Innovation från LAPP: Ny kabeldesign minskar läckströmmar

Idag styrs elmotorer inom processautomation uteslutande med hjälp av frekvensomriktare. Förutom fördelen med variabelt varvtal erbjuder denna typ av styrning betydligt bättre energi- och processeffektivitet. På grund av varvtalsregleringen uppstår emellertid oönskade sidoeffekter, som läckströmmar. Ju fler komponenter som är inblandade, desto större är risken för sådana störningar. Samtidigt blir installationsutrymmet i maskiner och system mindre och mindre. För att undvika dyra produktionsstopp i den smarta fabriken är det därför bäst att redan på planeringsstadiet behandla frågan om EMC.

Som en del av forskningsprojektet ”PEPA”, som drivs av German Federal Ministry of Economics and Climate Protection, har LAPP nyligen visat hur störningar i anslutningslösningar praktiskt taget kan elimineras. Förutom LAPP deltar SEW-EURODRIVE, BLOCK, Danfoss, MAGNETEC och Technical University of Darmstadt i projektet. LAPP leder projektgrupp 4: Kopplingar mellan angränsande kablar och andra komponenter – Mätningar och optimeringar av kabeldesign. Syftet med arbetspaketet är att främja företagsgemensam forskning på komplexa frågor inom automationsvärlden, där rätt val av anslutningskomponenter och professionell installation är särskilt viktigt.

Typiskt spektrum av läckande strömmar uppmätta på skyddsjord och potentialutjämningsledare.

Föremål för undersökningen var frågan varför oönskade strömmar ofta förekommer i potentialutjämningsledare (PA) eller skyddsledare (PE) i industrianläggningar där frekvensstyrda motorer används. På grund av den klockade styrningen (pulsbreddsmodulering) skapas störningsströmmar i frekvensområdet 3 kHz till 1 MHz. Dessa går via byggnadsstommen, PA/PE-ledarnätet och i värsta fall via datakablarnas skärmar i riktning mot jordpotentialen eller till källan. Högfrekventa utjämningsströmmar med amplituden 10 A eller mer är inte ovanliga. Följden är otillåtet höga strömmar i skyddsjorden och därmed förmodligen felaktig utlösning av jordfelsbrytarna (RCD), eller försämring av datakommunikationen om utjämningsströmmarna till exempel tar vägen via kopparskärmen på en datakabel. Dessa fel är svåra att hitta eftersom de inte följer ett systematiskt tillvägagångssätt. LAPP har därför satt som mål att själva undersöka de fysiska kopplingsmekanismerna i motoranslutningskablar och utifrån det utveckla en ny typ av kabeldesign.

Resultatet av denna utveckling är zeroCM^®-tekniken.

Upprinnelsen till innovationen var att sätta den befintliga kabeltekniken på prov. Tidigare utföranden tenderade att trimmas mot mindre ytterdiametrar och optisk symmetri. Fram till dess löstes problemet med EMC alltid med skärmning. LAPP valde en annan strategi med zeroCM^®-tekniken. Kabeln är visuellt asymmetrisk, men 100% elektromagnetisk symmetri uppnås. I slutändan innebär det att ännu mindre skärmning krävs.

Hemligheten med zeroCM^®-tekniken är en speciell, innovativ tvinningsteknik. Trefasledare är arrangerade symmetriskt och tvinnade i ett inre lager. Dessutom finns det minst en skyddsledare i ett yttre lager med motsatt tvinningsriktning runt trefasledarna med en speciell slaglängd. Ledarnas isolering är kapacitansoptimerad och består av polyeten, polypropen eller en skummad variant. Mellan det inre och det yttre lagret finns en separerande textil (fleece). Denna design uppnår en perfekt elektrisk symmetri som minskar den magnetiska strålningen och i hög grad reducerar inducerade läckströmmar. Den första prototypkabeln med ny design är ÖLFLEX^® SERVO FD zeroCM. Den är särskilt lämplig för användning tillsammans med frekvensomriktare.

Effektiviteten hos den nya ÖLFLEX^® SERVO FD zeroCM-kabeln bekräftades i de test setups som genomfördes som en del av forskningsprojektet PEPA. Förutom att undersöka en EMC-optimerad installation av komponenter utvärderades bland annat kablarna mellan frekvensomrikaren och drivstegets roll. Som jämförelse valdes en identisk test setup med ett drivsystem med potentialutjämning och parallell signallinje (ProfiNet). En skärmad standardkabel i PVC, en servokabel med låg kapacitans, en symmetrisk motorkabel med tre skyddsledare och den nya zeroCM^®-kabeln med optimerad struktur jämfördes. Resultaten var tydliga. De bästa värdena när det gäller läckströmmar vid omriktarutgången uppnåddes med zeroCM^®-kabelns lågkapacitiva design. De läckande strömmarna utgör en extra belastning för frekvensomriktaren och alla ingående komponenter och bör därför hållas så låga som möjligt.

Vidare undersöktes störningsströmmen i en parallell signalledning. Även här gynnade användningen av zeroCM^®-kabeln uppkomst av lägsta möjliga störningsströmmar. Undersökningarna resulterade också i tydliga rekommendationer för en EMC-optimal installation av frekvensomriktare, som till exempel låg impedans, RF-kompatibilitet, obruten potentialutjämning mellan frekvensomriktaren och drivenheten. Skärmens anslutning med EMC-kompatibla förskruvningar eller platt skärmanslutning, som hos de SKINTOP^® BRUSH EMC-förskruvningar som användes, är av stor betydelse här.

Läckande strömmar (rms och maxnivå) uppmätt vid frekvensomriktarutgången för en 4 kW-drivenhet och 50 m kabellängd.

Sammanfattningsvis eliminerar zeroCM^®-tekniken inte orsaken till EMC-störning, men den åtgärdar en av de viktiga punkter där störningar introduceras i systemmiljön. För det första möjliggör den nya kabeldesignen minskade utjämningsströmmar med upp till 80% vid frekvensomriktarutgången och i parallella linjer som datakablar. För det andra säkerställer de reducerade kabelladdningsströmmarna en lägre belastning på och i själva omriktaren. Det går till exempel att lägga längre kabellängder utan att använda frekvensomriktaren utanför dess (EMC)-specifikationer. zeroCM^®-tekniken förhindrar dessutom förekomsten av spänningsnivåer på jordpotentialen (jordspänning) på förbrukarsidan. Det är särskilt viktigt när till exempel känslig sensorteknik som analoga encoders används.

Även om den nya kabeln kan verka främmande när den installeras för första gången är förläggningen lika enkel som vanligt, eller till och med enklare jämfört med symmetriska kablar med splittade jordledare (3+3). Vårt mål är nu att skapa ett sortiment med zeroCM^®-teknik, och hybridkablar står näst på tur.

Mätkurvan visar störningsemission för en frekvensomriktare enligt DIN EN IEC 61800-3 och förbättringen när en zeroCM^® servokabel används.