Sähkömagneettinen yhteensopivuus taajuusmuuttaja-asennuksessa

Abstract

Taajuusmuuttajat ovat olennainen osa nykyaikaista teollisuutta, mutta niiden käytön sivuvaikutuksena syntyy sähkömagneettista häiriösäteilyä (EMI, electromagnetic interference), joka vaikuttaa sekä laitteiden toimintaan että turvallisuuteen. Tämän insinöörityön toimeksiantajana toimi Metropolia Ammattikorkeakoulu. Insinöörityön tavoitteena oli tutkia sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC, electromagnetic compatibility) haasteita taajuusmuuttaja-asennuksissa ja asentaa EMC-suojattu taajuusmuuttaja toimeksiantajan sähkökonesaliin.

Työssä perehdyttiin taajuusmuuttajiin, teoriaan sähkömagneettisen säteilyn ja häiriöiden taustalla ja tutustuttiin Euroopan Unionin EMC-direktiiviin 2014/30/EU taajuusmuuttaja-asennusten vaatiman EMC-suojauksen ymmärtämiseksi. Työn teoreettisessa osiossa kerrotaan taajuusmuuttajien toimintaperiaatteesta, sähkömagnetismin perusperiaatteista ja häiriösuojauksesta yleisesti teollisuudessa ja tuotekehittelyssä. Työn konkreettisessa osiossa suoritettiin EMC-suojattu taajuusmuuttaja-asennus ja lähikenttämittauksia sekä suojaamattomalle että suojatulle asennukselle. Valmista taajuusmuuttaja-asennusta tutkittiin spektrianalysaattorilla suojauskeinojen tehokkuuden arvioimiseksi.

Spektrianalysaattorilla suoritetut lähikenttämittaukset osoittivat, että häiriösuojattu kaapelointi ja EMC-asennustapa voivat merkittävästi vähentää taajuusmuuttajan aiheuttamaa sähkömagneettista häiriösäteilyä. Työ tarjoaa näkökulmaa käytännön EMC-toteutuksiin ja toimii esimerkkinä sähkökonesalia käyttäville sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijoille sekä taajuusmuuttajien parissa työskenteleville ammattilaisille.

Variable Frequency Drives (VFDs) are essential components in modern industrial systems, but their use can generate electromagnetic interference (EMI) that affects both equipment performance and safety. This thesis study was commissioned by Metropolia University of Applied Sciences. The objective of this thesis study is to examine the challenges of electromagnetic compatibility (EMC) in frequency converter installations, and to install an electromagnetically compatible VFD in the commissioner’s electrical motor laboratory.

The study involved a review of frequency converters, examination of theory behind electromagnetic radiation and interference, and familiarizing with European Union’s EMC Directive 2014/30/EU in order to understand the need for EMC in variable frequency drive installations. The theoretical part of the thesis covers the fundamentals of variable frequency drives and electromagnetism, sources of electromagnetic interference, and methods to mitigate electromagnetic interference in installations and product design. The practical part of the thesis details the installation process and near-field measurements for an EMC protected and an unprotected installation. Completed installation was analyzed with a spectrum analyzer to evaluate the effectiveness of the EMC measures taken.

The results of the near-field measurements conducted with a spectrum analyzer demonstrated that electromagnetically compatible cabling and installation methods can significantly reduce electromagnetic radiation emitted by a variable frequency drive. This thesis provides insights into practical EMC implementation and serves as an example for electrical and automation students using the electrical motor laboratory as well as for professionals working with frequency converters.