Waarom is EMC-bescherming belangrijk?
Tegenwoordig is het moeilijk een product of een industriële installatie te vinden of te implementeren zonder moderne bekabelingstechnologie. Overal wordt gesproken over Industrie 4.0, Big Data en volledig geautomatiseerde processen.
In dat geval worden delen van deze processen beheerd of gecontroleerd door frequentieomvormers, transformatoren, elektrische schakelaars en communicatieapparatuur.
Dergelijke omschakelingsprocessen brengen echter altijd het risico van storingen met zich mee. Het vereist precisie en de keuze van de juiste componenten om de machine soepel te laten werken.
Het doel is ervoor te zorgen dat alle processen soepel en foutloos verlopen. Immers, wat in het beste geval slechts irritant is als storing op de radio, kan onder bepaalde omstandigheden desastreuze gevolgen hebben als een systeemstoring in de context van de medische technologie. Dit is de reden waarom in industriële omgevingen een steeds hoger niveau van veiligheid tegen elektromagnetische interferentie wordt vereist. De zogenoemde elektromagnetische compatibiliteit (EMC).
Hoe werkt EMC?
Elektromagnetische interferentie is altijd afkomstig van een stoorbron. Dit kan een apparaat zijn met een grote stroomsterkte, zoals een frequentie geregelde motor of een kabel.
De stoorbron wordt tegengewerkt door een verstoord apparaat, de zogenaamde stoorzender. De stoorzender kan bijvoorbeeld een sensor of een datakabel zijn.
De koppelweg daartussen veroorzaakt de interferentie. Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen vier verschillende koppelingstypen:
- Galvanische koppeling: Interferentiebron en -slachtoffer zijn met elkaar verbonden, bijvoorbeeld door een gemeenschappelijke aardingsgeleider. Een stoorsignaal via de gemeenschappelijke aardleiding veroorzaakt elektromagnetische interferentie.
- Capacitieve koppeling: Interferentiebron en -slachtoffer zijn dicht bij elkaar, maar niet fysiek met elkaar verbonden. Bij de capacitieve koppeling ontstaat de elektromagnetische storing (EMS) door het elektrische veld.
- Inductieve koppeling: Bij inductieve koppeling zijn de interferentiebron en -slachtoffer ook dicht bij elkaar, maar niet fysiek met elkaar verbonden. De storing is hier echter te wijten aan het magnetisch veld.
- Stralingskoppeling: Stralingskoppeling treedt gewoonlijk op wanneer de interferentiebron en -slachtoffer ver van elkaar verwijderd zijn en de geleiders uiteindelijk als antennes fungeren, waardoor de storing door elektromagnetische straling wordt veroorzaakt.
In de praktijk is het meestal een mengsel van deze vier koppelingsmechanismen dat moet worden geëlimineerd, bijvoorbeeld door afgeschermde kabels te gebruiken.
Wat is de EMC-richtlijn?
In de EMC-richtlijn 2014/30/EU, artikel 3, wordt elektromagnetische compatibiliteit gedefinieerd als:
"[...] het vermogen van uitrusting om naar behoren te functioneren in haar elektromagnetische omgeving zonder elektromagnetische interferentie (EMI) te veroorzaken die onaanvaardbaar zouden zijn voor andere in die omgeving aanwezige uitrusting".
Volgens deze definitie heeft EMC twee belangrijke aspecten:
- De apparatuur mag geen elektromagnetische interferentie veroorzaken.
- De apparatuur mag niet elektromagnetisch worden gestoord door de omgeving.
Hoe wordt de EMC-bescherming gemeten?
De EMC-bescherming wordt gemeten en gespecificeerd aan de hand van de koppelingsweerstand [mΩ/m] en/of de afschermingseffectiviteit [dB]. De koppelingsweerstand van kabels en draden wordt gewoonlijk gespecificeerd bij een bepaalde frequentie van 30 MHz. Voor hoge frequenties boven 50 MHz wordt echter gebruik gemaakt van de doeltreffendheid van de afscherming.
De koppelingsweerstand en de doeltreffendheid van de afscherming kunnen niet worden berekend. Dit betekent dat de waarden alleen door metingen kunnen worden bepaald. De gedefinieerde triaxiale meetbuismethode in de norm EN 50289-1-6 wordt gebruikt om de waarden te bepalen.
Hoe zijn afgeschermde aansluit- en stuurstroomkabels opgebouwd?
In principe zijn er vier verschillende typen afscherming voor verbindings- en besturingskabels. Drie van deze afschermingstypen zijn bijzonder geschikt voor gebruik met EMC-bescherming:
Vertinde kopervlecht
EeEen gebruikelijke methode voor het afschermen van kabels is het vlechten van koper tussen de aders en de mantel. Met een dekkingsgraad van ongeveer 80 procent vormt de koperen afscherming een doeltreffende barrière tegen elektromagnetische velden. Dergelijke kabels en draden zijn te herkennen aan de afkorting 'C' in de LAPP productaanduiding, bijv. ÖLFLEX® Classic 110 CY of ÖLFLEX® Servo 719 CY. Koperomvlechting kan op verschillende manieren worden gedaan. Een van de doorslaggevende parameters hierbij is de vlechtdichtheid. Bij hoogdynamische toepassingen, zoals het installeren van de kabel in een kabelrups, wordt de koperdraad met een hogere dichtheid rond de aders gelegd, zodat hij over een kortere afstand een volledige draai van 360 graden rond de aders maakt. Voor robotkabels die miljoenen torsiebewegingen moeten kunnen doorstaan, zijn vlechten niet ideaal omdat er na verloop van tijd tussenruimten ontstaan.
Omwikkeling met koperdraden
Voor bewegende kabels in de robotica, waarbij de afscherming bestand moet zijn tegen torsiebewegingen, wordt vaak gebruikgemaakt van omwikkeling van koperdraden. Aangezien de koperdraden van een gelaagdheid allemaal parallel zijn gerangschikt, zijn er geen problemen met de torsie van de kabel. Anderzijds is de bescherming tegen elektromagnetische interferentie vaak minder goed, omdat de afschermingsdraden elkaar niet overlappen. Dergelijke kabels en draden zijn te herkennen aan de afkorting 'D' in de LAPP productaanduiding, bijv. ÖLFLEX® Robot 900 DP.
Met aluminium gelamineerde kunststoffolie
Afzonderlijke aders of alle aders van de kabel kunnen worden omwikkeld met een met aluminium gelamineerde kunststoffolie. Afscherming met plastic folie beschermt uw kabels en draden, vooral bij hogere frequenties. Kabels hebben vaak verschillende typen afscherming, bijvoorbeeld ÖLFLEX® SERVO 2XSLCH-J met aluminium gelamineerde kunststoffolie en gevlochten vertinde koperdraden.
Hoe zijn afgeschermde datakabels opgebouwd?
In principe worden voor datakabels dezelfde soorten afscherming gebruikt als voor voedings- en besturingskabels, hoewel in de productaanduidingen voor datakabels met EMC-bescherming gewoonlijk andere afkortingen worden gebruikt:
- Vertind kopervlechtwerk: 'S' (Afgeschermd)
- Aluminium gelamineerde kunststoffolie: 'F' (Foiled)
Daarnaast zijn er twee speciale kenmerken voor datakabels met betrekking tot hun afschermingstype voor EMC-bescherming:
Niet afgeschermd
Datatransmissie is bijzonder gevoelig voor interferentie. Daarom zijn datakabels gewoonlijk altijd afgeschermd. Voor bepaalde toepassingsgebieden voor signaaloverdracht zijn er niet-afgeschermde datakabels die speciaal gemarkeerd zijn met de afkorting 'U' (Unscreened), zoals de Cat.6 netwerkkabel ETHERLINE® LAN Cat.6 U/UTP 4x2xAWG24 LSZH, de Cat.5e ethernetkabel ETHERLINE LAN Cat.5e SF/UTP 4x2xAWG24 of onze UNITRONIC® BUS ASI kabels voor netw.
Twisted Pair
Een ander type datakabel is de zogenoemde twisted-pair kabel. Hier worden afzonderlijke aderparen getwist. Deze kabelopmaak met getwiste aderparen zorgt voor onderdrukking van de overspraak. Deze kabels zijn te herkennen aan de afkorting 'TP' (Twisted Pair).
De kabel ETHERLINE Cat 6a H 4x2xAWG22/1 SF/UTP is bijvoorbeeld als volgt opgebouwd: ScreenedFoiled/UnscreenedTwistedPair. Deze netwerkkabel is rond alle aders afgeschermd met een scheidingskruis en een onderliggende met aluminium gelamineerde kunststoffolie (Screened/Foiled). De aderparen zijn paargewijs getwist en zijn niet voorzien van een extra aderpaarafscherming (UnscreenedTwistedPair).
Hoe kunnen kabels en draden op EMC-conforme wijze worden geïnstalleerd?
Wist u dat een afscherming geen effect heeft als deze niet is geaard? De elektrische weerstand tussen de afscherming en het aardpotentiaal moet zo laag mogelijk zijn. Dit vereist een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen de afscherming naar het EMC-onderdeel en de kabelwartel of connectorbehuizing. Als de verbinding tussen afscherming en EMC-onderdeel correct en dus vooral over een zo groot mogelijk oppervlak wordt aangebracht, genereert deze ook over lange afstanden geen of slechts zeer lage impedanties. Het essentiële voordeel: uw verbinding is hierdoor bijzonder elektromagnetisch compatibel.
Alle eisen op een rij:
- De koperen afscherming is bij de overgang in de behuizing rondom (groot oppervlak) en zonder tussenruimten aangebracht.
- De kabelwartel is met lage impedantie aangesloten op de metalen behuizingswand.
- De montage en demontage van de kabel moet snel, eenvoudig en zonder beschadiging van de koperen afscherming mogelijk zijn.
- Het optimale afschermingscontact is aan beide uiteinden van de kabel gegarandeerd en aangepast aan het aardpotentiaal.
Een gebruikelijke methode is de afscherming rondom en zonder tussenruimten aan te brengen, bijvoorbeeld bij de overgang van de kabelwartel naar de connector of bij het invoeren van de kabel in een behuizing met behulp van een EMC-wartel. Alleen dan kan de connectorbehuizing als een kooi van Faraday fungeren en stoorsignalen van buitenaf op betrouwbare wijze buiten houden. Belangrijk is ook dat dit optimale afschermingscontact aan beide uiteinden van de kabel plaatsvindt en verbonden is met het aardpotentiaal.
Onze SKINTOP®BRUSH-serie
Waarom zijn connectoren belangrijk voor EMC-bescherming?
Elk systeem is zo goed als het zwakste punt. LAPP connectorsystemen bieden het voordeel dat alle typen van de bovengenoemde concepten voor afschermingsverbinding worden gebruikt. Heel vaak zijn EMC-kabelwartels al in de connector geïntegreerd, bieden ze de mogelijkheid een beschermslang aan te sluiten en maken ze het mogelijk contact te maken tussen de kabelafscherming en het werk- of PE-contact van het connectorsysteem.
De standaardbehuizing is voorzien van een poedercoating met een niet-geleidende afdichting tussen de behuizingsdelen, waardoor deze van elkaar geïsoleerd zijn. EPIC® EMC-connectoren bieden u een afscherming van 360° en een trilbestendige afschermingsverbinding. De EMC-connectoren zijn te herkennen aan hun metaalgeleidende, meestal vernikkelde oppervlak. De afdichtingen zijn zo ontworpen dat de twee op elkaar geperste of geschroefde behuizingsdelen een laag-weerstandscontact van metaal op metaal maken. Hetzelfde principe geldt voor de kabelwartel en voor de montagewand.
Rechthoekige connectoren hebben een geïntegreerde SKINTOP® MS-M BRUSH kabelwartel. De EPIC® ULTRA H-A3 en de EPIC® ULTRA H-B6-24 is daarom eenvoudig te monteren en ontworpen voor een groot klembereik met afgeschermde kabels.
Als u daarentegen behoefte hebt aan een ruimtebesparende constructie, bijvoorbeeld voor gebruik in servoaandrijvingen, actuatoren en sensoren, dan bevelen wij de circulaire connectoren POWER en SIGNAL van LAPP aan. Deze zijn voorzien van een speciaal aangepaste EMC-kabelwartel voor servo- en datakabels.
Voor trilbestendige verbindingen voor stroomoverdracht zijn de circulaire connectoren EPIC® POWER M17, EPIC® POWER LS1, EPIC® POWER LS1.5 of EPIC® POWER LS3 met geïntegreerde EMC-kabelwartel uitermate geschikt.
Voor sensor-, veldbus-, resolver- en encoderkabels biedt LAPP u bijvoorbeeld de EPIC® SIGNAL M17 of EPIC® SIGNAL M23 connectoren aan.
Hoe kunnen niet-afgeschermde draden en kabels achteraf EMC-afgeschermd worden?
Wanneer vervanging van een niet-afgeschermde kabel in het systeem om diverse redenen niet mogelijk is, of als de kabels en draden slechts in gedeelten van het systeem op elektromagnetisch compatibele wijze moeten worden afgeschermd, kunnen de kabels als aanvulling op onze SILVYN® beschermslangen worden voorzien van afzonderlijk verkrijgbare koperen vlechten (copper braids) of worden omwikkeld met 3M Scotch 1183 afschermtape.
Voor een betrouwbare aarding van deze systemen kunt u het beste onze een- of tweedelige SHIELD-KON®connectoren gebruiken voor het verbinden van de koperen vlecht aan een behuizingswand of andere geaarde aansluitpunten.
Hoe kan de EMC-bescherming nog worden verbeterd?
Voor een optimaal afschermingseffect kunnen de kabels worden voorzien van een dubbele afscherming of in een koperen of stalen buis worden gelegd. Vanuit EMC-oogpunt zijn deze vormen van afscherming volledig dicht. Onze spiraalgewonden SILVYN® metalen beschermslangen met koperen omvlechting, zoals de EMC AS-CU bieden u volledige EMC-bescherming en tegelijkertijd een uitstekende flexibiliteit in vergelijking met een buis. Deze beschermslang is geschikt voor bijzonder zware omgevingen met hoge elektromagnetische eisen. Onze SILVYN® MSK-M BRUSH slangschroefverbinding met EMC-bescherming en geïntegreerde trekontlasting maakt uiteindelijk uw EMC-afgeschermde systeem compleet.
Zijn er vooraf geassembleerde voedings-, besturings- en datakabels met EMC-afscherming?
Slechte EMC is vaak de oorzaak van montagefouten. In de industrie is het lange tijd gebruikelijk geweest om kabels en connectoren afzonderlijk aan te schaffen en ze pas aan te sluiten wanneer ze in de machine of productie-installatie zijn geïnstalleerd – de vakman noemt dit assemblage.
Tegenover de grotere flexibiliteit staat een aantal nadelen: de kwaliteit van de afwerking laat vaak te wensen over. Bijvoorbeeld omdat de monteur bij het strippen van de isolatie te diep snijdt en de aderisolatie beschadigt of de afscherming slechts op bepaalde punten met de connectorbehuizing verbindt en zo EMC-problemen veroorzaakt.
Daarom gaat de trend in de richting van kant-en-klaar geassembleerde kabels, Deze service bieden wij bij LAPP onder de naam ÖLFLEX® CONNECT aan. Kabel en connector worden af fabriek geassembleerd geleverd, klanten ontvangen zelfs kabelrupsen compleet met kabels en slangen, en LAPP zorgt ook voor de engineering. De klant ontvangt dus altijd de optimale kwaliteit uit één hand en kan zich concentreren op zijn kerntaken, namelijk het bouwen van de machine.