Articles

Статьи и материалы

При внедрении контроллеров УКТН-1 (как и прочих, использующих цифровые датчики температуры) в составе HVAC-установок, использующих BLDC-компрессоры, вентиляторы и частотные приводы, может возникнуть проблема неработоспособности датчиков температур при включении компрессоров или вентиляторов. Причиной являются высокочастотные импульсные помехи, создаваемые драйверами и силовыми проводами подключения двигателей и наводимые на провода подключения датчиков.
В данном исследовании мы попытаемся разобраться с причинами неработоспособности датчиков и выработать меры по предупреждению и оперативному решению данной проблемы.

В исследовании использовано следующее стендовое оборудование:
  1. китайский контроллер теплового насоса DAHUA со встроенным BLDC-драйвером и активным корректором коэффициента мощности (PFC);
  2. BLDC-компрессор Toshiba Carrier Corporation DA150A1F-20F, подключенный к выходам драйвера тремя проводами длиной около 0.8...0.9 м;
  3. контроллер УКТН-1 с импульсным блоком питания 12В;
  4. адаптер DAHUA-Ad1 для возможности управления частотой BLDC-компрессора со стороны контроллера УКТН-1;
  5. датчик температуры DS18b20 (китайский в металлической гильзе), подключенный на первый температурный канал контроллера кабелем общей длиной 5 м: 1 м составляют собственные выводы датчика, выполненные 3-проводным неэкранированным кабелем, и удлинитель из 3 проводов длиной 4 метра, подключенный к контроллеру и выводам датчика так, чтобы к точкам соединения была возможность подключения внешнего оборудования (осциллографа);
  6. лабораторное оборудование - мультиметр и цифровой запоминающий осциллограф SDS7102.


Два канала осциллографа подключаем к точкам соединения удлиняющих проводов и выводов датчика (на расстоянии 4 м от контролера и 1 м от датчика) - первый канал на линию данных и второй - на линию питания.
Первоначально сбоев в работе датчика температуры не отмечалось как при отключенном компрессоре, так и при запущенном компрессоре, при расстоянии от кабеля датчика до компрессора и его проводов более 50-100 см.

Записываем картину сигналов опроса датчика 1wire в условиях обычной помеховой обстановки. В пределах метра-десятков сантиметров от проводов датчика находятся не менее 5 одновременно включенных импульсных блоков питания разной мощности.



Видим, что хаотические импульсные помехи на линиях присутствуют, но их уровень невысокий, не превышает в пике 0.35В (10%), а в среднем еще ниже, датчик работает стабильно, сбоев работы не отмечается.
При этом отметим, что помехи на линии питания датчика также присутствуют, несмотря на шунтирование данной линии конденсатором на землю внутри контроллера. Сказывается индуктивность 4 м провода до контроллера.

Далее пытаемся словить проблему - добиться отказа в работе датчика.
5 метров кабеля к датчику, импровизированно свернутых клубком, размещаем непосредственно рядом с проводами подключения компрессора, а датчик закрепляем прямо на компрессор. Запускаем компрессор на минимальной частоте (устанавливаем вручную с мнемосхемы частоту 20-23 Гц).... и отмечаем отказ опроса датчика температуры. Если бы работа установки была бы запущена в автоматическом режиме, получили бы аварийный останов.
Смотрим, что же происходит на проводах подключения датчика:



Видим в среднем высокий, а временами - очень высокий уровень импульсных помех как на линии данных, так и на линии питания с частотой коммутации IGBT-транзисторов BLDC-драйвера; при этом иногда на линии данных пиковый уровень помехи достигает уровня земли, и достаточно часто пересекает пороговый уровень логики датчика (примерно половину напряжения питания). Опрос датчика проходит с различными кодами ошибок (некорректная CRC, неверный код семейства и даже "датчик не обнаружен").
С увеличением частоты вращения компрессора уровень импульсных помех становится еще выше, как и частота следования помеховых импульсов.
Отнесение датчика и проводов на расстояние несколько десятков сантиметров восстанавливает нормальный опрос датчика; повторное поднесение к компрессору увеличивает уровень помех и вызывает отказ опроса датчика, но в некоторых случаях не сразу, а через некоторое время (то есть какое-то время датчик опрашивается и в условиях высоких помех, после чего сбивается вплоть до полного отсутствия ответа за продолжающиеся запросы контроллера и даже на импульс сброса).
Пытаемся посмотреть, что имеется на незаземленном корпусе компрессора. Проверяем изоляцию корпуса от выводов обмоток и мультиметром в режиме измерения 700 VAC меряем напряжение на его кожухе (на выходной медной трубке) относительно заземляющей линии. Получаем усредненное значение напряжения наводки (помехи) на корпусе компрессора порядка 40-60 вольт переменного тока.
Смотрим на помеху осциллографом (с установленным на щупе делителем на 10 - вертикальный масштаб 50В/деление) :



Как видим, размах низкочастотной помехи с частотой порядка 50Гц превышает 500В (peak-to-peak), а уровень импульсных коммутационных помех с крутыми фронтами составляет в среднем 100В, иногда достигая 150В.

Возвращаем осциллограф на линии датчика и пробуем заземлить кожух компрессора (отдельным проводом на линию заземления питающего кабеля 220В - по сути, зануление). И получаем следующую картину помех на линиях датчика:



Датчик снова в работе, сбоев опроса не наблюдаются.
Таким образом, заземление корпуса компрессора, даже без экранирования силовых проводов его питания, восстановило работоспособность цифрового датчика температуры.
Отключаем заземление от корпуса компрессора и продолжаем исследование далее.

Отключили заземление с компрессора. Пробуем отфильтровать импульсные помехи на линии данных опроса датчика - устанавливаем керамический конденсатор 2,2 нФ между линией данных и землей в точке соединения проводов (1 м от датчика). Видим, что уровень помех на линии данных заметно снизился. Датчик включился в работу, опрос происходит без сбоев. Уровень помех на линии питания остался высоким, но на работу датчика это, видимо, влияния не оказывает (так как датчик берет питание и с линии данных):



Также при увеличении масштаба во временной области можно заметить, что при такой емкости конденсатора фронты полезных сигналов опроса датчика в значительной степени завалены, то есть дальнейшее увеличение емкости конденсатора не допустимо (может прекратиться обмен данными из-за нарушения длительностей импульсов).

А теперь попробуем перенести этот же фильтрующий конденсатор 2.2 нФ на ту же линию данных, но установить его на контроллере (а не в 1 м от датчика):



Датчик не работает! Уровень помех на линии данных, измеренный в 4 м от контроллера, несколько ниже, чем вообще без конденсатора. Но все равно достаточно высокий, опрос датчика в отказе. Помехи на линии питания (которая шунтирована на контроллере конденсатором 1 мкФ на землю) и на линии данных, измененные в 4 м кабеля от контроллера, практически идентичен, то есть увеличение емкости на контроллере не даст снижения помех на датчике. Фильтрация помехи на контроллере не оказывает существенного влияния на работу датчика. Помехи сбивают прежде всего сам датчик, подключенный длинными проводами, имеющими погонную индуктивность. Сам же контроллер не сбивается, работа контроллера опроса происходит даже в условиях сильных помех. Таким образом, установка фильтров внутри контроллера не позволяет добиться нормального опроса датчика. Приходим к выводу - фильтрация помехи должна устанавливаться в непосредственной близости от самого датчика.

Заменяем китайский датчик в металлической гильзе на самодельный, собранный из оригинальной микросхемы DS18b20 и платы фильтрации. На плате фильтрации установлен фильтрующий smd-конденсатор 0,15 мкФ по линии питания, фильтрующий smd-конденсатор 1 нФ по линии данных, и дополнительный подтягивающий smd-резистор 4.7 кОм с линии данных на линию питания. Микросхема DS18b20 припаяна непосредственно к плате фильтрации, датчик изолируется отрезком термоусадочной трубки.



Смотрим осциллограмму помехи в ~50 см от датчика в состоянии штатной работы с выключенным компрессором:



Видим достаточно низкий общий уровень помех. Существенно лучше, чем без фильтрующей платы. Разумеется, опрос датчика проходит без сбоев.

А теперь пускаем компрессор без заземления его корпуса.



Помехи появляются, но их уровень невысокий. Датчик продолжает работать без сбоев.

А теперь еще и заземляем корпус компрессора.



Наблюдаем очень низкий уровень помех на линиях данных и питания. Датчик работает без нареканий.

ВЫВОДЫ

Исходя из проведенного исследования, можно сделать следующие выводы.
  1. Проблема импульсных помех при работе установок с BLDC-моторами и частотными приводами является комплексной, ее следует решать комплексно как со стороны снижения уровня излучаемых помех, так и со стороны снижения чувствительности линий к помехам. Проблема возникает именно в частотно-регулируемых установках и не проявляется в старт-стопных установках, в которых отсутствует постоянная эмиссия мощных высокочастотных импульсных помех.
  2. Проблема наиболее остро проявляется именно при совместной прокладке на близком расстоянии излучающих ВЧ-помехи силовых проводов и самих двигателей и низковольтных сигнальных кабелей датчиков.
  3. Проблема отказа опроса цифровых датчиков температуры не может быть решена средствами только аппаратного и/или программного обеспечения контроллера, так как прежде всего сбивается работа самого цифрового датчика.
  4. Кожухи компрессоров и моторов вентиляторов, а также фреоновые медные трубки должны быть заземлены.
  5. Должны соблюдаться общие требования по прокладке кабелей и размещению устройств:
    1. Силовые и низковольтные (сигнальные) линии должны быть проложены в отдельных кабельных каналах и разнесены на максимально возможное конструктивно расстояние; желательны металлические заземленные кабельные каналы. Особенно это касается высокочастотно-коммутируемых силовых кабелей.
    2. Силовые провода от драйверов к компрессорам и моторам, которые могут быть источником ВЧ импульсных помех с крутыми фронтами, следует прокладывать в отдельных заземленных металлических рукавах или экранирующих оплетках
    3. Силовые драйверы управления компрессорами и вентиляторами (особенно BLDC-драйверы без собственного металлического заземленного кожуха) желательно размещать в отдельных металлических шкафах или хотя бы секциях шкафов, отделенных от низковольтной управляющей части заземленной металлической перегородкой.
    4. Кабельные каналы силовых линий, излучающих ВЧ помехи, и кабельные каналы низковольтных датчиков стоит конструктивно прокладывать на максимальном удалении друг от друга, например пускать по разным сторонам установки.

  6. Если предпринятые конструктивные меры по экранированию и снижению уровня излучаемых помех не помогают избавиться от отказа опросов датчиков температуры, необходима установка платы ВЧ фильтрации в непосредственной близости в от датчика (на расстоянии до 10 см от гильзы датчика). Плата герметизируется термоусадочной трубкой и не требует специального места для своего размещения и дальнейшего обслуживания. Кабель от фильтрующей платы к контроллеру (3-проводный) может не иметь экрана, особенно если проложен в металлическом кабельном канале. Тем не менее, использование экранированного кабеля позволит еще сильнее защититься от помех. Экранированный кабель должен быть обязательно 3-х или 4-х-проводным - минусовой провод к датчику должен быть отдельным, нельзя для этого использовать экран. Экран должен быть заземлен в одной точке, например возле контроллера.
    Подобная мера (установка платы фильтрации рядом с датчиком) совместно с экранированием источников помех позволяет гарантировать стабильную работу системы. Устанавливать плату фильтрации можно не для всех датчиков температуры, а только для тех, которые особенно подвержены воздействию мощных импульсных помех.


Consense © 2013-2019