The role and influence of EMI filter in Industrial production
2022-09-21
À mesure que l'automatisation industrielle devient plus numérique, la sensibilité des équipements aux interférences électromagnétiques (EMI) augmente. Le filtrage et/ou la protection de ces appareils contre les EMI sont essentiels pour garantir un fonctionnement ininterrompu et la sortie attendue. Ceci est particulièrement important car le contrôle peut échouer en raison d'interférences, entraînant des défaillances de sortie. Cela peut entraîner de graves accidents et/ou des arrêts de la chaîne de production, entraînant une perte de productivité.
Dans un environnement industriel, les machines fonctionnent à proximité les unes des autres et sont donc sensibles aux interférences. Les filtres EMI peuvent jouer un rôle clé dans la prévention de la propagation du bruit et des interférences.
Un environnement comme une usine regorge de sources potentielles d'interférences. Maintenant que l'automatisation est de plus en plus courante, il est plus important que jamais de protéger les machines contre les EMI indésirables. Les sources courantes de l'industrie EMI comprennent :
· Commutation : La mise sous tension et hors tension produit de forts transitoires. Plus la charge est élevée, plus le niveau transitoire est élevé, ce qui peut provoquer de graves pannes. Lorsque la mise sous tension et hors tension/commutation se produit à des vitesses élevées (comme une puce de microprocesseur ou un commutateur pour un moteur à balais), des transitoires sont générés de manière répétée à des vitesses très élevées, ce qui entraîne un bruit à haute fréquence.
· Servomoteurs et variateurs de fréquence (VFD) : Ce sont les sources de bruit les plus courantes dans les environnements d'automatisation industrielle. Ces pilotes commutent les fréquences (généralement entre 8 kHz et 20 kHz) pour générer des impulsions qui sont utilisées pour réguler le moteur. Les fronts de ces impulsions ne durent que quelques nanosecondes. Ceux-ci peuvent être transmis à travers tout le système, y compris le sol.
· Alimentations à découpage (SMPS) : Les SMPS produisent des niveaux plus élevés d'EMI que les alimentations linéaires. Les alimentations à découpage utilisent des impulsions haute fréquence (généralement entre 40 kHz et 200 kHz) pour générer des tensions continues à partir du courant alternatif. Ces impulsions ont des arêtes vives, ce qui entraîne beaucoup de bruit indésirable.
· Alimentation sans coupure (UPS) : En cas de panne de courant, l'UPS effectue la conversion DC vers AC. Le courant alternatif fourni par l'UPS est loin de la véritable onde sinusoïdale de la tension d'alimentation. Cela ressemble plus à une onde carrée avec une arête vive. Ces bords, combinés au bruit écrasant généré lors de la conversion CC en CA, peuvent produire un bruit haute fréquence important à la sortie.
· Circuits de gradation : Les interrupteurs de gradation basés sur des thyristors bidirectionnels produisent des pointes périodiques synchronisées avec la fréquence de ligne, ce qui entraîne un bruit à haute fréquence.
· Harmoniques : Les charges non linéaires effectuant une conversion AC-DC provoquent des harmoniques haute fréquence à la fréquence AC de base. Ces harmoniques peuvent provoquer une distorsion des formes d'onde AC, ce qui est préjudiciable au fonctionnement normal des équipements et machines électroniques de puissance. L'harmonique impair est déphasé par rapport à la fréquence fondamentale, ce qui entraîne de graves problèmes de système. Les harmoniques sont comme un bruit de très basse fréquence.
· Les décharges électrostatiques (ESD) provoqueront de courtes pointes de tension ou des impulsions. Ceci est particulièrement nocif pour les appareils sensibles, tels que les puces de microprocesseur et autres semi-conducteurs ou petits appareils électroniques. C'est un problème d'immunité.
De nombreux appareils, tels que les servocommandes et les machines tournantes, consomment beaucoup d'énergie en peu de temps, ce qui peut provoquer des pointes de tension élevées. Ces pointes créent des niveaux élevés d'EMI qui submergent les appareils à proximité en interrompant leur fonctionnement normal. Ces coupures à haute fréquence peuvent être particulièrement dommageables lorsqu'elles se produisent à proximité d'équipements sensibles. Si la tension générée par les EMI est trop élevée pour que l'équipement exposé puisse la gérer, il présente un risque d'EOS.
L'EOS est la principale cause d'endommagement des composants de circuits intégrés (CI). Si vous utilisez l'automatisation dans vos processus, vos fonctions opérationnelles quotidiennes dépendent de votre capacité à prévenir et supprimer les EMI au sein de votre installation. Pour minimiser l'EOS, vous devez comprendre les origines des EMI au niveau de l'installation et au niveau du sol.
Considérez quelles machines ont tendance à produire le plus de bruit et quelles parties de chaque machine provoquent des interférences internes. Ces informations peuvent vous aider à formuler la meilleure façon de mettre en œuvre des dispositifs de suppression EMI tels que des filtres.
Les efforts visant à réduire l'exposition aux EMI des machines industrielles sont judicieux, surtout maintenant que les réseaux locaux sans fil (WLans) sont de plus en plus courants dans les installations industrielles. Lors de la construction d'outils électriques, vous voulez faire plus que simplement filtrer les EMI générées en externe - vous voulez également atténuer la propagation du bruit à l'intérieur de l'appareil pour l'empêcher de générer des interférences internes.
La prise en compte des facteurs ci-dessus au début de la phase de conception conduit souvent à des options plus rentables. Voici quelques suggestions de conception pour réduire et prévenir les EMI dans la technologie d'automatisation industrielle :
·Filtres EMI : les filtres EMI suppriment non seulement les bruits transmis indésirables, mais vous aident également à vous conformer aux normes réglementaires EMI industrielles telles que CISPR 11, EN61000-6-3 et EN61000-6-4.
· Blindage : il s'agit d'une technique de conception mécanique consistant à placer un blindage de mise à la terre en matériau magnétique ou conducteur autour du système. Un blindage protège le système des bruits rayonnés.
· Condensateurs de découplage : placer des condensateurs à proximité des broches d'alimentation du circuit intégré HF permet de réduire les EMI rayonnées.
· Chemin de retour court : les longs chemins de retour circulaires agissent souvent comme des antennes rayonnantes, ce qui entraîne des EMI. En connectant la masse de l'appareil directement au plan de masse, vous pouvez réduire considérablement le niveau d'interférence.
La fonction principale du filtre EMI est de filtrer les interférences de l'impulsion haute fréquence du réseau électrique externe vers l'alimentation, et également de réduire les interférences électromagnétiques de l'alimentation à découpage elle-même vers le monde extérieur. En fait, c'est l'une des caractéristiques de l'inductance et de la capacité, peut faire passer environ 50 Hz de courant alternatif à travers le filtre, mais plus élevé que celui de plus de 50 Hz de filtre de bruit d'interférence de fréquence, il a donc un autre nom, appelé Filtre passe-bas du filtre EMI (Mr) à la télévision, leur signification, pour les basses fréquences peut passer, tandis que le filtre haute fréquence.
Circuit de filtre EMI secondaire
Dans les alimentations de haute qualité, il existe deux circuits de filtrage EMI, dont l'un se trouve sur la prise de courant et l'autre sur la carte PCB de l'alimentation (il existe des cas où les deux circuits de filtrage EMI sont réalisés sur le PCB planche). Ces deux circuits EMI peuvent bien filtrer les parasites haute fréquence et les courants d'interférence en phase dans le réseau électrique. Dans le même temps, le rayonnement électromagnétique généré dans l'alimentation est réduit au minimum, de sorte que la quantité de fuite de rayonnement électromagnétique vers l'alimentation ne causera pas d'effets néfastes sur le corps humain ou d'autres équipements. Les alimentations de mauvaise qualité omettent généralement le circuit de filtre EMI du premier étage et même le circuit de filtre EMI du deuxième étage.
Dans un environnement industriel, les machines fonctionnent à proximité les unes des autres et sont donc sensibles aux interférences. Les filtres EMI peuvent jouer un rôle clé dans la prévention de la propagation du bruit et des interférences.
Un environnement comme une usine regorge de sources potentielles d'interférences. Maintenant que l'automatisation est de plus en plus courante, il est plus important que jamais de protéger les machines contre les EMI indésirables. Les sources courantes de l'industrie EMI comprennent :
· Commutation : La mise sous tension et hors tension produit de forts transitoires. Plus la charge est élevée, plus le niveau transitoire est élevé, ce qui peut provoquer de graves pannes. Lorsque la mise sous tension et hors tension/commutation se produit à des vitesses élevées (comme une puce de microprocesseur ou un commutateur pour un moteur à balais), des transitoires sont générés de manière répétée à des vitesses très élevées, ce qui entraîne un bruit à haute fréquence.
· Servomoteurs et variateurs de fréquence (VFD) : Ce sont les sources de bruit les plus courantes dans les environnements d'automatisation industrielle. Ces pilotes commutent les fréquences (généralement entre 8 kHz et 20 kHz) pour générer des impulsions qui sont utilisées pour réguler le moteur. Les fronts de ces impulsions ne durent que quelques nanosecondes. Ceux-ci peuvent être transmis à travers tout le système, y compris le sol.
· Alimentations à découpage (SMPS) : Les SMPS produisent des niveaux plus élevés d'EMI que les alimentations linéaires. Les alimentations à découpage utilisent des impulsions haute fréquence (généralement entre 40 kHz et 200 kHz) pour générer des tensions continues à partir du courant alternatif. Ces impulsions ont des arêtes vives, ce qui entraîne beaucoup de bruit indésirable.
· Alimentation sans coupure (UPS) : En cas de panne de courant, l'UPS effectue la conversion DC vers AC. Le courant alternatif fourni par l'UPS est loin de la véritable onde sinusoïdale de la tension d'alimentation. Cela ressemble plus à une onde carrée avec une arête vive. Ces bords, combinés au bruit écrasant généré lors de la conversion CC en CA, peuvent produire un bruit haute fréquence important à la sortie.
· Circuits de gradation : Les interrupteurs de gradation basés sur des thyristors bidirectionnels produisent des pointes périodiques synchronisées avec la fréquence de ligne, ce qui entraîne un bruit à haute fréquence.
· Harmoniques : Les charges non linéaires effectuant une conversion AC-DC provoquent des harmoniques haute fréquence à la fréquence AC de base. Ces harmoniques peuvent provoquer une distorsion des formes d'onde AC, ce qui est préjudiciable au fonctionnement normal des équipements et machines électroniques de puissance. L'harmonique impair est déphasé par rapport à la fréquence fondamentale, ce qui entraîne de graves problèmes de système. Les harmoniques sont comme un bruit de très basse fréquence.
· Les décharges électrostatiques (ESD) provoqueront de courtes pointes de tension ou des impulsions. Ceci est particulièrement nocif pour les appareils sensibles, tels que les puces de microprocesseur et autres semi-conducteurs ou petits appareils électroniques. C'est un problème d'immunité.
De nombreux appareils, tels que les servocommandes et les machines tournantes, consomment beaucoup d'énergie en peu de temps, ce qui peut provoquer des pointes de tension élevées. Ces pointes créent des niveaux élevés d'EMI qui submergent les appareils à proximité en interrompant leur fonctionnement normal. Ces coupures à haute fréquence peuvent être particulièrement dommageables lorsqu'elles se produisent à proximité d'équipements sensibles. Si la tension générée par les EMI est trop élevée pour que l'équipement exposé puisse la gérer, il présente un risque d'EOS.
L'EOS est la principale cause d'endommagement des composants de circuits intégrés (CI). Si vous utilisez l'automatisation dans vos processus, vos fonctions opérationnelles quotidiennes dépendent de votre capacité à prévenir et supprimer les EMI au sein de votre installation. Pour minimiser l'EOS, vous devez comprendre les origines des EMI au niveau de l'installation et au niveau du sol.
Considérez quelles machines ont tendance à produire le plus de bruit et quelles parties de chaque machine provoquent des interférences internes. Ces informations peuvent vous aider à formuler la meilleure façon de mettre en œuvre des dispositifs de suppression EMI tels que des filtres.
Les efforts visant à réduire l'exposition aux EMI des machines industrielles sont judicieux, surtout maintenant que les réseaux locaux sans fil (WLans) sont de plus en plus courants dans les installations industrielles. Lors de la construction d'outils électriques, vous voulez faire plus que simplement filtrer les EMI générées en externe - vous voulez également atténuer la propagation du bruit à l'intérieur de l'appareil pour l'empêcher de générer des interférences internes.
La prise en compte des facteurs ci-dessus au début de la phase de conception conduit souvent à des options plus rentables. Voici quelques suggestions de conception pour réduire et prévenir les EMI dans la technologie d'automatisation industrielle :
·Filtres EMI : les filtres EMI suppriment non seulement les bruits transmis indésirables, mais vous aident également à vous conformer aux normes réglementaires EMI industrielles telles que CISPR 11, EN61000-6-3 et EN61000-6-4.
· Blindage : il s'agit d'une technique de conception mécanique consistant à placer un blindage de mise à la terre en matériau magnétique ou conducteur autour du système. Un blindage protège le système des bruits rayonnés.
· Condensateurs de découplage : placer des condensateurs à proximité des broches d'alimentation du circuit intégré HF permet de réduire les EMI rayonnées.
· Chemin de retour court : les longs chemins de retour circulaires agissent souvent comme des antennes rayonnantes, ce qui entraîne des EMI. En connectant la masse de l'appareil directement au plan de masse, vous pouvez réduire considérablement le niveau d'interférence.
La fonction principale du filtre EMI est de filtrer les interférences de l'impulsion haute fréquence du réseau électrique externe vers l'alimentation, et également de réduire les interférences électromagnétiques de l'alimentation à découpage elle-même vers le monde extérieur. En fait, c'est l'une des caractéristiques de l'inductance et de la capacité, peut faire passer environ 50 Hz de courant alternatif à travers le filtre, mais plus élevé que celui de plus de 50 Hz de filtre de bruit d'interférence de fréquence, il a donc un autre nom, appelé Filtre passe-bas du filtre EMI (Mr) à la télévision, leur signification, pour les basses fréquences peut passer, tandis que le filtre haute fréquence.
Circuit de filtre EMI secondaire
Dans les alimentations de haute qualité, il existe deux circuits de filtrage EMI, dont l'un se trouve sur la prise de courant et l'autre sur la carte PCB de l'alimentation (il existe des cas où les deux circuits de filtrage EMI sont réalisés sur le PCB planche). Ces deux circuits EMI peuvent bien filtrer les parasites haute fréquence et les courants d'interférence en phase dans le réseau électrique. Dans le même temps, le rayonnement électromagnétique généré dans l'alimentation est réduit au minimum, de sorte que la quantité de fuite de rayonnement électromagnétique vers l'alimentation ne causera pas d'effets néfastes sur le corps humain ou d'autres équipements. Les alimentations de mauvaise qualité omettent généralement le circuit de filtre EMI du premier étage et même le circuit de filtre EMI du deuxième étage.
