Compatibilitate Electromagnetica

SCURT ISTORIC PRIVIND COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICAPrimele probleme de interferente radio au aparut in anii 30 (sec XX). Cauzele acestor interferente erau motoarele electrice, liniile electrice de transport si distributie a energiei electrice, electricitatea atmosferica.

Ca urmare, in 1933 se constituie Comitetul International Special de Perturbatii Radioelecrice (CISPR), avand ca si scop stabilirea normelor privind evitarea interferentelor radio.

Problemele de interferenta au crescut semnificativ in urmatoarele decenii (in anii 50 au aparut tranzistorii bipolari, in anii 60 circuitele integrate, iar in anii 70 microprocesoarele).In anul 1980 Comisia Internationala de Electrotehnica (CEI) publica Normativul CEI 80 care se refera la imunitatea materialelor la interferentele electromagnetice, deschizand astfel calea spre ceea ce numim astazi Compatibilitate Electromagnetica (CEM).

In anii 90 a avut loc o invazie a dispozitivelor electronice in toate domeniile vietii economico sociale.Aceasta proliferare a determinat generalizarea reglementarilor privind imunitatea electromagnetica pentru toate materialele.

In acest context, CEE (Comunitatea Economica Europeana) a elaborat Directiva 89/336/EC (CEM) din mai 1989 care contine acordarea legislatiilor statelor membre CEE cu privire la CEM.

Dupa un report de aplicare (decis in 1992, pentru a permite industriilor sa se organizeze), Directiva 89/336/EC a intrat in vigoare la 1 ian 1996.Aceasta directiva a fost adoptata in Romania prin HG 1032/2001 privind stabilirea conditiilor de introducere pe piata si functionarea aparatelor electrice si electronice din punct de vedere al CEM, fiind modificata si completata ulterior prin HG 497/2003 si HG 1554/2003. Acestea au constituit o etapa a programului de armonizare legislativa in vederea aderarii Romaniei la Uniunea Europeana.In prezent, in majoritatea tarilor lumii normativele de CEM au un caracter obligatoriu, neindeplinirea lor determinand retragerea de pe piata a produselor necorespunzatoare si raspunderea materiala (si penala, uneori) a producatorului (aceste norme stabilesc conditiile de functionare pt. echipamente, nivelul emisiei, nivelul perturbatiilor acceptate, metode de masurare, testare si evaluare a performantelor CEM).

Capitolul 1INTRODUCERE IN CEM

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.

Poluarea electromagnetica determina o serie de fenomene nedorite:

- folosirea necorespunzatoare a spectrului de radio-frecvente;

- disfunctionalitati pt echipamentele electrice, electronice si de radio;

- efecte negative asupra tesuturilor umane;

- aprinderea unor substante inflamabile.

Ideea de compatibilitate electromagnetica isi are originea in procesul de influentare sau interferenta din tehnica radio, in sensul ca daca un receptor radio, acordat pe frecventa unui emitator radio, receptioneaza si un alt emitator, se asista la un fenomen de interferenta.

Def.1: Compatibilitatea electromagnetica (CEM) reprezinta capacitatea echipamentelor electrice, electronice si de radio de a coexista, in sensul de a nu emite niveluri inacceptabile de perturbatii electromagnetice si de a nu reactiona imprevizibil la emisia altor sisteme din mediul lor ambiental in care lucreaza.Def. 2: Compatibilitatea electromagnetica reprezinta capacitatea unui echipament electric sau electronic de a functiona normal intr-un mediu de campuri electromagnetice, fara a influenta acest mediu in care se afla si alte echipamente.

Un dispozitiv electric se considera compatibil daca in calitate de emitator produce emisii tolerabile, iar in calitate de receptor poseda imunitate, respectiv rezistenta la perturbatii suficienta.

Initial normativele de CEM urmareau cu precadere radioreceptiei, extinzandu-se apoi si in ceea ce priveste asigurarea imunitatii produselor.

Cursul de compatibilitate electromagnetica va fi axat pe urmatoarele teme:

Procesele fizice prin care un semnal util este interferat de catre un semnal perturbator (galvanic, inductiv, prin radiatie electromagnetica);

Mijloacele tehnice prin care se realizeaza decuplarea semnalelor de interferenta (filtre, ecrane metalice, transmisia opto-electrica);

Tehnica de masurare a nivelului si formei semnalelor perturbatoare emise (baza materiala necesara e foarte scumpa); Tehnica de testare a imunitatii unui echipament electric sau electronic la un nivel de semnal perturbator in conformitate cu recomandarile din normativele internationale.

In cadrul transferului de semnal de la emitator la receptor sunt esentiale urmatoarele aspecte:

- producerea proceselor fizice prin care are loc influentarea semnalului util;- mijloacele tehnice de masurare a influentarii.Influentarea sau interferenta se resimte la receptor, in sensul ca energia electromagnetica, provenind din alte emitatoare decat emitatorul pt care receptorul este pregatit, modifica sau interfereaza semnalul util.

Influentarea sau interferenta semnalului util se produce prin intermediul unor cuplaje:

- galvanice

- inductive

- capacitive

- de radiatie electromagnetica.

Din punct de vedere al compatibilitatii electromagnetice, exista emitatoare de perturbatii electromagnetice si receptoare de perturbatii electromagnetice.

Emitatoare se considera:

- lampile cu descarcari in gaze, in faza aprinderii;- sistemul DELCO de aprindere la autovehicule;- sistemele de emisie radio, TV, radar;- exploziile nucleare;- descarcarile atmosferice intre nori sau intre nor si pamant;- motoarele electrice cu colector.

Receptoare se considera:

- sistemele de automatizare cu semiconductoare, care pot receptiona semnale false;- sistemele de receptie a informatiilor (telefonice, televizate, radar);- sistemele de masurare electrica a marimilor electrice si neelectrice (osciloscoape, etc.);- retelele de calculatoare;- microscopul electronic.

Nivelul de referinta al zgomotului electromagnetic se considera nivelul zgomotului galactic. Nivelul semnalului util se masoara in raport cu nivelul de referinta si in mod normal se situeaza deasupra nivelului interferentei functionale.

Nivelul de prag al zgomotului corespunde situatiei in care nivelul interferentei functionale este identic cu nivelul semnalului util. O diminuare in continuare a semnalului util este perceputa la receptor ca zgomot.

Nivelurile de semnal util si de zgomot mentionate sunt valabile numai pt o banda ingusta de frecventa , in jurul unei frecvente centrale, fc si numai la un moment dat.

Masurarea nivelurilor de semnal util si de zgomot se poate face in mod absolut.

Distanta dintre nivelul semnalului util si nivelul zgomotului functional se masoara in decibeli (dB).

Interferente de mod diferential si de mod comun

In cazul in care semnalul util este transferat de la sursa la receptor prin intermediul conductoarelor electrice, pot aparea interferente sub forma unor curenti de conductie.

Functie de modul de intrare al acestor curenti prin bornele receptorului exista:

- interferente de mod diferential;

- interferente de mod comun.

Interferente de mod diferential- apar atunci cand curentul de interferenta intra printr-o borna a receptorului si iese prin borna cealalta.

Fig. 1.3 Masurarea unui curent intens cu ajutorul unui sunt.

Prezenta unui conductor parcurs de curentul i2 variabil in timp produce prin inductie electromagnetica o tensiune de interferenta, ce determina un curent care intra printr-o borna a receptorului si iese prin cealalta.

Curentul I2 are un continut propriu de armonice, deci si curentul de interferenta, care circula in bucla de masurare, are acelasi continut de armonice.

Armonica de ordin n a curentului de interferenta va fi:

, unde: Udn este armonica de ordin n a tensiunii de interferenta indusa; Rs,Rr rezistenta electrica a suntului, respectiv a receptorului; Zdn impedanta transformatorica raportata la secundar.

La bornele receptorului, intre bornele A si B, exista simultan atat tensiuni de semnal util cat si de interferenta.

Interferente de mod comun

In acest caz curentul de interferenta intra prin ambele borne ale receptorului si se inchide prin capacitati parazite.

Fig. 1.4 Alimentarea cu energie el a unui receptor electric sau electronic.

Sursa este un transformator cu neutrul conectat la pamant. Receptorul are carcasa metalica conectata la pamant.

In cordonul de alimentare al receptorului cele 2 conductoare electrice se afla practic in aceeasi pozitie si distanta fata de pamant.

Curentul variabil determina curenti de interferenta orientati in acelasi sens in cele 2 conductoare ale cordonului de alimentare a receptorului. Inchiderea curentilor de interferenta se face prin capacitatile parasite, prin pamant si prin neutrul transformatorului.

Interferenta este importanta daca valoarea curentului este mare, iar frecventa armonicelor este de ordin superior.Capitolul 2CUPLAJEInterferenta asupra receptorului se transmite de la sursa de interferenta prin intermediul unui cuplaj.

2.1 Cuplajul galvanic Se pot distinge 2 categorii de cuplaje galvanice:

cuplaj galvanic intre circuitele functionale

cuplaj galvanic datorita legarii la pamant a echipamentului.2.1.1 Cuplaj galvanic intre circuitele functionale

Daca 2 sau mai multe circuite au o impedanta comuna, atunci trecerea curentului prin impedanta comuna poate distorsiona curentii din toate circuitele cuplate galvanic.

Fig. 2.1 Cuplaj galvanic intre doua circuiteNotatii: E1, E2 t.e.m ale surselor;

ZS1, ZS2 impendantele interne ale surselor;

Zr1, Zr2 impedantele receptoarelor;

Z1=Zr1+Zs1 ; Z2=Zr2+ZS2.Conform teroremei 2 a lui Kirchhoff E1=I1Z1+Zc(I1+I2)

E2=I2Z2+Zc(I1+I2) => E1-E2=I1Z1-I2Z2 si I2=(I1Z1-E1+E2)/Z2=>

I1(Z1Z2+ZcZ2+ZcZ1)=E1Z2+E1Zc-E2Zc

Daca Zc ar fi nula, curentii in cele 2 circuite ar fi:

Datorita cuplajului galvanic receptoarele sunt excitate cu tensiunile ZR1I1 si ZR2I2.

Masuri de neutralizare la circuite imprimate:

In mod uzual cuplajul galvanic apare in schemele cu circuite imprimate in care punctele M si N reprezinta puncte pe conductorul de masa al schemei.

Neutralizarea cuplajului galvanic are loc daca conexiunea la masa a celor 2 circuite se realizeaza intr-un singur punct, M.

Fig. 2.2

Masuri de neutralizare la alimentare:

Se considera doua receptoare alimentate din sursa S prin intermediul unei linii comune, cu impendanta .

Obs: Variatiile curentului absorbit de receptorul A determina caderi de tensiune pe impedanta Z, care influenteaza functionarea receptorului B.

Fig. 2.3

Solutii: - dispunerea unui condensator de mare capacitate la iesirea sursei si utilizarea unor linii de alimentare distincte pentru cele 2 receptoare. - alimentarea fiecarui receptor de la o sursa proprie.

Fig. 2.42.1.2 Cuplaj galvanic datorat legarii la pamantIntre 2 prize de pamant P1 si P2 situate la distante d, exista o diferenta de potential, care depinde de pozitia geografica a terenului si de evetualele instalatii ind. din zona. Diferenta de potential dintre prizele P1 si P2 se datoreaza curentilor vagabonzi din pamant.

Fig. 2.5 Diferenta de potential dintre doua prize de pamant P1 si P2.Din punct de vedere al CEM se poate considera ca intre prizele de pamant exista o t.e.m. echivalenta de influentare.

Ex. Masurarea unui curent intens cu ajutorul unui sunt.

Fig. 2.6

Semnalul se transmite de la sunt la aparatul de masurat AM prin cablul coaxial CC. Carcasa metalica a aparatului este conectata gresit la pamant.Cablul coaxial are o inductivitate specifica mult mai mica decat cea a unei linii cu 2 conductoare si nu determina un cuplaj inductiv pt alte circuite, deoarece in exteriorul cablului coaxial campul magnetic este nul.

In montajul din fig anterioara, cuplajul galvanic se realizeaza prin ecranul cablului coaxial, care constituie o impedanta comuna a circuitului folosit la masurarea semnalului util si a circuitului in care exista t.e.m. echivalenta edp. Deci, apare un cuplaj galvanic intre circuitul de masurare prin care trece curentul Im si circuitul care se inchide prin pamant, prin care trece Ip.

Masuri de neutralizare se izoleaza aparatul de masurat AM. Capacitatea parazita Cp determina o micsorare a curentului datorat t.e.m. echivalente edp.

Fig. 2.7

2.2 Cuplajul inductiv Circuitele (1) si (2) din Fig. 2.8 sunt cuplate inductiv, adica o parte din fluxul magnetic produs de trecerea curentului intr-un circuit strabate bucla formata de celalalt circuit. Notatii:

E1, E2 t.e.m. ale asurselor;

Zs1, Zs2 impedantele interne ale surselor;

Z1, Z2 impedantele liniilor de legatura;

Zr1, Zr2 impedantele receptoarelor.Ecuatiile de functionare ale celor 2 circuite cuplate sunt:

Obs:

Fig. 2.8 Cuplaj inductiv intre doua circuite.

Curentii interferati in cele 2 circuite sunt:

Curentii neinfluentati sunt:

Concluzie: In cele 2 circuite interferate apar t.e.m. de interferenta: - j2M2I2 si -j1M1I1Mijloace de neutralizarea) solutii generale: - conexiuni scurte;

- conductoare dus-intors rasucite; - conexiuni in cablu coaxial pt circuitele de forta si pt circuitele de

masurare;

- asezare geometrica astfel incat sa existe un transfer minim de flux magnetic in bucla circuitului vecin.

b) solutii particulare: suntul coaxial pt masurarea curentilor cu variatii rapide;

- ecranarea suplimentara a cablului coaxial si folosirea cabinei ecranate.

Fig. 2.9

In figura anterioara se prezinta un sunt coaxial. Semnalul de masurare este captat in interiorul tubului (1), pe circumferintele (m) si (n). In interiorul tubului inductia magnetica este nula, astfel incat tensiunea de masurare va fi Um=RI, unde R este rezistenta tubului.

Cabina ecranata are peretii din otel sau cupru, fiind legata la priza de pamant proprie.

2.3 Cuplajul capacitivCuplajul capacitativ apare intre conductoare care se gasesc la potential diferite si se datoreaza existentei capacitatilor parazite.

In fig. urmatoare, linia (1) este supusa tensiunii U1 fata de pamant. Ca urmare a diferentei de potential, se produce intre conductoare un camp electric, care este modelat in schema echivalenta printr-o capacitate parazita C1. Linia (2) primeste tensiunea U2 datorata capacitatilor parazite C1, C2 si rezistentei de pierderi R2.

Schema echivalenta are in vedere ca numai sistemul perturba sistemul (2) nu si invers (nivelul de tensiune este de cateva ori mai mare in sist (1) decat in (2)).

Fig. 2.10

Notatii:

Tensiunea de interferenta a conductorului 2 este:

Deci:

Se pot considera urmatoarele cazui limita:

a) R2-> =>

b) C2->0

Mijloace de neutralizare in instalatiile din tehnica masurarii si din informatica, conductorul 2 se introduce intr-un ecran conectat la pamant (Fig. 2.11).

Fig. 2.11

Liniile de camp care pornesc de la linia (1) se termina toate pe ecranul pus in pamant, astfel incat curentii prin C1 circula direct la pamant si nu provoaca caderi de tensiune perturbatoare pe linia (2).

- in tehnica curentilor intensi se recurge la formarea unui divizor de tensiune capacitativ cu capacitati mult superioare fata de capacitatile parazite.

2.4 Cuplajul prin radiatia electromagnetica reprezinta interferenta provocata de campurile electromagnetice, variabile in timp, asupra liniilor electrice. Campul electric si campul magnetic se pot considera independente numai la frecvente joase si in apropierea sistemului perturbator. La frecvente inalte si la mare distanta de sistemul perturbator, campurile electrice si magnetice apar impreuna fiind legate prin legea inductiei electromagnetice:

Obs: Descrierea cantitativa a cuplajului electromagnetic al liniilor in cazul sistemelor cu mai multe conductoare este foarte complicata din punct de vedere matematic.

O unda electromagnetica incidenta Ei si Hi care cade pe un sistem de conductoare provoaca acolo curenti si tensiuni care, la randul lor sunt sursa undei unde electromagnetice reflectate, ER, HR formeaza un camp rezultant.

Neutralizarea efectului radiatiei electromagnetice se realizeaza cu ajutorul filtrelor, ecranelor si a spatiilor ecranate.

Capitolul 3

DECUPLAREA OPTOELECTRICA

In tehnica masurarii se folosesc pentru neutralizarea cuplajelor rezistiv, inductiv, capacitiv si de radiatie optocuploare si linii optoelectrice.

3.1 Optocuplorul Optocuplorul este un circuit integrat care permite transmiterea unui semnal intre 2 circuite separate galvanic. Rigiditatea dielectrica intre cele 2 circuite este intre 0,56 kV.

Fig. 3.1

Intre dioda fotoemisiva D si fototranzistorul FT se gaseste un material plastic transparent.

Dioda D, fiind excitata cu curentul Id, emite radiatii in banda infrarosu, iar fototranzistorul FT transforma semnalul luminos intr-un semnal electric (If - fotocurent). In timpul functionarii, datorita temperaturii si a campului electric dintre dioda fotoemisiva si fototranzistor, exista tendinta unei imigratii de ioni care se depun pe suprafata fototranzistorului, in special, alterand functionarea dispozitivului.

Solutie: pe suprafata fototranzistorului se depune un ecran de otel transparent.

Optocuploarele ofera o rejectie inalta a semnalelor de interferenta de mod comun si pot fi utilizate de exemplu la intrarile si iesirile automatelor programabile, respectiv la interfetele sistemelor de conducere a proceselor (Fig. 3.2).

Fig. 3.2

Pentru semnalele de mod comun de inalta frecventa, rejectia oferita de optocuploare scade puternic datorita capacitatii parazite dintre intrare si iesire. Cuplajul capacitiv poate fi micsorat printr-o legatura conductoare, pusa la pamant, intre intrare si iesire.

O rejectie de mod comun oricat de mare, chiar si la cele mai inalte frecvente, se poate obtine folosind o transmisie prin fibre optice. In timp ce optocuploarele monolititce pot fi utilizate numai pt tensiuni pana la cca 110 kV datorita materialului plastic dintre D si FT, cablurile optice permit diferente de potential de ordinul megavoltilor.3.2 Linia optica. Utilizarea acestor linii in energetica si telecomunicatii prezinta urmatoarele avantaje: permit transferul de informatii intre circuite intre care exista diferente de potential mari; elimina cuplajele galvanice, inductive, capacitive; elimina folosirea conductoarelor de cupru si deci a costurilor mari de materiale active.

O fibra optica este un ghid de unda dielectric, cilindric, realizat din materiale cu pierderi mici, cum este sticla de siliciu SiO2.

Fibra optica are un miez central (de raza a) in care se propaga lumina. Miezul este inconjurat de un strat (de raza b), cu indice de refractie mai mic decat al miezului, numit invelis (sau manta).

Fig. 3.3 Reprezentarea schematica a unei fibre (linii) optice.Functionarea liniei optice se bazeaza pe fenomenul reflexiei totale (prin structura liniei optice se urmareste producerea unei reflexii totale a radiatiei luminoase).

Din punct de vedere constructiv linia optica se realizeaza in 2 variante:a) linie optica fara gradient al indicelui de refractie;

b) linia optica cu gradient al indicelui de refractie.

a). Linia optica fara gradient al indicelui de refractie

Fig. 3.4 Ghidarea luminii printr-o linie optica.

La patrunderea unei radiatii luminoase din aer in miezul central are loc un fenomen de refractie, definit prin relatia:

Daca radiatia luminoasa determina la trecerea din mediul (1) in mediul (2) un unchi , unde este un unghi limita definit de relatia:

,

se produce fenomenul de reflexie totala. Procesul respectiv se repeta in lungul liniei optice, iar in cele din urma semnalul optic este transmis pe lungimi mari. Pt se obtine o valoare limita si pt , numita unghi de deschidere:

Obs: Un neajuns al liniei optice fara gradient al indicelui de refractie in constituie limitarea in frecventa a semnalului transmis. Lumina intra in linia optica sub diferite unghiuri si la diferite lungimi de unda. O parte a fasciculului luminos se poate propaga cvasidirect, dupa directia axiala a liniei optice, in timp ce alte fascicule parcurg un drum in zig-zag. Deci, apare o diferenta de timp intre fasciculele luminoase care ajung la destinatie.b) Linia optica cu gradient al indicelui de refractie

In cazul liniei optice cu gradient a indicelui de refractie, miezul liniei optice are in axa sa indicele de refractie cel mai mare, iar apoi scade parabolic pana la valoarea minima care se mentine si in manta. In aceste linii optice, traseul luminii apare sub forma unei unde (Fig. 3.5).

Fig. 3.5 Traseul luminii printr-o linie optica cu gradient al indicelui de refractie

Obs: Daca lumina se propaga intr-un mediu transparent, avand indicele de refractie n, viteza sa de propagare se micsoreaza de n ori fata de viteza luminii in vid (c=3(108 m/s):

Se constata ca mai multe fascicule luminoase care intra in linia optica sub unghiuri diferite, ajung la destinatie cu o diferenta foarte mica de timp (de ex. 0,1 ns/km). In cazul unui fascicul luminos (1) care intra in linia optica sub un unghi mare, traseul este mai lung, dar se face intr-un mediu cu indice de refractie mic (deci viteza de propagare va fi mare). In cazul unui fascicul luminos (2) care intra in linia optica sub un unghi mic, traseul este mai scurt, dar intr-un mediu cu indice de refractie mare (deci viteza de propagare va fi mica).

Principiul transmiterii optoelectrice

Fig. 3.6

Un semnal electric este convertit in semnal luminos cu ajutorul unei diode luminiscente. Aceasta transmite semnalul, prin intermediul liniei optice, unui fototranzistor sau unei fototdiode, care realizeaza o conversie a luminii in semnal electric.Obs: Liniile optice de mare performanta se realizeaza din material anorganic sticlos. In prezent se realizeaza si linii optice din materiale plastice la costuri de achizitie convenabile, mai ales pt instalatii de comanda care necesita frecvente mai reduse.Capitolul 4DECUPLAREA DE TRANSFORMATORDecuplarea galvanica cu ajutorul transformatorului de separare constituie o solutie aplicabila in cazul legarii la pamant a sistemului in 2 puncte diferite.

4.1 Transformator de separare pt semnal util

(a) (b) (c)

Fig. 4.1

Pe segmentul de circuit A-B exista un cuplaj galvanic (Fig. 4.1 a).Cuplajul galvanic dispare prin introducerea intre sursa si receptor a unui transformator de separare (Fig. 4.1 b). Exista insa un cuplaj capacitiv datorita capacitatii parazite dintre cele 2 infasurari ale transformatorului. Pt frecvente reduse reactanta capacitiva corespunzatoare lui Cp este suficient de mare. In Fig. 4.1.c transformatorul de separare este prevazut cu un ecran intre infasurari. Curentul determinat de t.e.m. Ed se inchide prin capactatea parazita Cp1 si nu influenteaza receptorul.

4.2 Transformator de neutralizareTransformatorul de separare nu transfera o eventuala componenta de curent continuu a semnalului util. Pentru a realiza si un astfel de transfer se utilizeaza un transformator de neutralizare, constituit din 2 infasurari bobinate pe un miez de ferita.

Sensul de bobinaj al celor 2 infasurari determina un flux magnetic practic nul in mieul de ferita. Pentru un semnal in acelasi tact (de exemplu t.e.m Ed sau un cuplaj inductiv intr-o bucla in care o latura a buclei este formata de pamant), cele 2 bobine functioneaza ca reactante insumatoare.

In Fig. 4.3, cablul coaxial este asezat in golul feritelor coaxiale, iar ansamblul este plasat intr-un eran metalic conectat la pamant la ambele extremitati.

4.3 Transformator de retea Prin constructia sa, transformatorul de alimentare dintr-un aparat electric ofera o separare galvanica intre infasurarile primara si cea secundara. Dar capacitatea parazita dintre cele 2 infasurari faciliteaza interferenta asupra circuitelor electronice, cu semnale parazite care se transmit din reteaua de alimentare.

In plus trebuie sa se tina seama ca transformatorul de putere din postul de transformare are neutrul conectat la priza de pamant a postului de transformare, iar miezul transformatorului de retea din aparatul electronic se conecteaza la priza de pamant a cladirii in care se afla instalat aparatul electronic.

Pentru eliminarea interferentelor care ar putea proveni din reteaua de alimentare, transformatorul de retea al aparatului electronic este prevazut cu 3 ecrane (Fig. 4.4).

Fig. 4.4

Neutrul transformatorului T1 este legat la priza de pamant P1. Miezul transformatorului T2 impreuna cu ecranul Ec1 sunt legate la priza de pamant P2.

Infasurarea primara a lui T2 este ecranata de ecranul Ec2 la care este conectata o extremitate a infasurarii primare. Infasurarea secundara a lui T2 este ecranata de ecranul Ec3, la care se conecteaza o extremitate a infasurarii secundare. Daca infasurarea secundara are punct median accesibil, acest punct median se conecteaza la ecranul Ec3.La frecvente inalte, capacitatea rezultanta este:

Capacitatile parazite Cp, C2, Cs sunt in serie.Valoarea lui Crez e determinata de valorile Cp si Cs si nu de valoarea lui C2.

Capitolul 5

FILTRE ELECTRICE

Filtrele electrice au rolul de a atenua interferentele de conductie, care altfel ar fi introduse in echipamentul electric sau electronic prin conductoarele de legatura intre sursa si echipament, sau prin linia electrica de alimentare a echipamentului. Din punct de vedere al rolului functional, in tehnica CEM filtrele se clasifica in: - filtre pentru semnalul util;

- filtre de retea.Din punct de vedere al caracteristicii de frecventa, filtrele se clasifica in:- filtre trece-jos;

- filtre trece-sus

- filtre trece-banda

- filtre cu banda de rejectie.

Fig. 5.1 Pozitia filtrului de semnal util si a celui de retea.

Criteriul de baza in clasificarea filtrelor dupa caracteristica de frecventa il constituie atenuarea de -3 dB.Obs: Parametrii specifici filtrelor electrice sunt atenuarea si defazajul.

Atenuarea este raportul intre marimea de intrare si marimea de iesire (puteri, tensiuni sau curenti).

Defazajul este unghiul dintre marimea de intrare si cea de iesire (tensiuni sau curenti sinusoidali).

Atenuarea se poate exprima astfel:

;

;

;

Filtrele atenueaza transmiterea perturbatiilor prin conductie. Utilizarea lor fara probleme presupune ca, pe cat posibil, componentele spectrale ale semnalului util sunt separate de componentele spectrale ale perturbatiilor.

Printr-o alegere corespunzatoare a frecventelor de taiere si a pantei flancurilor functiilor de transfer ale filtrelor se obtine o atenuare selectiva a perturbatiilor, fara o infuenta importanta asupra semnalului util.

Componentele pasive ale filtrelor formeaza, impreuna cu impedantele surselor si ale receptoarelor, divizoare de tensiune al caror raport de divizare, dependent de frecventa, reprezinta atenuarea reala a filtrului.

Deoarece o impedanta interna redusa a sursei de pertubatii de inalta frecventa nu permite o divizare importanta a tensiunii, prin conectarea in serie a unor bobine acest raport de divizare se poate mari.

Componentele de baza ale filtrelor elementare sunt: - impedante longitudinale (bobine);

- impedante transversale (condensatoare).

Fig. 5.2

Fig. 5.3

Se considera ca atenuarea filtrului este neglijabila in domeniul de frecventa al semnalului util.

In tehnica CEM un loc important il ocupa filtrele trece-jos, deoarece in general semnalul de interferenta are o frecventa mult mai mare decat semnalul util sau decat frecventa retelei.

5.1 Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Din punct de vedere al CEM introducerea unui filtru intre sursa si receptor conduce la formarea unui divizor de tensiune, pe baza caruia se poate aprecia eficienta filtrului.

Calculul atenuarii unui filtru trece-jos (pasiv)

(a)

(b)

(c)Fig. 5.4 Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Filtru cu impedanta longitudinala (Fig. 5.4 a)

a=20log, dB Filtru cu impedanta transversala (Fig. 5.4 b)

Filtru cu impedanta longitudinala si impedanta transversala (Fig. 5.4 c)

Zs si Zl sunt conectate in serie; Zq si Zr sunt conectate in paralel.

Concluzie: atenuarea depinde de frecventa semnalului perturbator dar si de impedanta sursei si a receptorului.

Fig. 5.5 Conexiunea standard pentru determinarea practica a atenuarii unui filtru electric

Determinarea practica a eficientei unui filtru se face astfel:

se standardizeaza impedantele sursei si receptorului; Zs=Zr=50 se masoara tensiunea de interferenta Udr in absenta filtrului si in prezenta filtrului. Atenuarea va fi:

5.2 Filtre de retea

Filtrul de retea se plaseaza intre reteaua electrica si aparatul electric sau electronic.

Fig. 5.6 Pozitia filtrului de retea.

Din punct de vedere functional, filtrul de retea este un filtru trece-jos. Atenuarea produsa la trecerea curentului de 50Hz prin filtru este nesemnificativa, in timp ce la frecvente superioare atenuarea este foarte mare.Rolul functional al filtrului de retea este atat de a opri ca semnalele de interferenta sa patrunda din reteaua electrica de alimentare in aparatul electric sau electronic, cat si de a opri ca semnalele de interferenta produse de functionarea unui receptor sa fie transmise in retea.

Filtrul trebuie sa fie eficient atat pentru semnalele de interferenta de mod diferential, cat si pentru semnalele de interferenta in acelasi tact.

Fig. 5.7 Schema electrica a unui filtru de retea.Functionarea filtrului la interferente contratact.

Fig. 5.8 Functionarea filtrului la interferente contratactPentru frecventa de exploatare (50 Hz) fluxurile magnetice produse de cele 2 bobine se anuleaza, cu exceptia unui mic flux de dispersie (Fig. 5.9). In acest caz efectul de filtrare este produs numai de condesatoarele C1 si C2, de capacitate mare.

Cand filtrul nu este in serviciu, descarcarea condensatoarelor C1 si C2 este asigurata de rezistenta R. In acest mod de functionare, condensatoarele C3 si C4 nu joaca un rol esential.

Fig. 5.9

Functionarea filtrului la interferente in acelasi tact

Fig. 5.10 Functionarea filtrului la interferente in acelasi tact.Interferenta in acelasi tact se datoreaza cuplajului prin radiatie electromagnetica al liniei L si a conductorului neutru N. In acest caz atat conductorul L cat si conductorul neutru N primesc practic acelasi potential fata de pamant.

Acest tip de interferenta este de inalta frecventa (100 kHz1GHz). La functionarea in acelasi tact, fluxurile magnetice generate de catre cele 2 bobine in miezul de ferita sunt in acelasi sens (Fig. 5.11). Deci, bobinele functioneaza ca si reactante sumatoare (valoarea reactantei fiind proportionala cu frecventa curentului). In consecinta, semnalul de interferenta ajunge mult atenuat la receptor. La frecvente mai ridicate (peste 10 MHz) permeabilitatea miezului de ferita dispare, iar functia de filtraj este preluata de condensatoarele C3 si C4.

Fig. 5.11

5.3 Filtre pentru retele trifazate

Invertorul static constituie una dintre cele mai suparatoare surse de perturbatii care se propaga pe linia de alimentare cu energie electrica si, ca urmare, poate produce efect de interferenta asupra altor receptoare conectate la linie.

Efectul perturbator se datoreaza armonicilor de inalta frecventa care apar in procesul de choppare cu front drept. Aceste armonici excita reteaua de inductivitati si capacitati parazite si provoaca astfel oscilatii pe frecvente proprii.

Fara nici o protectie impotriva acestor oscilatii de inalta frecventa are loc atat o propagare galvanica pe conductoarele retelei, cat si o radiatie electromagnetica directa in mediul ambiant.

Masuri pentru eliminarea acestor interferente:

se introduce convertorul static intr-o cutie metalica conectata la pamant; linia de alimentare dintre convertor si consumator se ecraneaza prin introducerea conductoarelor intr-o teava metalica sau prin folosirea unui cablu ecranat cu manta din lita metalica; convertorul static se alimenteaza prin intermediul unui filtru trifazat trece-jos, filtru a carui carcasa metalica este in contact direct cu cutia metalica a convertorului.

Fig. 5.12 Masuri pentru eliminarea interferentelor cauzate de functionarea convertorului static.

Fig. 5.13 Filtru trifazat de retea (trece-jos)

Bobinele din structura filtrului trifazat de retea (3x5mH) sunt practicate pe acelasi miez de ferita. Bobinele sunt compensate, in sensul ca la functionarea normala fluxul magnetic produs de curentii de exploatare este nul in miezul de ferita.

Se urmareste suntarea semnalelor de inalta frecventa atat intre faze, cat si intre faze si pamant.

5.4 Conexiuni de incercare

Performantele filtrelor de retea se apreciaza pe baza unor conexiuni standardizate, in care impedanta de intrare in filtru si impedanta de iesire a filtrului sunt normalizate.

Conexiunea simetrica cu aceasta conexiune se simuleaza producerea semnalelor la interferenta contratact.

Fig. 5.14

In Fig. 5.14 un generator de semnal cu banda larga, cu tensiunea U0 si impendanta interna de natura rezistiva excita filtrul prin intermediul unui transformator de izolare de raport 1:1. Sarcina filtrului se alimenteaza tot prin intermediul unui transformator de izolare cu raportul 1:1. Bornele filtrului sunt izolate fata de masa, iar carcasa metalica a filtrului este legata la pamant.

In absenta filtrului, uz=Uo/2 (deoarece impedanta interna a sursei si cea a receptorului sunt egale).

Atenuarea filtrului se determinba cu relatia:

Dezavantajul acestei conexiuni este legat de necesitatea utilizarii unor tranformatoare cu raportul 1:1 pana la frecvente foarte inalte.

Conexiunea nesimetrica

In aceasta conexiune se simuleaza tot interferente contratact; bornele filtrului nu mai sunt izolate fata de masa.

Fig. 5.15

Conexiunea asimetrica

Aceasta conexiune simuleaza generarea semnalelor de interferenta in acelasi tact, bornele de intrare ale filtrului sunt legate impreuna, la fel si bornele de iesire sunt legate impreuna.

Fig. 5.16

5.5 Filtre pentru hiperfrecvente

In domeniul producerii microundelor (cu magnetroane, klystroane, f=2450 MHz, 5800 MHz, 22125 MHz in Europa), pentru utilizari in tehnica radar si in transmitatoarele de microunde, filtrarea instalatiilor de frecventa joasa se realizeaza cu ajutorul filtrelor de absorbtie, in domeniul de frecventa 100 MHz 100 GHz.

In domeniul microundelor, filtrele de absorbtie sunt mai avantajoase decat filtrele cu bobine pe miez de ferita (de ex: se elimina reflexiile, formarea de unde stationare, discontinuitatea de impendanta, conectarea la pamant).

Filtrele de absorbtie se construiesc in 2 variante:

(1). Varianta solenoidala Componenta esentiala a filtrului este masa absorbanta pe baza de rasina epoxidica (rezistenta la temperature 175o C), optimizata d.p.d.v. magnetic, in care este inglobat solenoidul, parcurs de curentul intens ( 60 A), de frecventa joasa.

Fig. 5.17 Filtru de absorbtie, varianta solenoidalaStructura activa a filtrului (Fig. 5.17), protejata de invelisul izolant este inchisa cu capacele izolante, astfel incat spre exterior, conductorul se conecteaza prin lipitura sau insurubare la circuitul principal .

(2). Varianta flexibila

In fig. 5.18 este prezentata varianta flexibila a unui filtru pentru hiperfrecvente, care se compune din:

1- conductorul central parcurs de curent de lucru intens (1100 A) la tensiune relativ mare (500 V... 15 kV); 2 - invelisul absorbant; 3 - izolatie; 4 ecran din tresa metalica; 5 - invelisul izolant de protectie.

Atenuarea oferita de un astfel de filtru flexibil depinde de lungimea sa, care poate varia intre aproximativ 75 mm si 600 mm. Cu cat lungimea este mai mare, cu atat atenuarea este mai mare. Spre exemplu la 1GHz, atenuarea 100dB se obtine pentru lungimea de 75mm. Aceeasi atenuare se regaseste la 200MHz la o lungime a filtrului de 600mm.

Capitolul 6

MIJLOACE DE MASURARE IN CEMPrincipala problema a masurarilor CEM consta in determinarea interactiunii dintre perturbatii si echipamentele electronice.

Marimile care se masoara cel mai frecvent in CEM sunt:

- tensiunile perturbatoare;

- curentii perturbatori.In procesul de masurare pot apare si marimi de interferenta. O conditie primordiala a masurarilor CEM este aceea de asigurare a reproductibilitatii acestora. Acest lucru este posibil pentru perturbatiile care se transmit prin conductie sau sunt unde continue, insa la masurarea perturbatiilor tranzitorii pot apare probleme mari.

Cel mai usor se masoara curentii si campurile magnetice (celelalte tipuri de masuratori pot fi afectate de erori sistematice si incertitudini de masurare importante).

Masurarile CEM se pot clasifica in 2 categorii:

(1). Masurarea perturbatiilor emise de echipamente;

(2). Testarea imunitatii echipamentelor la perturbatii.

Avand in vedere fenomenele complexe ce iau nastere in procesul de producere, propagare si receptionare a perturbatiilor, o importanta deosebita o prezinta locul in care se face masurarea.

Astfel, masurarile CEM se pot efectua :

- in laboratoare special amenajate (ex: camere ecranate, camere anechoice, etc);

- in spatii libere (ex: masurarile de radiatie);

- in locul de montare al echipamentelor.

Primele tipuri asigura teste (reproductibile) si se folosesc la validarea echipamentelor conform normelor CEM.

Masurarile efectuate la locurile de montare pot ridica o serie de probleme din cauza prezentei unor surse de perturbatii suplimentare.

Masurarile privind emisia perturbatiilor folosesc mijloace de masurare specifice, care preiau informatia de masurare prin intermediul unor senzori (ex: sonde, clesti de curent, antene, etc).

Marimile masurate si mijloacele de masurare folosite in CEM sunt :

1o Tensiuni : - tensiuni inalte statice sau in impuls (exemple de mijloace de masurare: divizoare de tensiune si voltmetre).

- tensiuni cu durata mare (exemple de mijloace de masurare: sisteme de achizitie a datelor);

- semnale de banda ingusta sau larga (exemple de mijloace de masurare: osciloscoape analogice, numerice sau cu memorie; analizoare spectrale).

2o Curenti (exemple de mijloace de masurare: clesti de curent si mijloace de masurare a tensiunii)

3o Campuri electromagnetice:

- campuri electrice (exemple de mijloace de masurare: electromete aparate pentru masurarea intensitatii campului electric);

- campuri magnetice (exemple de mijloace de masurare: antena bucla sau sonde de curent si mijloace de masurare a tensiunii);- campuri electromagnetice (antene si mijloace de masurare a tensiunii).

Testarea echipamentelor (a imunitatii acestora la perturbatii) este o operatie mai complexa, necesitand generatoare de perturbatii, dispozitive de cuplare, eventual echipamente de masurare suplimentare.

6.1 Senzori pentru marimi de tip ,,u (tensiuni)In tehnica CEM, in cazul in care tensiunea masurata este mai mare decat tensiunea acceptata la intrarea in aparatul electronic, se folosesc senzori numiti divizoare de tensiune.

Prin constructia divizoarelor de tensiune se urmareste ca timpul de raspuns intrinsec si timpul de crestere sa aiba valori cat mai reduse.

Conexiunea intre senzor (divizorul de tensiune) si aparatul electronic se realizeaza in mod normal cu ajutorul unui cablu coaxial.

Deoarece impendanta cablului coaxial (50 sau 75) si capacitatea proprie a acestui cablu difera foarte mult de impedanta de intrare (1M) in aparatul de masurat, este necesar ca prin masuri tehnice adecvate sa se elimine fenomenele de reflexie la schimbarea de impedanta.

6.1.1 Divizorul rezistiv

Fig. 6.1

C = capacitatea parazita a divizorului fara de pamant

Zc = impedanta caracteristica a cablului coaxial.

Rezistentele R1, R2 din constructia divizorului sunt cu inductivitate minima.

Adaptarea cablului coaxial la extremitatea spre aparatul electronic se face cu o rezistenta neinductiva egala cu impedanta caracteristica Zc a cablului coaxial.

6.1.2 Divizorul capacitiv

Divizorul capacitiv se realizeaza intr-o structura coaxiala pentru a reduce inductivitatile parazite.

Acest divizor nu sesizeaza componentele de c.c. ale tensiunii masurate (din cauza rezistentei de intrare, 1M, plasata in aparatul de masurat electronic, rezistenta care sunteaza capacitatea C2).

Deoarece adaptarea nu se poate face la extremitatea spre aparatul de masurat electronic, aceasta adaptare se face cu impendanta Zc asezata la plecare.

Fig. 6.2

6.1.3 Divizorul mixt de serie R-C

Fig. 6.3

Pentru tensiuni inalte divizorul pur capacitiv nu se poate construi in varianta coaxiala si de aceea este necesar sa se introduca rezistente de amortizare, atat in bratul de inalta tensiune (R1), cat si in cel de joasa tensiune (R2).

Adaptarea se face la intrarea in cablul coaxial, cu rezistenta Zc-R2 pentru ca, privit de la iesire, sa se vada, in cazul fenomenelor rapide, impedanta Zc.

Divizorul mixt de serie R-C este acordat, adica R1C1=R2C2.

6.1.4 Divizorul universal

Divizorul universal permite si masurarea componentelor continue de tensiune datorita rezistentelor.

R3 este in paralel cu bratul de inalta tensiune si R4 in paralel cu bratul de joasa tensiune. Adaptarea se face ca si la divizorul mixt serie R-C.

Fig. 6.4

6.2 Sonde de curent (clesti)

De multe ori masurarea curentului ofera mai multe informatii referitoare la perturbatii decat masurarea tensiunii.

Senzorul de baza pentru masurarea curentului il reprezinta clestele de curent. Clestele de curent este un transformator de masurare compus din:

un miez toroidal din ferita, ce se poate desface in 2 jumatati;

primarul (realizat de obicei dintr-o spira, conductorul al carui curent se masoara); secundarul (o infasurare cu un anumit numar de spire care determina raportul de transformare).

Fig. 6.5

In schema echivalenta din Fig. 6.5:

Ls este inductivitatea infasurarii secundare;R impedanta de sarcina (de obicei, impedanta de intrare intr-un mijloc de masurare a tensiunii);Cp capacitatea parazita a infasurarii.Pentru o functionare corecta se impune ca impedanta de sarcina sa fie mult mai mica decat impedanta de iesire a trasformatorului:

R