EMI چیست؟

تداخل الکترومغناطیسی (EMI)

مقدمه

این اولین مقاله از دو مقاله ای است که توضیحی در خصوص تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، چگونگی تاثیرگذاری آن بر اجزای الکتریکی در تابلو برق و نکات رایجی برای محدود کردن اثرات EMI ارائه می‌دهد.

EMI چیست؟

تداخل الکترومغناطیسی (EMI) زمانی رخ می‌دهد که جریان‌های الکتریکی ناخواسته جریان‌های مورد نظر را که یک دستگاه الکترونیکی قرار است دریافت کند، قطع کند. این جریان های مخرب که اغلب نویز یا نویز الکترومغناطیسی نامیده می شوند، می‌توانند توسط  یک منبع خارجی یا توسط سایر اجزای داخل دستگاه ایجاد شوند.

تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا تداخل فرکانس رادیویی (RFI) به عنوان سیگنال های الکترومغناطیسی توصیف می شود که در عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی اختلال ایجاد می کند. EMI می‌تواند اثرات نامطلوبی را بر اجزای الکتریکی در تابلو کنترل آسانسور بگذارد، که سبب از دست رفتن ارتباط سریال، جابه‌جایی نادرست کابین آسانسور و اختلال در سیگنال های کنترل گردد. EMI نه تنها راندمان تجهیزات الکتریکی را کاهش می‌دهد، بلکه طول عمر قطعات را کاهش می‌دهد و هزینه مالی برای نگهداری تجهیزات را افزایش می‌دهد.

** EMI در واقع هر فرکانس نویز الکتریکی است، در حالی که RFI زیرمجموعه خاصی از نویز الکتریکی در طیف EMI است.

منبع EMI

یکی از راه های دسته بندی EMI ها، بررسی منبع تداخل و نحوه ایجاد آن است. در این دسته‌بندی، اساسا دو نوع EMI وجود دارد، EMI طبیعی و EMI ساخت دست انسان. EMI طبیعی به تداخل های الکترومغناطیسی اشاره دارد که در نتیجه پدیده های طبیعی مانند رعد و برق و سایر رویدادهای مشابه رخ می دهد. در حالی که EMI ساخت دست بشر، به EMI هایی اطلاق می شود که در نتیجه فعالیت سایر دستگاه های الکترونیکی در مجاورت دستگاه (گیرنده) رخ می دهد. نمونه ای از این نوع EMI ها شامل تداخل فرکانس رادیویی، EMI در تجهیزات صوتی و غیره است. EMI های ساخت دست انسان به دو زیر مجموعه‌ی EMIهای عمدی و غیرعمدی تقسیم می‌شوند.

EMI عمدی: این نوع EMI به عنوان EMI عملکردی نیز شناخته می‌شود، منابع عمدی برای عملکرد مورد نظر خود به امواج الکترومغناطیسی نیاز دارند، مانند تلفن همراه، تلویزیون و رادیو. این سیگنال‌های الکترومغناطیسی ضروری هستند و نمی توان آنها را محدود کرد. تنها راه برای کاهش تأثیر آنها محافظت از سایر تجهیزات در برابر آنها است. به عنوان مثال، استفاده از تلفن همراه در بسیاری از بیمارستان ها مجاز نیست.

EMIغیرعمدی: منابع غیر عمدی در حین کار خود نویز الکترومغناطیسی نامطلوبی ایجاد می کنند. اینها اخلالگر عمده سایر دستگاه‌های مجاور هستند. منابع ناخواسته عبارتند از موتورها، وسایل برقی، اینورترها، یکسو کننده ها، تردمیل ها و غیره. نویز ناشی از این منابع غیرعمدی باید برای اطمینان از عملکرد صحیح سایر دستگاه های مجاور، مهار شود.

مکانیزم‌های کوپلینگ EMI

3 نوع EMI وجود دارد – EMI رسانایی، تشعشعی و کوپلینگ. EMI رسانایی از طریق هادی‌ها مانند سیم‌ها یا خطوط برق عبور می‌کند، در حالی که EMI تشعشی در هوا حرکت می‌کند و به هادی نیاز ندارد. EMI کوپلینگ نیز به دو زیر مجموعه، خازنی و القایی تقسیم می‌شود. هر سه EMI رسانایی، تشعشی و کوپلینگ می‌توانند عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی را از طریق اختلال، تخریب، عملکرد نادرست یا خرابی سیستم تحت تاثیر قرار دهند. به خاطر داشته باشید که هر نوع مشکل تداخل شامل منبع، گیرنده و مسیر انتقال بین منبع و گیرنده است. این مفهوم در زیر نشان داده‌شده‌است:

نمودار نمونه‌ای که انواع تداخل الکترومغناطیسی اعم از EMI القایی، رسانایی، خازنی و تابشی در یک سیستم نشان می‌دهد

EMI رسانایی به عنوان تداخلی تعریف می شود که از اتصلات (سیم‌ها یا هادی‌ها) به عنوان مسیری از منبع به گیرنده استفاده می‌کند. به عنوان مثال، انکودری را در نظر بگیرید که بین یک موتور و درایو متصل شده‌است، در صورتیکه انکودر به یک سیستم نویزی زمین شده‌باشد، نویز را به درایو منتقل می کند. نویز هدایت‌شده می تواند باعث شود که CPU درایو سیگنال‌های ولتاژی نادرستی دریافت کند که درنتیجه باعث تفسیر نادرست سرعت موتور و یا بروز خطا در درایو شود. در ابتدا، ممکن است فرض شود که علت اصلی بروز چنین مشکلی، مربوط به تنظیم نادرست پارامترها یا احتمالاً معیوب بودن برد کنترل(CPU) درایو است. درحالیکه بررسی دقیق‌تر نشان می‌دهد که دلیل اصلی چنین رخدادی اتصال نامناسب کابل انکودر به زمین می‌باشد.

EMI تشعشعی به عنوان تداخلی تعریف می شود که از یک مسیر بی سیم از منبع به گیرنده منتقل می‌شود. این پدیده معمولاً در تابلو کنترل آسانسورها که کابل‌هایAC و ولتاژ بالای موتور(مدار قدرت) به صورت موازی در کنار سیم کشی ولتاژ پایین(مدار فرمان) قرار می گیرند،دیده می‌شوند. نتیجه این نزدیکی بین سیم ها، ایجاد اختلال در خط انتقال می‌باشد. برای درک بیشتر و بهتر این موضوع به این مثال توجه کنید،اگر سیم‌های موتور در مجاورت یک ارتباط سریال بین PLC و VFD قرار گرفته باشند، درهم کنش این سیگنال‌ها ممکن است سریال داده‌ای را که بین کنترل‌کننده(PLC) و درایو(VFD) منتقل می‌شود، خراب کند.

ارتباط EMI با VFD ها چگونه است؟ 

برای اینکه ارتباط EMI با درایو (اینورتر یا VFD) را به خوبی درک کنید، لازم است ابتدا با ساختار و توپولوژی درایو آشنا شوید،ما پیشتر در مقاله، “کنترل‌کننده‌های دور موتور(VFD) یا اینورتر ها چگونه عمل می کنند؟“ به طور مفصل به بررسی ساختار و نحوه‌ی عملکرد درایو(اینورتر) پرداخته‌ایم،بنابراین توصیه می‌کنیم به منظور درک بهتر بخش‌های بعدی این مقاله، ابتدا مقاله‌ ی ذکرشده در بالا را مطالعه فرمایید.

• بخش یکسوکننده(پل دیودی):EMI توسط بخش یکسو کننده ورودی VFD ایجاد می شود که از یک پل دیودی تمام موج تشکیل شده است که برق AC ورودی را به برق DC تبدیل می کند. یکسو کننده ورودی در هر دوره ولتاژ متناوب، جریانی غیر سینوسی از منبع تغذیه، می‌گیرد. این امر باعث ایجاد هارمونیک های جریان در منبع تغذیه و متعاقا اعوجاج ولتاژ می شود که می تواند به سایر تجهیزات الکتریکی متصل به شبکه برق هدایت شود.

در مقاله‌ی “هارمونیک چیست؟” به صورت کامل به بررسی این پدیده و تاثیر پل‌دیودی (بخش یکسوکننده) درایو بر هارمونیک پرداخته شده است.

• مدولاسیون عرض پالس(PWM): VFD از مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای تامین ولتاژ موتور AC استفاده می کند. بخش خروجی VFD با روشن و خاموش کردن ترانزیستورها (IGBT ها) در فرکانس بسیار بالا (در حد 8 کیلوهرتز) ولتاژ باس DC را تعدیل می کنند تا شکل موج AC با فرکانس و ولتاژ خروجی دلخواه را شبیه سازی کنند. فرکانس سوئیچینگ بالاتر این مزیت را دارد که، شکل موج جریان سینوسی‌تری برای موتور ایجاد می‌کند.

در هنگام روشن کردن IGBT، ولتاژ در ترمینال خروجی VFD به میزان ولتاژ باس DC افزایش می‌یابد، میزان تغییرات ناگهانی ولتاژ نسبت به زمان تحت عنوان dV/dt بیان می‌گردد. میزان بالای dV/dt در سمت خروجی(موتور) VFD منجر به میدان‌های الکتریکی تشعشعی و افزایش لحظه‌ای ولتاژ می‌شود که توسط کابل‌ها به موتور هدایت می‌شوند. لازم به ذکر است که خروجی VFD به دلیل سوئیچینگ ترانزیستور با فرکانس بالا حاوی نویز EMI بسیار زیادی است. توجه به این نکته در هنگام سیم‌کشی کابل‌های قدرت و فرمان حائز اهمیت است.

EMI – دانستن نیمی از نبرد است

EMI به عنوان سیگنال‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شود که در عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی اختلال ایجاد می‌کند. مشکلات EMI اغلب منجر به عملکرد ضعیف تجهیزات و افزایش هزینه های نگهداری در طول عمر سیستم می شود. EMI از طریق رسانایی، کوپلینگ و تشعشع از یک منبع به دستگاه گیرنده منتقل می‌شود. مشکلات EMI ناشی از VFD را می توان به اجزای غیر خطی درایو (اینورتر یا VFD) و سوئیچینگ PWM فرکانس بالا ترانزیستورهای خروجی (IGBT ها) نسبت داد.