Skärmad kabel och anslutningssystem med EMC-skydd i industriella applikationer

Numera är det svårt att hitta eller förverkliga en produkt eller en industrianläggning utan modern kabelteknik. Överallt talar folk om Industri 4.0, Big Data och helautomatiserade processer.

Delar av dessa processer hanteras eller styrs sedan av frekvensomvandlare, transformatorer, elektriska omkopplare och kommunikationsenheter.

Sådana växlingsprocesser medför dock alltid risk för funktionsstörningar. Det kräver precision och val av rätt komponenter för att maskinen ska fungera problemfritt.

Målet är att se till att alla processer fungerar smidigt och felfritt. Det som i bästa fall bara är irriterande i form av störningar på radion kan under vissa omständigheter få mycket mer dramatiska konsekvenser i form av ett systemfel i samband med medicinsk teknik.

Det är anledningen till att det krävs en allt större säkerhet mot elektromagnetiska störningar i industriella miljöer – den så kallade elektromagnetiska kompatibiliteten (EMC).

En elektromagnetisk störning kommer alltid från en störningskälla. Det kan vara en utrustning som bär en stor ström, till exempel en frekvensstyrd motor eller en kabel.

Störningskällan påverkar omgivande utrustning, den så kallade störningsmottagaren. Mottagaren kan till exempel vara en sensor eller en datakabel.

Kopplingsmekanismen däremellan orsakar störningarna. Den är uppdelad i fyra olika kopplingstyper:

• Ledande koppling (Conductive coupling)
  Störningskällan och störningsreceptorn är sammankopplade, till exempel med en gemensam jordledare. En störningsström via den gemensamma jordledaren orsakar elektromagnetiska störningar.
• Kapacitiv koppling (Capacitive coupling)
  Källan och mottagaren är nära varandra, men inte fysiskt anslutna. Vid kapacitiv koppling orsakas den elektromagnetiska störningen (EMI) av det elektriska fältet.
• Induktiv koppling (Inductive coupling)
  Vid induktiv koppling är källan och receptorn nära varandra, men inte anslutna. Här orsakas störningarna av magnetfältet.
• Strålande koppling (Radiative coupling)
  Strålande koppling uppstår vanligtvis när källan och mottagaren är långt från varandra, och ledarna fungerar som antenner, vilket orsakar störningar genom elektromagnetisk strålning.

I praktiken är det oftast en blandning av dessa fyra kopplingsmekanismer som måste elimineras, till exempel genom att använda skärmade kablar.

I artikel 3 i EMC-direktivet 2014/30/EU definieras elektromagnetisk kompatibilitet som:

”[...] en utrustnings förmåga att fungera tillfredsställande i sin elektromagnetiska miljö utan att orsaka elektromagnetiska störningar (EMI) som skulle vara oacceptabla för annan utrustning som finns i den miljön."

Enligt denna definition har elektromagnetisk kompatibilitet två huvudaspekter:

• Utrustningen ska inte orsaka elektromagnetiska störningar.
• Utrustningen bör inte störas elektromagnetiskt av sin omgivning.

EMC-skyddet mäts och specificeras med hjälp av kopplingsimpedansen [mΩ/m] och/eller skärmningseffektiviteten [dB]. Kablarnas kopplingsimpedans specificeras vanligtvis vid en definierad frekvens på 30 MHz. För höga frekvenser över 50 MHz används dock skärmningseffektiviteten.

Kopplingsimpedans och skärmningseffektivitet kan inte beräknas. Det innebär att värdena endast kan bestämmas genom mätningar. Den triaxiella skärmningsmätning som definieras i standarden EN 50289-1-6 används för att bestämma värdena.

Enligt definitionen av lagen om utrustningens elektromagnetiska kompatibilitet räknas kablar och kontaktdon som "komponenter utan direkt funktion". Dessa komponenter omfattas inte av EMC-direktivet 2014/30/EU och får därför ingen CE-märkning avseende EMC-direktivet.

De CE-märkningar som du ändå hittar på LAPPs produkter hänvisar bland annat till bevis på CE-överensstämmelse enligt lågspänningsdirektivet, RoHS och CPR CE.

Kablar och kontaktdon nämns därför sällan i EMC-direktivet. För dessa komponenter gäller därför ofta särskilda och i första hand normativa EMC-krav, såsom konstruktionsstandarden DIN EN 50525-2-51:2012.

Denna standard kräver bevis på överensstämmelse med en minsta effektivitet hos kopparskärmen för skärmad konstruktion av kablar. Denna verkningsgrad kartläggs via den kopplingsimpedans som nämns ovan.

Normativt betecknas de skärmade versionerna med identifieraren H05VVC4V5-K. Följande kablar finns i produktportföljen från LAPP:

• ÖLFLEX^® 140 CY
• ÖLFLEX^® 150 CY

Tips! I artikelsökningen hittar du även alla skärmade kabelutföranden med standardbeteckningen "H05VVC4V5-K".

Där elmotorer, switchar och kablar används för kraftöverföring orsakar de elektromagnetiska störningar. EMI kan ha en negativ inverkan på datakablar, sensorer och liknande utrustning.

Det innebär att du i störningsbenägna områden bör förlita dig på kraft-, styr- och datakablar med elektromagnetiskt skydd genom skärmning.

I princip finns det fyra olika typer av skärmning för kraft- och styrkablar. Tre av dessa skärmningstyper är särskilt lämpliga för användning med EMC-skydd:

• Kopparflätad skärmning
  En vanlig metod för att skärma kablar är kopparflätad skärmning mellan ledare och mantel. Med en täckningsgrad på cirka 80 procent bildar flätan av förtent koppartråd en effektiv barriär mot elektromagnetiska fält. Sådana kablar kan identifieras med förkortningen "C" i produktbeteckningen från LAPP, till exempel ÖLFLEX^® Classic 110 CY eller ÖLFLEX^® Servo 719 CY. Kopparflätade skärmningar kan flätas på olika sätt, en av de avgörande parametrarna är flätvinkeln. I högflexibla applikationer, som när kabeln ska installeras i en släpkedja, läggs koppartråden i en brantare vinkel runt ledarna, så att den bildar en hel 360-graders vridning runt ledarna över ett kortare avstånd. För robotkablar som måste tåla miljontals vridningar, är flätningar inte idealiska eftersom de låser sig vid vridningar och riskerar att glesa ut flätningen.
• Lindning av förtent koppartråd
  För rörliga kablar i robotik, där skärmningen måste tåla vridning, används ofta en lindning av förtent koppartråd. Eftersom kopparledarna i en tvinning är parallellt ordnade, finns det inga problem med kabelns vridning. Däremot är skyddet mot elektromagnetiska störningar ofta sämre, eftersom skyddstrådarna inte överlappar varandra. Sådana kablar kan kännas igen med förkortningen "D" i produktbeteckningen från LAPP, till exempel ÖLFLEX^® Robot 900 DP.
• Plastlaminerad aluminiumfolie
  Enskilda ledare eller alla ledare i kabeln kan lindas med plastlaminerad aluminiumfolie. Folieskärmen skyddar kablarna, särskilt vid högre frekvenser. Kablar kan ofta ha flera typer av skärmningar, till exempel ÖLFLEX® Servo 2XSLCH-JB med plastlaminerad aluminiumfolie och flätning av förtent koppartråd.

I princip används samma typer av skärmning för datakablar som för kraft- och styrkablar, även om olika förkortningar ofta används i produktbeteckningarna för datakablar med EMC-skydd:

Kopparflätad skärmning         "S" (screened)
Folieskärm                                 "F" (foiled)

Dessutom finns det två speciella funktioner för datakablar avseende deras skärmningstyp för EMC-skydd:

• Oskärmad
  Dataöverföringar är särskilt känsliga för störningar, varför datakablar i allmänhet alltid är skärmade. För vissa användningsområden för signalöverföring finns det dock oskärmade datakablar speciellt märkta med förkortningen "U" (unscreened), såsom Cat 6-nätverkskabeln ETHERLINE^® LAN Cat.6 U/UTP 4x2xAWG24 LSZH, Cat 5e Ethernet-kabeln ETHERLINE^® LAN Cat 5e SF/UTP 4x2xAWG24 eller våra UNITRONIC^® BUS ASI-kablar för nätverkssystem i fält.
• Partvinnad kabel
  En annan typ av datakabel är den så kallade partvinnade kabeln. Här är enskilda datapar vridna tillsammans. Vridningen säkerställer att fälteffekter utjämnar varandra. Dessa kablar känns igen med förkortningen "TP" (twisted pair).

Till exempel är ETHERLINE^® Cat 6a H 4x2xAWG22/1 SF/UTP-kabeln uppdelad enligt följande: ScreenedFoiled/UnscreenedTwistedPair. Denna nätverkskabel har en övergripande skärmning (skärmad/folierad) bestående av en kopparflätning och en folieskärm (aluminium-plastfolie). De enskilda paren har ingen individuell parskärmning (oskärmat tvinnat par).

Visste du att skärmning inte fungerar om den inte är jordad? Det elektriska motståndet mellan skärmning och markpotential ska vara så lågt som möjligt. Detta kräver största möjliga kontaktyta. En skärmflätning som vrids ihop och endast fixeras på en punkt i kontaktdonet eller kapslingen med ett fåtal fina kardeler genererar en hög impedans över ett kort avstånd i värsta fall. Denna typ av jordning är därför mindre lämplig.

Vid övergången från förskruvning till kontaktdon eller kapsling ska skärmen vara i kontakt runt om och utan mellanrum. Först då kan kontaktdonskåpan eller kapslingen fungera som en Faradays bur och på ett tillförlitligt sätt förhindra störningssignaler utifrån. Det är också viktigt att denna optimala skärmkontakt sker i båda ändarna av kabeln och att de är ansluten till markpotentialen.

Vår kabelförskruvning SKINDICHT^® SHVE-M, ger dig en lågresistent 360-graders skärmkontakt inklusive dragavlastning och därmed en hög skyddsnivå med god kontakt till markpotential. SKINDICHT^® förskruvningar är med sina unika egenskaper särskilt lämpliga i miljöer med starka vibrationer.

För flexibla kabeldiametrar är kabelförskruvningarna i SKINTOP^®-serien mer lämpliga. De kännetecknas av snabb och enkel montering samt ett brett klämområde. Med SKINTOP^® MS-SC-M skapar den flexibla EMC-kontaktfjädern som är tillverkad i förtennad legering av koppar och beryllium en mycket ledande kontakt med låg impedans till kabelskärmen.

För maximal monteringsfrihet är SKINTOP^® BRUSH kabelförskruvning lämplig med tusentals fjädrande borst arrangerade i ring. Det stora, variabla klämområdet gör montering, demontering och allokering enklare och snabbare. I en enda åtgärd är kabeln centrerad, fixerad, dragavlastad och hermetiskt förseglad. Strömmar som induceras av externa störningssignaler avleds effektivt via den mycket ledande borstavskärmningen med 360-graders täckning. Detta är särskilt viktigt vid överföring av känsliga styr- och datasignaler. Och oavsett hur du vrider och böjer kontaktdonet och kabeln, förblir kontaktytan mellan kabelns skärmfläta och kabelförskruvningens borstinsats lika bra som någonsin.

Om du installerar en kabel genom målade eller pulverlackerade kapslingar, erbjuder SKINDICHT^® SM-PE-M med sina skärkanter optimal kontakt genom att skära genom kapslingens isolerande färglager vid montage.

Nu finns även möjligheten att använda våra SKINTOP-förskruvningar i plast i kombination med vår unika EMC-kontramutter SKINTOP^® BRUSH ADD-ON och få bättre EMC-egenskaper än vad många EMC-förskruvningar i metall kan erbjuda. Istället för att låta förskruvningen sköta övergången mellan skärm och kapsling så blir det här istället kontramuttern som gör det direkt på insidan av kapslingen. Fördelarna kan vara bättre resistans mot kemikalier och korrosion, enklare montage när man visuellt ser att borsten har kontakt med skärmen, lägre vikt och bättre EMC-egenskaper. SKINTOP^® BRUSH ADD-ON är värdens första patenterade EMC-kontramutter och vi utvecklar löpande fler produkter med BRUSH-teknologi, till exempel SKINTOP® BRUSH ADD-ON 24 och slangförskruvningen SILVYN^® MSK-M BRUSH.

> Här kan du läsa mer om våra EMC-förskruvningar

Du har valt rätt skärmad kabel och EMC-förskruvning och ska nu vidare in i ett skåp eller kapsling. En bra början är att välja ett skåp eller kapsling som är tillverkad i en ledande metall, men det finns fler aspekter att ta hänsyn till:

• Hur ser övergången ut mellan lock/dörr och underdel?
• Vilka typer av frekvenser behöver du skydda utrustningen emot?

Färg och packningsmaterial är normalt elektriskt isolerande och förhindrar att kapslingen/skåpet blir en perfekt Faradays bur. Eftersom merparten av alla kapslingar/skåp har en icke-ledande packning mellan lock och bottendel, som ofta är både monterad och möter en målad yta, så får man ingen perfekt Faradays bur utan två skärmande halvor. I praktiken betyder det högfrekventa störningar kan leta sig in och ut där, men att den totala avskärmningen ändå kan blir tillräckligt bra. Men har man störkänslig utrustning eller befinner sig i elektriskt smutsig miljö så finns ofta möjlighet att redan under produktionen anpassa kapslingen med metallrena ytor runt om packningen och välja en ledande EMC-packning. En del av våra elektronikkapslingar är redan som standard designade och anpassade för att ge mycket bra skärmegenskaper.

Även kapslingar i plast kan erbjuda mycket bra skärmegenskaper genom att man förser insidan med en ledande yta. Beroende på vilka volymer det handlar om finns olika tekniker för att göra detta. Generellt kan man säga att ju tidigare i designprocessen man åtgärdar EMC-problematiken, desto lägre kommer kostnaden att bli.

> Läs mer här

Varje system är bara så bra som dess svagaste punkt. Anslutningssystemen från LAPP har fördelen att alla typer av ovannämnda skärmanslutningskoncept används. Mycket ofta är EMC-förskruvningar redan integrerade i kontaktdonet. De ger möjlighet att ansluta en skyddsslang och möjliggör kontakt mellan kabelns skärm och kontaktdonets arbets- eller PE-kontakt.

Standardkåpan är pulverlackad med en icke-ledande tätning mellan kontaktdonen, vilket isolerar dem från varandra. EPIC^® EMC-kontaktdonen ger dig en 360-graders skärmning och en vibrationssäker skärmanslutning. EMC-kontakterna kan kännas igen på sin metalliskt ledande, mestadels förnicklade yta. Tätningarna är utformade på ett sådant sätt att de två kåporna, som är pressade eller skruvade mot varandra, får en metall-mot-metallkoppling med låg resistans. Samma princip gäller för kabelförskruvningen samt för anslutningen mot chassit.

Rektangulära kontaktdon har en integrerad BRUSH-förskruvning. EPIC^® ULTRA H-A 3 och EPIC^® Ultra H-B 6-24 är därför lätta att montera och utformade för ett stort kabelklämområde för skärmade kablar.

EPIC^® ULTRA kontaktdon

Om du däremot behöver en platsbesparande design, till exempel för användning i servodrifter, ställdon och sensorer, rekommenderar vi kontaktdonen POWER och SIGNAL från LAPP. De är utrustade med en speciellt matchad EMC-förskruvning för servo- och datakablar.

För vibrationssäkra anslutningar till strömförsörjningen är de cirkulära kontakterna EPIC^® POWER M17, EPIC^® POWER LS1, EPIC^® POWER LS1.5 och EPIC^® POWER LS3 med integrerad EMC-förskruvning särskilt lämpliga.

För sensor-, fältbuss-, resolver- och enkodarkablar erbjuder LAPP till exempel kontaktdonen EPIC^® SIGNAL M17 och EPIC^® SIGNAL M23.

Om byte av en oskärmad kabel i applikationen inte är möjligt av olika skäl eller om kablarna endast behöver vara skärmade elektromagnetiskt i vissa delar av applikationen, kan kablarna kompletteras med separata kopparflätor eller lindas med 3M Scotch 1183-skärmtejp. För dessa system erbjuder vi vår SHIELD-KON^®, en tvådelad jordningshylsa för anslutning av kopparflätan till exempelvis ytterhöljet på ett styrskåp eller till jordanslutning.

För en optimal skärmningseffekt kan kablarna förses med dubbel skärmning, eller läggas i ett koppar- eller stålrör. Ur EMC-synpunkt är dessa skärmningar helt täta. För detta ändamål finns skyddsslang av metall med kopparflätning, lämplig för särskilt utsatta miljöer med höga elektromagnetiska krav. Vi erbjuder även passande slangförskruvningar med EMC-skydd och integrerad dragavlastning för ett komplett EMC-system.

Dålig EMC är ofta orsakat av monteringsfel. Inom industrin har det länge varit vanlig praxis att köpa kablar och anslutningar separat och ansluta dem först när de är installerade i maskinen eller produktionsanläggningen. Den större flexibiliteten uppvägs dock av flera nackdelar: Kvaliteten på utförandet lämnar ofta mycket övrigt att önska, till exempel på grund av att installatören skär för djupt och skadar ledarisoleringen, eller endast ansluter skyddet till kontaktdonshuset på vissa ställen och därmed framkallar EMC-problem.

Trenden går därför mot förkontakterade kablage, som vi på LAPP erbjuder under namnet ÖLFLEX^® CONNECT. Kabel och kontaktdon är då redan anslutna vid leveransen, släpkedjor levereras komplett utrustade med kabel och slang, och vi tar också hand om konstruktionen. Våra kunder garanteras därmed alltid den högsta kvaliteten från en enda leverantör, och kan koncentrera sig på sin kärnverksamhet.

Använd vår Cable finder eller Application guide för att hitta rätt kabel för just din applikation, eller kontakta oss med din förfrågan!