Compatibilitatea electromagnetica

40
Universitatea “Valahia” Târgovişte Facultatea de Inginerie Electrică Sisteme şi echipamente moderne în producerea şi utilizarea energiei Anul II Compatibilitatea Electromagnetică PERTURBAŢII ŞI INTERFERENŢE ELECTROMAGNETICE NORME ŞI STANDARDE DE COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ TRANSMITEREA PERTURBAŢIILOR ELECTROMAGNETICE Masterand : Mitroi Mădălin Bogdan

Transcript of Compatibilitatea electromagnetica

Page 1: Compatibilitatea electromagnetica

Universitatea “Valahia” TârgovişteFacultatea de Inginerie Electrică

Sisteme şi echipamente moderne în producerea şi utilizarea energieiAnul II

Compatibilitatea Electromagnetică

PERTURBAŢII ŞI INTERFERENŢE ELECTROMAGNETICENORME ŞI STANDARDE DE COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂTRANSMITEREA PERTURBAŢIILOR ELECTROMAGNETICE

Masterand : Mitroi Mădălin Bogdan

Page 2: Compatibilitatea electromagnetica

Februarie 20111. INTRODUCERE ÎN COMPATIBILITATEA

ELECTROMAGNETICĂ

Noţiunea de Compatibilitate electromagnetică îşi are originea în procesul de influenţare sau de interfaţă cunoscut în tehnica radio, în sensul că dacă un receptor radio, acordat pe frecvenţa unui emiţător radio, recepţionează şi un alt emiţător, se asistă la un fenomen de interferenţă.

Cu timpul, o dată cu înmulţirea instalaţiilor şi aparatelor electrice, alături de emiţătoarele radio convenţionale, a apărut necesitatea de a se reconsidera conţinutul noţiunilor de “emiţător” şi ”receptor”. Noţiunile de “emiţător” şi “receptor ” nu se mai utilizează astăzi doar la mijloacele de comunicaţie, ci au un sens mai larg.

În acest sens, se consideră drept emiţătoare de energie electromagnetică atât emiţătoarele de radio şi televiziune, cât şi circuitele electrice şi sistemele care neintenţionat produc energie electromagnetică şi poluează mediul înconjurător, cum sunt:

- sistemele de emisie radio, televiziune, radar;- lămpi cu descărcări în gaze în faza aprinderii;- motoarele electrice cu colector;- redresoarele şi invertoarele;- tuburile cu descărcări în gaze;- exploziile nucleare.

Exemple de receptoare de energie electromagnetică: - Sistemele de recepţie a informaţiilor (telefonice, radar,

receptoarele radio şi TV, etc.).- Sistemele de automatizare cu semiconductoare care pot recepţiona semnale false;- Sistemele de măsurare electronică a mărimilor electrice şi neelectrice (senzori, traductoare, osciloscoape, înregistratoare, voltmetre numerice );- Sistemele de calcul, reţelele de calculatoare;- Instalaţiile tehnologice care funcţionează cu fascicul de electroni;- Microscopul electronic;- Sistemele de achiziţie şi de prelucrare a datelor;- Sistemele de scanare din tehnica medicală;- Microelectronica de pe autovehicule;- Stimulatoarele cardiace.

Unele echipamente electrice sau electronice pot fi considerate din punctul de vedere al CEM atât emiţătoare cât şi receptoare. Intră în această categorie, de exemplu:- echipamentele în care se produc procese tranzitorii de natura să determine nivele de tensiune sau de curent cu mult mai mari decât valorile lor nominale. Putem încadra în această categorie procesele de comutaţie ale sarcinilor inductive şi capacitive (de ex. la deconectarea unei bobine de la o sursă de c.c. la bornele acesteia,

2

Page 3: Compatibilitatea electromagnetica

considerată sursă sau emiţător, apare o supratensiune pe care o recepţionează tot bobina, în sensul că supratensiunea este de in-terferenţă (perturbatoare) şi poate distruge izolaţia).- în aparatele de radio-recepţie de tip superheterodină este inclus şi un oscilator local, care duce la apariţia unor semnale cu frecvenţe intermediare (de natura unui emiţător).

Toate acestea arată că trebuie discutată CEM a fiecărui aparat în parte. VDE 0870 defineşte compatibilitatea electromagnetică astfel:

Capacitatea unui dispozitiv electric de a funcţiona satisfăcător în mediul său electromagnetic fără ca acest mediu, care aparţine şi altor dispozitive, să fie inadmisibil perturbat.

Un dispozitiv electric se consideră corespunzător din punct de vedere al compatibilităţii electromagnetice dacă în calitate de emiţător produce emisii tolerabile iar în calitate de receptor are o sensibilitate acceptabilă la perturbaţii, adică posedă o imunitate suficientă la perturbaţii.

Creşterea tensiunii perturbaţiilor cauzată de exploatarea sistemelor de acţionare electrică cu semiconductori, cât şi sensibilitatea crescută a instalaţiilor e1ectronice folosite conduc, pe de o parte la perturbaţii electrice în reţea, câţ şi la perturbaţii între ele, iar pe de altă parte strânsă legătură a acestor instalaţii în ansamblul lor şi a cablurilor din sistemul electroenergetic au consecinţe nedorite asupra sistemului respectiv.

Pentru a evita întreruperile funcţionale este necesar să se ia măsuri acceptabile din punct de vedere economic asigurând în acest fel cu maximum de siguranţă compatibilitatea electromagnetică a echipamentelor electrice şi e1ectronice.

Prin compatibilitatea electromagnetică a unui sistem de echipamente electrice şi electronice înţelegem faptul că şi echipamentele respective lucrează în conformitate cu destinaţia lor, în mediile pentru care au fost proiectate să funcţioneze, fără a încărca acest mediu cu câmpuri electromagnetice la un nivel nepermis - care să influenţeze funcţionarea normală a echipamentelor propriu-zise.

Este necesară şi o asociere a compatibilităţi electromagnetice cu prezenţa fiinţei umane în câmpurile electromagnetice tot mai intense şi adesea la frecvenţe ridicate, deoarece numai mişcarea fiinţei umane în câmpul geomagnetic al pământului va induce curenţi interni instantanei echivalenţi cu cei produşi de un câmp cu variaţie sinusoidală, cu o valoare a inducţiei magnetice de aproximativ 0,1-0,2 [T]. Aceste valori ale câmpului magnetic sunt comparabile cu cele ale câmpurilor corespunzătoare frecvenţei puterii ambientale din circuitele de forţă din marea majoritate a cazurilor practice. Aceasta înseamnă că de multe ori fiinţa umană care îşi desfăşoară activitatea în astfel de medii poate fi supusă la fenomene de interferenţă, efectele fiind de altfel vizibile pe termen mediu şi lung.

3

Page 4: Compatibilitatea electromagnetica

Un dispozitiv electric sau electronic se consideră compatibil dacă în calitate de emiţător produce emisii tolerabile, iar în calitate de receptor are o susceptibilitate acceptabilă la emisii perturbatoare (adică prezintă o rezistenţă la perturbaţii - sau imunitate - suficientă). Problema compatibilităţii electromagnetice se pune mai întâi la receptoare atunci când este afectată recepţionarea ire-proşabilă a unui semnal util. Se vorbeşte atunci de existenta unei Interferenţe ElectroMagnetice (IEM). Uneori chiar mărimea perturbatoare este numită interferenţa electromagnetică, cu toate că pentru aceasta, cel puţin la receptoare, se foloseşte termenul de imisie. Spre exemplificare, un sistem de achiziţie şi prelucrare a datelor, compus din:- senzori (reductoare de curent, termocuple, ş.a.), considerat sursa;- linie de racord;- sisteme de stocare a datelor;- interfeţe;- elementul de execuţie, considerat receptor, poate fi influenţat de energia electromag- netică perturbatoare în oricare din componentele sale.

Interferenţele electromagnetice pot să se manifeste sub formă de perturbaţii reversibile sau ireversibile. Exemple de perturbaţii reversibile avem la pierderea temporară a inteligibilităţii la convorbirile telefonice, pocniturile ce apar la comutarea aparatelor electrice casnice (ex., la conectarea unui frigider apariţia perturbării semnalului sonor şi luminos la televizoarele aflate în imediata vecinătate), ş.a. Exemple de perturbaţii ireversibile sunt distrugerile unor componente electronice de pe cablajele imprimate datorită încărcării electrostatice, supratensiunile provocate de trăsnet (care pot duce la distrugerea tuburilor electronice ale televizoarelor sau a unor componente ale calculatoarelor sau reţelelor de calculatoare), ş.a.În practică interferenţele reversibile se împart, în funcţie de intensitatea lor, în: - interferenţe care produc reduceri de funcţionalitate, încă admisibile; - interferenţe care conduc la o funcţionare eronată, inadmisibilă.

Datorită multitudinii de echipamente electrice şi electronice care intră în discuţie şi pentru a putea exprima efectul de perturbare în mod explicit, se folosesc pentru emiţător şi receptor denumirile de element perturbator şi respectiv element perturbat. Se obţine în acest mod modelul de interferenţă din fig. 1.

4

Element perturbator(Emiţător)

Mecanism de cuplaj(Cale)

Element perturbator(Receptor)

Fig. 1. Model de interferenţă cu element perturbator, mecanism de cuplaj şi element perturbat

Page 5: Compatibilitatea electromagnetica

Spre deosebire de interferenţele dintre diferite sisteme, care mai sunt denumite şi "interferenţe intersistem" (sau interferenţe de origine externă), emiţătorul şi receptorul pot să fie părţi ale aceluiaşi sistem, adică pot să apară "interferenţe intrasistem" (sau interferenţe de origine internă) - fig. 2.

Exemple tipice de interferenţe intrasistem sunt:

- schimbul de semnale între liniile de date vecine la modulele electronice;- variaţiile de curent pe liniile de alimentare şi căderile de tensiune inductive determinate de acestea;- tensiunile de autoinducţie la deconectarea înfăşurărilor releelor şi contactoarelor; - fenomenele de reacţie parazită la amplificatoarele cu mai multe etaje.

O compatibilitate electromagnetică satisfăcătoare se poate obţine practic, în toate cazurile prin măsuri adecvate la:- emiţător (prin ecranări, limitări ale spectrului, antene directive, etc.); - mecanismul de cuplaj (ecranare, filtrare, topologia reţelei, transmisie optică, etc.);- receptor (ecranare, filtrare, proiectarea schemei).

În cazul interferenţelor intrasistem asigurarea CEM poate fi lăsată, de cele mai multe ori, în grija producătorului, respectiv a utilizatorului, deoarece ambii sunt interesaţi în realizarea unui sistem apt de funcţionare. În special în sisteme1e de prelucrare a datelor şi de telecomunicaţii, eliminarea interferenţelor elec-tromagnetice este în interesul utilizatorului (de exemplu: la bănci - evitarea obţinerii informaţiilor de pe monitor, în domeniul militar - evitarea interceptării informaţiilor secrete).

În cazul interferenţelor intersistem din recepţia radio sau televiziune, ca şi din sistemul public de telecomunicaţii, legiuitorul prescrie, în cadrul masurilor de antideparazitare, valori limită pentru emisiile tolerabile. Emisiile tolerabile reprezintă, în mod necesar, un compromis care are în vedere atât natura emiţătorului, cât şi cerinţele tehnice ale receptoarelor, în fiecare domeniu de frecvenţă.

5

Elementperturbator

Elementperturbat

Elementperturbat

Elementperturbator

Sistem I Sistem I Sistem I

Fig. 2. Interfaţă intersistem (stânga) şi intrasistem (dreapta.)

Page 6: Compatibilitatea electromagnetica

Influenţarea sau interferenţa semnalului util se produce prin intermediul unor cuplaje. Aceste cuplaje pot fi:

- galvanice, în cazul a două circuite electrice, cu o porţiune de circuit comună;

- inductive, în cazul influenţării de către câmpuri magnetice variabile în timp;

- capacitive, în cazul influenţării de către câmpuri electrice statice sau variabile în timp;

- prin radiatie electromagneticii, în cazul în care semnalul de interferenţă este produs de câmpul de radiaţie electromagnetică.

2. PERTURBAŢII ŞI INTERFERENŢE ELECTROMAGNETICE

În fig. 3 este prezentat întregul spectru de frecvenţe, precizându-se, acolo unde este cazul, gama de aplicaţii specifice pentru intervalele de frecvenţe respective:

Pentru spectrul frecvenţelor radio din această figură sunt precizate benzile de operare în tabelul următor:Tabelul 1: Domeniile de operare ale frecvenţelor radio din fig. 3:

Indiferent de natura puterii reţelei

electrice (cu putere infinită sau cu putere finită),

Frecvenţa [MHz] Descriere Simbol

<0,03 Frecvenţă foarte joasă VLF

0,03 - 0,3 Frecvenţă joasă LF

0,3 - 3 Frecvenţă medie MF30 - 300 Frecvenţă înaltă HF

300 - 3 000 Frecvenţă foarte înaltă VHF

3 000 - 30 000

Frecvenţă super înaltă SHF

30 000 - 300 000

Frecvenţă extrem de înaltă EHF

6

Fig. 3. Spectrul de frecvenţă cu specificarea zonelor de funcţionare pentru echipamentele electrice şi electronice

Page 7: Compatibilitatea electromagnetica

avem în vedere câteva probleme care apar cu privire la modul de generare şi de propagare a semnalelor electrice de frecvenţe ridicate şi care sunt comune acestor tipuri de reţele. Apariţia flicker-ului, a impulsurilor electromagnetice, a zgomotelor, a modului de emitere a semnalelor de frecvenţă radio (a perturbaţiilor, în general), precum şi apariţia interferenţelor electromagnetice dato-rate dispozitivelor semiconductoare de putere, sau liniilor telefonice sau de transmitere de date sunt câteva astfel de exemple. Modalităţile de analiză şi de limitare vor fi însă dependente de puterea sistemului electroenergetic.

Oricum, sursele de astfel de semnale vor duce atât la o scădere a calităţii energiei electrice la frecvenţe joase (cu ordinul armonicilor mai mic de 50), cât şi a energiei electrice de înaltă frecvenţă. Interdependenţele reciproce dintre aceste semnale arată clar necesitatea luării unor măsuri adecvate pentru eliminarea sau limitarea la minimum a efectelor acestora.

2.1. SURSE DE SEMNAL DE FRECVENŢE RIDICATE2.1.1. IMPULSURI ELECTROMAGNETICE

Apariţia impulsurilor electromagnetice se datorează unor procese de comutaţie ale dispozitivelor semiconductoare de putere şi altor procese de comutatie, cu variaţie de scurtă durată, care apar frecvent în sistemele electroenergetice moderne. Este însă puţin probabil ca un impuls electromagnetic să rezulte din propagarea unui impuls de tip Dirac. Totuşi analiza bazată pe metoda răspunsului tranzitoriu (care se bazează pe produsul de convoluţie), poate da informaţii utile despre funcţionarea internă a unei reţele electrice, pentru diverse moduri de funcţionare. Analiza propagării impulsurilor se bazează pe teoremele lui Kirchhoff - în cazul circuitelor cu parametri concentraţi, respectiv pe utilizarea ecuaţiilor lui Maxwell - în cazul circuitelor cu parametri distribuiţi. În cazul circuitelor cu parametri distribuiţi însă analiza este mai dificilă deoarece modelele construite în aceste cazuri sunt în general axate pe configuraţii simple, fiind de multe ori dificil de utilizat la structuri complicate de reţea. Indiferent de tipul de reţea o concluzie este importantă pentru ambele cazuri: adăugarea de noi sarcini în reţea cauzează de obicei o amortizare mai rapidă a acestora.

2.1.2. SEMNALE DE ÎNALTA FRECVENŢĂ

Surse de astfel de semnale sunt:Convertoare electronice de putere cu ordinul pulsului foarte înalt

Astfel de situaţii în practică sunt datorate necesităţii asigurării unei puteri mari pentru anumiţi consumatori, cum sunt de exemplu cuptoare pentru topirea aluminiului. Din cauza proceselor

7

Page 8: Compatibilitatea electromagnetica

neuniforme de topire, semnale de frecvenţă radio pot apărea în sistemul electroenergetic în care cuptorul este conectat.

B. Descărcările electrice, atât cele naturale cât şi cele proiectate

Descărcările naturale (sau neintenţionate) sunt legate de procesele de străpungere a dielectricilor, de la condensatoarele şunt, cabluri, etc. Spectrele acestor descărcări cuprind în general o plajă largă de frecvenţă, care, include aproape întotdeauna frecvenţele radio (cu valori depăşind 100 kHz).Descărcările electrice proiectate se referă la proiectarea anumitor tipuri de echipamente, a căror funcţionare normală se realizează în zona frecvenţelor radio. Intră în această categorie lămpile fluorescente cu balast electronic, precum şi anumite tipuri de aparate medicale (care radiază energie pe frecvenţele radio). Intră de asemenea în această categorie sarcinile care folosesc semnalele RF în funcţionarea lor normală, cum sunt transmiţătoare radio de mare putere, ce introduc semnale RF în sistemele de distribuţie.În toate aceste cazuri rolul important pentru modul în care se propagă energia corespunzătoare frecvenţelor radio revine fenomenelor de radiaţie electromagnetică şi cuplajelor electrostatice.Din cauza greutăţii modelării componentelor sistemelor electroener-getice pentru semnale RF şi a eventualelor bucle de rezonanţă ce pot apare la frecvenţele radio, în practică sunt necesare teste care să verifice compatibilitatea electromagnetică a echipamentelor în zona frecvenţelor radio. Spre exemplu radiaţia corespunzătoare frecvenţelor radio poate penetra circuitele releelor de protecţie, putând induce tensiuni în circuitele ohmice ale acestora. Standardul ANSI/IEEE C37.90.2 descrie testele care trebuie efectuate pentru a verifica funcţionarea corectă a releelor în medii cu semnale RF, verificându-se în acest mod dacă nu cumva sunt afectate caracteristicile releului în prezenţa semnalelor RF.Interferenţa electromagnetică cu semnalele RF poate fi blocată prin utilizarea ecranărilor şi a filtrelor pentru frecvenţele radio (fig. 4). Ecranele se realizează prin utilizarea unor materiale cu conductivitate mare (ex. Au, Ag, Cu).

8Fig. 4. Filtre pentru diminuarea interferenţei electromagnetice dintre

semnalele RF şi circuitele de sarcină.

Page 9: Compatibilitatea electromagnetica

Măsuri suplimentare pentru reducerea interferenţei electromagnetice în aceste cazuri se referă la pământarea miezurilor trafo, adăugarea de bobine de şoc (pe linie) şi de miezuri de ferită (crescând în acest fel inductanţa la bornele sursei de putere), izolarea circuitelor afectate de semnale RF de cele mai puţin afectate (acolo unde este posibil de realizat) prin creşterea lungimii circuitului, folosirea optocuploarelor - prin care se izolează semnalele de comandă de semnalele din alte circuite. Standardul ANSI 377 limitează emisia datorată echipamentelor cu curenţi purtători pe liniile de transmisie a energiei din echipamentele de comunicaţii mobile.

2.1.3. ZGOMOTE

Zgomotul este un termen care se referă la fenomene probabilistice, el însemnând de fapt un proces stochastic (tensiunea sau curentul reprezintă o mărime stochastică). Descrierea zgomotului se poate face cu trei funcţii stochastice principale (funcţia de timp, v(t), spectrul ei de frecvenţă, V( ω), funcţia de densitate de probabilitate a procesului) şi alte două funcţii care descriu procesele stochastice în general şi zgomotele electrice în particular (prima şi respectiv a doua funcţie caracteristică).

Sursa principală de zgomot în sistemele de putere o constituie arcul electric. El poate apare intenţionat (la furnale, lămpi cu arc, aplicaţii cu plasma) dar şi neintenţionat (la străpungerea dielectricilor, la străpungerea aerului - în cazul unui spaţiu insuficient între părţile conductoare la circuitele de IT, sau la anumite conectări greşite, etc.). Zgomotul apare de asemenea în procesele de comutaţie ale convertoarelor electronice de putere, care duc la schimbări rapide ale tensiunilor sau curenţilor. Natura zgomotului care apare este datorată atât conducţiei electrice cât şi radiaţiei electromagnetice. Zgomotul de conducţie în linia de putere datorat proceselor de comutaţie ale convertoarelor de putere este cu câteva ordine de mărime mai mare decât zgomotul radiat în spaţiul înconjurător. Dulapurile metalice utilizate pentru amplasarea convertoarelor de putere reduc şi mai mult zgomotul de radiaţie.

Exista o clasificare a tipurilor de zgomot care ţine seama de conductoarele implicate:

(a) Modul normal (sau transversal), în care sunt implicate numai conductoarele fazelor. Zgomotul normal (se mai numeşte şi diferenţial) se referă la cazul când tensiunile de linie sunt

9

Page 10: Compatibilitatea electromagnetica

contaminate de zgomot, fără însă a fi implicaţi şi conductorii de masă. El rezultă din sarcini de tip arc conectate între linii. Transmisia zgomotului normal trebuie să ţină seama de capacităţile parazite între componentele sistemului şi cuplajelor mutuale dintre circuite care pot apare. În cazul convertoarelor de putere transmisia este realizată prin linia de intrare la sistemul utilitar şi prin reţeaua pentru latura de c.c. la sarcină în convertorul de putere (fig. 5).

(b) Modul comun (sau longitudinal) se referă la cazul în care oricare conductor din cele puse la masă este implicat, ceea ce înseamnă că tensiunile de fază (sau fază - neutru) pot conţine zgomot. Zgomotul de mod comun poate apare de asemenea din arc, dar şi datorită efectului de proximitate al conductoarelor puse la masă de conductoarele ce conţin zgomot, sau din conectarea incorectă a conductoarelor de siguranţă şi de referinţă pentru masă. Transmisia zgomotului de mod comun se realizează în întregime prin capacităţi parazite şi prin câmpuri parazite electrice şi magnetice. Astfel de capacităţi parazite există între diferitele componente ale sistemului electroenergetic şi între componentele sistemului şi masa (fig.5).

Zgomotul de mod comun este greu de eliminat deoarece problemele zgomotului de mod comun sunt asociate cel mai des eu semnalele de comunicaţii şi de date, care sunt semnale de nivel foarte mic (de ordinul mW - lor cel mai des), comparativ cu semnalele din sistemele electroenergetice de putere (de ordinul kW - lor sau al MW - lor).

La instalaţiile de calculatoare şi alte tipuri de sarcini care utilizează echipamente de procesare a datelor şi semnalelor, cu nivel extrem de scăzut al semnalului, alegerea incorectă a masei de referinţă poate duce la abateri ale tensiunii, care va distorsiona şi interfera cu semnalele care folosesc masa de referinţă ca un punct de tensiune de referinţă "zero". În anumite aplicaţii de canale de

10

Fig.5. Transmisia zgomotului normal (diferenţial) şi a zgomotului de mod comun (transversal) la un echipament electronic de putere

Page 11: Compatibilitatea electromagnetica

date s-au folosit optocuploare, prin care s-a încercat o izolare a liniilor de date de circuitele de putere (fig.6).

Optocuplorul este un tranzistor sensibil la lumină ce poate fi trigerat de o fotodiodă. Izolaţia între fotodioda şi tranzistor este foarte bună şi dispozitivul se poate utiliza pentru a izola atât liniile de date cât şi circuitele de masă.Singura soluţie reală pentru diminuarea efectelor zgomotului de mod comun este evitarea folosirii masei de referinţă pentru transportul curentului electric. În S.U.A. Codul Electric Naţional conţine standarde cu privire la folosirea de conductoare pentru neutru, pentru pământare în condiţii de siguranţă şi pentru conductoarele de masă de referinţă.

O distincţie între pământ şi masă la echipamentele de curenţi tari şi la cele electronice este necesară în vederea evitării pericolelor de electrocutare şi a eliminării interferenţelor.

3. NORME ŞI STANDARDE DE COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ

Introducere în problematica prescripţiilor pentru compatibilitate electromagnetică

În trecut, organizaţii dintre cele mai diferite s-au ocupat cu

11

Fig. 6. Schema cu optocuplor prin care se izolează liniile de transmisii de date de circuitele de putere

Page 12: Compatibilitatea electromagnetica

activităţi de standardizare în domeniul CEM, ca urmare a prezenţei acestei problematici în toate domeniile electrotehnicii şi a numeroaselor sale aplicaţii în alte ramuri. Această diversitate, împreună cu complexitatea tematicii şi cu cerinţa actuală de armonizare a activităţilor de standardizare la nivel european, permite să se observe că standardizarea în domeniul compatibilităţii electromagnetice a fost abordată într-un mod foarte eterogen. Pentru a uşura tratarea acestui gen de probleme, în cele ce urmează se vor prezenta principiile şi stadiul actual al standardizării în domeniu.

Conform cu cele prezentate anterior, reprezintă criterii pentru compatibilitatea electromagnetică a unui aparat, pe de o parte, nedepăşirea unor valori limită pentru emisiile perturbatoare şi pe de altă parte, tolerarea unor valori limită pentru imisiile perturbatoare. Ambele se obţin prin practicarea coordonată a unor măsuri respectiv mijloace de antiparazitare.

Din acest punct de vedere, standardele CEM se pot clasifica în trei respectiv şase categorii : standarde pentru emisii perturbatoare, standarde de imunitate la perturbaţii, standarde pentru componente de antiparazitare.

Domeniul emisii perturbatoare formează de decenii obiectul disciplinei clasice, antiparazitarea radio, care a fost până acum reglementată, de exemplu, în Germania prin "Legea privind funcţionarea aparatelor de înaltă frecvenţă" (Hochfrequenzgerategesetz "HfrG''), lege a cărei aplicare a expirat la 31.12.1995. De la 13.11.1992 este valabilă şi noua "Lege asupra compatibilităţii electromagnetice a aparatelor ("EMVG''), care va reglementa în viitor atât emisiile cât şi imisiile perturbatoare, adică imunitatea respectiv rezistenţa la perturbaţii. În perioada de tranziţie, cele două legi de mai sus au fost valabile în paralel până la 31.12.1995. Domeniul normelor pentru componentele de antiparazitare se referă numai la relaţia internă producător/client şi de regulă nu implică intervenţia legislaţiei.

Clasificarea simplă şi clară prezentată aici nu a fost încă realizată, fie datorită faptului că în practică există valori limită diferite, specifice domeniului, produselor sau mediului, fie datorită tradiţiei existente în standardizarea CEM, prin care sunt practicate alte clasificări. Vom trata mai întâi organismele de standardizare şi bazele juridice ale standardizării în cadrul CEM.

12

Page 13: Compatibilitatea electromagnetica

Organisme de standardizare în compatibilitateaelectromagnetică

La nivel internaţional, CEI (în engleză: IEC, International Electrical Comission) coordonează standardizarea în întreaga electrotehnică şi în acest cadru şi standardizarea pentru CEM. În cadrul CEI, cu problemele CEM se ocupă în primul rând CISPR (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques). Recomandările, respectiv prescripţiile elaborate de CISPR cu participare internaţională, reprezintă baza pentru standardele naţionale ale tuturor ţărilor (inclusiv pentru România).

Odată cu apariţia Comunităţii Europene, pe lângă organismele internaţionale şi cele naţionale au apărut şi organisme regionale (europene) a căror sarcină constă în realizarea normelor europene (EN), de exemplu CENELEC (Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique, Bruxelles) şi ETSI (European Telecommunications Standards Institute), fig. 6.1.

Normele care se află în prezent în lucru vor fi publicate treptat şi conţinutul lor va fi împărţit în următoarele trei clase:

- Standarde generale, care descriu cerinţele minimale pentru emisii perturbatoare şi imunitatea la perturbaţii în legătură cu tipul de mediu, de exemplu locuinţe, industrie, construcţii speciale.

- Standarde de bază, care descriu metodele de măsurare şi de încercare pentru caracterizarea CEM, precum şi parametrii limită impuşi (important pentru producătorii de instalaţii de încercare la CEM).

- Standarde de produs, care conţin indicaţii detaliate asupra dispozitivelor de măsurare şi de încercare, asupra claselor de severitate ale încercărilor etc., pentru anumite familii de produse.

13

Page 14: Compatibilitatea electromagnetica

Fig. 6.1. Structura ierarhică a organismelor de standardizare pentru CEM.

În organismele respective, problemele specifice sunt studiate de către Comitete tehnice CT (în engleză: TC, Technical Committees) şi în cadrul acestora de aşa numitele Grupuri de lucru GL (în engleză: WG, Working Groups). DKE - Comisia Germană pentru Electrotehnica.

De la 1.01.1992 noile standarde europene sunt juridic obligatorii în măsura în care există şi sunt publicate în Monitorul oficial al UE. Normele naţionale asemănătoare care existau la 30.06.1992 rămân valabile în cadrul unei perioade de tranziţie până la 31.05.1995. Ori de câte ori este posibil vor fi luate ca bază noile norme europene. De la 1.01.1996 trebuie îndeplinite cerinţele pentru circulaţia liberă a mărfurilor în cadrul UE şi sunt valabile exclusiv noile norme europene respectiv normele naţionale armonizate cu acestea. Normele CENELEC formează de multă vreme baza pentru armonizarea normelor naţionale ale ţărilor membre ale UE.

Pentru întregirea imaginii, vom aminti şi domeniul managementului spectrului electromagnetic. Odată cu intrarea în funcţiune a primelor emiţătoare radio a apărut şi necesitatea unei convenţii internaţionale asupra utilizării coordonate a spectrului de înaltă frecvenţă. De atunci, de managementul spectrului se ocupă la nivel mondial Uniunea Internaţională de Telecomunicaţii (în engleză: ITU, în franceză: UIT).

În cadrul UIT găsim:

- IFRB (International Frequency Regulation Board) coordonează alocarea frecvenţelor de emisie (în engleză: frequency allocation) la nivel mondial în baza documentului Radio Regulations ;

- CCIR (Comite Consultatif International de Radiocommunication), care colaborează strâns cu IFRB,

14

Page 15: Compatibilitatea electromagnetica

coordonează problemele tehnice şi de funcţionare ale comunicaţiilor radio;

- CCITT (Comite Consultatif International TeIegraphique et Telephonique) coordonează problemele tehnice şi de funcţionare ale comunicaţiilor telegrafice şi telefonice.

Pe lângă organizaţiile de standardizare citate mai sus care elaborează norme CEM, fie în colaborare cu legiuitorul, fie la cererea acestuia, există şi alte instituţii naţionale sau internaţionale, adesea specifice unor domenii de activitate, ale căror norme nu sunt juridic obligatorii, dar a căror cunoaştere şi aplicare este în interesul producătorului dacă acesta vrea să aibă piaţă de desfacere pentru produsele sale. Exemple tipice sunt normele de rezistenţă la perturbaţii elaborate de NAMUR pentru industria chimică, normele ISO pentru industria de automobile, norma ASTM referitoare la celulele de măsurare pentru determinarea atenuării ecranelor realizate din materiale plastice conductoare ş.a.m.d..

În final vom aminti normele pentru echipament militar (normele VG) elaborate, de exemplu, în Germania de Oficiul Federal pentru Tehnica Militară (BWB) care tratează problemele specifice CEM la aceste echipamente. Aceste norme corespund în mare măsură cu normele americane.

4. TRANSMITEREA PERTURBAŢIILORELECTROMAGNETICE

Aşa cum s-a precizat anterior, transmiterea unei perturbaţii electromagnetice asupra receptorului de la sursa de interferenţă se face prin intermediul unui cuplaj. Căile de transmitere pot fi descrise matematic, ceea ce permite predeterminarea nivelului mărimii perturbatoare la locul de recepţie. Evident, pe baza estimărilor făcute este posibil ca efectul asupra receptorului să fie diminuat datorită unor măsuri de neutralizare - "măsuri antiperturbative'', până la realizarea CEM.

4.1. CUPLAJUL GALVANIC ŞI MĂSURI DE

NEUTRALIZAREÎntâlnim cuplajul galvanic atunci când există o impedanţă

comună între cel puţin două circuite electrice. Cuplajul galvanic poate să apară în două situaţii distincte:

- Cuplajul galvanic între circuitele funcţionale (sau de alimentare), cum este cazul consumatorilor aflaţi în derivaţie şi

15

Page 16: Compatibilitatea electromagnetica

alimentaţi de la aceeaşi reţea.- Cuplajul galvanic între circuitul de alimentare şi circuitul de

punere la pământ, datorită legării la pământ a echipamentului (cuplaj prin bucla de pământare).

4.1.1. CUPLAJ GALVANIC ÎNTRE CIRCUITE FUNCŢIONALE

Cuplajul galvanic între circuitele funcţionale apare dacă două sau mai multe circuite au o impedanţă comună, când trecerea curentului prin impedanţa comună este de natură să distorsioneze curenţii din toate circuitele cuplate galvanic. În fig. 7.1. (a) este dată schema de principiu privind cuplajul galvanic dintre circuitele 1 şi 2 prin intermediul impedanţei comune, Zc, cu notaţiile:

E1, E2 - tensiunile electromotoare ale surselor laturilor aflate în derivatie;Ze1,Ze2- impedanţele interne ale surselor laturilor aflate în derivaţie; Zr1 Zr2 - impedanţele receptoarelor (circuitelor) cuplate galvanic.În cazul funcţionării la o anumită frecvenţă se poate aplica

pentru determinarea curenţilor calculul în complex, pe baza schemei simplificate din fig. 7.1. (b), în care: Zel +Zrl =Z1 şi Ze2 +Zr2 =Z2. În această situaţie ecuaţiile de funcţionare ale circuitului sunt:

(7.1) (7.2)

Ecuatiile (6.1) şi (6.2) permit determinarea curenţilor din laturilor receptoare:

16

Fig. 7.. Cuplaj galvanic între circuite funcţionale: (a) schema completă; (b) schema simplificată

Page 17: Compatibilitatea electromagnetica

(6.4)

Dacă impedanţa de cuplaj Z c ar fi nulă, curenţii din cele două receptoare ar deveni:

Datorită cuplajului galvanic, receptoarele sunt exitate cu

tensiunile Zrl . I1, respectiv Zr2 . I1 (În absenţa cuplajului galvanic aceste tensiuni de excitaţie ar fi: Zrl . I01, respectiv Zr2 .I02)' Altfel spus, curentul fiecărui circuit provoacă pe impedanţa comună, Zc, o cădere de tensiune care reprezintă, pentru celălalt circuit, o tensiune perturbatoare de mod normal. Decuplarea celor două circuite se poate realiza dacă rămân în continuare cuplate galvanic, fără însă a mai avea o impedanţă comună de cuplaj. Ca exemple de astfel de cuplaje întâlnite în practică, pot fi considerate:

1. Reacţia asupra reţelei de alimentare creată de sursele în comutaţie şi de convertoarele statice.

2. Variaţiile de curent la comutarea circuitelor integrate numerice şi laacţionarea bobinelor contactoarelor şi releelor.

3. Curenţii din circuitele de alimentare ale motoarelor cu colector, etc.

Analiza cuplajului galvanic prin rezistenţa internă a sursei de alimentare comune, respectiv prin impedanţele liniilor de alimentare comune este prezentată în fig. 7.2 (a). Schema este valabilă pentru cuplajul galvanic al blocurilor electronice, al circuitelor integrate, etc. Modificările curentului de sarcină din unitatea funcţională 1 provoacă căderi de tensiune pe impedanţele conductoarelor de alimentare şi pe rezistenţa internă a sursei de alimentare, ceea ce se traduce prin apariţia unor fluctuaţii ale tensiunii de alimentare pen-tru celelalte unităţi funcţionale alimentate în paralel, putând avea ca efect funcţionarea necorespunzătoare a acestora. La circuitele numerice, din cauza vitezei mari de variaţie a curenţilor, căderea de tensiune inductivă depăşeşte, în majoritatea cazurilor, căderea de tensiune rezistivă.

17

c

c

ZZZIZZ

ZEEIZEI

21121

211211

Page 18: Compatibilitatea electromagnetica

Ca măsuri de neutralizare a perturbaţiilor datorate acestui tip de cuplaj galvanic se au în vedere:

- Reducerea impedanţei conductoarelor liniilor de alimentare prin reducerea lungimii lor, torsadare, circuite imprimate dublu sau multistrat, etc.

- Realizarea unor linii de alimentare separate până la sursa de alimentare pentru fiecare unitate funcţională, ceea ce face ca eventualele variaţii de tensiune să fie determinate numai de rezistenţa internă relativ mică a sursei de alimentare (fig. 7.2. (b)).

- Folosirea unor surse de alimentare separate acolo unor unităţile funcţionale au nevoie de puteri sensibil diferite (fig. 7.2. (c)).

18

Fig. 7.2. (a) cuplaj galvanic al unităţilor funcţionale prin impedanţe comune;(b), (c) măsuri de neutralizare a acestui tip de cuplaj

Page 19: Compatibilitatea electromagnetica

- Realizarea unor condensatoare de decuplare pe intrarea de alimentare, a căror dimensionare să fie făcută astfel încât în timpul fenomenelor de comutaţie rapide să fie capabile să furnizeze curenţi de valoare mare la variaţii mici de tensiune pentru o durată scurtă.

În cazul în care avem de-a face cu un circuit imprimat care este destinat funcţionări la frecvenţe mai mari (de exemplu în plaja 10 MHz-1O GHz), este necesară luarea în considerare şi a altor cuplaje între linii (în afara cuplajului galvanic). Astfel, în fig. 7.3 (a) este prezentat un segment dintr-un circuit imprimat, format din liniile 1 şi 2, izolaţia 3 şi masa 4. În această figură sursele de tensiune electromotoare şi (cu impedanţele interne şi ) alimentează, prin liniile 1 şi 2 (cu impedanţele şi ) impedanţele terminale şi

). Schema electrică echivalentă privind modul de influenţare între cele două linii este dată în fig. 7.3 (b).

În această figură se disting mai multe

cuplaje:

- cuplajul galvanic prin impedanţa , datorat închiderii circuitelor prin masa comună;

- cuplajul inductiv prin inductanţa mutuală echivalentă M între cele două linii; - cuplajul capacitiv direct prin capacitatea Cl2 între cele două linii; - cuplajul capacitiv indirect prin capacitatile Clm şi C2m faţă de masa comună a celor două linii.

Măsurile tehnice pentru reducerea interferenţei între cele două circuite se referă la:

- Creşterea distanţei, d, între cele două linii, diminuând astfel capacitatea directa C12 între linii, simultan cu diminuarea

19

Fig. 7.3. Cuplaje multiple între două linii ale unui circuit imprimat: (a) segment dintr-un circuit imprimat cu două linii de alimentare diferite; (b) schema echivalentă privind

modul de influenţare între cele două linii

Page 20: Compatibilitatea electromagnetica

impedanţei comune inductanţei mutuale M;- Scurtarea lungimii l a liniilor conductoare, diminuând astfel

capacităţile C12, Clm, C2m.- Creşterea grosimii d, ceea ce conduce la diminuarea

capacităţilor Clm, C2m.- Folosirea pe cât posibil a unui traseu de întoarcere (linie

conductoare) foarte apropiat de linia de ducere. Astfel se reduce în mare măsură cuplajul inductiv (cu efect nesemnificativ asupra celui capacitiv), în timp ce tensiunea indusă de un câmp magnetic variabil extern este minimă (în bucla formată de sursa, linie, receptor şi masă).

4.1.2. CUPLAJ GALVANIC DATORITĂ LEGĂRII LA PĂMÂNT

Cuplajul galvanic datorat legării la pământ, sau prin bucla de pământare, reprezintă cauza cea mai frecventă de apariţie a interferenţelor electromagnetice. Pentru înţelegerea modului de realizare a cuplajul galvanic datorat legării la pământ trebuie cunoscute noţiunile de "tensiune electromotoare echivalentă între două prize de pământ" şi respectiv "impedanţa de cuplaj a cablului coaxial".

Tensiunea electromotoare echivalentă între două prize de pământ P1 şi P2 situate la distanţa d una faţă de alta (fig. 7.4) se măsoară cu ajutorul unui voltmetru şi are valori cuprinse între 0,1 V şi 2,5 V. Aceste valori au un caracter aleator, depinzând de poziţia geografică a terenului şi de eventualele instalaţii industriale din zonă. Din punct de vedere al CEM se poate considera că între prizele de pământ există o tensiune electromotoare echivalentă de influenţare edp, cum se observă din fig. 7.4.

20

Fig. 7.4. Tensiunea electromotoare edp între două prize de pământ

Page 21: Compatibilitatea electromagnetica

Impedanţa de transfer a cablului coaxil are în vedere faptul că într-o serie de aplicaţii conexiunea între un senzor (de exemplu un şunt) şi aparatul de măsurat (de exemplu un osciloscop) se realizează prin intermediul unui cablu coaxial cu impedanţa caracteristică de ordinul 50...75 Q. Cablul coaxial in astfel de cazuri reprezinta solutia tehnica optima deoarece inductanţă specifică (H/m) este sensibil mai mică decât a unei linii de transmisie a semnalului cu două conductoare. Dacă prin ecranul cablului coaxial scurtcircuitat la o extremitate, de lungime l, se trece un curent armonic I(ω) se constată căa la extremitatea liberă se obţine o tensiune U(ω)-fig. 7.5.

În acest fel impedanţa de transfer sau de cuplaj a cablului coaxial este definită cu relaţia:

(7.5)

În cazul buclei de pământare închise galvanic (ceea ce înseamnă pământare la ambele capete), la frecvenţa joasă are loc o conversie mod comun/mod normal totală. Factorul de atenuare mod comun/mod normal este 0 dB şi creşte la frecvenţe mai mari datorită dependenţei de frecvenţa a impedanţei de transfer. Atenuarea nu creşte totuşi foarte mult , urmand o scădere din nou, datorită transmisiei capacitive prin ecranul cablului, iar la frecvenţe foarte mari, când linia electrică se comportă ca o linie lungă, capătă un caracter de variaţie tipic, cu rezonanţe multiple. În cazul buclei de pământare închise capacitiv (ceea ce înseamnă pământare la un capăt sau la niciunul), factorul de atenuare mod comun/mod normal este iniţial infinit, apoi scade cu 20 dB/octava şi, de la o anumită frecvenţă, se suprapune peste curba corespunzătoare pământării la ambele capete.

Ca măsuri de neutralizare a efectelor datorate realizării cuplajului galvanic prin bucla de pământare trebuie avute în vedere condiţiile de funcţionare. Astfel, la tensiune continua şi frecvenţe joase, printr-o pământare la un singur capat se poate obţine, în multe cazuri, o rejecţie satisfăcătoare a modului comun. Câteva din

21

Fig. 7.5. Definirea impedanţei de transfer la un cablu coaxial

Page 22: Compatibilitatea electromagnetica

măsurile care trebuie luate au în vedere chiar o întrerupere a buclei de pământare. Aceste alternative se iau în considerare în cazul în care nici emiţătorul nici receptorul nu pot să funcţioneze fără punere la pământ, respectiv când acestea la frecvenţe înalte sunt permanent puse la pământ prin capacităţi parazite mari faţă de pământ, fără a fi afectate de lipsa unei legături de punere la pământ galvanice.

Decuplarea galvanică cu ajutorul unui transformator de separare constituie o soluţie aplicabilă în cazul legării la pământ a sistemului în două puncte diferite. Transformatorul de separare pentru semnalul util reprezintă un mijloc verificat de întrerupere a buclelor de pământare în cazul semnalelor utile de joasa şi medie frecvenţă - fig. 7.6.

Deoarece transformatorul de separare se găseşte pe calea de semnal trebuie ca raportul său de transformare să fie constant pentru toată lăţimea de bandă a semnalului. De multe ori sunt folosite transformare de separare şi pe partea de alimentare de la reţea, când aceasta ultimă condiţie nu este necesară, o soluţie mai bună este prezentată în fig. 7.6 (c), în care transformatorul de separare este prevăzut cu un ecran între înfăşurările transformatorului, astfel că un curent determinat de tensiunea electromotoare Ed se închide prin capacitatea parazită Cpl.

Transformatorul de separare are totuşi o frecvenţă limită inferioară şi nu transferă o eventuală componentă de c.c. a semnalului util. Pentru a realiza şi un astfel de transfer, se utilizează un transformator de neutralizare, constituit din două înfăşurări bobinate pe un miez de ferită - fig. 7.7. Cele două înfăşurări au acelaşi sens de bobinaj, astfel încât solenaţiile produse de semnalul util se compensează reciproc în cazul în care semnalul este

22

Fig. 7.6. Cu privire la transformatoml de separare pentm semnalul util:( a) fără transformator; (b) cu transformator; (c) transformator cu ecran

Page 23: Compatibilitatea electromagnetica

contratact. Pentru un semnal în acelaşi tact (care poate proveni fie din cauza t.e.m. Ed, fie din cauza unui cuplaj inductiv într-o buclă în care o latură a buclei este formată de pământ) cele doua bobine funcţionează ca reactanţe sumatoare. Peste 1 MHz sunt foarte bune în calitate de transformatoare de neutralizare inele de ferită, prin care sunt introduse ambele conductoare ale unui circuit de semnal, respectiv miezuri de ferită pe care se bobinează ambele conductoare ale unui circuit de semnal - fig. 7.8.

Transformatorul de alimentare (sau transformatorul de reţea) dintr-un aparat electronic oferă o separare galvanică între înfăşurările primară şi secundară. Totuşi capacitatea parazită între cele două înfăşurări facilitează interferenţa asupra circuitelor electronice cu semnalele parazite ce sunt transmise din reţeaua de alimentare cu energie electrică. În plus, trebuie ţinut cont de faptul că transformatorul de putere din postul de transformare are neutrul conectat la priza de pământ a postului de transformare, iar miezul transformatorului de reţea din aparatul electronic se conectează, din motive de protecţie împotriva electrocutării, la priza de pământ a clădirii în care se află instalat aparatul electronic. Pentru eliminarea sau diminuarea interferenţei ce provine din reţeaua de alimentare, transformatorul de reţea este prevăzut cu trei ecrane - fig. 7.9. Neutrul transformatorului T1 din postul de transformare este conectat la priza

23

Fig. 7.7. Transformator de neutralizare Fig. 7.8. Inele de ferită folosite pentru mărirea impedanţei buclei de pământare

Fig. 7.9. Ecranele transformatorului de retea (T2) într-un aparat electronic şi poziţia lui faţăde transformatorul de putere (T 1) din postul de transformare

Page 24: Compatibilitatea electromagnetica

e pământ Pl. Miezul transformatorului de reţea T2 împreună cu ecranul Ec1 sunt conectate la priza de pământ P2. Înfăşurarea primară este ecranată de ecranul EC2 la care este conectată o extremitate a înfăşurării primare, care este în acest fel polarizată (în sensul că extremitatea conectată la ecranul Ec2 va fi alimentată din conductorul neutru N). Înfăşurarea secundară a transformatorului T2 este ecranată de ecranul Ec3, la care este conectată o extremitate a înfăşurării secundare. Dacă înfăşurarea secundară are punct median accesibil (cerut de schema de redresare), acest punct median se conectează şi el tot la ecranul EC3.

Prin dezvoltarea microelectronicii, optocuploarele şi fibrele optice au câştigat o largă utilizare. Optocuploarele şi cablurile optice asigură transmiterea ireproroşabilă a semnalelor numerice, iar pentru semnalele analogice asigură o precizie satisfăcătoare (în majoritatea cazurilor). Modul de funcţionare al lor este redat în fig. 7.10. Ca o exemplificare, intrările şi ieşirile automatelor progra-mabile şi sistemelor de automatizare sunt de regulă blocate pentru tensiunile de mod comun prin optocuploare.

O diodă luminiscentă sau o diodă laser transforma semnalul electric în semnal luminos care, după transmitere printr-un mediu electroizolant transparent optic, este transformat din nou în semnal electric printr-o fotodiodă sau un fototranzistor. Nivelele de izolaţie obişnuite ale optocuploarelor sunt situate în plaja 500 V-I0 kV. Cu astfel de cabluri din fibre optice se pot asigura orice diferenţe de potenţial până în domeniul megavolţilor. Datorită rejecţiei ridicate a modului comun, cablurile optice se folosesc ca linii de transmitere de date rezistente la perturbaţii, cum este cazul reţelelor de comunicaţie cu fibre optice ale calculatoarelor folosite în sistemele electroenergetice, complexele industriale, ş.a.

24

Fig. 7.10. (a) Optocuplorul-schema electrică; (b) Schemă de utilizare pentru frecvenţe până la 100 kHz; (c) Principiul transmisiei optoelectronice

Page 25: Compatibilitatea electromagnetica

4.2. CUPLAJUL INDUCTIV

Cuplajul inductiv, rezultat în urma existenţei unui cuplaj magnetic de natura unuia transformatoric, apare între două sau mai multe bucle conductoare parcurse de curenţi electrici de conducţie. Fluxurile magnetice produse de curenţii electrici intersectează inevitabil şi alte bucle conductoare în care induc tensiuni perturbatoare. În fig. 7.11 circuitele 1 şi 2 sunt cuplate inductiv, ceea ce înseamnă că o parte a fluxului magnetic datorată trecerii curentului electric prin unul din cele două circuite strabate bucla formată de celalalt circuit. Dacă notăm:

Es1, Es2 - tensiunile electromotoare ale surselor;ZSl, Zs2 - impedanţele interne ale surselor;Zrl, Zr2 - impedanţele receptoarelor din cele două circuite cuplate inductiv;Z1,Z2 - impedanţele liniilor de legatură

şi apelăm la calculul în complex (la o anumită frecvenţă), ecuaţiile de funcţionare ale celor doua circuite cuplate inductiv devin:

` (7.6)

(7.7)

Curenţii interferaţi (sau influenţaţi) din cele două circuite sunt:

)( 222222

12122

rsrs LLLjRRR

IMjEI

(6.9)

)( 111111

101

rsrs LLLjRRR

EI

25

Page 26: Compatibilitatea electromagnetica

În absenţa cuplajului inductiv curenţii nu vor mai conţine

componenta de interferenţă, având valorile:

(7.11) )( 222222

202

rsrs LLLjRRR

EI

În concluzie, în cele două circuite apar tensiunile electromotoare de interferenţă (-jω M12I2) respectiv (-jω M21I1). Dacă numai circuitul 1 perturbă circuitul 2 (ceea ce înseamnă că prin circuitul 1 curentul este de câteva ori mai mare decat în circuitul 2),

4.3. CUPLAJUL CAPACITIV

Cuplajul electric sau capacitiv apare între conductoare ce se găsesc la potenţiale diferite, astfel încât urmare a diferenţei de potenţial dintre conductoare, se produce între acestea un câmp electric, ce se poate modela într-o schemă electrică echivalentă printr-o capacitate parazită. În ipoteza unui regim cvasistaţionar şi a unui sistem nesimetric se obţine schema echivalenta din fig. 7.12(a), în care linia 1 este supusă tensiunii U1 faţă de pământ iar linia 2 primeşte tensiunea U2 datorată capacităţilor parazite C1 şi C2 ca şi rezistenţei de perditanţă R2 (R2 şi C2 simulează practic parametrii sistemului perturbat, iar C1 este capacitatea parazită dintre cele două linii, sursa de tensiune utilă nefiind reprezentată în schemă). În fig. 7. 12(b) este dată schema echivalentă corespunzătoare, în care prin efectuarea calculului în complex la o anumita pulsaţie ω, şi cu notaţiile:

26

7.11. Realizarea cuplajului inductiv

Fig. 7.12. Cuplajul capacitiv: (a) Schema reală; (b) Schema electrică echivalentă

Page 27: Compatibilitatea electromagnetica

(a) (b)

(7.12)(c)

şi în ipoteza că numai linia 1 perturbă linia 2, se obţine raportul celor două tensiuni (U1 / U2) egal cu raportul impedanţelor corespunzătoare:

(7.13)De aici se poate deduce tensiunea de interferenţă (sau

perturbatoare) a conductorului 2, datorată cuplajului capacitiv, la pulsaţia ω:

(7.14)

care este de câteva ori mai mică decât tensiunea din linia 1 ( ) . Se observă din această relaţie ca u2(t) este proporţională, pe lângă frecvenţa (sau viteza de variaţie în timp a tensiunii), cu capacitatea de cuplaj C1 precum şi cu rezistenţa internă totală a liniei 2, R2. Se pot considera câteva cazuri limită, plecând de la relaţia de determinare a lui :

(a) Rezistenţa corespunzatoare perditanţei R2 este foarte mare, adică R2 , în acest caz rezultând relaţia pentru divizorul de tensiune capacitiv:

(7.15)

(b) Capacitatea C2 este foarte mică în acest caz tensiunea celui de-al doilea conductor fiind:

27

Page 28: Compatibilitatea electromagnetica

(7.16)

adică o re1aţie întâlnită la un divizor de tensiune la care braţul de înaltă tensiune este constituit de o capacitate, iar cel de joasă tensiune de o rezistenţă. Totodată se pot stabili şi măsurile de

neutralizare a interferenţei datorate cuplajului capacitiv:- Micşorarea lui C1 (de exemplu prin cai paralele cat mai scurte

între conductoarele aparţinând celor două linii, mărirea distanţei dintre conductoare, ecranarea celei de-a doua linii, etc.).

- Micşorarea lui R2, prin utilizarea unor circuite cu rezistenţa mică de intrare.

Efectul ecranării unui cablu este prezentat în fig. 7. 13.Liniile de câmp ce pornesc de la linia 1 se termină toate pe

ecranul pus la pământ, curenţii prin capacitatea CI/II circulă direct la pământ şi nu provoacă căderi de tensiune perturbatoare pe RII şi CII. Efectul de ecran ideal presupune:

- ecranul este perfect conductor şi lipsit de inductivitate, adică potenţialul capătului nepus la pământ al ecranului nu creşte datorită curenţilor prin ecran (acum capacitivi), care sunt injectaţi în linia a doua, datorită unei capacităţi parazite ce apare în această situaţie; - ecranul are o impedanţă de transfer neglijabilă; - ecranul are o transmisie capacitivă neglijabilă.

În anumite cazuri dificile se foloseşte ca ecran un tub metalic, iar în altele chiar cablul ecranat se introduce într-un tub metalic.

În funcţie de structura constructivă a instalaţiei se recomandă urmatoarele soluţii tehnice pentru reducerea cuplajului capacitiv:

În instalaţiile din tehnica măsurării şi din informatică conductorul 2 se introduce într-un ecran (ţeava metalică) conectat direct la pământ. Dispare în acest fel condensatorul C2.

În tehnica curenţilor intenşi interferenţa datorată capacităţilor parazite este neutralizată prin formarea unui divizor de tensiune capacitiv cu capacităţi mult superioare celor parazite (cu circa doua ordine de mărime). În aceste cazuri măsurile antiperturbative trebuie sa fie luate numai asupra sistemului perturbat.

28

Fig. 7.13. Diminuarea cuplajului capacitiv prin ecranare

Page 29: Compatibilitatea electromagnetica

Cuplajul capacitiv cvasistaţionar joacă, de regulă, un anumit rol numai la receptoarele cu rezistenţă de intrare mare (cum sunt osciloscoapele şi înregistratoarele de regimuri tranzitorii, amplificatoarele de microfon, etc.). În majoritatea cazurilor rezistenţa totală R2 devine foarte mică datorită legării în paralel a receptorului, astfel încât interferenţa electromagnetică apare numai atunci când receptorul lipseşte.

4.4. CUPLAJUL PRIN RADIAŢIE

ELECTROMAGNETICĂ

În cazul cuplajelor inductiv şi capacitiv s-a considerat câmpul magnetic ca fiind separat de cel electric, ceea ce a permis o tratare separata a celor doua cuplaje. În cazul radiaţiei electromagnetice este însă imperios necesară considerarea interdependenţei dintre cele două câmpuri, prin relaţii de legătură stabilite cu ajutorul ecuaţiilor lui Maxwell:

;

(7.17

(7.18)

În aceste situaţii discutăm de propagarea unei unde electromagnetice, în care intensităţile de câmp electric şi magnetic

şi pot fi indicate individual, fără a mai fi însă independente una de alta.

O undă electromagnetică incidenţă ( ) care cade pe un sistem de conductoare provoacă în acestea tensiuni şi curenţi, care la rândul lor, reprezintă sursa unei unde electromagnetice reflectate ( ). Cele două unde se suprapun în spaţiu formând un câmp rezultant, ale cărui intensităţi se obţin în urma rezolvării ecuaţiilor lui Maxwell pentru condiţii de frontieră date. Se pot obţine destul de uşor ecuaţiile liniilor electrice lungi punând în evidenţă tensiunile şi curenţii cuplaţi cu unda incidenţă. Spre exemplu, în cazul unei linii fără pierderi, formată din două conductoare paralele, pentru elementul de linie de lungime ∆x din fig. 7.14 L' reprezintă

29

Page 30: Compatibilitatea electromagnetica

inductanţa pe unitatea de lungime a buclei formate de conductoarele de ducere şi de întoarcere, iar C' reprezintă capacitatea pe unitatea de lungime dintre aceste conductoare. În astfel de cazuri elementul de linie ∆x se poate considera scurt din punct de vedere electric, astfel încât mărimile variabile în timp u(t) şi i(t) să fie determinate numai de parametrii concentraţi ai schemei echivalente a porţiunii de linie considerate.

Acest lucru permite tratarea propagării undelor de-a lungul liniei în regim cvasistaţionar, cu ajutorul teoremelor lui Kirchhoff.

Aplicarea celei de-a doua teoreme a lui Kirchhoff pe conturul care delimitează suprafaţa A conduce în final la ecuaţia:

(7.19)

iar prin aplicarea primei teoreme a lui Kirchhoff în nodul P, ţinând seama de curentul de deplasare provocat de componenta electrică a undei electromagnetice, rezultă în final ecuaţia:

(7.20)

Practic în membrul stâng al ecuaţiilor (7.19) şi (6.70) apar derivatele de ordin I ale tensiunilor şi curenţilor pe liniile electrice lungi în funcţie de loc şi de timp, iar în membrul drept regăsim funcţiile perturbatoare (sau de excitaţie). Într-o schemă echivalentă cuplajul prin radiaţie electromagnetică se poate reprezenta prin surse de tensiune şi de curent distribuite - fig. 7.15, pentru care

30

Fig. 7.14. Porţiune de lungime ∆x a unei linii lungi fără pierderi, cu conductoare paralele

Page 31: Compatibilitatea electromagnetica

tensiunea şi curentul surselor corespund funcţiilor de excitaţie din membrul drept al ecuaţiilor (7.19) şi (7.20). Modelarea acestui tip de cuplaj cu ajutorul inductanţelor şi capacităţilor corespunzătoare unităţii de lungime a liniei (L' şi C') corespunde numai acelor funcţii de excitaţie la care timpul de creştere este mare în comparaţie cu timpul de propagare între conductoare, perpendicular pe direcţia de propagare (modul TEM). La liniile obişnuite de semnal şi măsura

această condiţie este aproape întotdeauna îndeplinită la cuplajul prin radiaţie. În schimb, cuplajul prin radiaţie al impulsurilor electromagnetice nucleare (NEMP) cu liniile de transmisie a energiei electrice nu îndeplineşte condiţia anterioară şi de aceea trebuie tratat cu ajutorul teoriei câmpului electromagnetic.

31

Fig. 7.15. Modelarea cuplajului prin radiaţie cu ajutorul unor surse de curent şi de tensiune distribuite

Page 32: Compatibilitatea electromagnetica

Bibliografie :

- Compatibilitatea electromagnetică, Alimpie Ignea, Editura de Vest- http://www.ecosys.pub.ro/- Universitatea Politehnica Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cursuri

32

Page 33: Compatibilitatea electromagnetica

CUPRINS

1. Introducere în compatibilitatea electromagnetică .........................................pag. 2

2. Perturbaţii şi interferenţe electromagnetice ………………………………..pag. 5 2.1. Surse de semnal de frecvenţe ridicate ……………………….....… pag. 6.3. Norme şi standarde de compatibilitate electromagnetică .............................pag. 10

4. Transmiterea perturbaţiilor electromagnetice ..................................................pag. 13

4.1. Cuplajul galvanic şi măsuri de neutralizare ……….......……..pag. 13

4.2. Cuplajul inductiv …………………………………….....…..pag. 21

4.3. Cuplajul capacitiv ………………………………….....…….pag. 22

4.4. Cuplajul prin radiaţie

electromagnetică ...................................pag. 24

33