Annons

Stor skillnad mellan EDM, EMC, EMI och ESD

Det välkända förhållandet att Marconi använde en gnistsändare när han kommunicerade trådlöst över Nordatlanten och att signalisten ombord i fartyg länge kallades ”Gnisten” – faktiskt så sent som under femtiotalet när jag själv som mycket ung jungman feriejobbade några somrar i nordsjöfart – tyder på att gnistor ger upphov till radiostörningar. Ibland är de nyttiga, ibland störande och ganska ofta förstörande.

De tidiga tvåtakts-saabarna och mopederna är exempel på EMI-störare. Där var det tändsystemen som störde AM-mottagare och ritade tvärstreck på tevemottagarna, bildinformationen var amplitudmodulerad och synkpulserna låg nere på ”svartare än svart” så att synken föll ur. Då rullade bilden och det var bara ljudet (FM) kvar. Under VM i fotboll 1958 förbjöds både SAAB:ar och mopeder lokalt. Fotboll var lika heligt då som nu.

Historik – ledningsbunden och utstrålad EMI, EMC och andra akronymer
Bilden visar läget fram till ungefär 1990 och är tagen från en presentation vid ett ITF-årsmöte. ITF var i högsta grad berörda av de höga störnivåerna och situationen med allt känsligare ”offer” och allt effektivare störare började bli så ohållbar att många system inte fungerade som tänkt tillsammans och ordet ”kompatibilitet” blev vanligt. Det blev förstås också en ”TLA” (Three Letter Acronym): EMC, som står för Electro Magnetic Compatibility. I bilden motsvaras EMC av avståndet mellan de två kurvorna.

Alla dessa akronymer bidrog till förvirringen och det förekom en hel del fruktlösa diskussioner där en part tyckte att det behövdes mera EMI medan motparten förundrad försökte förstå vad det var för fel på bättre EMC. Förvirringen blev mindre med tiden och idag hoppas jag att termerna används korrekt.

Nätspänningens övertonshalt – Total Harmonic Distortion, THD uppfattades fortfarande av många som den stora boven. Och den uppfattningen lever fortfarande kvar i vissa branscher. Elinstallatörer brukar vara svåra att övertyga att det finns en värld ovanför ett par kHz där THD upphör att vara definierad. Till det kommer de så kallade mellantonerna som ligger och sveper över THD-området och är ytterligt knepiga att hantera. De störde de tidiga PLC-systemen (Power Line Communication, inte Programmable Logic Controller) samt rensade en hel del filter som var avstämda att inte ligga på en överton. Mellantonerna behövde bara bli kvar några sekunder på den valda frekvensen för att resonansen skulle bygga upp så hög spänning att kondensatorerna exploderade. Induktanserna klarade sig men om aluminiumfolien i kondensatorlindorna startade en ljusbåge så strök reaktorerna också med. Och ofta hela anläggningen. Det hade det goda med sig att flamskyddande arbetskläder började bli vanliga och Arc-Flash blev ett välkänt begrepp. Nåja, det fanns flera orsaker men detta bidrog.

Modern tid – EDM inte detsamma som EMI eller EMC. Inte alls,
De stora störarna var alltså i början variabla drivsystem med tyristorlikriktare och det byggdes filter som skulle ta hand om problemen. Det handlade om låga frekvenser och enbart ledningsbunden emission.

När frekvensomriktarna kom var de också i början bestyckade med tyristorer med släckkretsar. Lite snabbare än de nätkommuterade så störningarna klättrade upp lite i frekvens. Men det var först när IGBT började användas som de var uppe i MHz och när de riktigt snabba IGBT:erna (Toshiba) sattes in blev frekvensomriktarna de värsta störsändarna man kunde hitta. Och nu var det både ledningsbunden och utstrålad EMI som det handlade om. Normerna skärptes och visst hjälpte det till en del men vid en kontroll som Elsäkerhetsverket och SEMKO gjorde 1994 belades samtliga ca 20 omriktare, utom två, med försäljningsförbud. Av de två godkända var den ena en triacbaserad dimmer (som kommit med av misstag) och den andra var en svensk konstruktion (NFO Drives) som i grunden var störningsfri på grund av ett energilager i stället för filter i utgångssteget. Den kom till användning i marinens ”stealthbåtar” eftersom den inte avgav RÖS (Röjande Strålning) och av DeLaval, som upptäckt att de högfrekventa läckströmmarna från PWM-omriktare störde korna så att mjölkproduktionen minskade med tiotals procent. Den visade sig också minska EDM.

Mätning, gränskurvor och annat sådant

Från SEMKO:s kontroll av omriktare 1993. QP betyder att en kvasi-peak detektor med definierade dynamiska egenskaper använts och ”avre” att likriktat medelvärde mätts. Ledningsbunden EMI.

Referensen är mikrovolt och gränskurvorna ligger vid ca 60 dB. Omräknat till spänning betyder det 1000 µV dvs 1 mV. Vid dessa mätningar uppstår ofta diskussioner hur resultatet ska tolkas och ett mätfel på några tiotal µV är därför förödande för trovärdigheten. Mycket möda läggs därför på att övertyga klienten att resultaten inte kan (eller får) ifrågasättas och mät-setup är standardiserad med definierad matning (LISN), jordplan och skärmat mätrum. Frekvensområdet sträcker sig från 150 kHz till 30 MHz och där representativ frekvens vanligen är några MHz.

EDM, då? Vilka gränser gäller – och vilka frekvenser?
För den som inte träffat på fenomenet EDM ligger det nära till hands att förmoda att även lagerskador kan mätas på samma sätt, att samma frekvensområde gäller och att man gör klokast i att mäta med bättre än 10 µV osäkerhet. Det är inte ens i närheten av sanningen och har lett till ganska många missförstånd och mycket tidsspillan.

Det kanske inte behöver gå så långt som till krav på skärmade mätrum, Det vore opraktiskt att frakta motor, drivsystem och kablage till ett sådant. Motorer i storleksordningen 100 – 10 000 kW låter sig inte flyttas hur som helst och ska man sedan ha med lasten/driven maskin blir det väldigt opraktiskt. Och fullständigt onödigt. Man behöver inte ens använda skärmade mätkablar eller speciella prober för att kontrollera om det finns EDM i ett lager – ett vanligt oscilloskop, en svetselektrod eller skruvmejsel och ett par tampar är vad som behövs. Vill man klassa och kvantifiera EDM får man ta i lite mera men fortfarande räcker ”svetselektrod och tamp” som pick-up och mätledning.

Det krävs lite studium av ämnet innan man inser vad EDM i drivsystem faktiskt innebär. En presentation finns på General Electric’s intranät och sägs vara åtkomligt externt. Jag fick ett par DVD med innehållet efter presentationen så jag har inte ens försökt komma in på intranätet men prata med
din ordinarie GE-kontakt så fixar han det. Det är den här presentationen han ska leta efter:

Det är först när man insett att EDM är fullständigt väsensskilt från EMI/EMC som man kan göra någon nytta inom detta område och inser att varvtal, lastzon, temperatur och annat har betydelse för graden av skador, att vi inte talar om frekvenser mellan 0,15 och 30 MHz utan mera om antal events som inträffar från 0 till ca 1000 gånger per sekund och att en mätosäkerhet på en eller två volt är OK.

Vi lämnar alltså EMC-tänkandet och tittar på några verkliga fall
Grunderna, de fyra felmekanismerna, motmedel och mätningar på existerande installationer kan man hitta om man klickar på den här länken:

https://www.bing.com/search?q=edm+skogsgurra&cvid=71643c62c01b4b96b4d993ee902e1b7b&FORM=ANNTA1&PC=LCTS Där finns ett antal presentationer som beskriver vad som händer och vad som orsakar problemen.

Några illustrativa bilder finns i ett antal träffar. Ett typiskt genomslag induktiv koppling) visas här:

Axelns potential i förhållande till motorhöljet visas av den röda linjen (streckad visar potential utan asymmetriskt läckfält) och den undre heldragna linjen visar potentialfördelningen strax innan genomslaget i NDE lagret sker. Genomslaget i NDE gör att hela axelns potential (den relativt korta axeln med dess grova area är en god ledare för snabba potentialsprång) så att även DE-änden gör ett motsvarande språng.

Detta språng kan, om oljefilmen och ytjämnheten i DE samverkar till god isolation, ge en positiv spänningshöjning över DE-lagret. Detta var fallet vid denna registrering där spänningen når ca +35 V utan att något genomslag sker (gröna alternativet). Men det kan kunde lika väl ha lett till ett genomslag i DE-lagret (röda alternativet).

Denna stokastiska karaktär hos oljefilmen/lagrets isolation gör att mätning av enstaka genomslag och mätningar med bättre än ca 1 V noggrannhet är meningslös. Det innebär att mätningar kan göras med ”mejsel och sladd” och skärmade kablar eller impedansanpassning är helt utan verkan. För att få en repeterbar och meningsfull bild av EDM-aktivitet i lagret måste de ackumulerade genomslagen under en viss tid, vanligen några sekunder, göras och summeras i räknare för antal PPS (Pulser Per Sekund) för olika nivåer. Praxis är att sätta PPS(H) till 20 V, M till 10 V och L till 5 V. Utöver detta bör man se till att få en klar bild av RPV (Representative Peak Voltage) som registrerar vid vilken nivå man hittar 1000 toppar per sekund. Detta eftersom ett kallt lager sällan ger många PPS men höga RPV indikerar att genomslag kommer att ske vid varmt lager, dvs tunnare oljefilm.

Vid kapacitiv koppling ser genomslagen likadana ut men axeländarna rör sig i likfas (commonmode) i stället för i motfas, som i fallet med induktiv koppling. Bild nedan:

Tolkning av registreringarna lämnas som en övning åt läsaren. En fråga, som kan vara intressant att ställa är vad det nedersta spåret representerar. Samtidigt kan man fråga sig om det förekommer genomslag i båda lagren eller endast i ett. Och, i så fall, vilket?

Om man inte har mätdata? Vad göra?
Det bästa är förstås att skaffa fram mätningar. Men det kan leda till oväntade problem. För att bestämma om det är induktiv eller kapacitiv koppling som ställer till problemen måste man mäta båda axeländarnas spänning till motorhöljet. I ”innovativa” konstruktioner – framför allt sådana där motor och växel eller differential/momentfördelare är hopbyggda till en enhet kan det vara omöjligt att göra sådana mätningar. Att då mäta två gånger på NDE kan visserligen ge en känsla av att man ”ändå gjort något” men någon information tillför det inte. Möjligen en verifiering att inga stora mätfel förekommer. Med krav på ca 1 V upplösning och noggrannhet kan man utan vidare lita på mätningen som sådan. Det är endast i samband med EMI/EMC, där redan några mikrovolt mätfel kan vara avgörande, som sådana hänsyn behöver tas.

Om det nu inte går att mäta spänning mellan DE och NDE eller bådas potential till motorhöljet så får man försöka simulera systemet i en mer eller mindre realistisk modell där Comsols simulatorer eller LT-Spice XVII används. Vi har använt Spice, den har visat sig ytterligt användbar i många andra sammanhang. En stor fördel är förstås den löjligt låga kostnaden och den stora användargruppen där olika tekniker och synpunkter kan diskuteras. LT-Spice XVII har använts i den aktuella simuleringen.

Nästa steg är att bygga en modell av systemet. IEEE har en modell som tar hänsyn till ”allt” – inte bara primära mekanismer utan även sekundära kopplingar mellan lindningar och rotor. Till och med tertiära effekter, interna impedanser i alla kretsar ner till rotorns impedans och skillnaden mellan motorns jordskruv, systemjord och de två lagersätenas impedans till jordskruven finns med i modellen. Att få fram data på alla dessa parametrar är en hopplös uppgift. Verkligen hopplös, i ordets egentliga mening.

Många av de sekundära och tertiära effekterna kan man bortse från. Och många av parametrarna kan man sluta sig till ur motorns geometri. Men ett par viktiga kapacitanser, C7 och C8, dvs de kapacitanser som orsakar skadan vid genomslag i oljefilmen är svåra att uppskatta i en maskinkombination där allt gjorts för att få en praktiskt användbar motor med olika material och där axeln från differentialen löper genom ett cylindriskt hål i rotorn där varken dimensioner eller toleranser är givna. Till detta kommer att hela konstruktionen är oljefylld, vilket gör att små avvikelser i dimensioner ger ett resultat som avviker med en faktor lika med e. Dielektricitetskonstanten för den använda oljan är okänd men man bör kunna räkna med ca 3.

I det aktuella fallet borde C7 + C8 lätt ha kunnat mätas upp men några siffror kunde inte presenteras. En snabb mätning av totala tidkonstanten är lätt att åstadkomma och varför resultatet uteblev är lite svårt att förstå. Tekniken är annars mycket enkel, Ladda det roterande systemet med 16 V via en 10 k resistor och mät tidkonstanten (tid till 10 V eller genom att mäta du/dt vid uppladdningens början. Denna enkla teknik ger tillräckligt bra noggrannhet och störningarna från inkopplad PWM är lätta att känna igen så att mätning av ”rena” uppladdningar kan göras. Förklaring: Vid 16 V matning når spänningen ungefär 1 – 1/e (dvs 63,2 %) av slutvärdet inom en tidkonstant. Om man i stället använder dubbla spänningen så får man i allmänhet också representativ genomslagsspänning vid aktuell motortemperatur och hastighet.

Är simulering ett bra sätt att få grepp om EDM?
Den resulterande första LT-Spice XVII-modellen är baserad på antaganden som senare visade sig vara orealistiska. Dessutom utgick den från att det ekvivalenta enfassystemet matades med commonmodespänning. Den omarbetades därför till en verkligare bild av systemet där trefas PWM skapas i den högra delen och inverkan av olika kopplingsvägar enkelt kunde ställas om. En millisekund av steady-state (efter 50 ms) visas nedan.


(klicka för större bild)

I den här simuleringen ser man att kapacitivt och induktivt kopplad lagerspänning ligger i storleksordningen 10 V och att osäkerhet i mätningarna i storleksordningen 100 mV till 1 V (långt över de 10 µV som anses nödvändig i EMI-mätningar) är fullt tillräcklig för att mäta EDM i lagren.

Slutsatsen blir alltså att man lär sig mycket om man försöker bygga en noggrann modell av motor, lager och matande PWM. Men att resultatet inte är att lita på är uppenbart. Man har helt enkelt inte tillgång till alla de 20 – 30 parametrarna som behövs. Modellen är också svår att verifiera. Man kan möjligen göra det för en enstaka motortyp i en väldefinierad labbuppkoppling. Men i verkligheten är det fortfarande verkliga installationer med stor spännvidd i effekt kabellängder etcetera man vill ha besked om.

Vad kan man då göra?
Det är egentligen inte spänningsnivåerna i sig som är intressanta. Det man vill mäta är den faktiska förekomsten av genomslag i lagrens oljefilm. Från vilken nivå de sker och hur många gånger per sekund. För elektriska maskiner kan man vanligen säga att genomslag från 5 V till 0 V är okritiska. Men det gäller enkel maskin utan komplicerad mekanik med hög total kapacitans till jord. I vissa system (roterande UPS, motorer sammanbyggda med momentfördelare/differential, undervattenstillämpningar med oljefyllda motorer och andra sådana system) kan kritisk spänning ligga så lågt som vid ca 2 V.

Oljefilmens genomslagsspänning varierar dessutom med lagertemperaturen så att antalet genomslag är lågt vid nystartad motor och ökar när motorn belastas. Där är begreppet RPV (Representative Peak Voltage) ett viktigt begrepp. Kortfattat innebär det att man mäter vid vilken nivå en viss spänning förekommer ett visst antal (vanligen 1000) gånger per sekund. Om man inte ser några genomslag med har RPV över 5 V så finns det en stor och verklig risk att man får EDM vid högre temperatur. Undantag finns men detta är värden som verifierats under mer än tio års mätningar i fält och med tanke på hur mycket ett lagerhaveri i en större anläggning kostar så är det en mycket bra strategi att vara ”Safe and not Sorry” och sätta in de motmedel som finns. Det kostar sällan mer än några procent av vad ett haveri kostar.

Hur identifieras EDM?
Kort sagt, genom att leta efter snabba spänningssprång från positiv eller negativ potential mot noll (=0V vid genomslag) och räkna/klassa signaler med falltider kortare än cirka 0,2 µs.

Men den här sammanställningen är redan lite för lång så vi tar det en annan gång.

Gunnar Skogsgurra Englund

GKE Elektronik AB

2 Responses to “Stor skillnad mellan EDM, EMC, EMI och ESD”

  1. Hej!
    Jag läser dina krönikor med behållning, tack för dom.
    2-takt SAABen var inte tysta, kallades här ”djungeltrumma”.
    Det talades även om en film från ett villaområde i USA där det var normalt med
    radiostyrda garageportöppnare. SAABen kör gatan fram och garageportarna går upp efterhand.
    —-
    En fråga: finns det något område där har nytta av att ett AC-magnetfält ändrar fas (rel strömmen)
    förutom i en metalldetektorer?
    sensommarhälsning 200822
    Bengt Bengtsson

  2. Hej Bengt

    Det var ju en rejäl sågning av gammelsaabarna. Sann eller ej så skulle jag gärna vilja se den.

    I USA finns det fortfarande många AM-stationer och att sälja elbilar där är förenat med vissa problem. Förarna vill fortfarande lyssna på sina favoritstationer och då får det inte finnas mycket kvar av den EMI som elfordon ger upphov till. In med filter! Men då ökar vikten. Problem, som sagt.

    Att magnetfält påverkas av yttre omständigheter utnyttjas på många sätt. Jag hade turen att hamna på gamla ASEA när Orvar Dale jobbade med problemet att mäta höga moment i axlar till valsverk och andra högeffekttillämpningar och han tog fram en lösning där magnetostriktionen påverkade kopplingen mellan två lindningar så att den resulterande spänningen i sekundären blev ganska linjärt beroende av momentet i axeln. Med en faskänslig likriktare fick man också ut momentets riktning så att man kunde studera transienter när hetan gick in mellan valsarna.

    Tidigare hade man använt trådtöjningsgivare med släpringar och dom blev inte långlivade i miljön kring ett valsverk. Konstruktionen patenterades under namnet Torduktor, vilket beskrev funktion och princip på ett kortfattat sätt. Någon renodlad elektroniksektor fanns inte på ASEA vid den tiden men nu bildades Y-sektorn och den linjära varianten av Torduktorn – Pressduktorn – utvecklades. Y-sektorn hade en symbol där ett modifierat ”Y” inramades av konturerna av Pressduktorns magnetkärna.

    Arenco och Philips, bland andra, insåg konstruktionernas möjligheter men ASEA:s patentkille hade täppt till ganska bra, så de fick använda andra konstruktioner (som också utnyttjade stålets magnetoelastiska egenskaper).

    Andra tillämpningar där magnetflödets variationer utnyttjas är de fortfarande gångbara givarna ”differentialtransformator” och ”linjär variabel transformator”. Jag har en på hyllan med den närmast löjliga upplösningen 0,02 um. Löjlig om man inte skulle kontrollmäta passbitar eller studera krypning i material. Och mäta passbitar var just vad mitt exemplar användes till.

    Mera?
    OK, Vacuumschmelze i Hanau experimenterade med snabb kylning av olika stållegeringar och fick fram så kallat ”metallglas” där kylningen var så snabb att smältan inte fick en chans att kristallisera utan istället gick över till en underkyld (och stabil) smälta utan korngränser. Ett ”glas” alltså.

    Materialet kunde ges olika egenskaper och en kvalitet med extra hög magnetostriktion kunde enkelt mäta krafter genom att permeabiliteten varierade med kraften och i en enkel RL-oscillator ge upphov till en frekvens som följde kraften monotont.

    Ett intressant uppdrag var att hitta orsaken till att de tidiga EVS-systemen inte var särskilt pålitliga. Just detta system utnyttjade en metallglasremsa under etiketten (du minns kanske att kassan drog vissa varor över ett speciellt område på disken) och det fanns en drivspole och en sökspole i larmportalen. Drivspolen matades med 1000 Hz och sökspolen reagerade på övertoner (6000 och 8000 Hz) som bildades i magnetremsan. Eftersom man bara förväntar sig udda övertoner i en omättad magnetkrets så undrade jag varför man valt att detektera jämna övertoner? Helt enkelt för att man fick bästa amplitud där. Vi rensade labbet från allt som kunde påverka remsan och när inget hjälpte så tänkte vi lite. Jordmagnetiska fältet! Visst. Sedan var det bara att ändra detekterade frekvenser till udda och köra hem och skriva faktura på jobbet.

    Jag har inte varit i kontakt med alla övriga tillämpningar där magnetfältets inverkan, eller strömmen fasförskjutning, utnyttjas. Det finns säkert många och läsarna är högst välkomna att berätta om dem.

    Avslutningsvis måste nämnas att en avknoppat (eller avhoppar-) företag, också i Hanau, jobbat vidare med ”metallglaset” och fått det att ”nanokristallera” och det är det materialet som numera används som commonmode-filter för att bekämpa EDM i omriktarmatade elmotorer.

    Ledsen, det blir gärna långt och ordrikt när jag skriver. Och jag kan inte ens lova att jag aldrig ska göra så igen 🙂