Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) en Elektromagnetische Interferentie (EMI)

Elektromagnetische Interferentie (EMI) verwijst naar de verstoring van de prestaties van apparatuur door elektromagnetische storingen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren wanneer een mobiele telefoon die verbinding maakt met een zendmast, storing veroorzaakt op een microfoon. EMI kan zich op twee manieren verspreiden:

Geleide interferentie: via geleiders (bijvoorbeeld kabels).

Gestraalde interferentie: via elektromagnetische golven.

Er zijn vier koppelingsmechanismen voor interferentie:

Galvanische koppeling: twee circuits hebben een gemeenschappelijke elektrisch geleidende verbinding.
Capacitieve koppeling: interferentie wordt via parasitaire capaciteiten overgedragen tussen twee circuits met een gemeenschappelijke referentie.
Inductieve koppeling: interferentie door magnetische velden van een stroomvoerende geleider die wordt geïnduceerd in een andere geleider.
Elektromagnetische koppeling: de interferentiebron straalt elektromagnetische energie uit via een geleider (antenne), die door een ander circuit wordt ontvangen.

Bronnen van EMI kunnen zowel natuurlijk zijn (zoals bliksem) als door mensen gemaakt, zoals elektrische apparaten die onbedoeld (bijvoorbeeld frequentieomvormers) of opzettelijk (zoals radiozenders) elektromagnetische straling produceren.

Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) is de toestand waarin apparatuur naar behoren functioneert in zijn elektromagnetische omgeving zonder onaanvaardbare verstoringen te veroorzaken. EMC heeft twee belangrijke aspecten:

Immuniteit: het vermogen van apparatuur om te functioneren in de aanwezigheid van elektromagnetische interferentie.

Emissie: de onbedoelde elektromagnetische straling die door apparatuur wordt uitgezonden, moet beperkt worden tot een acceptabel niveau.

De compatibiliteitskloof is het verschil tussen de emissiemarge en de immuniteitsmarge van een apparaat.

RFI vs EMI: De term Radiofrequente Interferentie (RFI) werd vroeger gebruikt om interferentie in radiosignalen te beschrijven, terwijl EMI een bredere term is die verwijst naar verstoringen van alle elektronische apparatuur, waaronder frequentieregelaars.

Common-mode en differentiële modus:

Differentiële modus (DM): de verstoring wordt in tegenovergestelde richting geleid op beide lijnen van een stroomkring, in serie met het gewenste signaal.
Common-mode (CM): de verstoring wordt in dezelfde richting op beide lijnen geleid, met een gemeenschappelijke referentie voor het retourpad.

In het kort, EMC richt zich op het waarborgen dat apparaten geen onaanvaardbare verstoringen veroorzaken en goed functioneren ondanks de aanwezigheid van elektromagnetische interferentie.

2. EMC en Frequentieregelaars

Frequentieregelaars en EMI (Elektromagnetische Interferentie):
Frequentieregelaars, die spanningen schakelen met hoge snelheden (duizenden V/µs) en hoge amplitudes (500-1000 V), kunnen aanzienlijke elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken. Dit komt door de snelle schakeling van de spanningsomvormers in de regelaar, wat resulteert in scherpe stijg- en daaltijden van de uitgangsspanning. Deze schakelingen kunnen interferentie verspreiden via parasitaire capaciteiten naar aarde, vooral in de motor- en motorkabels.

Emissiemarge en Immuniteitsmarge:

Emissiemarge: Het vermogen van een frequentieregelaar om de uitgestraalde elektromagnetische energie (EMI) binnen aanvaardbare grenzen te houden.
Immuniteitsmarge: Het vermogen van de frequentieregelaar om goed te blijven functioneren ondanks de aanwezigheid van EMI van externe bronnen.

Het compatibiliteitstekort verwijst naar het verschil tussen de emissiemarge en de immuniteitsmarge.

Bron van Interferentie:
De belangrijkste bron van EMI in een frequentieregelaar is de spanningsbroninverter die een pulsvormige uitgangsspanning genereert met korte stijg- en daaltijden. Deze spanning kan via parasitaire capaciteiten naar aarde lekken, wat resulteert in een common-modestroom. Deze stroom moet via het retourpad naar de DC-tussenkring van de frequentieregelaar terugkeren om verdere interferentie te voorkomen.

Beheersing van Common-Mode Stroom:
Common-mode condensatoren (Ccm) worden gebruikt om de common-modestroom te controleren. Deze condensatoren bevinden zich in het RFI-circuit (Ccm1) of als ontkoppelingscondensatoren in de DC-tussenkring (Ccm2). Als de motor- en frequentiekabels goed afgeschermd zijn, kan de common-modestroom via deze condensatoren naar de DC-tussenkring terugkeren. Bij niet-afgeschermde kabels kan echter meer interferentie naar het net vloeien, wat ongewenst is. Om dit te minimaliseren, worden RFI-filters gebruikt.

Immuniteit van Frequentieregelaars:
Frequentieregelaars moeten niet alleen emissie beperken, maar ook bestand zijn tegen verstoringen. Stuursignalen, zoals analoge signalen, zijn bijzonder gevoelig voor interferentie. Digitale signalen (zoals buscommunicatie) zijn minder gevoelig voor EMI. Als analoge signalen noodzakelijk zijn, wordt aanbevolen om een 4-20 mA stroomsignaal te gebruiken in plaats van een 0-10 V spanningsreferentie, omdat stroomsignalen minder gevoelig zijn voor verstoringen.

Samengevat, frequentieregelaars kunnen aanzienlijke EMI veroorzaken door de snelle schakeling van de spanning. Om interferentie te beheersen, moeten de juiste maatregelen worden genomen, zoals het gebruik van afgeschermde kabels, common-mode condensatoren, en RFI-filters. Daarnaast is het essentieel om de immuniteit van de apparatuur te waarborgen, vooral bij gevoelige stuursignalen.

3. Aarding en Afscherming in EMC

Aarding
Aarding is het aansluiten van elektrische apparatuur op een gemeenschappelijke referentiemassa (de aarde) en heeft twee belangrijke doelen:

Elektrische veiligheid: Het voorkomt dat er gevaarlijke spanningen op het apparaat staan wanneer de elektrische isolatie wordt aangetast, waardoor het risico op elektrische schokken wordt vermeden.
Beperking van interferentie: Het minimaliseert spanningsverschillen die kunnen leiden tot de emissie van storende signalen of gevoeligheidsproblemen.

Er zijn verschillende typen aarding, zoals eenpuntsaarding, serie- of parallelaarding, en meerpuntsaarding. Het belangrijkste doel bij het aarden is een lage impedantie van de aardverbinding te garanderen, zodat de apparatuur goed kan worden vereffend en interferentie kan worden verminderd.

Afscherming
Afscherming wordt gebruikt om zowel immuniteit (bescherming tegen externe interferentie) als emissie (het voorkomen van het uitzenden van interferentie) te verbeteren. In toepassingen zoals frequentieregelaars wordt afscherming toegepast op zowel krachtkabels (zoals motorkabels en remweerstandkabels) als signaalkabels (zoals analoge en digitale referentiesignalen, buscommunicatie).

De effectiviteit van de afscherming wordt aangeduid met de overdrachtsimpedantie (ZT), die de verhouding weergeeft tussen de stroom op het oppervlak van de afscherming en de spanningsval die door deze stroom wordt veroorzaakt. Hoe lager de overdrachtsimpedantie, hoe beter de afschermingsprestaties. Typische kabels voor afscherming zijn onder andere:

Enkellaags gevlochten koperdraad, dat een goede balans biedt tussen kosten en afschermingsprestaties.
Dubbellaags gevlochten koperdraad met een hoogdoorlaatbare middenlaag voor betere afscherming.

Een correcte aansluiting van de afscherming is essentieel om de afschermingsprestaties te behouden. Het gebruik van 360°-aansluitingen zorgt voor een goede geleiding van de afscherming naar de aardverbinding, terwijl het gebruik van pigtails (kleine draadverbindingen) de afschermingseffectiviteit vermindert.

Afscherming aan één of beide uiteinden:
In sommige gevallen wordt de afscherming slechts aan één uiteinde van de kabel aangesloten, maar dit kan interferentieproblemen veroorzaken. Het beste resultaat wordt behaald door de afscherming aan beide uiteinden goed aan te sluiten. Dit voorkomt aardlussen, wat kan leiden tot verstoring van het signaal (bijvoorbeeld “brom” in audioapparatuur).

Om aardlussen te vermijden, kan een condensator van 100 nF worden gebruikt om de aardlus bij lage frequenties (50/60 Hz) te onderbreken, terwijl de afscherming bij hogere frequenties effectief blijft. Sommige apparatuur is al voorzien van dergelijke condensatoren.

Belangrijke aandachtspunten voor kabelafscherming:

Aarding van kabelafscherming: Stuur- en seriële communicatiekabels moeten aan beide uiteinden worden geaard om interferentie te minimaliseren.
Vermijd pigtailverbindingen: Aansluitingen via pigtails verhogen de overdrachtsimpedantie en verminderen de effectiviteit van de afscherming.
Controle van aardpotentiaal: Meet de spanning tussen de aardpunten van verschillende apparaten, zoals een frequentieregelaar en PLC, om eventuele aardlussen te identificeren.

Installatie van kabelafscherming:

Het gebruik van een vereffeningskabel kan helpen om aardstromen die door de afscherming vloeien te beheersen.
Als er interferentie optreedt, kan het gebruik van een afschermingsaansluitklem met RC-ontkoppeling (weerstand-capaciteit) een oplossing zijn.

Samengevat, een goede aarding en afscherming zijn essentieel voor het beperken van elektromagnetische interferentie en het waarborgen van de veiligheid en prestaties van elektrische apparatuur. Aarding moet altijd prioriteit krijgen boven EMC-maatregelen, en de afscherming moet correct worden geïnstalleerd om de effectiviteit te maximaliseren.

4. Installaties met Frequentieregelaars en EMC

Bij het installeren van frequentieregelaars is het cruciaal om goede technische werkpraktijken te volgen om de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te waarborgen. Dit kan worden bereikt door een gestructureerd EMC-plan op te stellen, dat gebaseerd is op de volgende stappen:

Opstellen van een lijst met componenten, apparatuur en zones: Identificeer alle betrokken onderdelen in de installatie, inclusief de apparatuur en de verschillende zones waarin deze opereren.
Verdeel de componenten in bronnen van verstoringen en gevoelige apparatuur:
- Bronnen van verstoring: Apparatuur die EMI (elektromagnetische interferentie) genereert, zoals de frequentieregelaars zelf.
- Gevoelige apparatuur: Apparaten die gevoelig zijn voor EMI, zoals sensoren, besturingssystemen of communicatienetwerken.
Classificeren van de kabels: Bepaal of de kabels potentieel verstorende bronnen (zoals motorkabels of krachtkabels) of gevoelige signaaldraden zijn (zoals communicatie- of stuurkabels). Dit helpt om te zorgen voor een correcte indeling en afscherming van kabels.
Bepaal de vereisten en selecteer de apparatuur: Kies apparatuur die geschikt is voor de omgeving en de EMC-eisen. Dit omvat bijvoorbeeld het kiezen van afgeschermde kabels, RFI-filters of geschikte aardingsmethoden.
Scheiding van bronnen van verstoring en gevoelige apparatuur: Zorg ervoor dat de apparatuur die interferentie veroorzaakt, fysiek en elektrisch gescheiden is van de apparatuur die gevoelig is voor verstoringen. Dit kan bijvoorbeeld door middel van scheidingsplaten, afschermingen of het gebruik van fysieke afstand.
Regelen van interfaces tussen verstoringsbronnen en gevoelige apparatuur: Behandel de interfaces waar verstorende signalen kunnen overspringen naar gevoelige apparatuur. Dit kan onder andere door het gebruik van filters, afscherming en juiste aardingsmethoden.
Leg kabels aan overeenkomstig de classificatie: Installeer kabels op een manier die rekening houdt met hun classificatie (of ze verstoringen veroorzaken of gevoelig zijn voor verstoringen). Gebruik bijvoorbeeld afgeschermde kabels voor signaalkabels en zorg ervoor dat krachtkabels niet te dicht bij gevoelige signalen komen.

Conclusie:

Een goed EMC-plan is essentieel voor het minimaliseren van elektromagnetische interferentie bij het installeren van frequentieregelaars. Dit plan helpt bij het selecteren van de juiste apparatuur, het scheiden van verstorende bronnen van gevoelige apparatuur, en het correct installeren van kabels en interfaces. Door deze stappen te volgen, kan de elektromagnetische compatibiliteit van de installatie gewaarborgd worden, wat leidt tot een efficiënte en betrouwbare werking van de apparatuur.

5. Uitgangsfilters in frequentieregelaars

Regelaars met variabel toerental kunnen ongewenste neveneffecten veroorzaken, zoals isolatiespanning op motorwikkelingen, lagerbelasting, geluidsoverlast in de motor en elektromagnetische interferentie. In de meeste gevallen zijn deze effecten acceptabel, maar soms is het nodig om ze te beperken. Dit gebeurt door het gebruik van filters aan de uitgang van de regelaar. De belangrijkste types filters zijn dU/dt-filters, sinusfilters en common-modefilters.

dU/dt-filters
- dU/dt-filters zijn doorgaans LC-filters (soms met dempingsweerstand) die de stijgsnelheid van de spanningspulsen beperken tot niveaus onder 500 V/µs. Dit voorkomt schade aan de isolatie van de motorwikkelingen.
- Ze helpen voldoen aan internationale normen (zoals IEC en NEMA) die grenzen stellen aan de stijgtijd en piekspanning.
- Deze filters zijn vooral nuttig voor oudere motoren met slechte isolatie of in toepassingen met een voedingsspanning van 690 V. Bij korte kabels kunnen ze effectief zijn, maar bij lange kabels is het filter meestal niet nodig omdat de kabel zelf als filter fungeert.
Sinusfilters
- Sinusfilters zijn LC-laagdoorlaatfilters die hoogfrequente componenten van de uitgangsspanning van de frequentieregelaar elimineren, waardoor een bijna perfecte sinusgolf ontstaat.
- Ze zorgen voor een spanningsbelasting die vergelijkbaar is met netspanning (DOL) en zijn bijzonder geschikt voor oude motoren die niet ontworpen zijn voor gebruik met frequentieregelaars.
- Sinusfilters elimineren lagerstromen, spanningsreflecties en verminderen het geluidsniveau van de motor. Ze zijn echter duurder dan dU/dt-filters, omdat ze meer inductantie en capaciteit vereisen. Ze kunnen ook de spanning met 7-10% verlagen, wat betekent dat de uitgangsspanning van de regelaar mogelijk verhoogd moet worden.
Common-modefilters
- Common-modefilters worden gebruikt om common-mode stromen te beperken (lager- en aardstromen), maar bieden geen significante filtering van de dU/dt.
- Ze worden vaak gemaakt van ferrietmaterialen en worden op kabels geplaatst om de inductantie te verhogen, wat helpt bij het blokkeren van common-mode interferentie.
- Deze filters hebben geen invloed op de differentiële stroom, maar verhogen de impedantie van common-mode stromen, wat elektromagnetische interferentie kan verminderen. Ze moeten direct na de uitgang van de regelaar worden geïnstalleerd en alleen op de fasegeleiders.

Kortom, elk type filter heeft zijn eigen toepassingen en voordelen afhankelijk van de aard van de motor en de installatie, evenals de mate van interferentie die beperkt moet worden.

6. Elektrische lagerbelasting en lagerschade

Elektrische lagerbelasting (EDM)
Wanneer een motor draait, wordt de stator van de rotor geïsoleerd door een dunne laag smeermiddel in de lagers, die voorkomt dat elektrische spanning zich over de lagers verspreidt. Als de spanning echter te hoog is, bijvoorbeeld door de hoge schakelsnelheid van de uitgangsspanning van een frequentieregelaar (dU/dt) of door common-modespanning, kan de isolatielaag in de lagers falen, wat leidt tot elektrische ontladingen. Deze ontladingen veroorzaken microscopische putjes op de loopvlakken van de lagers, wat bekend staat als vonkverspanen (Electrical Discharge Machining – EDM). Dit verschijnsel is een steeds grotere zorg door het toenemende gebruik van regelaars met variabel toerental.

Er zijn twee hoofdoorzaken voor elektrische spanning op de motoras:

Capacitieve koppeling: veroorzaakt door de hoge dU/dt tussen de statorwikkelingen en de rotor.

Inductieve koppeling: door de magnetische interactie tussen de stromen in de stator en de rotor.

Lagerschade door EDM
Wanneer lagers worden aangetast door elektrische ontladingen, is er vaak een karakteristiek golfpatroon zichtbaar op het lageroppervlak. Electronenmicroscopische beelden tonen de microscopische putjes die ontstaan door de ontladingen. Het is belangrijk om de onderliggende oorzaak van de schade vast te stellen voordat corrigerende maatregelen worden genomen. Lagerschade kan zowel mechanisch (zoals onjuiste belasting) als elektrisch zijn. Mechanische schade kan door elektrische ontladingen verergerd worden.

Diagnose van lagerschade

Visuele inspectie en elektronenmicroscopie van het lager kunnen de oorzaak helpen identificeren.
Mechanische oorzaken kunnen bijvoorbeeld onjuiste axiale belasting zijn, terwijl elektrische oorzaken te maken hebben met een te hoge spanning of ontladingen die het lager beschadigen.

Oplossingen voor lagerschade

Mechanische maatregelen:

Correcte uitlijning van de motor en belasting.
Controle van trillingen en smering van het lager.
Beperk de mechanische belasting binnen de specificaties van de lager.

Elektrische maatregelen:

Laag-impedantie retourpad voor hoge frequentie stromen.
Afschermde kabels tussen de regelaar en de motor.
Goede aarding van de motor en het systeem, met lage impedantie voor hoge frequentie stromen.
Gebruik van asaardingsborstels om asspanning te elimineren.
Common-modefilters voor het beperken van hoge frequentie stromen tussen de regelaar en de motor. Deze filters zijn effectief, maar vereisen een correcte installatie. Ze kunnen zowel bij de klemmen van de regelaar als in de klemmenkast van de motor worden geplaatst. Het voordeel van plaatsing bij de motor is dat het risico op verzadiging van de kernen wordt verminderd, terwijl plaatsing bij de regelaar de elektromagnetische verstoring in de kabels kan beperken.

Conclusie
Om de levensduur van motorlagers te verlengen en elektrische lagerbelasting (EDM) te verminderen, moeten zowel mechanische als elektrische oorzaken van lagerschade worden aangepakt. Dit vereist een combinatie van goede motoruitlijning, juiste smering en effectieve filtertechnologieën zoals common-modefilters en geschikte aarding.

7. Europese EMC-richtlijn en EMC-normen:

Europese EMC-richtlijn (2014/30/EU)

De EMC-richtlijn 2014/30/EU is de wetgeving die de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van producten binnen de Europese Unie reguleert. De richtlijn trad in werking op 20 april 2016 en verving de eerdere 2004/108/EG richtlijn. De richtlijn zelf bevat geen specifieke technische eisen, maar stelt twee hoofdeisen:

Beperk de emissie van ongewenste elektromagnetische interferentie door producten.
Immuniteit tegen een redelijke hoeveelheid externe interferentie om de juiste werking van het product te waarborgen.

Producten kunnen voldoen aan de EMC-richtlijn door geharmoniseerde normen toe te passen. Als een product voldoet aan de EMC-eisen en andere relevante richtlijnen (zoals de laagspanningsrichtlijn – LVD), kan het worden voorzien van de CE-markering en wordt het opgenomen in de Conformiteitsverklaring van de fabrikant.

De richtlijn is van toepassing op twee soorten toepassingen:

Apparaat: Een afgewerkt product bedoeld voor de eindgebruiker, zoals motoren of regelaars, die aan de EMC-eisen moeten voldoen en dus de CE-markering krijgen.
Vaste installatie: Een combinatie van apparaten die permanent is geïnstalleerd op een locatie. Deze worden niet voorzien van een CE-markering, maar moeten wel voldoen aan de “goede technologische praktijken”.

EMC-normen

EMC-normen zijn onderverdeeld in verschillende categorieën, afhankelijk van het type product en de omgeving waarin het wordt gebruikt:

Basisnormen: Algemene normen die betrekking hebben op testopstellingen, meetmethoden en emissielimieten, zoals EN 55011, die vaak wordt toegepast voor toerenregelaars.
Algemene normen: Deze normen dekken specifieke omgevingen en zijn bedoeld om productnormen te ondersteunen. Enkele belangrijke normen zijn:
- EN 61000-6-1: Immuniteitsnorm voor huishoudelijke, commerciële en lichtindustriële omgevingen.
- EN 61000-6-3: Emissienorm voor huishoudelijke, commerciële en lichtindustriële omgevingen.
- EN 61000-6-2: Immuniteitsnorm voor industriële omgevingen.
- EN 61000-6-4: Emissienorm voor industriële omgevingen.
Productnormen: Specifieke normen voor een bepaald type product. Voor frequentieregelaars is de norm EN-IEC 61800-3 van toepassing. Deze norm definieert zowel de emissielimieten als de immuniteitsniveaus op basis van de omgeving waarin de frequentieregelaar wordt gebruikt (bijvoorbeeld huishoudelijke of industriële omgeving).

Toepassing van EMC-normen voor Frequentieregelaars (EN/IEC 61800-3)

De EN/IEC 61800-3 norm voor frequentieregelaars specificeert:

Emissielimieten (hoeveel elektromagnetische interferentie een product mag uitstralen).
Immuniteitsniveaus (hoeveel interferentie een product moet kunnen verdragen zonder dat de werking wordt aangetast).

De normen zijn afhankelijk van de omgeving:

Huishoudelijke omgeving: Strengere emissielimieten en minder strenge immuniteitsniveaus. Voor deze omgeving geldt categorie C1, klasse B, met EN 61000-6-3 voor emissie en EN 61000-6-1 voor immuniteit.
Industriële omgeving: Minder strenge emissielimieten en hogere immuniteitsniveaus. Dit geldt voor producten in categorie C2 en C3, met klasse A en EN 61000-6-4 voor emissie en EN 61000-6-2 voor immuniteit.

De normen voor regelaars en frequentieregelaars bepalen ook de classificatie en de eisen die afhankelijk zijn van de vermogen en toepassing:

Cat. C1 en C2 zijn geschikt voor gebruik in huishoudens en lichte industriële omgevingen.
Cat. C3 en Cat. C4 zijn geschikt voor industriële omgevingen, met hogere vermogenstoepassingen waarvoor mogelijk EMC-plannen moeten worden opgesteld om aan de eisen te voldoen.

Tabel EMC-emissienormen voor Regelaars

Omgeving	EN/IEC 61800-3	EN 55011	EN 61000
Woonhuizen, handel, lichte industrie	Cat. C1	Klasse B	EN 61000-6-3
Industrieel	Cat. C2 (tot 20 kVA), Cat. C3 (>100 A)	Klasse A	EN 61000-6-4
Zware industrie	Cat. C4 (zeer hoge vermogens)	Geen emissiegrenzen	EMC-plan vereist

Samenvattend:
De EMC-richtlijn 2014/30/EU verplicht fabrikanten om hun producten te ontwerpen en te testen volgens gestandaardiseerde EMC-normen. Deze normen helpen ervoor te zorgen dat producten geen ongewenste elektromagnetische interferentie veroorzaken en zelf bestand zijn tegen een redelijke hoeveelheid interferentie. De normen zijn afhankelijk van de productcategorie (bijvoorbeeld huishoudelijk, industrieel) en de specifieke toepassing van de technologie.