Compatibilitate electromagnetica

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” BUCUREŞTI

FACULTATEA DE ELECTROTEHNICĂ

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ

APLICATII LA CONVERTOARE STATICE DE PUTERE

PROIECTUL LEONARDO DA VINCI NR. RO / 98 / 2 / 06466

PROF. MIHAI OCTAVIAN POPESCU

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ Aplicatii la convertoarele statice de putere

- CONŢINUT -

1. Introducere – concepte fundamentale 1

2

2. Standarde de compatibilitate electromagnetică 14

11

3. Perturbaţii electromagnetice de conducţie 17

13

4. Perturbaţii transmise prin inducţie şi radiaţie 23

18

5. Studii de caz 30

22

6. Concluzii finale 31

23

7. Bibliografie 32

24

2


Cap. 1

INTRODUCERE – CONCEPTE FUNDAMENTALE

Compatibilitatea electromagnetică este o disciplină impusă în ultimele două decenii, ca o consecinţă a creşterii explozive a numărului de dispozitive şi aparate electrice şi electronice şi a interacţiunii dintre acestea.

Astfel, un echipament electric sau electronic este supus unei agresiuni “electromagnetice” de către sursele de perturbaţii din mediul său ambiant şi funcţionarea acestuia poate fi afectată mai mult sau mai puţin. Pe de altă parte, echipamentul electric produce el însuşi perturbaţii care afectează alte echipamente şi aparate electrice.

1.1. Definiţii

Mediu ambiant electromagnetic reprezintă ansamblul fenomenelor electromagnetice care există într-o zonă spaţială anume.

3


Sistem electric (electromagnetic) este un ansamblu de echipamente electrice conectate funcţional şi delimitate (imaginar) de o frontieră faţă de mediul electromagnetic ambiant (vezi figura 1).

Fig. 1 – Sistemul Electric şi spaţiul înconjurător

Interferenţă electromagnetică (EMI – Electromagnetic Interference) este un proces de transfer nedorit de energie electromagnetică de la o sursă la un echipament electric.

Rezultatul unui fenomen de interferenţă este o perturbaţie – adică afectarea funcţionării normale a aparatului “victimă”.

Compatibilitatea Electromagnetică (EMC – Electromagnetic Compatibility ) este aptitudinea unui sistem electric de a funcţiona corect în mediul său electromagnetic ambiant fără a produce, la rândul său, perturbaţii asupra altor echipamente din acest mediu.

Efectele interferenţelor electromagnetice pot fi de multe feluri: de la o simplă perturbaţie asupra imaginii de la televizor până la o eroare semnificativă într-o operaţie de transfer de date sau şi mai grav – distrugerea unui echipament electronic sensibil.

Imunitatea unui echipament este aptitudinea de a funcţiona corespunzător în prezenţa unei interferenţe.

Susceptibilitatea reprezintă pierderea imunităţii.

4


În figura 2 se prezintă o abordare cantitativă; pe verticală sunt indicate intensităţile fenomenelor specificate de norme.

Fig. 2 – Nivele compatibilităţii electromagnetice

Nivelul de imunitate este valoarea indicată de norme pentru încercarea de imunitate; la acest nivel echipamentul trebuie să funcţioneze bine.

Nivelul de perturbaţie (emisie) reprezintă nivelul superior al perturbaţiilor (care au o distribuţie statistică)ce poate fi depăşit accidental cu o probabilitate ridicată (5% sau 2%).

Nivelul de compatibilitate este nivelul admis pentru un echipament şi indicat de producător.

Marja (intervalul) de compatibilitate este intervalul dintre nivelul de imunitate şi nivelul de perturbaţie exprimat în decibeli.

Nivelul de compatibilitate este situat în această marjă.

Nivelele mărimilor electrice se exprimă în decibeli prin raportarea la valori de referinţă, astfel:

- tensiunea unei surse sau unui semnal perturbator:

(1.1)

5

0

lg20][V

VVdBV


unde V0 = 1μV.

Valoarea de referinţă este de 1 V şi se indică alături de unitatea de măsură, dBV.

Notă – unitatea de măsură este denumită Bel, în cinstea inginerului Graham Bell – inventatorul telefonului; 10 Bel = 1 dB

- Curentul:

0

lg20][I

IAdBI

(1.2)unde I0 = 1μA.

- câmpul electric:

0

lg20]/[E

EmVdBE

(1.3)unde E0 = 1μV/m.

- câmpul magnetic:

0

lg20]/[H

HmAdBH

(1.4)where H0 = 1μA/m.

- puterea electrică:

0

lg10][P

PWdBP

(1.5) where P0 = 1μW.

Utilizarea acestor unităţi de măsură evită cifrele prea mari şi simplifică anumite calcule.

6


1.2. ANALIZA DE COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ

Fie schema generală prezentată în figura 3. Sursa de perturbaţii este caracterizată de nivelul de emisie P[dB]. Fenomenul de propagare produce o anume atenuare a perturbaţiilor, de valoare A[dB].

Fig. 3 – Schema generală a perturbaţiilor

Nivelul imunităţii echipamentului studiat este IM [dB] . Scopul analizei de compatibilitate îl constituie evaluarea marjei de compatibilitate EMCr ; ţinând cont de cele de mai sus rezultă:

EMCr = Im – (P-A) [dB]Decizia se ia în felul următor:

a) dacă EMCr >20dB (recomandabil 4060 dB) compatibilitatea este asiguratăb) dacă EMCr <20dB atunci marja nu este suficientă.În acest caz, se mai poate nuanţa decizia:c ) dacă EMCr >20dB şi durata perturbaţiei este scurtă se consideră că există o compatibilitate parţial asigurată;d) dacă EMCr <20dB atunci se evaluează riscurile, întrucât compatibilitatea nu este asigurată. Se iau de obicei măsuri pentru a se asigura aceasta.

Caracterizarea imunităţii

Sunt 4 criterii de performanţă pentru a cuantifica imunitatea şi anume:

A – sistemul funcţionează fiabil, fără erori sau perturbaţii funcţionaleB – sistemul funcţionează corect după probă, dar în timpul probei pot apare erori sau deranjamente

7


C – sistemul este temporar deranjat; după probă el poate fi repus în funcţiune manual sau automat prin resetareD – sistemul este complet deranjat şi deci el este defect definitiv

1.3. MECANISME DE CUPLAJ

Interferenţa este reprezentată de un transfer neintenţionat de energie electromagnetică; efectul fenomenului de interferenţă este perturbaţia.

Transferul energiei se poate face pe două căi:- prin conducţie, de-a lungul unor conductoare comune, prin reţea

sau pământ- prin radiaţie, întrucât un conductor parcurs de curent poate fi privit

şi ca o antenă; invers el poate funcţiona ca o antenă de recepţie. Modul de transmisie al perturbaţiei este numit şi mecanism de

cuplaj sau pe scurt cuplaj.Aproximaţia de joasă frecvenţă se referă la o anume corelaţie

dimensiune-frecvenţă.Dacă dimensiunea caracteristică a echipamentului investigat

este mai mică decât lungimea de undă (l) atunci circuitul poate fi descris ca o reţea electrică conţinând componente discrete, concentrate (rezistoare, inductivităţi, capacităţi).

Dacă această condiţie nu este satisfăcută, problema se complică şi este necesară adaptarea unui model de linie lungă (componente distribuite).

Pentru echipamentele din aer se poate scrie: (metri) x f (megahertzi) = 300

pentru a verifica în mod simplu condiţia menţionată mai sus, numită şi aproximaţia de joasă frecvenţă.

Exemple: Pentru perturbaţiile de 30 MHz rezultă o lungime de 10 m a cablurilor; deci un sistem de măsurare distribuit la distanţe de 510 m nu poate fi tratat ca o schemă cu elemente concentrate decât dacă lucrează la frecvenţe mici ( 1020 Khz). O altă concluzie este că

8


un banal cablu de racord la reţea de 1,52 m poate fi antenă de recepţie sau emisie pentru frecvenţe de 150200 MHz.

Perturbaţiile transmise prin conducţie se închid prin circuitele de alimentare (reţeaua comună mai multor echipamente)prin legăturile la pământ ale carcaselor metalice sau prin conexiunile între diferite echipamente respectiv între traductoare şi unităţile de achiziţie.

Se consideră situaţia echipamentului reprezentat în figura 4 . Un fenomen de interferenţă în aria haşurată (limitată de conductoarele de alimentare de la reţea) apare ca o tensiune pe impedanţe de sarcină Zs: (1.6)Idm fiind curentul de interferenţă (care circulă în sensuri opuse prin cele două conductoare, de fază şi de nul). În acest caz, perturbaţia este similară semnalului util şi este dificil sau imposibil de separat de acesta. Acest tip de perturbaţie este numit de mod diferenţial (în tact opus).

Fig. 4 – Scheme tipice ale perturbaţiilor prin conducţie

O lată situaţie este aceea în care curentul de perturbaţie Icm circulă în acelaşi sens prin conductoarele de fază şi de nul iar calea de întoarcere este pământul.

În acest al doilea caz, pe impedanţa de sarcină apare un semnal perturbator.

9


(1.7)Za şi Zb fiind impedanţele între conductoare şi pământ. Perturbaţia se numeşte de mod comun (în acelaşi tact).

Perturbaţiile transmise prin radiaţie

Se consideră un dispozitiv de mici dimensiuni care produce un câmp electromagnetic; acesta poate fi privit ca un dipol electric sau magnetic, aşa cum se arată în figura 5.

Fig.5 – Dipoli şi coordonate

Componentele câmpului electromagnetic în punctul P sunt următoarele:

jkrerkjkrr

IRkH

220

22 111

sin

4

(1.8)

10


jkrr e

jkrr

IRjkH

11

cos

2 20

2

(1.9)

jkrejkrr

IRkZE

11

sin

40

220

(1.10)Cu referire la coordonatele r, , .

Concluziile referitoare la câmpul radiat sunt:- amplitudinea componentelor depinde esenţial de distanţa r de la dipol. Termenii în 1/r² sau 1/r³ sunt practic neglijabili la distanţe ce depăşesc λ/2π.

Zona (r > λ/2π) este denumită zonă “de câmp îndepărtat” şi unda electromagnetică poate fi considerată plană;- În zona “de câmp apropiat” (r < λ/2π) radiaţia este caracterizată de valori ridicate ale intensităţii câmpului electric şi magnetic (E şi H) astfel încât se consideră:-inducţie magnetică dacă intensitatea curentului sursei este mare, sau-inducţie electrică dacă tensiunea sursei este ridicată.

Fenomenele de inducţie magnetică respectiv electrică conduc la perturbaţii notabile, în zona de câmp apropiat dacă inductivitatea mutuală este importantă (cuplaj inductiv) respectiv dacă capacitatea mutuală este importantă (cuplaj capacitiv).

- În zona “de câmp îndepărtat” relaţia dintre intensităţile câmpurilor electric şi magnetic este fixă şi numită “impedanţa de undă a vidului (aerului)”

377/ 0ZHE (1.11)

aşa cum se arată în figura 6.

11


Fig.6 – Impedanţa aerului

În zona apropiată a unui dipol de tip E avem:

frkr

Z

H

EZE

2

10 (1.12)

Şi deci impedanţa de undă e mai mare ca Z0.În cazul dipolului H impedanţa de undă

frkrZH

EZH

20

(1.13)Este mai mică decât Z0.

- fenomenele de inducţie magnetică şi electrică pot fi studiate printr-o abordare de tip problemă de câmp, respectiv printr-un model de circuit utilizând inductivitatea mutuală respectiv capacitatea mutuală.

- Fenomenele de radiaţie în zona de câmp îndepărtat pot fi studiate cu ajutorul abordării de tip radiotehnică (emisie, antene, recepţie).

1.4. DESCRIEREA SEMANLELOR ÎN DOMENIUL TIMP ŞI ÎN DOMENIUL FRECVENŢĂ

Descrierea semnalelor în domeniul timp sau în domeniul frecvenţă este echivalentă şi posibilă cu ajutorul analizei Fourier.Se consideră un semnal periodic f(t) cu perioada T; relaţia de bază este:

1 1

0 sincos)(n n

nn tnbtnaatf (1.14)

unde:

2

20 )(1 T

Tdttf

Ta

(1.15)

2

2cos)(

2 T

Tn tdtntfT

a (1.16)

12


2

2sin)(

2 T

Tn tdtntfT

b (1.17)

Pentru un semnal trapezoidal simetric, arătat în figura 7, se obţin:

r

r

h

hhn x

x

x

x

T

Ata

sinsin2

T

tnx h

h

T

tnx r

r

(1.18)

Fig.7 – Semnal trapezoidal

Spectrul semnalului este arătat în figura 8 ; el este un spectru de linii ce poate fi aproximat cu 3 înfăşurători: una orizontală, una scăzătoare cu –20dB/dec şi una scăzătoare cu –40 dB/dec.

Fig.8 – Spectrul de semnalAceastă liniarizare este extrem de utilă în practică din cauză că

în multe cazuri o descriere extrem de exactă nu e necesară.

13


Invers, dacă este cunoscut spectrul unui zgomot şi dacă acesta poate fi aproximat prin liniarizare, punctele de intersecţie ale dreptelor sunt fh = 1/πth şi fr = 1/πtr . În acest mod se evaluează în mod simplu timpul de creştere şi durata medie a semnalului trapezoidal corespunzător.

14


Cap. 2

STANDARDE DE COMPATIBILITATE

ELECTROMAGNETICĂ

Standardele de compatibilitate electromagnetică sunt elaborate de mai multe organisme, astfel:

-CEI – Comisia Electrotehnică Internaţională, care emite normele CEI, aplicate în toată lumea;-CISPR – International Special Committee for Radioelectrical Inmterference, care emite normele CISPR;-CENELEC – European Commission for Normalisation , care emite normele EN, aplicabile în CEE (Europa).

Există şi organisme naţionale care emit norme- spre exemplu : USA-FCC : Federal Communication Committee, Germania – VDE (Verband Deutscher Elektroniker).

În România normele internaţionale CEI, CISPR şi EN sunt, în majoritate, adoptate ca standarde naţionale SR-EN, etc.Echipamentele sunt tratate în două clase (FCC Rules – Part 15 ) astfel:-Clasa A (Industrial) – aparate destinate folosirii în zone industriale, comerciale sau de afaceri-Clasa B (Consumator) – aparate destinate utilizării în zone rezidenţiale.

Sunt două mari categorii de standarde:-norme referitoare la echipamente ca surse de perturbaţii (norme de emisie);-norme referitoare la sensibilitatea la perturbaţii (imunitate)

15


Câteva exemple de norme sunt indicate în cele ce urmează:CISPR 11 – Limite şi metode de măsurare ale radiointerferenţelor.

Caracteristici ale echipamentelor industriale, ştiinţifice şi medicale de radio frecvenţă

CISPR 12 – Limite şi metode de măsurare ale interferenţelor. Caracteristici ale sistemelor de aprindere ale motoarelor vehiculelor

CISPR 13 – Limite şi metode de măsurare ale interferenţelor produse de receptoarele de sunet şi televiziune

CISPR 14 – Limite şi metode de măsurare ale interferenţelor produse de aparatele electrocasnice, sculele por

CISPR 15 – Limite şi metode de măsurare ale interferenţelor radio caracteristice lămpilor fluorescente şi corpurilor de iluminat

CISPR 16 – specificaţii CISPR pentru măsurarea interferenţelor radio, aparate şi metode de măsurare

CISPR 17 – Metode de măsurare a caracteristicilor de atenuare a filtrelor pasive de interferenţe radio şi a componentelor supresoare.

16


Seria de norme generale CEI şi EN

IEC 1000-1 Generalităţi, Definitii

EN 61000-1

IEC 1000-2 Descrierea mediului electromagnetic

EN 61000-2

IEC 1000-3 Limite (emisie şi imunitate)

EN 61000-3

IEC 1000-4 Metode încercare şi măsurare

EN 61000-4

IEC 1000-5 Ghid de instalare

EN 61000-5

17


Cap. 3

PERTURBAŢII ELECTROMAGNETICE DE CONDUCŢIE

Perturbaţiile electromagnetice de conducţie sunt transmise de la

sursă la aparatul victimă prin fire, cabluri, condensatoare de cuplaj, etc.

3.1. Surse de perturbaţii de conducţie

Generarea şi propagarea perturbaţiilor de conducţie este foarte

dificil de investigat întrucât toate elementele de circuit parazite joacă un

rol important.

Surse de fenomene tranzitorii sunt dispozitivele

semiconductoare de putere.

Undele de curent şi tensiune nu produc interferenţe

electromagnetice (indiferent de conţinutul lor spectral) nici chiar

comutaţia dispozitivelor semiconductoare în circuitul lor principal de

lucru.

18


Perturbaţiile electromagnetice implică energie

electromagnetică de înaltă frecvenţă şi o propagare a acesteia în

structura circuitului.

Circuitul tipic ideal al unui convertor în regim de comutaţie

nu va cauza interferenţe electromagnetice atâta timp cât nu sunt

considerate elementele parazite de ordin secund, care sunt responsabile

pentru interferenţele de conducţie. Considerând o stare dată a unui

circuit anume, există energie înmagazinată în capacităţile (mici)

parazite ale semiconductoarelor, în capacitatea parazită inter-spire a

bobinelor şi transformatoarelor şi în energia magnetică datorată

inductivităţii legăturilor şi conexiunilor de circuit. O schimbare în

starea de comutaţie a circuitului cere de asemenea ca energiile acestor

elemente parazite să se schimbe.

Aceasta înseamnă încărcarea şi descărcarea capacităţilor

parazite. Frecvenţele naturale de oscilaţie excitate de aceste energii

precum şi descărcările rezistive produc aceste interferenţe.

Figura 9 prezintă o structură de bază de convertor în regim de

comutaţie. Celula de comutaţie produce pulsuri de curent (de exemplu,

convertorul buck) sau de tensiune (de exemplu convertorul boost) dar

interferenţele sunt produse de existenţa elementelor parazite (de

exemplu capacităţi sau altele).

19


Fig.9 – Surse de perturbaţii electromagnetice de conducţie

Aceste elemente parazite, scheme principală şi masa (pământul) formează bucla conductoare închisă pentru circulaţia curenţilor de interferenţă.

Unele elemente parazite sunt definite şi măsurabile (rezistenţa echivalentă a unor bobine sau capacitatea parazită totală, rezistenţa echivalentă serie a unui condensator) altele sunt foarte dificil a fi cunoscute şi măsurate (capacitatea faşă de carcasă, faşă de pământ, etc.).

3.2. Influenţa impedanţei comune

Două sau mai multe ochiuri parcurse de curent, care au o porţiune de conductor comună (de exemplu un conductor de masă)pot fi în situaţia de interferenţă.

Fie schema simplificată a circuitelor din figura 10 în situaţia aproximaţiei de joasă frecvenţă. Cele două circuite 1 şi 2 au porţiunea de conductor AB comună.

20


Fig.10 – Conductor comun

Se consideră circuitul 1 ca fiind cauza interferenţelor electromagnetice; sursa U1 produce curentul I1 şi deci o cădere de tensiune pe impedanţa Zc. Aceasta provoacă, la rândul ei, o tensiune de perturbaţie U12 pe rezistenţa de sarcină RL2 din cel de-al doilea circuit.

Este simplu de calculat valoarea tensiunii de interferenţă:

2211

2

1

21

LL

Lc

RRRR

RZ

U

U

(3.1)Neglijând la numitor valoarea Zc mult mai mică decât R1 +

RL1 or R2 + RL2.Raportul semnal-zgomot este:

1

211

21

2

U

U

Z

RR

U

U

c

L

(3.2)

Fie un exemplu numeric: R1 = RL1 = 50 Ω Zc = 0,1 Ω (3.3)

2

12 10UU (3.4)şi rezultatul este:

dB

U

U2010

21

2 (3.5)

Pentru anumite aplicaţii o astfel de valoare nu e suficientă!

21


Concluzii Interferenţa datorată unei impedanţe comune există dacă o

porţiune de circuit este partajată de două circuite simultan Pentru frecvenţe înalte impedanţa conductorului comun

poate fi importantă întrucât inductivitatea parazită joacă un rol important.

În ipoteza că toate rezistenţele au valoarea R iar conductorul comun are numai inductivitatea parazită de 1 H/m, pentru 1m lungime a acestuia se obţine:

ffjU

U

c /14

1

1

21

(3.6)Presupunând că R=50, o valoare U21/U1 =1/4 este atinsă la

frecvenţe mai mari ca 8 MHz.

3.3. Principii de măsurare

Pentru a avea măsurători bune şi repetabile, regulile impun utilizarea unui dispozitiv denumit reţea artificială LISN – Line Impedance Stabilisation Network – care are două funcţiuni:

- de a filtra zgomotul exterior, deci nici o altă interferenţă să nu afecteze măsurarea;

- de a asigura o impedanţă standardizată a reţelei de alimentare (50) într-o bandă largă de frecvenţă.

O schemă tipică a unei astfel de reţea artificială este dată în figura 11. Ea este conectată între sursa de energie electrică (fază şi nul) şi receptor. Reţeaua artificială este de asemenea conectată la pământ şi are inductivităţi în serie şi condensatoare în paralel cu rol de filtru trece jos.

Fig.11 - LISN

22


Măsurarea perturbaţiilor se face pe o rezistenţă de 50 folosind un analizor de spectru sau un voltmetru selectiv.

Aranjametul specific pentru măsurare este prezentat în figura 12, unde sunt indicate dispoziţia echipamentelor şi respectiv distanţele normate.

Fig.12 – Typical test set up

Limitele admise ale perturbaţiilor de conducţie sunt indicate în standarde (de exemplu EN 55022) un exemplu caracteristic fiind indicat în figura 13.

Fig.13 – Limits of conducted emissions

23


Cap. 4

PERTURBAŢII TRANSMISE PRIN INDUCŢIE ŞI RADIAŢIE

Situaţiile prezentate anterior ca fiind în zona de “câmp apropiat” sunt dominate de mecanisme de cuplaj cunoscute ca fenomen de inducţie. Sunt două tipuri de astfel de fenomene şi anume :

- inducţia magnetică (electromagnetică)în care câmpul magnetic variabil joacă rolul elementului de cuplaj (cuplaj inductiv)

- inducţia electrică (cuplaj capacitiv) în care câmpul electric este elementul de cuplaj

4.1. Cuplajul capacitiv se numeşte astfel întrucât interacţiunea între două circuite este mijlocită de capacitatea existentă între ele.

O schemă generală este arătată în figura 14; fiecare circuit are propria capacitate, iar capacitatea de cuplaj, între circuite, este notată C12.

Fig.14 – Cuplaj capacitiv

24


Pentru simplificare şi o apreciere cantitativă globală toate rezistenţele sunt considerate egale cu R precum şi C1=C2=C iar sursa din circuitul al doilea se neglijează.

După câteva calcule simple, tensiunea de perturbaţie U21 pe sarcină din circuitul 2 este:

CCCRCCRj

RCj

U

U

1222212

12

1

21

2144

(4.1)În figura 15 s-a prezentat raportul U21/U1 ca o funcţie de

frecvenţă pentru o situaţie dată [3]. Astfel, capacitatea este evoluată pentru un conductor de diametru Φ=1mm, lungime 1m şi la 2 mm de o placă conductoare; cel de-al doilea conductor este paralel la 3 mm distanţă şi la aceeaşi depărtare de planul conductor; rezistenţa R=125Ω.

Fig.15 – Disturbance voltage - capacitive crosstalk

Concluziile ce pot fi extrase sunt:- Cuplajul capacitiv (prin inducţie electrică) are caracterul unui

filtru trece-sus; semnalul perturbator creşte proporţional cu frecvenţa;La frecvenţe ce depăşesc valoarea fc=1/2πR(C+C12) termenii

numitorului nu mai joacă, practic, nici un rol.- În domeniul timp, cuplajul inductiv este important dacă

variaţia tensiunii este rapidă (factorul j provine de la dU1/dt). În cazul semnalelor digitale flancurile rapid crescătoare şi descrescătoare produc perturbaţii.

25


Este de subliniat, în final, că un cuplaj capacitiv apare atunci când există o capacitate de cuplaj importantă; liniile electrice, cablurile cu mai multe conductoare, transformatoarele ş.a. sunt cazuri tipice.

În figura 14 s-a reprezentat schema echivalentă de circuit; din aceasta se separă numai circuitul 2 şi în acest caz cuplajul capacitiv se înlocuieşte cu o sursă de curent constant în paralel, de valoare:

2/112UCjIC (4.2)

Această schemă echivalentă a circuitului perturbat, reprezentată în figura 16, este valabilă pentru gama de frecvenţe în care U21/U1 variază liniar.

Fig.16 – Circuitul echivalent perturbat

4.3. Cuplajul inductiv

Schema echivalentă de circuit este prezentată în figura 17, în aceleaşi ipoteze ca şi la cuplajul capacitiv - aproximaţia de joasă frecvenţă şi impedanţă comună inexistentă.

Fig.17 – Cuplaj inductiv

În acest caz componenta magnetică a câmpului electromagnetic joacă un rol esenţial.

Elementul de cuplaj este inductivitatea mutuală:

26


2

12

1

21

IIM

(4.3)Tensiunea perturbatoare U21 indusă în circuitul 2 de către

circuitul 1 este:

dSH

dt

d

dt

dU

S2

2121 (4.4)

Atunci când tensiunea U1 este sinusoidală, circuitul liniar şi imobil:

121 MIjU (4.5)Pentru simplificare se consideră toate rezistenţele egale cu R şi

L1=L2=L; în aceste condiţii se obţine:

22221

21

44 MLRLjR

RMj

U

U

(4.6)În figura 18 s-a reprezentat această tensiune în funcţie de

frecvenţă pentru aceeaşi configuraţie analizată la cuplajul capacitiv (4.2) şi anume L= 0,42H, M=0,08H, l=1m. Pentru game de frecvenţe joase dependenţa este liniară.

R

Mj

U

U

41

21

(4.7)

Fig.18 – Tensiunea cuplajului inductiv

27


Valoarea inductivităţii mutuale M este determinată de geometria celor două circuite, totuşi perturbaţiile maxime se produc atunci când R0 în circuitul 1.

Principial, nu există o diferenţă între cuplajul inductiv şi funcţionarea unui transformator; este chiar cazul unui transformator fără miez magnetic.

Concluziile importante sunt următoarele:- cuplajul inductiv are caracterul unui filtru trece – sus;- pentru o situaţie dată (o valoare dată a cuplajului M)

perturbaţiile se accentuează când R se reduce, adică o dată cu scăderea impedanţei;

- în domeniul timp, variaţia curentului în circuitul sursă determină perturbaţia;

- tensiunea de perturbaţie U12 pe sarcina RL2 este în antifază cu sursa.

Din punctul de vedere al circuitului 2, cuplajul inductiv apare ca o sursă suplimentară de tensiune (în zona de frecvenţe cu variaţie liniară).

Schema echivalentă a circuitului perturbat este reprezentată în figura 19, iar sursa de perturbaţie este o sursă de tensiune de valoare:

RUMjUd 21 (4.8)

Fig.19 – Equivalent circuit

Observaţie:Determinarea valorilor capacităţii de cuplaj sau inductivităţii

mutuale între două circuite se poate face cu metodele de calcul ale acestora sau prin rezolvarea problemei de câmp. Pentru cazuri reale se poate deasemenea proceda la determinarea experimentală, prin măsurare.

28


4.4. Cuplajul prin radiaţie

La distanţă mare de sursa de radiaţie, unda electromagnetică devine undă plană.

La întâlnirea unui fir conductor, acesta funcţionează ca antenă de recepţie. Efectele acestui cuplaj câmp electromagnetic-fir pot fi calculate astfel:

- La frecvenţe joase, lungimea antenei L/4, curentul produs este:

(4.9)

Unde E – câmpul electric [V/m], L lungimea antenei [m] şi (m) lungimea de undă a radiaţiei.

- La frecvenţe ridicate, lungimea antenei L

(4.10)

Exemplu : f = 100 MHz, = 3m L=1m, E=10V/m

Rezultă Imax = 125 mARelaţiile pun în evidenţă, încă o dată, faptul că pentru

echipamente distribuite (l=150m) radiaţia are o pondere redusă la frecvenţe mai mic de 1MHz.

4.5. Metode de reducere a cuplajelor

Mijloacele tehnice actuale permit evitarea efectelor perturbaţiilor prin:

- măsuri asupra surselor;- măsuri de reducere a fenomenelor de cuplaj;- măsuri de ridicare a imunităţii aparatelor.

Dintre multele metode şi dispozitive folosite pentru asigurarea compatibilităţii, se vor menţiona în continuare câteva, cu o extindere mai largă.

Eliminarea cuplajului galvanic se face prin:-evitarea porţiunilor comune de circuit (surse separate, puncte multiple de masă, etc.)

29


-izolarea galvanică (transformatoare de reţea 1:1 cu ecrane intermediare);-izolarea prin optocuplor sau fibre optice (pentru circuitele de măsurare şi semnale);-selecţia gamei de frecvenţe prin filtrare cu filtre pasive sau active;-eliminarea legăturilor de pământ în 2 puncte.

Micşorarea cuplajului capacitiv se face prin:-ecrane metalice legate la pământ;-mărirea distanţelor sursă-victimă;-reconfigurarea geometrică.

Micşorarea cuplajului inductiv se face prin:-ecrane magnetice (j.f. şi curent continuu);-utilizarea de cabluri coaxiale;-mărirea distanţelor;-reconfigurare geometrică;-eliminarea punerilor multiple la pământ.

30


Cap. 5

STUDII DE CAZ

Pentru aprofundarea unor situaţii concrete se recomandă studiul următoarelor cazuri tipice, prezentate pe larg în literatura de specialitate.

- Convertoarele de curent continuu – curent continuu în regim de comutaţie sunt detaliate în lucrarea lui Ferreira J.A. şi colaboratorii [5].

- Convertoarele pentru acţionări de curent alternativ sunt tratate pe larg în lucrarea lui Skibinski [6].

- Filtrele de perturbaţii EMI de reţea şi protecţia împotriva electrocutării sunt pe larg prezentate în Nota de aplicaţie [7].

- Convertoarele c.c-c.c de tipul boost reprezintă un caz mult utilizat astăzi.

Un exemplu caracteristic este prezentat în figura 20, unde un asemenea convertor este cuplat cu un alt convertor c.c-c.c în punte. În acest mod primul etaj joacă rol de preregulator de c.c. cu factor de putere unitar.

Perturbaţiile de conducţie sunt prezentate în game 10kHz – 30MHz în figura 21, pentru cazul comutaţiei “hard”.

Variante de comutaţie “soft”(cu tranziţii rezonante) evidenţiată în figura 22. conduce la spectrul de perturbaţii prezentat alături.

31


Fig 20. Cuplarea unui convertor boost cu un conertor cc in punte

Fig 21. Perturbaţii de conducţie în game de 10 kHz –30MHz

Fig22. Comutaţie cu tranziţii rezonante; Spectrul de perturbatii

32


- În ceeace priveşte convertoarele trifazate cu ieşire în curent alternativ, un exemplu este prezentat în cazul din schema 23.

Perturbaţiile de conducţie în gama 20 kHz – 30 MHz sunt prezentate în figura 24. Valorile superioare corespund situaţiilor fară filtru, iar cele minime utilizării filtrului şi cablurilor coaxiale. Limitele impuse perturbaţiilor sunt indirecte în CISPR 11, CISPR 12.

Fig 23.Filter controls EMI path & magnitude

Fig 24.Conducted emissions vs. Frequency;

33


Cap. 6

CONCLUZII FINALE

Compatibilitatea electromagnetică este o problemă de

sistem. Importanţa ei creşte odată cu creşterea complexităţii sistemelor

electrotehnice şi electronice cu comenzi informatizate.

Cunoaşterea fenomenelor de bază şi anume interacţiunea

electromagnetică în sisteme distribuite permite identificarea, încă din

faza de concepţie, a surselor de perturbaţii. Printr-o tratare adecvată a

geometriei constructive, respectiv prin prevederea de filtre şi ecrane

adecvate se poate asigura compatibilitatea electromagnetică de

ansamblu.

Tehnicile de măsurare şi testare sunt specifice; ele trebuie

cunoscute precum şi ansamblul normelor CEI şi EN care le statuează.

34


BIBLIOGRAFIE

1. Schwab A. – Compatibilitate electromagnetică, ET, Bucureşti 1996

(Traducere in română).

2. Hortopan G. – Principii si technici de compatibilitate

electromagnetică – ET, Bucureşti 1998 .

3. Goedbloed J. – Electromagnetic Compatibility - Prentice Hall Int. –

Englewood 1992.

4. Degauque P., Hamelin / La compatibilité électromagnetique, Ed.

Dunod, Paris 1990.

5. Ferreira J.A. u.a. – Sources, Paths and Traps of Conducted EMI in

Switch Mode Circuits, IEEE – IAS Meeting 1997, p. 1584-1590.

6. Skibinski G. u.a., Generation, Control and Regulation of EMI for

AC Drives, IEEE – IAS Meeting 1997, p. 1571-1583.

7. *** Power Supply Design Techniques for EMI and Safety AN – 15

Power Integrations Ins., p. 1-33 .

35

Compatibilitate electromagnetica

Documents

Transcript of Compatibilitate electromagnetica