worden echter beschreven in standaarden en indien aan deze standaarden voldaan wordt, is er ook voldaan aan de richtlijn. Wanneer een product in overeenstemming is met de richtlijnen, dan draagt het product een CE-markering en mag het verkocht worden op de Europese markt [10]. Elke lidstaat van de Europese Gemeenschap is verplicht deze richtlijnen te implementeren in de nationale wetgeving, wat ervoor zorgt dat de richtlijnen nationale wet worden. Voor elektrische toestellen kunnen meerdere richtlijnen van toepassing zijn, zoals de laagspanningsrichtlijn, de machinerichtlijn, enz. Binnen het kader van dit eindwerk ligt het accent natuurlijk op de ‘EMC-richtlijn’. De EMC richtlijn 2004/108/EG werd gepubliceerd in 1992 waarna een overgangsperiode van vier jaar volgde. De tweede richtlijn dateert uit 2004. Deze richtlijn bestaat uit 14 pagina’s en is van toepassing op alle toestellen die EMI kunnen veroorzaken, of toestellen waarvan de werking in het gedrang komt door EMI. EMC wordt in de richtlijn gedefinieerd als: “het vermogen van uitrusting om op bevredigende wijze in haar elektromagnetische omgeving te functioneren zonder zelf elektromagnetische storingen te veroorzaken die ontoelaatbaar zijn voor andere uitrustingen in die omgeving”. Echter wordt niet nader gespecificeerd hoeveel de maximale emissie in dat geval is. Hiervoor moeten de normen geraadpleegd worden. De richtlijn schetst dus enkel een algemene boodschap naar de leden van de Europese Gemeenschap toe, waarbij gezegd wordt dat het emmissieniveau van een toestel voldoende laag moet zijn, en het immuniteitsniveau voldoende hoog. (zie bijlage 1 voor een uittreksel uit de richtlijn met de essentiële vereisten [11]). De EMC- richtlijn op zich is dus niet voldoende om te weten of een product voldoet aan de Europese vereisten. Hiervoor zijn normen nodig. Er bestaan echter zeer veel normen die te maken hebben met EMC. Vroeger had elke lidstaat zijn eigen normen. Het spreekt voor zich dat dit niet werkbaar was, aangezien er slechts één overkoepelende richtlijn gold voor heel Europa. Daarom werden de ‘geharmoniseerde normen’ opgesteld, die ervoor moeten zorgen dat de nationale normen gelijk getrokken worden tot een Europees niveau. Elke lidstaat van de Europese Gemeenschap is – na bekrachtiging door het CEN/CENELEC- verplicht deze normen over te nemen, en elke non-conformiteit met zijn nationale wetgeving weg te werken. De IEC-normen (International Electrotechnical Commission) kunnen niet geharmoniseerd worden, daar dit internationale normen zijn. Daarom wordt er voor elke IEC norm een overeenkomstige, Europese EN-norm opgesteld. Richtlijnen zijn dus bindend (juridisch karakter), terwijl normen richtinggevend zijn. Wanneer de geharmoniseerde normen gevolgd worden, heeft men het vermoeden van conformiteit met de richtlijn over zijn product [12]. Na controle kan het product –indien conform de richtlijn- CE-gemarkeerd worden en kan het product vrij circuleren op de Europese markt [13]. Om na te gaan hoe EMC gemeten wordt, en wat de maximaal toegelaten emissie is, moeten dus de normen geraadpleegd worden. 17
Er kan een onderscheid gemaakt worden in drie soorten normen [10]: De vier generieke EMC- normen: o EN 61000-6-1 (immuniteit, residentieel) o EN 61000-6-2 (immuniteit, industrieel) o EN 61000-6-3 (emissie, residentieel) o EN 61000-6-4 (emissie, industrieel) Deze normen zijn de meest algemene, en de meest strenge normen. Indien er geen specifiekere productnorm of productfamilienorm (zie verder) bestaat, moet in deze normen op zoek gegaan worden. Basisnormen bevatten informatie over de meetapparatuur en meetmethodes. Productnormen of productfamilienormen zijn specifiek voor één soort toestel of een groep van gelijkaardige toestellen. Naast deze normen heeft het NEN (Nederlands Normalisatieinstituut) de praktijkrichtlijn NPR-IEC/TR 61000-5-2 uitgebracht. Deze richtlijn geeft naast een theoretische achtergrond vooral aanbevelingen op het vlak van de installatie, zodoende EMI te voorkomen. De manier van aarden en bekabelen, onderlinge verbindingen, gebruik van ferrieten, enz. worden hierin besproken. In het kader van dit eindwerk werd vooral de IEC 61800-3 geraadpleegd. Dit is de productfamilienorm voor frequentiesturingen, en geeft limieten op voor de maximaal toegelaten emissie. In deze norm staan ook verwijzingen naar onder andere CISPR 16-1 en CISPR 11. CISPR (Comité International des Perturbations Radioélectriques) is een technische commissie binnen het IEC, die zich bezighoudt met alles wat elektromagnetische interferentie in elektrische en elektronische apparaten aangaat. Figuur 3-1 geeft de structuur weer hoe het IEC georganiseerd is op het vlak van EMC- standaarden [14].
Figuur 3-1: Organisatie binnen het IEC
De normen die in dit eindwerk geraadpleegd werden, zijn: IEC 61800-3: Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods CISPR 16: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods – Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus
18
CISPR 11:
Industrial, scientific and medical equipment – Radio-frequency disturbance characteristics – Limits and methods of measurement
3.2. Meten van EMC 3.2.1. Limieten volgens de normen Zoals reeds vermeld kunnen in de norm IEC 61800-3 de limieten teruggevonden worden voor drives, opgesteld in een industriële omgeving. Er wordt een opsplitsing gemaakt in het gebruik waarvoor het toestel bestemd is: ‘first environment’ of ‘second environment’. Industriële omgeving behoort tot het ‘second environment’. Daarnaast wordt er nog een onderverdeling gemaakt in verschillende categorieën. In dit geval is de categorie C3 van toepassing: de voedingsspanning is lager dan 1000V en het toestel is bestemd voor gebruik in ‘second environment’, en niet voor gebruik in ‘first environment’. In de praktijk zal in de documentatie van elke drive de klasse opgegeven worden waarvoor het toestel getest geweest is. Dit zal niet altijd C3 zijn. Bijvoorbeeld een Altivar 21 drive van Télémecanique beschikt over een ingebouwde EMC filter, die zorgt voor een beperking in emissie en waardoor de drive voldoet aan klasse C1 (huishoudelijke omgeving, < 1000V). Deze limieten zijn strenger dan voor klasse C3 [15]. In het frequentiegebied tussen 9kHz en 150kHz gelden voor een drive geen limieten qua EMC. Tussen 150kHz en 30MHz is Tabel 3-1 van toepassing (categorie C3). Tabel 3-1: Maximale emissie voor categorie C3 (IE C 61800-3)
3.2.2. Opstelling In de norm CISPR11 is een toestel, geschikt voor het ‘second environment’ zoals beschreven in de IEC 61800-3, een toestel van klasse A. Ook worden toestellen in deze norm nog eens opgesplitst in groep 1 en groep 2 naargelang hun functie. In deze norm staat onder andere beschreven hoe de meetopstelling er moet uitzien om EMC te meten. Toestellen (zoals een drive) die zich in normale werkomstandigheden niet op de grond bevinden, moeten op 19
een niet- geleidende tafel geplaatst worden. Het werkblad van de tafel moet zich 0,8m boven een metalen grondplaat bevinden. De afmetingen van de grondplaat moeten minimum 2m x 2m zijn en deze plaat moet minstens 0,5m over de rand van het te bemeten toestel komen. Er moet ook voor gezorgd worden dat de test units minstens 0,8m van elk metalen oppervlak verwijderd zijn. De grondplaat moet verbonden worden met de aarding van de LISN (zie verder onder punt 3.2.3. ) met een zo kort mogelijke geleider. De vermogen- en signaalkabels moeten aangebracht worden, overeenstemmend met het werkelijke gebruik van het toestel en zodanig dat er geen randeffecten optreden. Indien het toestel voorzien is om geaard te worden, dan moet dit ook op de meetopstelling gebeuren met een zo kort mogelijke kabel [16].
3.2.3. Meetapparatuur In de norm CISPR 16-1 (Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus) kan teruggevonden worden welke meettoestellen moeten gebruikt worden, en hoe deze gebruikt moeten worden. Ook staat hierin vermeld dat er gebruik moet gemaakt worden van een zogenaamd ‘artificial mains network’ of LISN (Line Impedance Stabilisation Network, zie verder).
3.2.3.1. Peak, quasi-peak en average meting Een peak detector kan simplistisch voorgesteld worden zoals in Figuur 3-2a. Het ingangssignaal is hier een sinus met piekwaarde V0. De norm specificeert echter quasi-peak waardes en gemiddelde waardes (zie ook Tabel 3-1). Een quasi-peak detector (zie Figuur 3-2b) zal rekening houden met het repetitief karakter van de signalen. Stel dat een signaal aan de ingang komt met pieken die verspreid zijn in de tijd. Dan zal de capaciteit opgeladen worden, waarna deze terug tijd krijgt om te ontladen volgens de tijdsconstante van het RC-netwerk. Volgen de pieken elkaar snel op, dan krijgt de condensator geen tijd genoeg om volledig te ontladen, en zal de uitgangsspanning steeds verder opgebouwd worden. Signalen die niet vaak voorkomen in de tijd zullen bijgevolg resulteren in een lagere quasi-peak meting dan bij een peak-meting [17].
Figuur 3-2: Peak detector (a) en quasi-peak detector (b)
20
3.2.3.2. De LISN Volgens de norm CISPR 11 moet gebruik gemaakt worden van een LISN. Dit netwerk wordt tussen de netaansluiting en het EUT (equipment under test) geplaatst.
Figuur 3-3: Testopstelling met LISN
Figuur 3-3 stelt de meetopstelling met een enkelfasige LISN voor, maar voor de EMC- metingen op aandrijvingen werd hier gebruik gemaakt van een driefasige LISN. De interne opbouw van een enkelfasige LISN wordt in Figuur 3-4 weergegeven [18].
Figuur 3-4: Interne opbouw LISN
De LISN heeft drie belangrijke functies. Als eerste moet de uitgangsimpedantie die het EUT ziet constant zijn over de hele frequentieband. Met andere woorden moet de invloed van de netimpedantie –die verschilt van locatie tot locatie- geëlimineerd worden. Een tweede functie is het afleiden van emissies die reeds aanwezig zijn op het net. Deze mogen niet mee gemeten worden daar zij niet veroorzaakt worden door het EUT. Als derde functie worden de storingen, afkomstig van het EUT, via de LISN naar de meetreceiver geleid zodat deze gemeten kunnen worden. Om deze drie functies te vervullen zijn een aantal elektronische componenten aanwezig [9]: 1µF + 50µH: dit vormt een laagdoorlaatfilter. De ontkoppelspoel (luchtspoel) zorgt ervoor dat hoogfrequente storingen, afkomstig van het net, afgeleid worden en dat de gewone 50Hz spanning ongehinderd door kan naar het EUT. Ook zullen de storingen die moeten gemeten worden afgeleid worden naar de meetreceiver door de grote impedantie van de spoel bij hoge frequenties. 21
-
0,1µF: voorkomt overbelasting door DC op de ingang van het meettoestel. Enkel hoogfrequente signalen worden doorgelaten. 50Ω // 1kΩ ≈ 48Ω: Storingen geproduceerd door het EUT zien enkel deze weerstand, m.a.w. hun uitgangsimpedantie is constant. De emissie wordt nu gemeten aan de hand van de spanningsval over de 50Ω-weerstanden. De weerstanden van 1kΩ zijn aanwezig voor het geval dat de 50 Ω-weerstanden zouden verwijderd worden. Ze vormen een ontladingspad voor de 0,1µF condensatoren.
Voor storingen ziet het equivalent schema eruit zoals in Figuur 3-5, de 50Hz voedingsspanning ziet het netwerk zoals in Figuur 3-6.
Figuur 3-5: Equivalent schema voor storingen
Figuur 3-6: Equivalent schema voor 50Hz voedingsspanning
De stroom die naar de meetreceiver gaat, zal bestaan uit een common mode en differential mode stroom (zoals eerder beschreven). Rekening houdend met Figuur 3-7 kan nu geschreven worden [18]: 3.1 3.2 Of:
Met
(
)
3.3
(
)
3.4
IC = de common mode stroom ID = de differential mode stroom IP = de fasestroom IN = de stroom in nulleider
We veronderstellen de 50Ω impedanties constant over de volledige frequentieband die moet gemeten worden. De spanningsvallen over de impedanties kunnen dan berekend worden: 22
Met
(
)
3.5
(
)
3.6
VP = de spanning over de 50Ω weerstand in een fase VN = de spanning over de 50Ω weerstand in de nulleider
Indien dus de spanningsvallen over de impedanties gekend zijn (meten met de spectrum analyser), dan kan de differential mode en de common mode stroom berekend worden: (
)
(
)
3.7 3.8
Figuur 3-7: Differential mode en common mode stroom in de kabel van het EUT
23
4
Metingen common mode spanning
Onder punt 2.4. werd de common mode spanning reeds besproken. In dit hoofdstuk wordt de meting van deze common mode spanning nader toegelicht. Er werd gemeten op verschillende plaatsen in de opstelling. Figuur 4-1 geeft een schematisch overzicht van de gebruikte configuraties.
Figuur 4-1: Meetmethodes common mode spanning
4.1. Meetmethode 1 Hier werd gebruik gemaakt van een eenkanaals oscilloscoop en één probe. Er werd gemeten tussen het sterpunt van de motor en de aarding van de motor. De schakelfrequentie van de drive werd ingesteld op 6kHz. Resultaat zoals in Figuur 4-2 werd bekomen.
Figuur 4-2: Common mode spanning volgens meetmethode 1
Dit scoopbeeld voldoet in het eerste opzicht niet aan de verwachtingen zoals weergegeven in Figuur 2-17. Simulaties wijzen echter uit dat dit de correcte, gemeten spanning is op het sterpunt t.o.v. ground [19]
24
(zie Figuur 4-3). De simulatie geeft het beeld weer voor een volledige periode (20ms), terwijl de meting slechts een halve periode weergeeft.
Figuur 4-3: Simulatie van de common mode spanning, sterpunt t.o.v. motoraarding
Ook in [20] worden gelijkaardige meetresultaten weergegeven voor de spanning gemeten op het sterpunt t.o.v. aarde.
4.2. Meetmethode 2 In plaats van één spanning op te meten die dan “de common mode spanning” voorstelt, wordt gebruikt gemaakt van een vierkanaals oscilloscoop (waarvan drie kanalen gebruikt worden). Met drie probes worden de uitgangspanningen aan de wisselrichter van de drive gemeten. Als massa wordt de DC-tussenkring van de drive genomen. De gebruikte scoop is een Agilent Infiniium 54845A. Het is mogelijk de meetpunten op te slaan in een ‘*.txt’ bestand, wat kan verwerkt worden in Matlab. Zo kunnen de scoopbeelden gereconstrueerd worden, en kan de common mode spanning berekend en geplot worden. De drie gemeten spanningen worden hiervoor opgeteld en gedeeld door drie zoals beschreven in punt 2.4. In Figuur 4-4 wordt de common mode spanning weergegeven. Dit voor 20ms, zijnde één periode (frequentie werd ingesteld op 50Hz). Wanneer nu ingezoomd wordt op de schakelflanken, is de trapvorm duidelijk te zien (Figuur 4-5). Ook deze meting wordt ter controle vergeleken met een simulatie. Hier worden opnieuw de drie uitgangsspanningen aan de omvormer samengeteld, en gedeeld door drie. In Figuur 4-6 wordt dit weergegeven, waaruit kan besloten worden dat de meting overeenstemt met de simulatie.
25
600
500
Common Mode spanning (V)
400
300
200
100
0
-100
0
2
4
6
8
10 Tijd (ms)
12
14
16
18
20
Figuur 4-4: Gemeten common mode spanning (20ms)
26
550
500
Common Mode spanning (V)
450
400
350
300
250
200
150
0
20
40
60
80
100 Tijd (µs)
120
140
160
180
200
Figuur 4-5: Gemeten common mode spanning (ingezoomd)
Figuur 4-6: Simulatie common mode spanning
4.3. Meetmethode 3 De spanning tussen de klemmen van de motor en de motoraarding werd ook in beeld gebracht met de vierkanaals oscilloscoop. Opnieuw werden de drie spanningen samengeteld, en gedeeld door drie. Dit is te zien de in Figuur 4-7. Hier is duidelijk een 3 orde harmonische aanwezig. Deze kan ontstaan door imperfecte schakelsequenties en/of niet-lineariteit, die dan (relatief) versterkt wordt door parasitaire capaciteiten.
27
300
200
Common Mode spanning (V)
100
0
-100
-200
-300
0
2
4
6
8
10 Tijd (ms)
12
14
16
18
20
Figuur 4-7: Common mode spanning tussen motorklemmen en motoraarding
4.4. Besluit metingen common mode spanning Uit de metingen valt af te leiden dat de common mode spanning meten geen eenduidige zaak is. Indien gemeten wordt op de klemmen van de drive (en als massa de DC-tussenkring), dan worden de meest correcte resultaten bereikt. De trapvormige common mode spanning zoals afgeleid in de theorie is dan duidelijk zichtbaar. Indien de aarding (motorbehuizing of koelvin van de drive) wordt gebruikt als massa, worden andere de resultaten bekomen. Een 3 orde harmonische is te zien in de meetresultaten. Er moet rekening gehouden worden met het feit dat tussen drive en motor zich de kabel en de motorwindingen bevinden. Deze kunnen ervoor zorgen dat de spanningen gemeten aan de motor, niet dezelfde zijn als deze aan de uitgang van de drive.
28
5
Parameters die EMI beïnvloeden
5.1. Algemeen De hoofddoelstelling van dit eindwerk is het onderzoeken van de invloed van verschillende parameters op EMI. Deze parameters zijn onder andere de kabellengte, het kabeltype, het al dan niet aansluiten van de afscherming van de kabel, invloed van de motor, de schakelfrequentie van de drive en het gebruik van filters. De invloed van al deze parameters wordt onderzocht en besproken aan de hand van metingen.
5.1.1. De meetopstelling In de norm CISPR 11 staat vermeld hoe compliance metingen moeten uitgevoerd worden voor ISM-equipment (Industrial, Scientifical and Medical equipment). Dit werd reeds besproken onder punt 3.2.2. en wordt hier nu toegepast. Praktisch ziet de meetopstelling eruit zoals in Figuur 5-1. Deze opstelling werd bij alle metingen gebruikt, behalve bij de metingen op de invloed van de schakelfrequentie. Onder punt 5.2.2. wordt de opstelling in dat ene geval nader toegelicht.
LISN 3 fasen + PE
Receiver
Drive
3 fasen + afscherming + PE
BNC Voeding 3 x 400V +PE
LISN
Motor
Figuur 5-1: Testopstelling
De opstelling bevindt zich in een semi- anechoïsche kamer. Deze kamer is langs de binnenkant (behalve de vloer) bekleed met absorbers die de straling absorberen en op die manier een oneindige open vlakte simuleren. De vloer is een reflecterend, metalen vlak. Storingen van buitenaf worden dus volledig geëlimineerd en de straling die de toestellen binnenin de kamer produceren, wordt binnen gehouden door de metalen kooi. Voor de conducted emission-metingen die hier uitgevoerd worden, is het eigenlijk niet nodig om in deze geïsoleerde kamer te meten. Echter zijn de voedingsstekkers in deze ruimte volledig gescheiden van de rest van het net via een aparte transformator. Dit zorgt ervoor dat de metingen betrouwbaarder zijn. De LISN (en daarmee ook de drive) wordt via een vijfpolige stekker aangesloten op het net, en de meetreceiver wordt enkelfasig met 230V gevoed. Daarnaast is de vloer in de kooi geaard, wat het mogelijk maakt om de LISN op een goede manier met aarde te verbinden.
29
Het grondvlak waarover sprake is in CISPR 11, is hier het metalen grondvlak van de kooi. Dit grondvlak is in alle richtingen meer dan 0,5m groter dan het EUT, en is ook groter dan 2m x 2m zoals minimaal vereist wordt in de norm. Het EUT bevindt zich op een houten tafel die 0,8m hoog is. Op deze tafel ligt een metalen plaat, waarop de drive en de filters vast gemonteerd zijn. Dit geheel van metalen vlak en toestellen wordt gezien als het EUT. De LISN wordt op een L-vormige, metalen plaat gezet, die op het geaarde grondvlak rust. Ook wordt de aardingsklem van de LISN verbonden via een litze- draad met deze metalen plaat. Zo wordt het contactoppervlak met de aarding gemaximaliseerd. De motor bevindt zich op de grond, door een houten plank geïsoleerd van de metalen vloer. De kabel die zich tussen de LISN en de drive bevindt, is een afgeschermde motorkabel, en wordt gedurende de metingen niet veranderd. De afscherming van deze kabel wordt nergens verbonden. De kabel tussen drive en motor zal een belangrijke invloed hebben op EMI naargelang deze kabel afgeschermd is of niet, welke lengte deze kabel heeft, enz. Er worden twee soorten afgeschermde kabel getest, nl. het type Motorflex 2YSLCY-J 2,5mm² (verder kabel type 1 genoemd) en het type LIYCY-F2 4G2,5 (verder kabel type 2 genoemd). Beiden zijn afgeschermde motorkabels, met een diameter van 2,5mm² en met drie aders en PE-geleider. Ook werd om één meting te staven een niet-afgeschermde kabel gebruikt (verder kabel type 3 genoemd). De datasheets van deze kabels zijn terug te vinden in bijlagen 2, 3 en 4. De geteste drive is van het merk Mitsubishi, type F-700 (5,5kW) tenzij dit anders vermeld wordt in de meetresultaten. De instelbare schakelfrequenties zijn 2kHz, 6kHz, 10kHz en 14kHz. Deze drive beschikt ook over een ingebouwde EMC filter, klasse C3. Deze filter kan eenvoudig uitgeschakeld worden door een connector in de behuizing van de drive.
5.1.2. De meetreceiver Om EMC te meten wordt gebruik gemaakt van een meetreceiver, hier de Rohde & Schwarz ESL. Dit toestel kan ingesteld worden in twee verschillende modes: spectrum analyser en receiver. In essentie doen beiden hetzelfde: de amplitude van signalen in het frequentiedomein weergeven. Echter is de kans op meetfouten bij een spectrum analyser veel groter, en is de receiver mode meer aangewezen om EMI- metingen uit te voeren. Ook de CISPR normen en EN normen raden het gebruik van een test receiver aan, boven het gebruik van een spectrum analyser [21]. Er bestaan twee soorten spectrum analysers. Een ‘FFT spectrum analyser’ zal gewoon een Fourier-analyse uitvoeren op het ingangssignaal. Een ‘swept tuned spectrum analyser’ beschikt –net zoals de meetreceiverover een bandpass filter, die een frequentiesweep zal uitvoeren (zie Figuur 5-2). Dit betekent dat de bandpass filter verschoven wordt van begin- tot eindfrequentie. Deze frequenties worden ingesteld door de gebruiker van het toestel. Het verschil in de ‘swept tuned spectrum analyser’ en de meetreceiver zit hem in de nauwkeurigheid en de mogelijkheden. Een meetreceiver zal veel nauwkeuriger meten, en ook de verschillende bandbreedtes voor de gepaste frequentiedomeinen kunnen worden ingesteld. Deze bandbreedtes worden vastgelegd in de normen. Verder in dit hoofdstuk wordt duidelijk waarom deze bandbreedtes vastliggen. Ook worden voor compliance metingen in de CISPR normen vaste meetdetectors opgelegd, zoals de CISPR average detector en de quasi peak detector. Deze modes zullen niet altijd beschikbaar zijn in om het even welke spectrum analyser, in tegenstelling tot een geavanceerde meetreceiver.
30
Figuur 5-2: Basisprincipe spectrum analyser
De bandbreedte is een zeer belangrijk gegeven. Dit wordt verduidelijkt aan de hand van Figuur 5-3. Op een gegeven moment wordt de frequentiesweep “bevroren”. Dit is te zien in Figuur 5-3a als de volle lijn. Signalen A, B en C vallen binnen deze bandbreedte. De centerfrequentie van de bandbreedte ligt op signaal B. De spectrum analyser zal nu signalen A, B en C optellen, en weergeven als de amplitude op de centerfrequentie, nl. f b. Wanneer de frequentiesweep verder wordt uitgevoerd, zal na A+B+C eerst frequentie A “afvallen”, dan blijft enkel B+C over. Daarna zal ook B verdwijnen, enz. Het zal duidelijk zijn dat bij compliance metingen een smalle bandbreedte het gunstigste effect zal hebben. De bandbreedte bepaalt met andere woorden de selectiviteit of het onderscheidend vermogen. Uiteraard zijn normeringsinstanties hiervan op de hoogte, en zal een minimum bandbreedte in de norm opgegeven worden. Voor het frequentiegebied van 150kHz tot 30MHz, geeft de IEC 61800-3 norm een bandbreedte op van minimum 9kHz. Voor compliance metingen zal dan ook best geen grotere bandbreedte dan deze minimumwaarde gebruikt worden. Dit zou het gemeten emissieniveau enkel nodeloos laten stijgen [17]. De gebruikte meetreceiver van Rohde & Schwarz biedt de mogelijkheid om –zowel in receiver als in spectrum analyser mode- de meetresultaten op te slaan in ‘*.DAT’-files, die kunnen verwerkt worden met Matlab. Op die manier kunnen de scans opnieuw geplot worden en wordt het mogelijk resultaten van verschillende setups met elkaar te vergelijken.
31
Figuur 5-3: Effect van de gekozen bandbreedte
5.1.3. Eenheid De eenheid waarin de emissie-metingen uitgedrukt worden is de dBµV. Dit is een logaritmische schaal, wat toelaat om data die over een groot bereik gespreid zijn toch gemakkelijk op eenzelfde grafiek voor te stellen. Een dB geeft een verhouding aan van twee vermogens: ( )
5.1
De spanningsversterking bij gelijke weerstanden kan dan geschreven worden als: ( )
5.2
Nu kan de decibel ook absoluut gebruikt worden, indien in de noemer een referentiewaarde geplaatst wordt. -6 Om de eenheid ‘dBµV’ te bekomen, wordt de noemer 10 V (= 1µV). (
)
5.3
1V komt dus overeen met 120dBµV.
5.1.4. PWM bij driefasige invertoren Bij het interpreteren van de meetresultaten is het belangrijk te weten hoe het voeden van de motor via een PWM- signaal (Pulse Width Modulation) juist in zijn werk gaat. Een drive genereert namelijk een PWMspanning, wat betekent dat de driefasige netspanning wordt gelijkgericht, als DC spanning op de tussenkring wordt geplaatst en daarna wordt aangeboden aan de motor onder de vorm van een PWM- golf. In Figuur 5-4 wordt de DC tussenkring met invertor afgebeeld.
32
Figuur 5-4: Driefasige VSI bruginvertor
De busspanningen VAN, VBN en VCN worden bepaald door de tussenkringspanning Vd en de toestand van de schakelaars (IGBT’s). De uitgangsspanningen VAB, VBC en VCA worden opgedrongen door de wisselrichter. Het doel van de PWM- sturing is het aanpassen van de uitgangsspanning in frequentie en amplitude. Op die manier kan de motor op de gewenste manier aangestuurd worden. De PWM- golf wordt opgebouwd door een gemeenschappelijke draaggolf VTR en drie controlesignalen VC (voor elke tak één: VCA voor tak A, VCB voor tak B, VCC voor tak C, zie Figuur 5-5). Is het controlesignaal groter dan de draaggolf, dan is de busspanning voor die fase hoog. Is het controlesignaal kleiner dan de draaggolf, dan is de busspanning laag. In elk van deze busspanningen wordt een DC-compontent teruggevonden. Om de uitgangsspanningen (VAB, VBC en VCA) te bekomen moeten de busspanningen van elkaar afgetrokken worden, waardoor de DC component verdwijnt (Figuur 5-5) [22].
33
Figuur 5-5: PWM- sturing voor driefasige VSI
Gezien de blokgolfvorm van de busspanningen en uitgangsspanningen, bevatten deze harmonischen. Er ontstaan schakelharmonischen met zogenaamde zijbanden. De frequentie en de orde van deze harmonische componenten worden bepaald door [22]: (
)
5.4 5.5
Met (de frequentiemodulatieverhouding, verhouding van de schakelfrequentie op de frequentie van het controlesignaal)
34
= de frequentie van de harmonische met orde h h = de orde van de harmonische Voor de fundamentele component is h = 1. Indien j oneven is, bestaan enkel de harmonische componenten met even k (inclusief k = 0). Indien j even is, bestaan enkel de harmonische componenten met oneven k (zie Figuur 5-6). In Figuur 5-6 staat ma voor de amplitudemodulatieverhouding. In formulevorm: ̂ ̂
Met:
5.6
̂ = de amplitude van het controlesignaal ̂ = de amplitude van de draaggolf
Figuur 5-6: Spectrum van een takspanning en een busspanning van een driefasige invertorbrug
Stel dat de schakelfrequentie fs van de gebruikte inverter 14kHz is, en de frequentie van het controlesignaal is 50Hz, dan wordt het spectrum bekomen zoals in Figuur 5-7.
Figuur 5-7: Harmonisch spectrum bij een schakelfrequentie van 14kHz
35
5.2. Invloed van de schakelfrequentie 5.2.1. Spectrum van een trapezoïdaal signaal Een PWM- golfvorm kan benaderd worden door een trapeziumvormig signaal, met stijgtijden van typisch 50 tot 150ns (zie punt 2.3. ). Dit komt doordat halfgeleidercomponenten niet oneindig snel schakelen. Elk periodiek signaal kan geschreven worden als een lineaire combinatie van basisfuncties n(t) [2]: ( )
∑
( )
5.7
Via Fourieranalyse kan een periodiek signaal x(t) ook geschreven worden aan de hand van sinusfuncties: ( )
∑
(
)
∑
(
)
5.8
Met als coëfficiënten: ∫
( )
∫
( )
(
)
∫
( )
(
)
5.9
Hier is a0 de gemiddelde waarde. Indien n=1, wordt dit de fundamentele (= de grondgolf) genoemd. Alle andere termen (n>1) zijn de harmonischen. De pulsatie ω = 2πf. Het periodiek signaal kan ook complex geschreven worden: ( )
∑
5.10
Met ( )
∫
5.11
Voor een trapezoïdaal kloksignaal waarvan de stijgtijd gelijk is aan de daaltijd wordt bekomen: 5.12 Met
A = de amplitude τ = de pulstijd op de halve amplitude (=A/2) T = de periode |
|
(
|
)
||
(
)
|(
)
5.13
+
Cn is het enkelzijdige, discrete spectrum. Dit discrete spectrum kan vervangen worden door een continue + omhullende, voorgesteld door env . |
(
)
||
(
)
|
5.14
Het exacte verloop van dit spectrum is echter niet zo belangrijk voor het bepalen van EMI. Veel belangrijker is het spectrum asymptotisch te benaderen door een bodeplot, en zo de trend te bepalen (Figuur 5-8). Dit kan door het logaritmisch schrijven van bovenstaande uitdrukking. 36
(
)
(
)
|
(
)
|
|
(
|
5.15
Figuur 5-8: Envelope van een trapezoïdaal signaal
Opmerking: in Figuur 5-8 staat de duty cycle aangeduid als D.T, terwijl in de berekeningen gesproken wordt over τ. Beiden stellen echter hetzelfde voor. Zoals de formule weergeeft, bestaat de bodeplot uit drie delen. Het eerste deel heeft een helling van 0dB/dec. In het tweede deel van de formule wordt de sinc-functie herkend: (
( ) ( )
)
( (
)
5.16
)
Hier kunnen volgende vereenvoudigingen doorgevoerd worden: |
|
|
|
( | |
(
)
5.17
)
De tweede asymptoot heeft bijgevolg voor kleine waarden een helling van 0dB/dec en voor grote waarden een helling van -20dB/dec. Het knikpunt ligt op
.
De derde curve bestaat terug uit twee delen, nl. een lijn met helling 0dB/dec en een lijn met -20dB/dec. Het knikpunt ligt nu op
. Deze drie deelcurven staan weergegeven in Figuur 5-9 en vormen de
asymptotische benadering van het spectrum.
Figuur 5-9: Omhullende van het spectrum van een trapezoïdaal signaal
37
Voor de volledige afleiding wordt verwezen naar [2]. Het zal duidelijk zijn dat naast de flanksteilheid, ook de schakelfrequentie bepalend is voor het spectrum. Voor PWM- signalen zal de duty cycle elke schakelperiode veranderen, maar gemiddeld gezien zal over de hele periode (1 sinusgolf) de duty cycle vast blijven. Wanneer nu de schakelfrequentie gewijzigd wordt, blijft de duty cycle constant, maar de eerste kantelfrequentie verschuift wel (Figuur 5-10). Bij een verdubbeling van de schakelfrequentie, wordt een theoretische stijging van 6dB bekomen [23]. Om EMC problemen te vermijden wordt er dan ook best geen hogere schakelfrequentie toegepast dan nodig voor de toepassing. Er kan nu afgeleid worden dat bij een verdubbeling van de schakelfrequentie, de emissie met 6dB stijgt (formule 5.18). 5.18
Figuur 5-10: Invloed van de schakelfrequentie op het spectrum
5.2.2. Opstelling De opstelling die bij deze metingen gebruikt wordt, verschilt iets van de setup voor de andere metingen. Dit omwille van organisatorische redenen. Er wordt niet in de semi- anechoïsche kooi gemeten, waardoor er geen sprake is van een gescheiden voeding. Ook staat de drive rechtstreeks op een houten tafel en niet op een metalen plaat. De LISN staat wel op een geaard vlak, en wordt aangesloten op het 400V-net. De verbinding tussen de LISN en de drive gebeurt opnieuw met een afgeschermde kabel. Echter is deze afscherming nergens verbonden. De kabel tussen de drive en de motor is van het type Motorflex (zie bijlage 2). Deze kabel beschikt ook over een afscherming, die opnieuw nergens verbonden wordt. De PE-geleider wordt wel aangesloten aan de drive en aan de motor. De EMI-receiver wordt gevoed met 230V (tussen lijn en nulleider) via een scheidingstransfo (transformatorverhouding 1:1). Deze transfo is opgenomen in de opstelling om de meetreceiver te beschermen. Stel dat de aarding van de LISN om een of andere reden niet goed verbonden zou zijn, of onderbroken wordt, dan zal een grote lekstroom via de behuizing van de LISN naar de BNC kabel lopen die verbonden is met het meettoestel. Dit zou destructieve gevolgen kunnen hebben voor de receiver. Indien de receiver gevoed wordt via een scheidingstransfo, kunnen deze lekstromen niet terug naar de bron (LISN), en zullen deze ook niet vloeien.
38
Figuur 5-11: Meetopstelling
5.2.3. Meetresultaten De meetreceiver werd ingesteld op maximum peak detector. Voor een schakelfrequentie van 6kHz staat de meting afgebeeld in Figuur 5-12. Op deze figuur is te zien dat in het gebied tussen 300kHz en 3MHz de emissie daalt met ongeveer -20dB/dec. Dit volgt ook uit de theorie die besproken werd onder punt 5.2.1. Bij frequenties lager dan 300kHz is in eerste instantie een daling waar te nemen. Dit is echter te wijten aan de gebruikte limiter (DC blocker). Deze dient om het meettoestel te beschermen, maar zal pieken bij deze (relatief) lage frequenties ook begrenzen. Bij een frequentie van ongeveer 5MHz is er ringing te zien [2]. Dit fenomeen uit zich door een opslingering van de emissie, vooraleer er overgegaan wordt van een helling van -20dB/dec naar -40dB/dec. Bij de overgang van 0dB/dec naar -20dB/dec is dit niet te zien, opnieuw door de gebruikte limiter. Bij frequenties hoger dan ±10MHz, beginnen parasitaire invloeden een rol te spelen in het spectrum. De schakelpieken met zijbanden zijn duidelijk te zien op de figuur, vb. op 12kHz (2x6), 18kHz (3x6), 24kHz (4x6), 30kHz (5x6) enz. Hier lijkt het alsof de pieken op elk geheel veelvoud van de schakelfrequentie aanwezig zijn, terwijl in punt 5.1.4. besproken werd dat enkel op de oneven veelvouden k = 0 voorkomt. Dit is ook zo in de meting, alleen is dit niet zichtbaar op de figuur. De zijbanden zijn wel aanwezig, en in combinatie met de gebruikte bandbreedte geeft dit de illusie dat ook de component met k = 0 op elk veelvoud van de schakelfrequentie aanwezig is.
39
80
Limiter 70
60
-20dB/dec dBµV
50
Ringing 40
30
20
10
4
10
12kHz 18kHz
24kHz 30kHz
5
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz) Figuur 5-12: Max. Peak meting bij een schakelfrequentie van 6kHz
40
Zoals in punt 5.2.1. reeds besproken werd, stijgt de emissie met 6dB bij een verdubbelde schakelfrequentie. Aangezien de instelbare schakelfrequenties bij deze drive beperkt zijn tot 14kHz, 10kHz, 6kHz en 2kHz, worden de theoretische stijgingen berekend met formule 5.18. De resultaten worden weergegeven in Tabel 5-1. Tabel 5-1: Theoretische stijgingen in emissie, uitgedrukt in dB
2kHz 2kHz 6kHz 10kHz 14kHz
6kHz X X X X
10kHz 9,54 X X X
14kHz 14 4,43 X X
17 7,36 2,92 X
Om deze theoretische waarden te verifiëren, werden metingen uitgevoerd in maximum peak, zowel aan motorzijde (met een differentieelprobe), als aan netzijde (met LISN). De meetresultaten hiervan zijn terug te vinden in Tabel 5-2. In Figuur 5-13 is de vergelijking te zien van 14kHz t.o.v. 2kHz, aan motorzijde gemeten. Bij de interpretatie van deze meetresultaten moet rekening gehouden worden met een meetfout van 2 à 3dB. Ook werden de verschillen afgelezen uit grafieken, waardoor mogelijks een afleesfout optreedt. Berekenen van deze verschillen leidt tot foute resultaten, daar de omhullende van het spectrum moet bekeken worden, en niet alle meetwaarden individueel. Uit Tabel 5-1 en Tabel 5-2 is af te leiden dat het grootste verschil tussen de theoretische waarde en de gemeten waarde 3,5dB is. Gezien de gebruikte werkwijze en mogelijke meetfout zijn dit relevante resultaten. Tabel 5-2: Vergelijking van theoretische t.o.v. gemeten stijging in emissie
Theoretisch [dB] 14kHz – 2kHz 14kHz – 6kHz 14kHz – 10kHz 10kHz – 6kHz 10kHz – 2kHz 6kHz – 2kHz
17 7,36 2,92 4,43 14 9,54
Gemeten motorzijde [dB] 14 6,5 3,3 3,2 11,3 8,3
Gemeten netzijde [dB] 13,5 6,5 3 5 12,2 6,7
In Figuur 5-14 wordt dezelfde meting weergegeven bij een schakelfrequentie van 14kHz en 2kHz, maar aan netzijde gemeten. Hierbij zijn pieken op te merken, die niet voorkomen aan motorzijde. De oorzaak van deze pieken is de schakelende voeding die aanwezig is in de drive. Deze zorgt voor een gelijkspanning om de elektronica van de drive te voeden. Dit spectrum werd ook opgemeten met behulp van de LISN. Hierbij is de drive aangesloten op de netspanning, maar wordt er geen PWM-spanning naar de motor gestuurd. De motor draait bijgevolg niet. Het resultaat van deze meting is te zien in Figuur 5-15 (meting in maximum peak). Hierin is de sin(x)/x functie duidelijk te herkennen, waarvan de omhullende een helling van -20dB/decade heeft (er wordt een perfecte blokgolf verondersteld). Het meten aan netzijde (met de LISN) heeft nog een ander gevolg. Het spectrum gemeten aan de LISN wordt namelijk beïnvloed door het impedantiepad van de uitgang van de inverter naar de LISN. Hierdoor worden licht verschillende resultaten bekomen aan netzijde vergeleken bij motorzijde.
41
90 14kHz, motor 2kHz, motor
80 70
dBµV
60 50 40 30 20 10
4
5
10
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-13: Spectrum bij schakelfrequentie 14kHz en 2kHz, motorzijde 100 14kHz , net 2kHz, net
90
dBµV
80
70
60
50
40
30
4
10
5
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-14: Spectrum bij schakelfrequentie 14kHz en 2kHz, netzijde 80 75 70
dBµV
65 60 55 50 45 40 35 300kHz
1MHz Frequentie
3MHz
Figuur 5-15: Spectrum van de schakelende voeding, lijn
42
5.3. Invloed van de kabellengte afwezigheid van een motor
en
afscherming
bij
Hier wordt nagegaan wat de invloed is van de aan- of afwezigheid van een kabel aan de uitgang van de drive, alsook de invloed van de afscherming zonder dat een motor aanwezig is (open kabeluiteinde). Dit gebeurt aan de hand van de test-setups weergegeven in Figuur 5-16 , Figuur 5-17 en Figuur 5-18. In alle metingen die hierna volgen, wordt de PE-geleider en de afscherming van de kabel telkens als één geheel beschouwd. Ofwel worden beiden verbonden met de drive of motor, ofwel worden beiden niet verbonden. Op die manier wordt het common mode pad geopend of gesloten. Deze metingen werden hoofdzakelijk uitgevoerd op kabel type 1 (Motorflex) en in punt 5.3.3. worden de metingen met kabel type 2 nader toegelicht.
LISN
Drive
Figuur 5-16: Geen motor noch kabel aanwezig
LISN
Drive
Figuur 5-17: Kabel aanwezig, afscherming en PE niet aangesloten
LISN
Drive
Figuur 5-18: Kabel aanwezig, afscherming en PE aangesloten aan drive
5.3.1. Geen kabel In een eerste setup zoals weergegeven in Figuur 5-16, is er geen kabel aanwezig. De meting wordt uitgevoerd voor alle beschikbare schakelfrequenties van de drive: 14kHz, 10kHz, 6kHz en 2kHz. Meetresultaten hiervan zijn te zien in Figuur 5-19. Hieruit is af te leiden dat naarmate de schakelfrequentie hoger wordt, ook de emissie stijgt. Dit fenomeen werd reeds uitgebreid besproken onder punt 5.2.1.
43
90 14kHz 10kHz 6kHz 2kHz
80
70
U (dBµV)
60
50
40
30
20
10
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-19: Geen motor noch kabel aan de uitgang bij verschillende schakelfrequenties (spectrum 9kHz tot 10MHz)
44
5.3.2. Kabel type 1 Kabel type 1 wordt nu aan de setup toegevoegd, zijnde de Motorflex 2YSLCY-J 2,5mm². De setup uit Figuur 5-18 wordt bemeten voor 2m kabel aan de uitgang van de drive (Figuur 5-20). Eenzelfde conclusie kan gemaakt worden als in het voorgaande geval. Naarmate de schakelfrequentie stijgt, stijgt ook de emissie. Naast het feit dat de emissie sowieso 6dB stijgt bij een verdubbeling van de schakelfrequentie, speelt de parasitaire capaciteit van de kabel hier een rol. Common mode storingen kunnen namelijk via de afscherming en PE geleider terug naar de drive. De meetresultaten voor de setups van Figuur 5-16 , Figuur 5-17 en Figuur 5-18 worden naast elkaar gezet in Figuur 5-21 voor een schakelfrequentie van 14kHz. Hierbij wordt 2m kabel gebruikt. De resultaten voor de setup zoals in Figuur 5-16 en Figuur 5-17 zijn bijna gelijk aan elkaar. Door het toevoegen van de kabel, worden extra parasitaire capaciteiten toegevoegd. Deze capaciteiten bevinden zich niet enkel tussen de fasegeleiders en afscherming, maar zijn ook aanwezig tussen de fasegeleiders onderling. Hierdoor kan een kleine differential mode stroom ontstaan, die gemeten wordt door de LISN en waardoor er een lichte stijging in emissie te zien is in de meetresultaten. Wanneer de PE-geleider en afscherming wel verbonden worden aan de drive, is een sterke stijging van de emissie te zien. De common mode stroom keert nu naar de drive terug doorheen de afscherming. Het common mode pad is gesloten. Eenzelfde besluit kan getrokken worden voor alle andere schakelfrequenties. Figuur 5-22 geeft de resultaten weer voor een kabel van 2m en een schakelfrequentie van 2kHz, waarbij dezelfde conclusies gelden.
45
100 14kHz 10kHz 6kHz 2kHz
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-20: Kabel (2m) aan de uitgang, afscherming en PE aangesloten aan drive bij verschillende schakelfrequenties (spectrum 9kHz tot 10MHz)
46
100 Zonder motor, zonder kabel Met kabel, afscherming niet verbonden Met kabel, afscherming verbonden aan drive
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-21: Invloed van kabel en afscherming aan drive -zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MH z)
47
90 Zonder motor, zonder kabel Met kabel, afscherming niet verbonden Met kabel, afscherming verbonden aan drive
80
70
U (dBµV)
60
50
40
30
20
10
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-22: Invloed van kabel en afscherming aan drive -zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 2kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
48
Naast de methode van afscherming, is ook de kabellengte een belangrijke invloedsparameter. In Figuur 5-23 en Figuur 5-24 worden meetresultaten weergegeven voor een schakelfrequentie van 14kHz, voor 2m kabel en 42m kabel (beiden kabel type 1). De setups zijn deze zoals voorgesteld in Figuur 5-17 en Figuur 5-18. Uit Figuur 5-23 kan afgeleid worden dat de emissie stijgt wanneer de kabel langer wordt. De afscherming is echter nergens aangesloten, waaruit volgt dat de toename in emissie differential mode is. Een lange kabel heeft immers een grotere capacitieve koppeling tussen fasen onderling. Wanneer gekeken wordt naar Figuur 5-24, dan is opnieuw een stijging in emissie te zien bij een lange kabel. Nu is er sprake van zowel common mode als differential mode, gezien de afscherming verbonden is met de drive. Bij de uitvoer van deze metingen op kabellengte werd op een ander fenomeen gebotst dat de meetresultaten in sterke maten kan beïnvloeden, nl. de opstelling van de kabel. Dit item wordt verder behandeld onder punt 5.3.4. Voor de metingen uit Figuur 5-23 en Figuur 5-24 werden de kabels telkens geïsoleerd opgesteld t.o.v. de metalen grondplaat, waardoor de vergelijking correct is.
49
100 42m kabel 2m kabel
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-23: Vergelijking 42m kabel t.o.v. 2m kabel, afscherming niet verbonden, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
50
110 42m kabel 2m kabel
100 90
U (dBµV)
80 70 60 50 40 30 20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-24: Vergelijking 42m kabel t.o.v. 2m kabel, afscherming aan drive, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
51
5.3.3. Kabel type 2 Dezelfde metingen werden uitgevoerd voor een tweede kabeltype, nl. LIYCY 4G2,50mm². Ook hier is – net zoals in Figuur 5-20 – een stijging te zien in emissie wanneer de schakelfrequentie verhoogd wordt (Figuur 5-25). Wanneer de setups uit Figuur 5-16, Figuur 5-17 en Figuur 5-18 met elkaar vergeleken worden, kunnen dezelfde besluiten getrokken worden zoals bij kabel type 1: een lichte stijging door het toevoegen van de kabel en een grote stijging wanneer de afscherming en PE- geleider verbonden wordt aan de drive.
52
100 14kHz 10kHz 6kHz 2kHz
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-25: Kabel (2m) aan de uitgang, afscherming en PE aangesloten aan drive (spectrum 9kHz tot 10MHz)
53
100 Zonder motor, zonder kabel Met kabel, afscherming niet verbonden Met kabel, afscherming verbonden aan drive
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-26: Invloed van kabel en afscherming aan drive -zijde, 2m kabel, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
54
Ook bij dit type kabel werd de invloed van de kabellengte onderzocht. Net zoals bij kabel type 1 werden de setups uit Figuur 5-17 en Figuur 5-18 onderzocht, hier voor kabellengtes van 2m, 5m, 10m, 20m en 50m. Meetresultaten voor de setup zoals in Figuur 5-17 staan afgebeeld in Figuur 5-27, en voor de setup zoals in Figuur 5-18 staan de resultaten in Figuur 5-28. Er kan uit de metingen afgeleid worden dat indien de afscherming niet aangesloten is, de kabellengte geen invloed heeft voor kabel type 2. Dit in tegenstelling tot wat werd gevonden voor kabel type 1. Indien de afscherming aan de drive verbonden wordt, is er enkel boven een frequentie van ongeveer 300kHz een verschil te zien. Dit verschil moet te wijten zijn aan de common mode, gezien dit verschil niet voorkomt wanneer de afscherming niet aangesloten wordt. Ondanks het feit dat de kabellengte dus een grote invloed blijkt te hebben voor kabel type 1, bewijzen de meetresultaten het tegendeel voor kabel type 2. Een mogelijke verklaring hiervoor wordt in het volgende hoofdstuk (5.3.4. Vergelijking tussen kabel type 1 en kabel type 2) besproken.
55
100 50m 20m 10m 5m 2m
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-27: Vergelijking 50m, 20m, 10m, 5m en 2m kabel, afscherming niet aangesloten, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
56
110 50m 20m 10m 5m 2m
100 90
U (dBµV)
80 70 60 50 40 30 20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-28: Vergelijking 50m, 20m, 10m, 5m en 2m kabel, afscherming aan drive, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
57
5.3.4. Vergelijking tussen kabel type 1 en kabel type 2 Er werden twee kabeltypes bemeten. Deze kabels hebben dezelfde doorsnede (2,5mm²), hebben beiden drie aders en een PE-geleider en bezitten ook beiden een afscherming. Echter zijn er steeds minieme verschillen, te wijten aan de gebruikte isolatie(dikte) en de ligging van de aders ten opzichte van elkaar. In het vorige hoofdstuk werd reeds uit de metingen geconcludeerd dat de invloed van de kabellengte op EMI verschillend is voor beide types kabel. Daarnaast leveren de metingen uit Figuur 5-29 tot Figuur 5-32 een aantal interessante conclusies. In Figuur 5-29 wordt een meting weergegeven voor een kabellente van 2m, dit voor beide types kabel. De afscherming is hierbij niet aangesloten aan de drive. Uit deze meting volgt dat de emissie voor type 2 hoger ligt dan voor type 1. Wanneer dezelfde meting herhaald wordt voor een lange kabel (Figuur 5-30), komen de meetresultaten op elkaar te liggen. Eenzelfde besluit volgt uit Figuur 5-31 en Figuur 5-32, waar de afscherming wel aan de drive verbonden is. Om deze fenomenen te verklaren moeten de kabelparameters – zijnde de inductiviteit en capaciteit – nader onderzocht worden [24]. 100 Kabel type 1, 2m Kabel type 2, 2m
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
5
10
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-29: Invloed van het kabeltype (2m), afscherming niet aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) 100 Kabel type 1, 42m Kabel type 2, 50m
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-30: Invloed van het kabeltype (42m en 50m), afscherming niet aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz)
58
100 Kabel type 1, 2m Kabel type 2, 2m
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-31: Invloed van het kabeltype (2m), afscherming aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz) 110 Kabel type 1, 42m Kabel type 2, 50m
100
90
U (dBµV)
80
70
60
50
40
30
4
10
5
6
10
7
10
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-32: Invloed van het kabeltype (42m en 50m), afscherming aangesloten (spectrum 9kHz tot 10MHz)
De gemeten capaciteit en inductiviteit van beide kabeltypes wordt weerggeven in Tabel 5-3. Dit werd gemeten met behulp van een LCR-meter. De common mode capaciteit werd gemeten tussen één ader van de kabel en de afscherming, terwijl de differential mode capaciteit gemeten werd tussen twee naast elkaar gelegen aders. De weergegeven inductiviteit is deze van één ader in de kabel. Tabel 5-3: Gemeten capaciteit en inductiviteit kabels
Motorflex kabel (= type 1) 2m 42m LIYCY kabel (= type 2) 2m 50m
CM capaciteit (nF) 0,611 12,81
DM capaciteit (nF) 0,134 3
Induct. Lijn (µH) 2,492 313
CM capaciteit (nF) 1,114 32,2
DM capaciteit (nF) 0,293 8,4
Induct. Lijn (µH) 2,306 503
Uit deze metingen is af te leiden dat de capaciteit (zowel DM als CM) groter is voor kabel type 2. Bij een kabellengte van 2m is de inductiviteit ongeveer even groot voor beide kabeltypes. Dit verklaart waarom de emissie voor 2m kabel hoger ligt voor kabel type 2. Een grotere capaciteit leidt immers tot een lagere impedantie, en bijgevolg een hogere emissie, terwijl de inductiviteit van ondergeschikt belang is. Dit verandert 59
echter wanneer lange kabels beschouwd worden. Daar is de inductiviteit voor kabel type 2 veel hoger dan voor type 1, waardoor er meer demping optreedt (minder steile flanken). Dit werkt de emissie tegen, waardoor mogelijks de meetresultaten voor kabel type 1 en kabel type 2 op elkaar komen te liggen. Tevens werden een aantal metingen uitgevoerd met een VNA, die het impedantieverloop weergeven (Figuur 5-33 en Figuur 5-34). Het zal duidelijk zijn dat de kabellengte dus een rol kan spelen voor EMI, maar dat ook de kabelparameters - zijnde de inductiviteit en de capaciteit - in acht moeten genomen worden. Deze parameters verschillen namelijk van kabel tot kabel. Over deze problematiek is echter verder gespecialiseerd onderzoek nodig om gefundeerde besluiten te kunnen nemen.
Impedantie van één ader (2m) 18 16 Impedantie (Ω)
14 12 10 8
Motorflex 2m
6
LIYCY 2m
4 2 0 1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
Frequentie (Hz) Figuur 5-33: Gemeten impedantieverloop van kabel type 1 en kabel type 2 (kabellengte 2m)
Impedantie van één ader (42/50m) 1800 1600 Impedantie (Ω)
1400 1200 1000 800
Motorflex 42m
600
LIYCY 50m
400 200 0 1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
Frequentie (Hz) Figuur 5-34: Gemeten impedantieverloop van kabel type 1 (42m) en kabel type 2 (50m)
60
5.3.5. Belang van de meetopstelling De metingen uit punt 5.3.2. wezen voor kabel type 1 op een stijging in emissie wanneer een langere kabel gebruikt wordt. Dit is te wijten aan de parasitaire capaciteiten tussen fasegeleiders en PE/afscherming. De common mode stroom kan immers terugvloeien naar de drive via de afscherming daar deze aangesloten is. De vraag kan gesteld worden wat er gebeurt wanneer deze afscherming niet aangesloten wordt. In eerste instantie wordt verwacht dat dezelfde resultaten zullen bekomen worden voor 42m kabel en 2m kabel, gezien het common mode pad onderbroken is. Verschillen te wijten aan differential mode worden hier even buiten beschouwing gelaten. Meetresultaten voor kabel type 1 zijn te zien Figuur 5-35. Hieruit blijkt dat de eerder gemaakte veronderstelling fout is. De emissie is hoger in het geval van een lange kabel, ondanks dat het common mode pad via de afscherming onderbroken is. Er moet bijgevolg een ander koppelpad zijn, waarlangs de storingen zich kunnen doorzetten tot in de LISN. Het antwoord hierop ligt in de koppeling van de lange kabel met het grondvlak. De korte kabel rust niet op het grondvlak, terwijl de lange kabel voor de metingen opgerold op de grondplaat ligt. Daarnaast staat ook de LISN in contact met het grondvlak. De capacitieve koppeling die aanwezig is tussen deze opgerolde kabel en de grond, en bijgevolg ook met de LISN, zorgt voor een hogere emissie. Een vergelijking tussen 42m kabel die op het grondvlak rust en 42m kabel die geïsoleerd opgesteld is van de grond is te zien in Figuur 5-36 (setup zoals in Figuur 5-17). Dit werd gemeten in spectrum analyser mode. Bij een frequentie van ±70kHz (= 5 keer de schakelfrequentie van 14kHz) is te zien dat de emissie ongeveer 10dB hoger ligt wanneer de kabel niet geïsoleerd wordt opgesteld. Dezelfde meting werd herhaald voor kabel type 2. Ook daar werd de kabel van 50m eenmaal opgerold op de grond gelegd, en eenmaal geïsoleerd. De meting in spectrum analyser mode is te zien in Figuur 5-37. Ook hier is een stijging in emissie waar te nemen wanneer de kabel op de grondplaat gelegen is. Voor een niet-afgeschermde kabel werd deze meting ook uitgevoerd. Resultaten zijn te zien in Figuur 5-38. Dit levert opnieuw een stijging in emissie wanneer de kabel op de grond gelegen is. Er kan uit de metingen afgeleid worden dat het verschil in emissie tussen de twee setups (lange kabel op de grond gelegen, of geïsoleerd opgesteld) verschilt naargelang de gebruikte kabel. Elke kabel zal immers een andere capaciteit naar aarde bezitten. Globaal gezien is het echter duidelijk dat de opstelling cruciaal is voor het meten van EMI. Er kan een verschil van 10dB gemeten worden, louter te wijten aan de manier van opstelling. In de norm CISPR 11 wordt vermeld: “The power and signal cables shall be oriented in relation to the ground plane in a manner equivalent to actual use and precautions taken with the layout of the cables to ensure that spurious effects do not occur”. In praktische omstandigheden zal de lange kabel waarmee bovenstaande metingen werden uitgevoerd niet op een metalen grondvlak gelegen zijn. Echter bestaat dan nog heel wat vrijheid voor de testingenieur om de kabel op te stellen. Men zal ook niet altijd op de hoogte zijn van alle randeffecten die optreden. Voor compliance metingen is de testopstelling uiteraard van groot belang. Dit kan het doen slagen of falen betekenen van het product dat de test ondergaat. Voor de vergelijkende metingen die hier uitgevoerd worden, is de testopstelling op zich van minder groot belang. De nadruk ligt op de verschillen in de resultaten tussen verschillende configuraties.
61
Naast de opstelling die hier duidelijke verschillen bevestigt, stijgt bij een langere kabel ook de differential mode stroom waardoor de emissie iets hoger zal liggen. Dit effect is hier echter verwaarloosbaar t.o.v. de manier van opstelling.
62
100 2m kabel 42m kabel, op de grondplaat
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-35: Vergelijking 42m kabel en 2m kabel wanneer afscherming niet aangesloten is, kabel type 1, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
63
85 42m kabel, op grond 42m kabel, geïsoleerd
80 75
X: 7e+004 Y: 70.06
U (dBµV)
70 65 60
X: 7e+004 Y: 58.98
55 50 45 40 50
100
150
Frequentie (kHz)
Figuur 5-36: Invloed van de opstelling van de kabel (42m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 1, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz)
64
90 50m kabel, op grond 50m kabel, geïsoleerd
85 80
X: 6.94e+004 Y: 77.71
75
U (dBµV)
70 65
X: 6.94e+004 Y: 59.52
60 55 50 45 40 50
100
150
Frequentie (kHz)
Figuur 5-37: Invloed van de opstelling van de kabel (50m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 2, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz
65
85 50m kabel, op grond 50m kabel, geïsoleerd
80 75
X: 7e+004 Y: 71.76
U (dBµV)
70 65
X: 7e+004 Y: 62.78
60 55 50 45 40 50
100
150
Frequentie (kHz)
Figuur 5-38: Invloed van de opstelling van de kabel (50m): op de grond gelegen of geïsoleerd, kabel type 3, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 50kHz tot 150kHz)
66
5.4. Invloed van afscherming in aanwezigheid van een motor Wordt nu de motor aangesloten, dan wordt een extra parasitaire capaciteit toegevoegd tussen fasen en aarding. Deze capaciteit bedraagt 5,4nF voor de geteste 4kW motor. Voor het aansluiten van de afscherming/PE ontstaan nu vier mogelijkheden, weergegeven in Figuur 5-39 tot Figuur 5-42. Opnieuw wordt de PE- geleider en afscherming als één geheel gezien, ook indien dit niet expliciet vermeld wordt in de meetresultaten. De metingen werden allen uitgevoerd met kabel type 1, zijnde de Motorflex kabel.
LISN
Drive
Motor
Figuur 5-39: Afscherming/PE nergens aangesloten
LISN
Drive
Motor
Figuur 5-40: Afscherming/PE enkel aan motor aangesloten
LISN
Drive
Motor
Figuur 5-41: Afscherming/PE enkel aan drive aangesloten
LISN
Drive
Motor
Figuur 5-42: Afscherming/PE aan motor en drive aangesloten
Als eerste worden de setups uit Figuur 5-17, Figuur 5-39 en Figuur 5-40 met elkaar vergeleken voor een kabellengte van 2m. Meetresultaten hiervan zijn te zien in Figuur 5-43. Wanneer geen motor aanwezig is, is de emissie het laagst. De motor op het einde van de kabel zorgt voor een toename in emissie, ondanks dat de afscherming nergens aangesloten is. In tegenstelling tot bij de metingen zonder motor, vloeit hier nu de volledige voedingsstroom door de motorkabel, wat zal zorgen voor een stijging in emissie. Het vastmaken van de afscherming aan motorzijde heeft geen effect, doordat het common mode pad via de afscherming en/of PEgeleider open blijft. Er is namelijk geen verbinding met ‘de bron’, m.a.w. de drive.
67
Dezelfde meting werd uitgevoerd voor een kabel van 42m. Resultaten hiervan zijn te zien in Figuur 5-44. Hier zien de resultaten er hetzelfde uit voor de drie setups. Daaruit kan besloten worden dat het toevoegen van de motor op het einde van een lange kabel geen effect heeft. Dit in tegenstelling tot wanneer een korte kabel gebruikt wordt. Ook het aansluiten van de afscherming aan motorzijde heeft geen effect, omwille van dezelfde reden als bij een korte kabel. Het common mode pad wordt namelijk niet gesloten.
68
90 Zonder motor, afscherming niet verbonden met drive Met motor, afscherming nergens verbonden Met motor, afscherming enkel aan motor verbonden
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-43: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde, kabel 2m, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
69
100 Zonder motor, afscherming niet verbonden aan drive Met motor, afscherming nergens verbonden Met motor, afscherming enkel aan motor verbonden
90 80
U (dBµV)
70 60 50
40 30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-44: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde, kabel 42m, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
70
Als tweede vergelijking wordt de afscherming (en PE-geleider) verbonden aan drive- zijde, en wordt de invloed van de motor nagegaan. Hiervoor worden de setups uit Figuur 5-18, Figuur 5-41 en Figuur 5-42 met elkaar vergeleken. Dit zowel voor 2m kabel als 42m kabel. In Figuur 5-45 staan de meetresultaten voor 2m kabel afgebeeld. Bij het toevoegen van een motor, is er een lichte stijging in emissie te zien. Deze stijging is echter bijna verwaarloosbaar. Wanneer de afscherming aan de motorzijde ook wordt vastgemaakt, is er opnieuw een stijging te zien. Dit komt doordat nu het common mode pad via de behuizing van de motor gesloten is. Hier werd een korte kabel gebruikt, dus de invloed van de motor is zichtbaar. Dezelfde vergelijking kan gemaakt worden voor een kabel van 42m (Figuur 5-46). Hier is geen verschil te zien in emissie. Het toevoegen van de motor heeft bij lange kabels namelijk geen waarneembaar effect.
71
100 Zonder motor, afscherming aan drive bevestigd Met motor, afscherming enkel aan drive bevestigd Afscherming aan drive en motor bevestigd
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-45: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde wanneer afscherming aan drive bevestigd is , kabel 2m, schakelfrequentie 14kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
72
110 Zonder motor, afscherming aan drive bevestigd Met motor, afscherming enkel aan drive bevestigd Afscherming aan drive en motor bevestigd
100
90
U (dBµV)
80
70
60
50
40
30
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-46: Invloed van motor en afscherming aan motorzijde wanneer afscherming aan drive bevestigd is, kabel 42m, schakelfrequentie 14 kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
73
Uit voorgaande metingen kan geconcludeerd worden dat de aanwezigheid van de motor bijna verwaarloosbaar is voor korte kabellengtes, en helemaal geen invloed heeft bij langere kabels. Daarnaast kan besloten worden dat de methode van afscherming een grote invloed heeft op de emissie. Hier wordt even dieper op ingegaan. In een praktische opstelling zal er meestal zowel een drive, kabel als motor aanwezig zijn. Figuur 5-47 geeft de meetresultaten weer van de configuraties uit Figuur 5-39 tot Figuur 5-42 voor een schakelfrequentie van 14kHz en een kabellengte van 2m. Wanneer de afscherming (en PE-geleider) nergens aangesloten wordt, levert dit hetzelfde resultaat als wanneer enkel langs motorzijde de afscherming wordt aangesloten. Dit is logisch, daar het common mode pad via de afscherming nog steeds open is. In het geval dat enkel aan drive- zijde de afscherming wordt verbonden, is er een stijging in emissie te zien. Dit komt doordat een deel van de common mode stroom terugkeert via parasitaire capaciteiten in de kabel en de afscherming die bevestigd is aan de drive. Wanneer de afscherming aan beide zijden verbonden wordt, wordt nog een hogere emissie bekomen. Dit doordat nu ook via de motorbehuizing een gedeelte common mode stroom kan terugvloeien. Dezelfde vergelijking wordt gemaakt voor een kabel van 42m (zie Figuur 5-48). Net zoals bij de kabel van 2m, maakt het niet uit of de afscherming aan motorzijde verbonden is. De setups voor Figuur 5-39 en Figuur 5-40 leveren dezelfde resultaten. Ook is er een stijging te zien wanneer de afscherming aan drive-zijde wordt aangesloten. Deze stijging is meer uitgesproken dan bij de kortere kabel (2m), doordat deze kabel over een grotere parasitaire capaciteit beschikt door zijn grotere lengte. Wanneer de afscherming aan beide zijden wordt aangesloten, is er geen stijging meer in emissie waar te nemen. Dit in tegenstelling tot bij de kabel van 2m. De verklaring zit in het feit dat het toevoegen van een capaciteit (de motor) op het einde van een lange kabel verwaarloosbaar is ten opzichte van de parasitaire capaciteit die reeds aanwezig is door de kabel. Bij een korte kabel (2m) was er wel een stijging te zien, omdat de extra capaciteit, toegevoegd door de motor, niet verwaarloosbaar is in vergelijking met de (relatief korte) kabel.
74
100 Afscherming langs beide zijden aangesloten Afscherming enkel aan drive-zijde aangesloten Afscherming enkel aan motor-zijde aangesloten Afscherming nergens aangesloten
90
80
U (dBµV)
70
60
50
40
30
20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-47: Vergelijken van de vier setups met motor, schakelfrequentie 14kHz, kabel 2m (spectrum 9kHz tot 10MHz)
75
110 Afscherming langs beide zijden aangesloten Afscherming enkel aan drive-zijde aangesloten Afscherming enkel aan motor-zijde aangesloten Afscherming nergens aangesloten
100 90
U (dBµV)
80 70 60 50 40 30 20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-48: Vergelijken van de vier setups met motor, schakelfrequentie 14kHz, kabel 42m (spectrum 9kHz tot 10MHz)
76
5.5. Filters Als laatste item worden de filters besproken. Een opstelling waarin een motor wordt bestuurd door een drive, wordt meestal ook uitgerust met een in- en/of uitgangsfilter (zie Figuur 5-49). Een aantal theoretische aspecten van filters worden aangehaald, alsook de verschillende soorten filters die op de markt te verkrijgen zijn. Ook werden een aantal metingen uitgevoerd op beschikbare uitgangsfilters.
Net
Input filter
Drive
Output filter
Motor
Figuur 5-49: Schematische opstelling met filters
5.5.1. Netfilters Zoals Figuur 5-49 weergeeft, kan aan de netzijde van de drive een ingangsfilter – of netfilter- geplaatst worden. Er moet een onderscheid gemaakt worden in enerzijds de filters die power quality problemen zullen aanpakken (eerder laagfrequent, tot 2,5kHz), en anderzijds de netfilters bedoeld om EMI te reduceren [25]. Deze EMI filters zorgen ervoor dat hoogfrequente storingen –afkomstig van het aangesloten toestel- niet naar het net kunnen. Op die manier wordt tegemoet gekomen aan de EMC richtlijn, die zegt dat de emissie moet beperkt worden. Door de gelijkrichtertrap aan de ingang van de drive, heeft de onttrokken stroom een typische ‘M-vorm’ (zie Figuur 5-50). Dit is te wijten aan het feit dat de diodes slechts een bepaalde tijd geleiden, namelijk indien de netspanning hoger is dan de tussenkringspanning. Deze stroomvorm bevat hogere orde harmonischen. Nu is er echter ook een zekere netimpedantie aanwezig, waardoor de niet-sinusoïdale stroomvorm aanleiding geeft tot niet-sinusoïdale spanningsvallen. Bijgevolg zullen ook andere toestellen (zowel lineaire als niet-lineaire 1 verbruikers ) een niet-sinusoïdale spanning aan de ingang zien. Gevolgen van deze netspanningsvervorming zijn hogere ijzer- en jouleverliezen in transformatoren en kabels, niet-correct gedrag van beveiligingen en dergelijke. Voor de verdere theoretische achtergrond rond power quality wordt verwezen naar [26].
1
Lineaire verbruikers zijn verbruikers die in geval van zuiver sinusvormige spanning ook een zuiver sinusvormige stroom onttrekken. Niet-lineaire verbruikers onttrekken daarentegen een stroom die harmonische componenten bevat. 77
Figuur 5-50: Onttrokken stroom bij drives
Er zijn net- of ingangsfilters op de markt, die deze harmonischen zullen reduceren. Dit kunnen gewone line reactors zijn (Figuur 5-51), m.a.w. spoelen die voor de drive geplaatst worden. Gezien hun grote impedantie bij hogere frequenties, zal de harmonische inhoud van de stroomvorm lager zijn. Ook kunnen actieve (Figuur 5-52) of passieve harmonische filters gebruikt worden, die dan specifiek één (of meerdere) orde(s) harmonische(n) zullen filteren.
Figuur 5-51: Line Reactor (NKD, Block Trafo)
Figuur 5-52: Actief filter (EcoSine Active, Schaffner)
Echter zijn deze filters niet geschikt voor het reduceren van de hoogfrequente storingen die omvormers genereren. Daarom zijn er ook netfilters die werkzaam zijn bij hogere frequenties. Hier wordt specifiek gekeken naar filters voor frequenties tussen 150kHz en 30MHz. Deze filters zullen hoogfrequente storingen elimineren, terwijl de 50Hz voedingsspanning ongehinderd doorgelaten wordt. Een voorbeeld van een dergelijke filter wordt weergegeven in Figuur 5-53.
Figuur 5-53: Netfilter (FMAC, RELEC)
De opbouw van een enkelfasige EMI filter staat afgebeeld in Figuur 5-54 [6]. De basiscomponenten zijn de Cx en Cy condensatoren en de common mode spoelen (1mH op Figuur 5-54). Soms bevat een dergelijke filter ook
78
differential mode spoelen (100µH op Figuur 5-54), weerstanden (R) en spanningsafhankelijke weerstanden (VDR).
Figuur 5-54: Opbouw typische netfilter (enkelfasig)
De Cx condensatoren bevinden zich tussen de actieve geleiders, in Figuur 5-54 tussen de fasegeleider en nulleider. In driefasige systemen zullen de Cx condensatoren zich tussen twee fasen bevinden. Deze condensatoren beperken de differential mode storingen, en zijn typisch enkele µF. Hun capaciteitswaarde wordt beperkt door zelfresonantie, gezien bij een hogere capaciteitswaarde de resonantiefrequentie daalt. Cy condensatoren bevinden zich tussen actieve geleiders en aarding, en zullen de common mode storingen beperken. Hun capaciteitswaarde is beperkt door de lekstroom die deze condensatoren laten vloeien. Voor de theoretische achtergrond rond common mode en differential mode spoelen wordt verwezen naar punt 5.5.2. De drive blijft echter een PWM- golf uitsturen, die zorgt voor differential en common mode stromen aan motorzijde. De common mode stromen banen zich een weg doorheen de installatie (bij afwezigheid van een correct afgeschermde kabel), en kunnen terug aan de ingang van de drive terecht komen. De besproken netfilters zullen deze problemen aan motor-zijde niet reduceren.
5.5.2. Output filters De eerder besproken netfilters vormen dus geen oplossing voor de differential en common mode problematiek aan de uitgang van de drive. De grote dv/dt als gevolg van het PWM- signaal kan aanleiding geven tot reflecties en schade aan de motorisolatie. Deze problematiek wordt uitgebreid besproken in [27]. Daarnaast blijft de common mode bronspanning bestaan, waardoor EMI kan optreden. Fabrikanten bieden heel wat ‘commercial off-the-shelf’ oplossingen aan in de vorm van filters. Enkele algemene types worden hierna kort besproken. De technieken die in deze filters toegepast worden, zullen over het algemeen de flanksteilheid van het PWM-signaal beïnvloeden [28]. Het zoeken van een geschikte filter is echter vaak zeer fabrikantgebonden. Elke producent van filters heeft een eigen gamma, waarbij vaak de algemene term ‘output filter’ gehanteerd wordt. Hierbij is het niet altijd even duidelijk wat zich intern in de filter bevindt. Motor inductor Motor inductors zijn zuivere spoelen die na de drive geplaatst worden. Deze spoelen zullen de flanksteilheid reduceren (dv/dt), waardoor de overspanningen aan de motor afnemen.
79
Figuur 5-55: Motor Inductor (MR 3, Block Trafo)
Dv/dt filter (motor reactor) Een dv/dt filter bestaat meestal enkel uit spoelen, ofwel uit spoelen en condensatoren (afhankelijk van fabrikant tot fabrikant). Deze filter zorgt er – net als de motor inductor - voor dat de PWM- flanken vlakker komen te liggen, zij het dan met een uitgesprokener filter-effect dan de motor inductor. Vaak biedt de dv/dt filter een goede kosten-baten oplossing tegenover de duurdere sinusfilter.
Figuur 5-56: dv/dt motor protection output filter (V1k, TCI)
Figuur 5-57: dv/dt output filter (FN510, Schaffner)
Sinusfilter De sinusfilter zorgt ervoor dat de PWM- golf aan de uitgang van de drive wordt omgevormd tot een bijna sinusoïdale spanning. Dit betekent dat de motor een spanning ziet die nagenoeg identiek is aan de gewone netspanning, en er dus ook sinusvormige stromen zullen vloeien.
Figuur 5-58: Sine wave filter (MCC 101, Danfoss)
De besproken filters zullen allen een gunstig effect hebben op het reduceren van overspanningen. Echter zal het common mode probleem met een dergelijke filter niet volledig opgelost worden [29]. De reden hiervoor is dat ondanks het verminderen van de dv/dt in de PWM- spanning (lijn-tot-lijn), de common mode dv/dt zeer hoog blijft. Een wiskundig onderbouwde afleiding hiervan kan gevonden worden in [30]. Ook wordt hierin een filter voorgesteld die zowel de common als differential mode problematiek aanpakt (een asymmetrische sinusfilter). Asymmetrische sinusfilter (ook Sinus-Plus filter genoemd) Een asymmetrische sinusfilter zoals voorgesteld in [30] (zie Figuur 5-59) koppelt het sterpunt van de filter terug naar de DC tussenkring. Op die manier kan de common mode spanning sterk gereduceerd worden. 80
Figuur 5-59: Voorstel outputfilter
Figuur 5-60: Asymmetrische sinusfilter (FN 530, Schaffner)
Common mode chokes Naast de besproken filters, kan er ook gewerkt worden met zogenaamde common mode chokes. De geleiders worden op een zodanige manier rond een ferromagnetische kern gewikkeld, dat de differential mode ongehinderd doorgelaten wordt, maar dat de common mode stroom een grote impedantie ziet. Figuur 5-61 maakt dit duidelijk. Bij de differential mode heffen de fluxen in de kern elkaar op, waardoor de resulterende inductantie nul wordt. Voor de differential mode vormt de spoel dus een zeer kleine impedantie. Voor de common mode stroom tellen de zelfinductie en de wederzijdse inductie zich bij elkaar op, waardoor de common mode stroom een grote impedantie ondervindt. Vandaar dat de common mode choke een effectieve manier is om de common mode storingen te onderdrukken.
Figuur 5-61: Invloed van de common mode choke op DM en CM
81
5.5.3. Metingen Om de theorie rond filters te staven, werden een aantal metingen uitgevoerd op de beschikbare filters nl. een gewone sinusfilter (type FN 5010, Schaffner) en een asymmetrische sinusfilter (type FN 530, Schaffner, Figuur 5-60). De setup die hiervoor gebruikt werd is terug te vinden in Figuur 5-62 (bovenaanzicht). Dit is een uitbreiding van de setup zoals in Figuur 5-1 beschreven, en vormt tevens de gehele demo-opstelling van deze masterproef. Voor deze metingen werd een Siemens Micromaster Drive gebruikt, in plaats van de eerder beschreven Mitsubishi drive. Er is ook een ingangsfilter voor deze drive beschikbaar, die als footprint- filter onder de drive kan gemonteerd worden. Deze filter wordt voor deze metingen echter niet gebruikt. De drive en filters zijn vast gemonteerd op het metalen vlak dat op de houden tafel rust. De keuze tussen geen filter, de sinusfilter of de asymmetrische sinusfilter wordt ook symbolisch voorgesteld in Figuur 5-62. In Figuur 5-63 zijn de meetresultaten te zien.
Figuur 5-62: Totale Setup, bovenaanzicht
Hieruit kan besloten worden dat (tot een frequentie van 500kHz) de resultaten voor de setup zonder filter en de setup met sinusfilter ongeveer gelijk zijn aan elkaar, terwijl het resultaat voor de asymmetrische sinusfilter duidelijk lager ligt. Een gewone sinusfilter heeft dus geen noemenswaardige invloed op EMI. Bij frequenties boven 500kHz gaan parasitaire effecten en resonanties een rol spelen, waardoor de emissie een ander verloop kent.
82
120 Zonder Filter Sinusfilter Asymm. Sinusfilter
110 100 90
U (dBµV)
80 70 60 50 40 30 20
4
10
5
6
10
10
7
10
Frequentie (Hz)
Figuur 5-63: Invloed van filters op emissie, schakelfrequentie 8kHz (spectrum 9kHz tot 10MHz)
83
6
Besluit
De hoofddoelstelling van deze masterproef was nagaan van de invloed van een aantal parameters op EMI. Dit gebeurde aan de hand van vergelijkende metingen. Voorafgaand aan deze metingen werd een literatuurstudie uitgevoerd, die meer inzicht verschafte in de common mode problematiek bij drives. Ook werden een aantal metingen uitgevoerd om deze common mode spanning in beeld brengen. Daarnaast werd een stuk wetgeving omtrent EMI bestudeerd, die toeliet de meetopstelling op te bouwen volgens de norm CISPR 11. Een eerste parameter die onderzocht werd is de schakelfrequentie. Bij een verdubbeling van de schakelfrequentie wordt een theoretische stijging van 6dB in emissie bekomen, wat bevestigd werd met de meetresultaten. Vervolgens werd de invloed van de kabel nagegaan. Onder deze noemer valt zowel de methode van het bevestigen van de afscherming, alsook het kabeltype en de kabellengte. Deze twee laatste items moeten samen beschouwd worden. Voor kabel type 1 bleek een grotere kabellengte een stijging in emissie teweeg te brengen, terwijl dit voor kabel type 2 niet het geval was. De kabelparameters (capaciteit en inductiviteit) zijn namelijk verschillend voor elk soort kabel, en kunnen tot onderlinge verschillen in emissie leiden. Dit onderwerp bied interessante mogelijkheden naar verder onderzoek toe. Ook de bevestiging van de afscherming is een belangrijk aandachtspunt. Naargelang de aan- of afwezigheid van de motor zijn er verschillende mogelijkheden om de afscherming aan te sluiten, die op die manier het common mode pad te definiëren. Metingen bevestigen dit. De invloed van de motor werd nagegaan en bleek van ondergeschikt belang te zijn indien de afscherming aan drive-zijde aangesloten is. Naast de bestudeerde parameters, is de manier waarop de test-setup opgebouwd wordt cruciaal. De oriëntatie van de kabel beïnvloedt de metingen in grote mate, terwijl de norm CISPR 11 hieromtrent geen concrete informatie geeft. In een laatste topic werd een beknopt overzicht gegeven van verschillende soorten filters, zowel netfilters als output filters. Ook werden metingen uitgevoerd op twee beschikbare types filters, nl. een gewone sinusfilter en een asymmetrische sinusfilter. In de literatuur kan teruggevonden worden dat een klassieke sinusfilter EMI niet zal reduceren, in tegenstelling tot een asymmetrische sinusfilter. Een verklaring hiervoor ligt in het feit dat een sinusfilter de steile schakelflanken van de common mode spanning niet zal reduceren. Metingen bevestigen de stelling dat enkel de asymmetrsiche sinusfilter tot een reductie in EMI zal leiden. In Tabel 6-1 wordt een schematisch overzicht gegeven van de onderzochte parameters, ingedeeld in twee groepen: de parameters die EMI beïnvloeden en deze die geen invloed hebben op EMI. Tabel 6-1: Samenvatting onderzochte parameters en hun invloed op EMI
Wel invloed op EMI Schakelfrequentie Kabellengte en kabeltype Afscherming aan drive-zijde Afscherming aan motor-zijde (bij korte kabels) Asymmetrische sinusfilter
Geen invloed op EMI Motor Afscherming aan motor-zijde (bij lange kabels) Klassieke sinusfilter
84
7
Literatuurlijst
[1] Knockaert, J. (2011) Technische bib VEI technologiewacht, EMC: enkele basisregels. [Online]. http://www.vei.be/technische-bib (datum van opzoeking: 23/09/2011). [2] Knockaert, J., EMC: Basisbegrippen, unpublished. [3] Adabi, J., Zare, F., Ledwich, G., Ghosh, A., "Leakage current and common mode voltage issues in modern AC drive systems”, Australasian Universities Power Engineering Conference, Perth, Western Australia, 2007, pp. 641-646. [4] Ahola, J., “Applicability of power-line communications to data transfer of on-line condition monitoring of electrical drives”, Ph.D. dissertation, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finland, 2003. [5] Lezing: Elektromagnetische interferentie bij drives, door: Knockaert, J., 04/10/2011. [6] Knockaert, J. (2011) Technische bib VEI technologiewacht: netfilters [Online]. http://www.vei.be/technische-bib (datum van opzoeking: 15/05/2012). [7] Knockaert, J., “Elektromagnetische interferentie bij drives”, Fedelec magazine, accepted for publication. [8] Gokani, S., Clare, J., Ran, L., "Conducted Electromagnetic Emissions in Induction Motor Drive Systems Part 1: Time Domain Analysis and Identification of Dominant Modes”, IEEE Transactions on power electronics, vol. 13, no. 4, pp. 757-767, July 1998. [9] Ott, H.W., Electromagnetic compatibility engineering, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2009, p. 377, p. 379. [10] Knockaert, J., “De EMC richtlijn en de normen”, unpublished. [11] Euronorm (2011). Digitaal informatieplatform voor wetgeving & normalisatie [Online]. http://www.euronorm.net/content/template.php?itemID=237 (datum van opzoeking: 10/12/2011). [12] Huyghe, C. (2009). Tractebel: Naar een bredere expertise inzake machineveiligheid [Online]. http://www.amelior.be/ndl/artikels/artikel.asp?a=298&tc=1 (datum van opzoeking: 11/12/2011). [13] Portaal Belgium.be (2011). CE markering [Online]. http://www.belgium.be/nl/economie/handel_en_consumptie/producten_en_diensten/non_food-producten/celabel/ (datum van opzoeking: 10/12/2011). [14] IEC (2011). How the IEC is organized for EMC [Online]. http://www.iec.ch/emc/iec_emc/iec_emc_intro.htm (datum van opzoeking: 10/12/2011). [15] IEC 61800-3 ed. 2.0, " Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods", 2004. [16] CISPR 11 ed. 5.0, "Industrial, scientific and medical equipment – Radio-frequency disturbance", 2009. [17] Clayton, P.R., Introduction to electromagnetic compatibility, 2d ed. New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2006, p. 166-172. [18] Michigan State University (2011) Electromagnetic Compatibility (EMC) Course Notes [Online]. http://www.egr.msu.edu/em/research/goali/notes/ (datum van opzoeking: 08/12/2011). [19] Won, C.Y., Kim, Y.C., Lee, J. H., Ahn, J.J., “The prediction of conducted EMI in PWM motor drive system”, Industrial Electronics, vol. 2, pp. 752-758, 2001. [20] Lezing: Passive filtering around the frequency inverter, door: Kampen, D., 14/03/2012. [21] Rohde & Schwarz (2011). EMI measurements, Test receiver vs. spectrum analyzer [Online]. http://www.ieee.li/pdf/essay/receiver_v_sa.pdf (datum van opzoeking: 01/12/2011). [22] Knockaert, J., “Geschakelde invertoren of zelfgestuurde wisselrichters”, unpublished.
85
[23] Knockaert, J., “EMI in Variable Speed Drives: Study of the Parameters Influencing Conducted Emission”, Ph.D. dissertation, Faculteit ingenieurswetenschappen, KU Leuven, Leuven, 2009. [24] Luszcz, J., “Motor Cable Effect on the Converter-Fed AC Motor Common Mode Current”, Compatibility and Power Electronics (CPE), pp 445-450, juni 2011. [25] Danfoss (2011). Ontwerphandleiding voor drinkwater en afvalwater installaties: toepassing en integratie van frequentieregelaars [Online]. http://danfoss.ipapercms.dk/Drives/DD/Global/SalesPromotion/Brochures/SBABrochures/10EngineeringGuide/?P age=21 (datum van opzoeking: 18/05/2012). [26] Debruyne, C., Dereyne, S., Desmet, J., Hespel, L., Verhelst, B., Laagspanningsinstallaties: technologie en ontwerp, ste 1 druk Kortrijk: Howest-Lemcko, 2011, p 413-439. [27] Desmet, J., “Power Quality en overspanningen bij aandrijvingen”, unpublished. [28] Alessandro F. Moreira, Thomas A. Lipo, Giri Venkataramanan, Steffen Bernet, “High-Frequency Modeling for Cable and Induction Motor Overvoltage Studies in Long Cable Drives”, IEEE transactions on industry applications, vol. 38, no. 5, pp 1297-1306, october/november 2002. [29] Lezing: Selecting and designing filters for power drive systems, door: Leferink F., 14/03/2012. [30] Dudi A. Rendusara, Prasad N. Enjeti, "An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWM drive systems", IEEE Transactions on power electronics, vol. 13, no. 6, pp 1135-1143, november 1998.
86
8
Bijlagen
8.1. Bijlage 1: Uittreksel uit de EMC richtlijn
Uit: RICHTLIJN 2004/108/EG VAN HET EUROPEES PARLEMENT EN DE RAAD van 15 december 2004, Bijlage 1
87
8.2. Bijlage 2: Datasheet kabel type 1
88
8.3. Bijlage 3: Datasheet kabel type 2
89
8.4. Bijlage 4: Datasheet kabel type 3 ÖPVC- JZ 4G2,5 (tkd-kabel)
90
91
