Innovation fra LAPP: Nyt kabeldesign reducerer interferensstrømme

I dag drives elmotorer i procesautomatisering udelukkende ved hjælp af frekvensomformere. Ud over fordelen ved variabel hastighed tilbyder denne type styring betydelige forbedringer med hensyn til energi og proceseffektivitet. På grund af styringsprincippet opstår der dog uønskede bivirkninger i form af lækstrømme. Jo flere komponenter der er involveret, desto større er risikoen for sådanne forstyrrelser. Samtidig bliver installationspladserne i maskiner og systemer mindre og mindre. For at undgå dyre produktionsstop i fabrikken er det derfor bedst at overveje EMC allerede i planlægningsfasen.

Som en del af det det tyske forskningsprojekt ”PEPA” fra Forbundsministeriet for økonomi og klimabeskyttelse har LAPP netop demonstreret, hvordan interferens i forbindelsesløsninger praktisk talt kan elimineres. Foruden LAPP er virksomhederne SEW-EURODRIVE, BLOCK, Danfoss, MAGNETEC og det Tekniske Universitet i Darmstadt involveret i projektet. I projektet leder LAPP arbejdspakke 4: Koblinger mellem nabokabler samt med anlægskomponenter; Målinger og optimeringer af kabeldesignet. Formålet med denne arbejdspakke er at fremme tværgående forskning om et komplekst emne fra automations-/drevverdenen, hvor det korrekte valg af tilslutningskomponenter og deres professionelle installation er særligt vigtigt.

Typisk spektrum af lækstrømme målt på beskyttelseskabler til jord og ækvipotentialforbindelsesledere.

Emnet for undersøgelsen er spørgsmålet om, hvorfor der meget ofte opstår uønskede strømme på potentialudligningsledningerne (PA) eller beskyttelsesledninger til jord (PE) i industrianlæg, hvor der anvendes frekvensomformerstyrede motorer. På grund af tidsstyringen (pulsbreddemodulation) udledes interferensstrømme i området omkring 3 kHz til 1 MHz, som strømmer ud via forskellige dele, PA/PE ledere/netværk og i værste fald via afskærmningen af datalinjer i retning af jordpotentialet eller til kilden. Højfrekvente udligningsstrømme med en signalstyrke på 10 A eller mere er ikke ualmindeligt. Konsekvenserne er ofte utilladelige høje strømme på beskyttelsen og dermed formodet fejludløsning af fejlstrømsafbrydere (RCD) eller forringelse af datakommunikationen, hvis udligningsstrømmene f.eks. løber over kobberskærmen på en dataledning. Disse fejl er svære at finde, fordi de ikke følger en systematisk tilgang. LAPP har derfor sat sig som mål, at undersøge de fysiske koblingsmekanismer inden for motortilslutningskabler og udlede en ny type kabeldesign heraf.

Resultatet af denne udvikling er zeroCM^®-teknologi.

Oprindelsen til innovationen var at sætte status quo inden for kabelteknologi på prøve: Tidligere designs havde en tendens til at blive trimmet til små ydre diametre og optisk symmetri. Indtil da blev problemet med EMC altid løst ved afskærmning. LAPP tog en anden tilgang med zeroCM^®-teknologi: Kablet er visuelt asymmetrisk, men der opnås 100 % elektromagnetisk symmetri. I sidste ende betyder det, at der kræves endnu mindre afskærmning.

Hemmeligheden bag zeroCM^®-teknologien er en speciel, innovativ strandingsteknik: Trefaseledere er arrangeret symmetrisk og snoet i et indre lag. Derudover er mindst én beskyttelsesleder trådet i et ydre lag med modsat trådretning rundt om de tre faseledere i et specifikt målestoksforhold. Ledernes isolering er kapacitansoptimeret og består af polyethylen, polypropylen eller en opskummet variant. Mellem det inderste lag og det ydre lag er der et adskillende stof. Dette design opnår perfekt elektrisk symmetri, som reducerer magnetisk stråling og i høj grad reducerer interne koblinger. Det første prototypekabel med et nyt kabeldesign er ÖLFLEX^® SERVO FD zeroCM. Den er især velegnet til brug i forbindelse med frekvensomformere.

Effektiviteten af det nye ÖLFLEX^® SERVO FD zeroCM-kabel blev bekræftet i testopsætninger hos projektpartnerne som en del af PEPA-forskningsprojektet. Udover at undersøge en EMC-optimeret installation af komponenter, blev udgangslinjens funktion blandt andet evalueret. Til sammenligning blev der valgt en identisk testopsætning med et drivsystem med potentialudligning samt parallel signalledning (ProfiNet). Et skærmet PVC-isoleret standardkabel, et servokabel med lav kapacitans, et symmetrisk motorkabel med tre beskyttelsesledere og det nye zeroCM^®-kabel med optimeret struktur blev sammenlignet. Resultaterne var klare. De bedste værdier med hensyn til lækstrøm ved omformerens udgang blev opnået med et design med lav kapacitans af zeroCM®-kablet. De genererede lækstrømme repræsenterer en ekstra belastning for frekvensomformeren og alle involverede komponenter og bør derfor holdes så lavt som muligt.

Desuden blev interferensstrømmen, der løber via en parallel signalledning, undersøgt: Også her favoriserer brugen af zeroCM®-kablet udtrykket af de lavest mulige interferensstrømme. Undersøgelserne hos projektpartnerne resulterede også i klare anbefalinger til den EMC-optimale installation af frekvensomformere, såsom en lavimpedans, RF-kompatibel og kontinuerlig potentialudligning mellem frekvensomformeren og motoren. Afskærmningsforbindelsen med EMC-kompatible stik eller fladskærmsforbindelse, som f.eks. med SKINTOP^® BRUSH EMC kabelforskruninger, er af stor betydning her.

Lækstrøm (rms og maksimalt niveau) målt ved frekvensomformerens udgang for et 4 kW drev og 50 m kabellængde.

Sammenfattende eliminerer zeroCM^®-teknologi ikke årsagen til EMC-interferens, men den adresserer netop et af de væsentlige punkter, hvor interferens introduceres i systemmiljøet. Dels gør det nye kabeldesign det muligt at reducere udligningsstrømmene med op til 80% ved frekvensomformerens udgang og på parallelle veje såsom datalinjer, og dels sikrer reducerede kabel-ladestrømme reduceret belastning på og i selve frekvensinverteren: For eksempel kan længere kabler lægges uden at frekvensomformeren kommer uden for dens EMC-specifikationer. Foruden ovenstående forhindrer zeroCM^®-teknologien forekomsten af spændingsniveauer på grund-/jordpotentialet (jordspænding) på forbrugersiden. Dette er især vigtigt, når der f.eks. anvendes følsom sensorteknologi som fx analoge encodere.

Selvom det nye kabel kan virke anderledes, når det først samles, så forbliver kabelføringen så enkel som normalt. Indsatsen er endda reduceret sammenlignet med jordsymmetriske kabler med en tredjedel af beskyttelseslederen. LAPPs mål er nu at udstyre en portefølje med zeroCM^®-teknologi og hybridkabler er det næste.

Målekurven viser ledet interferensemission af en frekvensomformer i henhold til DIN EN IEC 61800-3 og forbedringen, når der anvendes et zeroCM^® servokabel.