SUPORT TEORTEIC PENTRU CURS 2 Introducere in CEM 1. Notiuni generale de CEM 2. Nivele specifice în tehnica compatibilităţii electromagnetice Introducere: Fenomele perturbatoare de natură electrică şi magnetică însoţesc funcţionarea tuturor aplicaţiilor electricităţii, indiferent dacă acestea sunt de uz industrial sau casnic. Evoluţia tehnologică in domeniul aplicaţiilor electricităţii datând de circa o sută de ani, a stimulat producerea unor mutaţii importante in sfera noţiunii de calitate. În ultimul deceniu, aceasta a devenit inseparabilă de ceea ce se consideră a fi compatibilitatea electromagnetică (CEM). Obiective: Dupa parcurgerea acsetui curs, studentii vor avea cunostinte referitoare la conceptul de compatibilitate electromegnetica vazuta ca disciplina de granita intre legislatie si electrotehnica. Se vor discuta elemente legate de nivelele specifice în tehnica compatibilităţii electromegnaticxe Durata medie de studiu individual: 2 ore 1
1. Noţiuni generale de CEM În trecut, majoritatea aplicaţiilor utilizate în cadrul instalaţiilor electrice ale clădirilor convenţionale aveau sarcini liniare (precum motoare de tensiune continuă sau de tensiune alternativă, receptoare rezistive, lămpi cu incandescenţă etc.) care nu determinau, sau determinau foarte puţine interferenţe între diferitele tipuri de echipamente. În prezent compatibilitatea electromagnetică este un domeniu de mare actualitate, fiind impusă de dezvoltarea electronicii, a electrotehnicii neliniare, extinderea şi diversificarea reţelelor de comunicaţii si transmisii de date, creşterea gradului de interconectare în cadrul reţelelor energetice de altă natură. Acestea generează perturbaţii cu bandă îngustă (determinate de comutaţii şi de frecvenţa sub 9 khz), care se transmit în toată reţeaua electrică. În mod obişnuit, sursele de alimentare în comutaţie generează acest tip de perturbaţii conduse (funcţionând în domeniul de frecvenţe de la 10 khz la 100 khz). Toate acestea au condus la creşterea gradului de poluare electromagnetică atât în mediul înconjurător, cât şi în cadrul tuturor reţelelor energetice, de comunicaţii sau de altă natură. În primul rând, sistemele de alimentare cu energie electrică au devenit mai puternice, ceea ce poate determina perturbaţii electromagnetice; în al doilea rând, echipamentele numerice, precum echipamente IT pentru sisteme de management tehnic şi pentru sisteme de automatizare pentru procesele industriale, aplicaţii multimedia sau utilizări în domeniul afacerilor s-au răspândit, devenind mai sensibile, realizând o frecvenţă ridicată de transfer a datelor şi fiind utilizate din ce în ce mai mult pentru siguranţa privind activităţile. Această evoluţie necesită o calitate ridicată a instalaţiilor electrice din toate clădirile, la care incompatibilitatea conduce la costuri ridicate sau la o reducere inacceptabilă a standardelor de securitate. În principial, toate componentele electrice conductoare ale clădirilor sau ale întreprinderilor au un rol privind perturbaţiile electromagnetice, atât ca sursă (emiţător de perturbaţii) cât şi ca victimă (receptor de perturbaţii). În apropierea conductoarelor electrice instalate există conducte metalice, barele de rezistenţă din beton, faţadele metalice şi lucrările constructive din oţel, care pot să reprezinte elemente relevante din punctul de vedere al CEM şi la fel transmit perturbaţii de înaltă frecvenţă. De multe ori, o instalaţie poate fi simultan sursă şi receptor. Sisteme tipice sunt: liniile de alimentare cu energie electrică; echipamente de măsurare şi comandă - control; echipamente de alarmare; instalaţii ale calculatoarelor, inclusiv reţeaua de alimentare. 2
Pentru implementarea în clădiri a instalaţiilor electrice, fiabile şi cu costuri adecvate, din punct de vedere CEM, este absolut necesar să se realizeze o analiză CEM şi să se elaboreze un plan CEM, încă din fazele cele mai timpurii ale proiectului. Pentru toate instalaţiile electrice trebuie să se ceară să fie supervizate şi să fie implementate de către personal specializat CEM. Toate câmpurile, de joasă, medie sau înaltă frecvenţă sunt determinate de sarcini şi curenţi electrici. La frecvenţe joase, câmpurile electrice şi magnetice au o distanţă de propagare relativ redusă, reducerea intensităţii de la sursă este cel puţin invers proporţională cu distanţa, fiind concentrate în apropierea liniilor conductoare prin care circulă curent electric sau sunt sub tensiune. Deoarece câmpul electric este proporţional cu tensiunea din instalaţiile electrice, acesta poate determina perturbaţii electromagnetice suficient de importante, la distanţe mari, numai în apropierea instalaţiilor de înaltă tensiune. În orice caz, în cele mai multe instalaţii, câmpul electric nu are un rol important. Totuşi la distanţe reduse, precum în cazul cablurilor care sunt pozate împreună în canale de cabluri, câmpul electric trebuie să fie luat în consideraţie ca sursă a unor posibile perturbaţii. Câmpul magnetic este proporţional cu intensitatea câmpului electric. În multe sisteme de energie electrică, curentul electric poate atinge valori ridicate, astfel încât câmpul magnetic poate deveni important şi efectul perturbaţilor de înaltă frecvenţă este semnificativ. Sursele de perturbaţii se pot întâlni în tot spectrul electromagnetic, începând de la frecvenţa 0Hz (câmpuri electrostatice sau magnetostatice) continuând cu sistemele de comunicaţii de frecvenţă foarte joasă, emiţătoarele de radio şi televiziune şi terminând cu sistemele radar, cuptoare cu microunde, comunicaţiile prin satelit şi radiaţiile cosmice [1]. Toate aceste surse de interferenţe electromagnetice, pot fi controlate dacă se respectă cu stricteţe standardele de compatibilitate electromagnetică. Tot în această categorie intră şi fenomenele de comutaţie din circuitele electrice, ale căror emisii în înaltă frecvenţă, de bandă largă, acoperă domenii largi ale spectrului. Prin Compatibilitatea Electromagnetică se înţelege coexistenţa neconflictuală a emiţătoarelor şi receptoarelor de energie electromagnetică.aceasta înseamnă că: emiţătoarele transmit informaţia numai la receptoarele dorite; receptoarele relaţionează numai la semnalele emiţătoarelor alese de ele; nu are loc nici o interferenţă reciprocă nedorită. Susceptibilitatea electromagnetică este incapacitatea unui dispozitiv, echipament sau sistem sa funcţioneze fără degradare atunci când este prezentă o sursă de perturbație 3
electromagnetică. Orice receptor de perturbaţii electromagnetice are această caracteristică, deoarece, în mod sigur, există un mediu electromagnetic ai cărui parametri pot conduce la degradarea funcționării receptorului. Ea este folosită ca și indicator al vulnerabilității unui AES (aparat, echipament sau sistem) la acțiunea perturbaţiei electromagnetice. Limita de emisie este valoarea maximă permisă pentru nivelul de perturbaţii generat de un anumit element al echipamentului. Ca un exemplu, în tabelul 1.1. sunt indicate limitele de emisie pentru o serie de curenţi armonici în reţelele de joasă tensiune. Curenţii sunt în amperi. Tabelul 1.1 Limite de emisie pentru armonicele de curent în reţele de JT Armonica Limita [A] Clasa A Clasa B 5 1,14 1,710 7 0,77 1,155 11 0,33 0,495 13 0,21 0,315 Deoarece diferitele tipuri de echipamente afectează diferit sistemul, au fost definite mai multe clase. Pentru ilustrare sunt prezentate clasa A care cuprinde echipamente ca sistemele trifazate echilibrate sau aparatele electrocasnice. Clasa B sunt scule portabile (echipamente cu un factor de utilizare redus). Imunitatea electromagnetică definește aptitudinea unui dispozitiv, echipament sau sistem de a funcționa fără degradare în condițiile existenței unei perturbații electromagnetice. Astfel, imunitatea electromagnetică determinată în anumite condiții, indică gradul de poluare electromagnetică a mediului, care poate fi suportat de un AES până la apariția unor degradări în funcționare. Cuantificarea imunității se face cu ajutorul nivelului de imunitate care este valoarea maximă a pertubaţiei, existentă în reţea, care nu înrăutăţeşte (degradează) comportarea unui anumit element al echipamentului supus condiţiilor de test. Limita de imunitate este nivelul de perturbaţie pe care echipamentul trebuie să-l suporte fără săşi piardă performanţa. Dacă trebuie realizată o adevărată compatibilitate electromagnetică, 95% din distribuţia nivelurilor de imunitate a echipamentelor instalate trebuie să fie sub nivelul de compatibilitate, cum se arată în figura 1.1. 4
Figura 1.1 Distribuţia nivelului de imunitate Pertubaţiile generate de fiecare sarcină contribuie la crearea unui nivel de pertubaţii în toate nodurile reţelei. Nivelul de pertubaţii va fi mai mare în unele noduri (bare) decât în altele, în funcţie de impedanţele lor şi de încărcare şi va varia în timpul unei zile, în zilele săptămânii şi în timpul anului. Nivelul de compatibilitate (CL) este definit ca nivelul de pertubaţii care nu trebuie depăşit în 95% dintre măsurătorile din întreaga reţea. Figura 1.2 este realizată pe baza măsurătorilor nivelului de perturbaţie, pentru o anumită pertubaţie, în toate nodurile (barele) unei reţele timp de o săptămână. Figura 1.2 Nivel de compatibilitate Fixarea unor limite este un compromis. O limită de emisie foarte joasă va determina un nivel de perturbaţie foarte scăzut permiţând fixarea unui nivel de compatibilitate scăzut. Niveluri de imunitate scăzute ar fi acceptate, dar costul fabricării unui echipament cu un nivel de emisie scăzut va fi mai ridicat. Pe de altă parte, acceptarea unor niveluri de emisie ridicate va necesita creşterea nivelului de compatibilitate stabilit şi va necesita creşterea nivelurilor de imunitate, prin creştererea costurilor de fabricaţie. 5
Prin perturbaţie electromagnetică (PEM) se inţelege orice fenomen electromagnetic susceptibil să degradeze funcţionarea unui aparat, echipament, sistem sau să influenţeze defavorabil materia vie sau pe cea inertă. Prin degradarea funcţionării se înteţege modificarea nedorită a caracteristicilor de funcţionare ale aparatului/echipamentului/sistemului în raport cu cele prevăzute de proiectant. Aparatul/echipamentul/sistemul care emite perturbaţia poate fi numit sursă sau emiţător de perturbaţie electromagnetică, iar cel care o recepţionează este numit receptor de perturbaţie electromagnetică. Trebuie reţinut faptul ca orice aparat, echipament sau sistem electric,electronic poate fi în acelaşi timp emiţător sau receptor de perturbaţie electromagnetică. Din punct de vedere al compatibilităţii electromagnetice, există emiţătoare de perturbaţii electromagnetice şi receptoare de perturbaţii electromagnetice. Emiţătorul care produce în mod parazit energie electromagnetică în mediul său înconjurător se consideră compatibil dacă intensitatea câmpului pertubator produs de el la o anumită distanţă nu depăşeşte o valoare limită stabilită de norme.acestea pot fi: lămpile cu descarcări în gaze; instalaţii de aprindere la autovehicule; sistemele de emisie radio, TV, radar; exploziile nucleare; descărcările atmosferice între nori sau între nor şi pământ; dispositive decomutaţie cu contacte; motoarele electrice cu colector. Receptorul se consideră compatibil, dacă este capabil să recepţioneze semnalul util într-un mediu perturbat cu un raport semnal-zgomot satisfăcător şi el însuşi nu produce perturbaţii incompatibile.acestea pot fi: receptoare radio şi TV; sisteme de automatizare; microelectronica de pe autovehicule; aparate de măsură, comandă şi reglare; instalaţii de prelucrare a datelor; stimulatoarele cardiace; bioorganismele. 6
Unele echipamente pot fi considerate atat emiţătoare cât şi receptoare.un sistem format dintr-o sursă şi un receptor poate suferi interferenţe cumulate (cuplaj galvanic, cuplaj inductiv, cuplaj capacitiv, etc.). Interferenţa electromagnetică este reprezentată printr-un semnal nedorit, care este indus datorită câmpului electromagnetic poluant, semnal care poate defecta funcţionarea unui echipament sau sistem. Interferenţa electromagnetică poate fi definită ca o poluare electromagnetică, la fel de periculoasă ca poluarea aerului sau a apei în mediul ambiant. Fenomenul de compatibilitate electromagnetică are trei componente (fig. 1.3): sursa unui câmp electromagnetic poluant, calea de propagare şi receptorul afectat, reprezentat prin echipamentul sau sistemul în funcţionare normală. Sursa Mecanism de cuplaj Receptor Figura 1.3 Model de interferenţă Pentru proiectarea corectă a CEM a unui sistem electric trebuie cunoscute: mediul electromagnetic perturbator sub forma de: valori de vârf ale tensiunilor şi curenţilor, intensităţi de câmpuri, spectre de frecvenţă; susceptibilitatea (receptivitatea) dispozitivelor perturbate sub formă de nivele de perturbaţii admisibile (în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă). Pentru obţinerea unei compatibilităţi electromagnetice satosfăcătoare trebuie luate măsuri specifice, astfel: pentru emiţătoare: ecranare, limitare de spectru, utilizare de antene directice etc.; pentru mecanisme de cuplaj: ecranare, filtrare, topologie specifică a reţelei, transmisie optică etc.; pentru receptoare: ecranare, filtrare, proiectare specifică etc. Motive economice impun dacă tehnic este posibil ca să se realizeze, în primul rând, compatibilitatea emiţătoarelor (măsuri primare) şi numai după aceea să se acţioneze asupra recepotoarelor (măsuri secundare). Există trei mijloace de protecţie contra interferenţelor electromagnetice: să se suprime emisia de la sursă; să se realizeze un cuplaj cât mai ineficace posibil; 7
să se facă receptorul cat mai puţin susceptibil la emisiile sursei. 2. Nivele specifice în tehnica compatibilităţii electromagnetice În orice punct din spaţiu există un zgomot electromagnetic natural sau galactic, care se datorează radiaţiilor cosmice (10-100MHz), radiaţiilor solare (200MHz-10GHz) care vin din exteriorul Terrei, din galaxie, radiaţiilor atmosferice (descărcări electrice, etc) (20-60MHz). Nivelul cumulat al acestui zgomot se consideră a fi nivel de referinţă pentru orice semnal electromagnetic. Aceasta înseamnă că nivelul zgomotului galactic este de 0 db, adică 1μV(tensiune), 1μA(curent), 1μV/m(câmp electric), 1μA/m(câmp magnetic) şi 1pW(putere). [2.17] Nivelurile semnalelor din orice mediu electromagnetic pot fi încadrate într-o diagramă de forma celei prezentate în Figura 2.5 [2.6]. Nivelul de perturbaţii sau nivelul de interferenţă sau nivelul zgomotului electromagnetic funcţional este un nivel care se referă la un sistem socotit ca sursă de perturbaţii. Limita superioară a nivelului de perturbaţii al unui sistem S j o notăm P j. În general aceste limite sunt funcţie de frecvenţă şi se stabilesc astfel încât la o anumită distanţă de sursa de perturbaţii (3m-30m) nivelul de perturbaţii să se reducă la nivelul zgomotului de referinţă (galactic). Nivelul semnalului util este un nivel care se referă la sistemul agresat (victimă) şi reprezintă valoarea nominală (evident raportată) a acestui semnal util (dacă acesta există). Nivelul semnalului [db] IV. UTIL III. SIGURANŢĂ NIVEL MAXIM DE INTERFERENŢĂ II. ZGOMOT ŞI SEMNAL UTIL Semnal de interferenţă I. ZGOMOT GALACTIC Frecvenţa [Hz] Figura 2.5. Diagramă nivel de semnal-frecvenţă 8
Nivelul pragului de perturbaţii se referă la sistemul agresat S k (victimă) şi reprezintă valoarea cea mai mică a semnalului perturbator care dacă este depăşită, sistemul agresat începe să perceapă acest semnal ca semnal perturbator. [2.10] Având în vedere definiţia de mai sus, nivelul pragului de perturbaţii se poate numi nivel de imunitate I k al sistemului S k. Nivelul de atenuare al canalului de legătură L jk (cuplajului) dintre sistemul perturbator S j şi sistemul agresat S k depinde de tipul de cuplaj şi de caracteristicile celor două sisteme. Nivelul de atenuare L jk, în db, arată felul în care se reflectă în sistemul S k acţiunea perturbatoare P j a sistemului S j [2.30]. Astfel, ţinând seama de cele definite mai sus, nivelul de perturbaţii care agresează sistemul victimă S k exact la frontiera sistemului este: F jk = P j - L jk. (2.4) Din acest moment totul depinde de nivelul de imunitate I k al sistemului victimă. Dacă I k este mai mare decât F jk atunci compatibilitatea este asigurată, altfel sunt necesare evaluări ale riscului şi măsuri în consecinţă [2.29]. Analiza se face mai uşor dacă se introduce marja de compatibilitate M jk : M jk = I k F jk = I k + L jk - P j (2.5) Dacă M jk e pozitiv, imunitatea este sigură. Dacă M jk e negativ, atunci se reia problema, evaluându-se perioadele de timp cât sistemele funcţionează simultan, iar dacă nici după această reluare cu calcule mai precise marja nu devine pozitivă, se trece la evaluarea riscului de funcţionare în aceste condiţii. [2.31] Figura 2.6. Structură cu marja de compatibilitate pozitivă/negativă În cazul în care sistemul S k funcţionează în prezenţa mai multor sisteme perturbatoare S j, atunci la nivelul frontierei sistemului S k (la poarta de intrare a sistemului) se face o sumare a 9
acţiunii perturbaţiilor, adică o cumulare statistică a tuturor termenilor de forma F jk. Ceea ce rezultă se numeşte nivelul de compatibilitate al sistemului S k C k = I k cumulstat(f jk ) (2.13) În cazul mai multor sisteme (o instalaţie), în general interesează nivelul de compatibilitate al fiecărui sistem aflat în prezenţa celorlalte sisteme. Se obişnuieşte în asemenea situaţii să se alcătuiască o aşa-numită matrice de interferenţă, care nu este altceva decât un tabel în care apar toate interacţiunile dintre sisteme, ştiut fiind că un acelaşi sistem poate fi în acelaşi timp victimă şi sursă de perturbaţii. Compatibilizarea electromagnetică a unei aplicaţii presupune atât limitarea semnalelor perturbatoare (de zgomot) cât şi diminuarea susceptibilităţii, în raport cu aceste perturbaţii, a sistemelor şi echipamentelor victimă. CONCLUZII: Compatibilitatea electromagnetica este un domeniu de mare actualitate, fiind impusa de dezvoltarea electronicii, a electrotehnicii neliniare, extinderea si diversificarea retelelor de comunicatii si transmisii de date, cresterea gradului de interconectare in cadrul retelelor energetice de alta natura. Toate acestea au condus la cresterea gradului de poluare electromagnetica atat in mediul inconjurator, cat si in cadrul tuturor retelelor energetice, de comunicatii sau de alta natura. Obiectul CEM îl constituie ansamblul de metode şi tehnici cu caracter antiperturbativ, care trebuie avute în vedere încă din faza de concepţie şi continuitate în fazele de fabricaţie şi exploatare a dispozitivelor, echipamentelor şi sistemelor electrotehnice şi/sau electronice, în scopul atenuării influenţelor perturbaţiilor electromagnetice. Bibliografie: [1] Sotir, A., Moşoiu T., Compatibilitate electromagnetică, Ed. Militară, Bucureşti, 1997; [2] Şurianu, F.D., Compatibilitate electromagnetică. Aplicaţii în ingineria sistemelor electroenergetice. Ed. Orizonturi Universitare, Timişoara, 2005; [3] [4] Schwab, A., Compatibilitate electromagnetică. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1996; [5] Hortopan, G., Principii şi tehnici de Compatibilitate Electromagnetică. Ed. Tehnică, Bucureşti, 1998; [6] Perez, R., Handbook of Electromagnetic Compatibility. London, Academic Press Limited, 1995; 10
[7] Radu, S., Introducere în Compatibilitatea Electromagnetică, Vol. 1, Ecranarea Aparaturii Electronice. Editura "Gheorghe Asachi", Iaşi, 1995; [8] Șteț. D, Contribuții la analiza interferențelor electromagnetice între LEA și structuri metalice, - Teză de doctorat, UTCN, 2010. ; [9] G. Hortopan, Principii și tehnici de compatibilitate electromagnetică, Editura Tehnică, București, 1998; [10] Alimpie Ignea, Compatibilitate electromagnetică Editura de Vest, Timișoara, 2007. Autoevaluare: 1. Ce se intelege prin compatibilitate electromegnetica? 2. Nivelul de perturbaţii sau nivelul de interferenţă sau nivelul zgomotului electromagnetic funcţional este un nivel care se referă la un sistem socotit ca sursă de perturbaţii. Adevarat Fals 3. Nivelul de interferenta este un nivel care se referă la sistemul agresat (victimă) şi reprezintă valoarea nominală (evident raportată) a acestui semnal util (dacă acesta există). Adevarat Fals 4. Definiti notiunea de imunitatea electromagnetică. 11