Negli anni ’20 del secolo scorso, è dal conflitto tra la già consolidata tecnologia di azionamento elettrico applicata al traffico urbano e l’emergente settore delle telecomunicazioni che si arriva allo sviluppo della soppressione delle interferenze radio (concetto che fa parte della CEM). Oggi, gli azionamenti elettrici generalmente sono controllati. Oltre a quelli per la conversione dell’energia, contengono anche componenti di telecomunicazione necessari ai sensori per la trasmissione dei dati. Per via delle emissioni prodotte durante la conversione di energia, è importante garantire la necessaria resistenza dei sensori e delle telecomunicazioni alle interferenze, spesso in spazi molto ristretti.
Certificazione nell’applicazione
I valori limite per gli azionamenti elettrici controllati sia in quanto alle emissioni prodotte che alla resistenza alle interferenze oggi sono definiti nella norma EN 61800-3.La norma, tuttavia, serve solo come base per la valutazione di un azionamento pronto per il funzionamento. Non è possibile prevedere in modo affidabile il comportamento dell’azionamento nel dispositivo finale. In questo contesto l’utente è obbligato a ottenere la certificazione valida per la propria applicazione. Nei sistemi dotati di azionamenti elettrici miniaturizzati, l’energia elettrica viene solitamente trasformata più volte.
Le grandezze elettriche alternate si presentano qui come tensioni e correnti con frequenze molto varie, ad esempio operazioni di commutazione allo stadio di uscita, campi di interferenza (elettro)magnetici durante il funzionamento dinamico o fluttuazioni di tensione (ondulazioni) durante la commutazione degli azionamenti.
Mentre la direttiva CEM 2014/30/UE si applica ai dispositivi relativi al mercato unico europeo, la valutazione concreta viene effettuata sulla base delle cosiddette norme armonizzate. È richiesta la conformità alla direttiva CEM come indicato dalla marcatura CE. Tuttavia, anche i dispositivi che non sono immessi sul mercato unico europeo o che sono destinati a riutilizzatori industriali spesso richiedono una prova di conformità. In questo contesto vengono utilizzate le norme generiche EN 61000-4-x e EN 61000-6-x; la norma applicata dipende dalla destinazione dei dispositivi (uso industriale o settore dei beni di consumo).
Valori limite per gli azionamenti controllati
La norma EN 61800-3 funge da fondamento per la valutazione di un azionamento pronto per l’uso costituito da motore e inverter o controllo di posizione azionato direttamente sulla rete elettrica. Definisce inoltre le regole per la configurazione della misurazione. Per i tipi di interferenza si applicano qui diverse quantificazioni: nella gamma di frequenza da 150 kHz a 30 MHz, sono definite come tensione di interferenza in dB(µV), nella gamma di frequenza da 30 MHz a 300 MHz come potenza di interferenza in dB(pW) e nell’intervallo da 30 MHz a 6 GHz come intensità del campo di interferenza in dB(µV/m).
Questo approccio presuppone che vengano osservate grandezze alternate a bassa frequenza principalmente come una tensione di interferenza sovrapposta all’alimentazione. Le correnti pulsanti di un azionamento controllato potrebbero quindi influire, ad esempio, sul funzionamento di un PLC collegato in parallelo. Allo stesso modo, un picco di tensione nell’alimentazione durante un’operazione di frenatura potrebbe causare l’arresto di protezione dei dispositivi collegati in parallelo. La potenza di interferenza e l’intensità del campo di interferenza, invece, descrivono la propagazione dei campi elettromagnetici non legata ai cavi.
La sfida: l’intensità del campo di interferenza
Durante la certificazione di un dispositivo con azionamento miniaturizzato integrato, l’intensità del campo di interferenza rappresenta spesso la sfida più impegnativa. Le contromisure che si possono adottare sono ad es. i filtri sulle uscite di potenza per la soppressione di correnti di interferenza capacitive ad alta frequenza. Di norma, ogni linea di alimentazione del motore deve essere completamente schermata. Lo stesso vale per il cavo del sensore, che viene posato separatamente dalla linea di alimentazione del motore. È inoltre importante che tutte le parti conduttive siano collegate elettricamente alla cosiddetta messa a terra funzionale utilizzando connettori con schermatura RF. Sulla base di questa messa a terra funzionale, entrambe le estremità della schermatura possono quindi essere collegati in piano. Una semplice messa a terra di protezione PE è sufficiente solo in un numero molto ridotto di casi.
Mentre l’intensità del campo di interferenza è efficacemente attenuata dalla messa a terra funzionale e dai cavi schermati, l’ondulazione di ritorno sulla piastra di base tende ad aumentare di conseguenza. Se queste correnti alternate ritornano al convertitore di commutazione tramite l’alimentazione di rete o l’alimentatore, il componente a corrente alternata sul conduttore di alimentazione inevitabilmente aumenta e, di conseguenza, cresce anche la tensione di interferenza. Nella linea di alimentazione è quindi spesso necessario applicare un filtro aggiuntivo che limiti la propagazione di queste correnti. Spetta al produttore del dispositivo decidere se installare tale filtro a monte di ciascun azionamento (nel caso di drive miniaturizzati, tipicamente sulla linea di alimentazione a 24 V o 48 V) o solo a monte dell’alimentatore sul lato C.A. Quest’ultima opzione consente di risparmiare sui costi ma funziona solo se gli azionamenti stessi sono progettati in modo tale da non creare interferenze reciproche.
Resistenza alle interferenze nei test standard
Ai fini della resistenza alle interferenze, i test standard coprono un’ampia gamma di effetti elettromagnetici, come la resistenza alle interferenze contro le scariche elettrostatiche (ESD) e contro i campi elettromagnetici ad alta frequenza di un trasmettitore vicino, la resistenza alle interferenze contro i transitori elettrici veloci (burst), contro le sovratensioni causate ad esempio da fulmini, o contro le interferenze RF di modo comune su linee di sensori e di comunicazione più lunghe. Test supplementari per i buchi di tensione più brevi sono definiti principalmente per gli azionamenti che funzionano direttamente sulla rete elettrica. Le tipiche fluttuazioni di tensione di più azionamenti dinamici su un sistema a c.c., invece, non vengono effettivamente rilevate. Per gli azionamenti miniaturizzati, ulteriori misure di soppressione delle interferenze includono l’utilizzo dei cavi più corti possibili o di diodi protettivi sul lato di alimentazione. È possibile impiegare anche filtri in ferrite, come quelli comunemente presenti sui cavi analogici dei monitor per PC o sui cavi di comunicazione.
Negli azionamenti compatti, gli encoder rappresentano la sfida principale per la resistenza alle interferenze dei componenti. Anch’essi devono essere alloggiati in uno spazio di installazione ristretto. Anche negli encoder di piccole dimensioni, tuttavia, è possibile ottenere una protezione sufficiente contro le scariche elettrostatiche tramite elementi di protezione compatti. Le intensità di campo specificate per la resistenza alle interferenze non rappresentano generalmente un problema né nella gamma di frequenze RF né nella gamma di frequenza di rete. La resistenza alle interferenze contro i burst, o transitori veloci, richiede la presenza di filtri sia sulle connessioni di alimentazione che sui cavi di segnale. Questo, tuttavia, pone un problema riguardo alle connessioni di alimentazione, perché l’alimentazione è tipicamente collegata direttamente ai circuiti che sono integrati nell’encoder. In questo caso, una protezione efficace è possibile solo nel dispositivo completo. Una protezione completa diretta contro le interferenze standard, direttamente negli encoder, generalmente non è necessaria. Se necessario, è comunque possibile installare un diodo di protezione, ad esempio in una scheda di adattamento.
Il segnale di prova per i disturbi RF condotti secondo IEC 61000-4-6 è più esteso del segnale utile degli encoder tipici. Tuttavia, non sono realizzabili filtri di modo comune in un encoder per diametri di motore di soli 20-22 mm. In questi casi è necessaria una valutazione a livello di dispositivo per determinare l’interferenza prevista. Se necessario, la resistenza alle interferenze può essere migliorata con dei ferriti fissati esternamente. I buchi di tensione nell’alimentazione del sistema di azionamento possono causare l’arresto del sistema. A seconda del buffer dell’alimentazione dell’encoder installato nel controllo di posizione, l’encoder potrà quindi anche essere sottoalimentato in caso di buchi di tensione. In questo caso gli encoder incrementali perdono l’informazione sulla posizione assoluta e devono essere ricontrollati.
Progettazione e documentazione conformi alle norme CEM
In conclusione, la CEM per azionamenti miniaturizzati è un aspetto tutt’altro che banale per gli utenti. Ecco perché gli specialisti di azionamenti di FAULHABER hanno esplorato questo complesso tema in modo approfondito. Tutti i controlli di posizione dell’ampia gamma di prodotti sono conformi alle attuali norme CEM. L’hardware è stato opportunamente ottimizzato e la documentazione è stata ripensata in modo da fornire agli utenti il miglior supporto possibile durante la certificazione dei propri dispositivi.
Indice
- La sfida della compatibilità elettromagnetica (CEM):
Fonti di interferenza in azionamenti elettrici, componenti di frequenza, soppressione di interferenze radio per CEM - Certificazione CE:
Direttive UE sul funzionamento degli azionamenti elettrici miniaturizzati e norme pertinenti - Interferenze emesse dai dispositivi:
Interferenze legate alle linee cavi, percorsi di accoppiamento per disturbi elettromagnetici, metodi di misura e risultati di misura tipici - Segnali di interferenza in azionamenti controllati:
Caratteristiche di interferenza di un convertitore DC/DC, caratteristiche di interferenza di un controllore del motore - Limitazione delle interferenze emesse:
Percorsi di propagazione, messa a terra e schermatura, percorso dei cavi, filtri e risultati di misura - Immunità alle interferenze dei dispositivi:
Criteri di accettazione, effetti, misure - Misure CEM per gli azionamenti miniaturizzati:
Controllori dei motori integrati, controllori dei motori montati esternamente, encoder - Ulteriori misure per incrementare la robustezza:
Codifica, segnali complementari (line driver), robustezza delle varie interfacce