Instal·lacions Fieldbus: Acoblaments Capacitiu i Inductiu

qual

a César Cassiolato

Director de Màrqueting, Qualitat, Servei i Instal·lacions Industrials – SMAR Equipaments Industriais Ltda. [email protected]

Introducció

La convivència d’equips amb diverses tecnologies diferents, sumades a la manca d’adequació de les instal·lacions, facilita l’emissió d’energia electromagnètica i amb això, és comú que es tingui problemes de compatibilitat electromagnètica. Això és molt comú en les indústries i fàbriques on l’EMI (Interferència Electromagnètica) és molt freqüent en funció de l’major ús de màquines (màquines de soldar, per exemple), motors (CCMS), xarxes digitals i de computadors propers a aquestes àrees.

la topologia i la distribució de cables, els tipus de cables, les tècniques de proteccions són factors que s’han de considerar per a la minimització dels efectes d’EMI. Recordar que en altes freqüències, els cables es comporten amb un sistema de transmissió amb línies creuades i confuses, reflectint energia i escampant d’un circuit a un altre. Mantingui en bones condicions les connexions. Connectors inactius per molt temps, poden desenvolupar resistència o tornar-se detectors de RF.

Veurem en aquest article, alguns detalls sobre els efectes d’acoblament capacitiu i inductiu, l’ús de l’blindatge en un punt i en dos punts, així com l’ús de cable per trancarlos i les tècniques de protecció a EMI.

Inicialment, veurem alguns detalls sobre connexió a terra en la instrumentació i l’automatització.

la importància de la connexió a terra en Instrumentació i Automatització.

d’una forma simple i directa, la connexió a terra té els següents objectius:

Escollir càrregues estàtiques acumulades en estructures, suports i carcasses.;

Facilitar el funcionament dels dispositius de protecció (fusibles, disjuntors, etc.) , a través de corrent desviada a terra;

Protegir les persones i animals contra contactes indirectes.;

Crear punts tos de referències adequades als senyals i mesuraments;

Minimitzar els efectes d’EMI (Interferència Electromagnètica).

etc.

Quan parlem de equips electrònics, com els que tenim en instrumentació i automatització, el sistema de connexió a terra ha de ser vist com un circuit de baixa inductància mútua que afavoreix el flux de corrent a punt de referència nul·la. A més d’això, ha de ser projectat proveint els millors beneficis a la protecció d’EMI.

El sistema de connexió a terra ha d’atendre a:

Control d’interferència electromagnètica, tant intern a el sistema electrònic (acoblament capacitiu, inductiu i per impedància comuna) com extern a sistema (ambient);

Seguretat sent a la carcassa dels equips connectats a terra de protecció i, d’aquesta manera, qualsevol senyal de connexió a terra referenciada a la carcassa o a l’gabinet, directe o indirectament, queda automàticament referenciada a la terra de distribució d’energia.

Diversos són l’inconvenient per un sistema de connexió a terra inadequat on podem citar, entre d’altres:

Falles de comunicació (intermitències, retries, marcs corromputs, bloquejos, etc..);

DRIFTS (errors en els mesuraments per dislocamiento de les referències (offsets), causant un augment de la variabilitat dels processos, costos i nnecesarios amb matèria primera, etc.);

Excés d’EMI;

Escalfament anormal de les etapes de potència (inversors, convertidors, etc …) i motors;

Accions indegudes en les lògiques de losPLCs;

Escalfament d’equips, plaques electròniques i sense raons aparents;

etc.

Els senyals poden variar bàsicament a causa de: Fluctuació de tensió;

harmòniques de corrent;

RF conduïdes i radiades;

Temporals (conducció o radiació);

Camps electrostàtics;

Camps Magnètics;

Reflexions ;

crosstalk;

atenuacions;

Sorolls de fase;

etc.

les principals fonts d’interferències són:

Acoblament capacitiu;

Acoblament inductiu;

Conducció a través d’impedància comuna (connexió a terra): Ocorre quan els corrents de dos circuits diferents passen per una mateixa impedància. Per exemple, el camí de connexió a terra comú de dos circuits.

Acoblament Capacitiu

L’acoblament capacitiu és representat per la interacció de camps elèctrics entre conductors. Un conductor passa proper a una font de soroll (pertorbador), capta el soroll i el transporta a una altra banda de l’circuit (víctima). És l’efecte de capacitància entre dos cossos amb càrregues elèctriques, separades per un dielèctric, o que anomenem efecte de la capacitància mútua.

L’efecte de camp elèctric és proporcional a la freqüència i inversament proporcional a la distància.

el nivell de pertorbació depèn de les variacions de la tensió (dv / dt) i el valor de capacitància d’acoblament entre el “cable pertorbador” i el “cable víctima”.

la capacitància d’acoblament augmenta amb:

l’invers de la freqüència: la potència per acoblament capacitiu augmenta d’acord amb l’augment de la freqüència (la reactància capacitiva, que pot ser considerada com la resistència de l’ acoblament capacitiu, disminueix d’acord amb la freqüència i pot ser vista en la fórmula XC = 1 / 2pfC)

la distància entre els cables pertorbadors i víctima i la longitud dels cables que corren en paral·lel.

l’alçada dels cables en relació a el pla de referència (amb relació n a terra).

La impedància d’entrada de l’circuit víctima (circuit d’alta impedància d’entrada són més vulnerables).

L’aïllament del cable víctima principalment per a parets de cables fortament acoblats .

La figura 1 mostra un exemple de l’efecte per acoblament capacitiu.

a
figura 1 – Exemple d’l’efecte per acoblament capacitiu

a la figura 2 podem veure l’acoblament i les seves fonts de tensió i corrent en mode comú i diferencial.

a
Figura 2 – Mode diferencial i manera comuna – Acoblament capacitiu

Mesures per reduir l’efecte d’acoblament capacitiu

- Límit de l’extensió de cables corrent en paral·lel.
- Augmentar la els cables corrent en paral·lel.
- Connecteu a terra una de les extremitats dels Shields en els dos cables.
- Redueixi el dv / dt del senyal pertorbadora, augmentant el temps de pujada del senyal, sempre que sigui possible (baixant la freqüència del senyal).

Emboliqui sempre que sigui possible el conductor o equip amb material metàl·lic (blindatge de Faraday). L’ideal és que cobreixi cent per cienta de la part a ser protegida i que es connecti a terra aquest blindatge perquè la capacitància parasita entre el conductor i el blindatge no actuï com a element de realimentació o de crosstalk. La figura 4 mostra la interferència entre cables, on l’acoblament capacitiu entre cables induz transiente (pickups electrostàtics) de tensió. En aquesta situació, el corrent d’interferència és drenada a terra pel “shield” sense afectar els nivells dels senyals.

a
figura 3 – Mesures per reduir l’efecte d’acoblament capacitiu a

figura 4 – Interferència entre cables: l’acoblament capacitiu entre els cables induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

La figura 5 mostra un exemple de protecció contra transitoris.

figura 5 – exemple de protecció contra transitoris (millor solució contra corrent de Foucault)

Interferències electrostàtiques poden ser reduïdes:

Connexió a terra i blindatges adequades.

Isolaçción Òptica.

per l’ús de canaletes i bandejamientos metàl·lics connectats a terra.

la figura 6 mostra la capacitància d’acoblament entre dos conductors separats per una distància D.

a
Figura 6 – Acoblament capacitiu entre conductors a una distància D

Acoblament Inductiu

el “cable pertorbador” i el “cable víctima”, són acompanyats per un camp magnètic. El nivell de pertorbació depèn de les variacions de corrent (di / dt) i de la inductància d’acoblament mutu.
L’acoblament inductiu augmenta amb:

La freqüència: la reactància inductiva és directament proporcional a la freqüència (XL = 2pfL).

la distància entre els cables pertorbador i víctima i la longitud dels cables que corren en paral·lel.

l’altura dels cables amb relació a el pla de referència (en relació a terra).

La impedància de càrrega del cable o circuit pertorbador.

a
Figura 7 – Acoblament inductiu entre conductors

Mesures per reduir l’efecte d’acoblament inductiu entre cables.

Limiteu la longitud dels cables corrent en paral·lel.
Augmentar la entre el cable pertorbador i el cable víctima.
Connecteu a terra una de les extremitats dels “Shields” dels dos cables.
Redueixi el dv / dt de l’pertorbador augmentant el temps de pujada del senyal, sempre que sigui possible (resistors connectats en sèrie o resistors PTC en el cable pertorbador, anells de ferrita en els pertorbadors i / o cable víctima).

a
Figura 8 – Acoblament inductiu entre cable i camp

Mesures per reduir l’efecte de l’acoblament inductiu entre cable i camp

Límit l’altura h del cable a mapa de la terra.
Sempre que sigui possible poseu el cable al costat de la superfície metàl·lica.
Utilitzeu cables trenats.
Utilitzeu ferrites i filtres d’EMI

Figura 9 – Acoblament inductiu entre cable i loop de terra

Mesures per reduir l’efecte d’acoblament inductiu entre cable i LOPP de terra.

Reduïu l’altura (h) i el llarg de l’terme.
Sempre que sigui possible posi el cable al costat de la superfície metàl·lica
Utilitzeu cables trenats
en altes freqüències, Connexioni a terra el “shield” en dos punts (compte!) i en baixes freqüència en un sol punt només.

	Cable de comunicació	Cables amb i sense shield: 60Vdc o 5Vac i < 400Vac	Cables amb i sense shield: > 400Vac	Qualsevol cable subjecte a exposició de rajos
Cable de comunicació Fieldbus		10 cm	20 cm	50 cm
Cables amb i sense shield: 60Vdc o 25Vac i < 400Vac	10 cm		10 cm	50 cm
Cables amb i sense shield: > 400Vac	20 cm	10 cm		50 cm
Qualsevol cable subjecte a exposició de rajos	50 cm	50 cm	50 cm

Tabela 1 – Distàncies entre cables Fieldbus i altres tipus de cables per garantir lal protecció a EMI

a a Figura 10 – Interferència entre cables: camps magnètics mitjançant l’acoblament inductiu entre cables indueixen transitoris (pickups electromagnètics) de corrent

Les interferències Electromagnètiques poden ser reduïdes:

Cable trenat

isolación Òptica

Per l’ús de canaletes i safates metàl.liques de connexió a terra.

a
Figura 11 – Inductància mútua entre dos conductors

Per minimitzar l’efecte d’inducció s’ha d’usar el cable de parell trenat que minimitza l’àrea (S) i disminueixen l’efecte de la tensió induïda Vb en funció de el camp B, balanciando els efectes (mesura dels efectes d’acord a les distàncies):

a El cable de parell trenat és compost per parells de fils. Els fils d’un parell són enroscats en espiral a fi de, a través del efecte de cancel·lació, reduir el soroll i mantenir constants les propietats elèctriques de l’mig per tota la seva extensió. L’efecte de cancel·lació, redueix la diafonia (crosstalk) entre els parells de fils i disminueix el nivell d’interferència electromagnètica / radiofreqüència. El nombre de trenes dels fils pot ser variat per tal de reduir l’acoblament elèctric. Amb la seva construcció proporciona un acoblament capacitiu entre els conductors de el parell. Té un comportament més eficaç en baixes freqüències (< 1MHz). Quan no és blindat, té un desavantatge en el soroll en mode comú.Per baixes freqüències, és a dir, quan el llarg del cable és menor a 1/20 d’extensió d’ona de freqüència de soroll, el blindatge (malla o shield) presentarà la mateix potència en tota la seva extensió, en aquest cas, es recomana connectar el blindatge en un sol punt de terra. En altes freqüències, és a dir, quan l’extensió del cable és més gran que 1/20 de llarg d’ona de la freqüència de soroll, el blindatge de presentar alta susceptibilitat a l’soroll, en aquest cas, es recomana que sigui connectada a terra en les dues extremitats.

En el cas inductiu Vruido = 2pBAcosa on B és el camp ja és l’angle en què el flux talla l’àrea de el vector (A) o encara en funció de la inductància mútua M: Vruido = 2pfMI on I i el corrent en el cable de potència.

a
Figura 12 – Exemple de soroll per inducció

la figura 13 ens mostra el comportament del senyal en relació a la forma de condicionament de terra i shield. Percebi que la millor condició es té a l’connectar a terra o “shield” i encara crea una àrea metàl·lic de contacte connectada a terra en una canaleta metàl·lica.

Figura 13 – Efecte en el senyal depenent de el tractament en relació a terra i shield.

A figura 14 detalla la situació de Profibus-DP i els loops de terra.

a
Figura 14 – Profibus-DP i els loops de terra

Ús de Cables Blindats en la minimització de sorolls

en el tema de millor eficiència de la protecció a sorolls, el doble blindatge (trena i foli), han estat aplicada amb millores significatives en relació senyal / soroll i podem comentar que:

amb doble protecció amb certesa i eficient és més gran. Hi ha cables fins amb més de 3 proteccions. Com més tancada la malla, millor és la protecció ..

Pot utilitzar el “shield” (trena) i el foli de maneres diferents, aplicant per a baixes i altes freqüències.

En el cas de baixes freqüències es pot connectar a terra el cable en sol una extramidad i s’espera que en cas que en aquestes freqüències el blindatge present el mateix potencial. Amb això tindríem una major protecció en sorolls de baixes freqüències.

En el cas d’altes freqüències, el blindatge de presentar alta suscptibilidad a el soroll i en aquest cas, es recomana que sigui connectada a terra en les dues extremitats ( aquí algunes cures s’han de prendre en la pràctica per qüestions de la potència de l’equip i en la seguretat).

Amb aquesta alternativa de doble protecció, protegiria la comunicació de baixes i altes freqüències, sent millor en la protecció de l’EMI.

l’eficàcia de la malla (trena) és generalment més eficaç en baixes freqüències, en tant que el foli és més eficaç en freqüències més altes.

Els cables amb “shield” en esperial requereixen ser avaluats ja que poden presentar efectes inductius i ser ineficients en altes freqüències.

quan es té la connexió a terra de la malla en un sol punt (veure figura 15), el corrent no circularà per la malla i no cancel·larà camps magnètics. Quan es connecta a tie rra en dos punts, té dos camins de corrent, un per baixes i un altre per a altes freqüències. Val la pena recordar que:

Minimitzar l’extensió de l’conductor que s’estén fora de l’blindatge.

Garantir una bona connexió del “shield” a terra.

a Ocorre una distribució de corrents, en funció de les freqüències, ja que el corrent tendeix a seguir el camí de menor ipedancia. Fins alguns kHx: la reactància inductiva és menyspreable i el corrent circularà pel camí de menys resistència.

Sobre kHz: hi ha predomini de la reactància inductiva i amb això el corrent circularà pel camí de menor inductància.

el camí de menor impedància és aquell el recorregut de retorn és proper a l’recorregut d’anada, per presentar major capacitància distribuïda i menor inductància distribuïda.

a l’connectar-se a terra el “shield” en dos punts:

No hi ha protecció contra loops de terra.

Danys als equips actius possiblement significatius quan la diferència de potencial de terra entre els dos extrems ultrapassi 1 V (rms) (sobre 1 V (rms) no és recomanat connectar a terra en dos punts. S’ha de tenir compte!)

la resistència elèctrica de connexió a terra ha de ser la més baixa possible en ambdós extrems de l’segment per minimitzar els “loops” de terra, principalment en baixes freqüències.

minimitzar l’extensió de la connexió blindatge-referència, ja que aquest excés d’extensió funciona com una bobina i pot facilitar la susceptibilitat a sorolls.

La millor solució per al blindatge magnètic és reduir l’àrea de “loop”. S’utilitza un parell trenat o el retorn de corrent pel blindatge.

L’efectivitat de l’blindatge del cable trenat augment amb el nombre de voltes pr cm.

a
Figura 15 – Blindatge en baixa i alta freqüència & connexió a terra en un i dos punts.

En relació a inversors, que normalment seran generadors de sorolls, un punt important és que la majoria dels inversors posseeixi freqüència de commutació que pot anar des 1.0 kHz a 30 kHz. a més d’això, alguns fabricants d’inversors comenta que atenen les normes CE, més que en instal·lacions embolicant inversors s’ha de:

Connectar a terra adequadament i segons els manuals ( “shield” connectat a terra en dos extrems i les carcasses de motors connectades a terra són recomanables de l as fàbriques).

La potència de sortida, fixació de l’control (I / S) i el senyal han de ser de cable blindat amb cobertura igual o superior a 75%, potència de Saida, fiação de controli (I / S) i Sinal Devem ser de cap blindat, trançado com cobertura igual ou superior a 75%, fils conductors metáicos o atenuació equivalent.

Tots els cables bindados han de tenir la seva terminació en un connector blindat apropiat.

Els cables de control i SENAES han de quedar apartats en el mínim 0.3 m fils de força / potència.

Conclusió

El blindatge contra camps magnètics no és tan eficient com ho és contra camps elèctrics. El blindatge només és eficient quan estableix un camí de baixa impedància per terra, ia més d’això, un blindatge fluctuant no protegeix contra interferències. La malla de blindatge ha de ser connectada a el potencial de referència (terra) de l’circuit que està sent blindat. A l’connectar a terra el blindatge en mes d’un punt pot ser problemàtic.

En baixes freqüències, els parells trenats absorbeixen la major part dels efectes de la interferència electromagnètica. Ja en altes frecuencis aquests efectes són absorbits pel blindatge del cable.

Val la pena recordar tot que si un material no-magnètic envolta un conductor fa amb que el corrent d’aquest conductor retorni per un altre camí de tal manera que l’àrea definida pel trajecte d’aquest corrent és menor que quan el conductor no és embolicat, llavors aquesta protecció serà més efectiva.

Sempre que sigui possible, connecti les safates de cables a el sistema de línia equipotencial .

Aquest article no substitueix els patrons IEC 61158 i IEC 61.784 i tampoc els perfils i guies tècniques de PROFIBUS. En cas de discrepància o dubte, els patrons IEC 61158 i IEC 61.784, perfiless, guies tècniques i Manuals de fabricants prevalen. Sempre que sigui possible, consulteu la EN50170 per als reglaments físics, així com les practicads de seguretat de cada àrea.

Referències

Articles tècnics – César Cassiolato
Manuals SMAR
www.system302.com.br
www.smar.com.br
http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/
http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures
EMI – interferència Eletromagnética, César Cassiolato
Aterramento, Blindagem, sorolls i diques de instalação, César Cassiolato
L’Ús Canaletes Metàl·liques Minimitzant es Correntes de Foucault em Instalações PROFIBUS, César Cassiolato
sorolls i interferències em instalações Profibus, César Cassiolato
Indagacions a internet