Uzemnění a EMC - European Copper Institute

Kvalita elektrické energie - Průvodce
Uzemnění a EMC
Základy elektromagnetické
kompatibility (EMC)
6.1.2
Uzemnění a EMC
Uzemnění a EMC
Část 6.1.2 Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
Autor: Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth, Hochschule für Technik und Wirtschaft
May 2006
Autoři překladu: Josef Gavlas, Pavel Santarius, Petr Krejčí
FEI Technická univerzita Ostrava, Listopad 2006
Tento Průvodce byl vytvořen v rámci programu Leonardo Power Quality
Initiative (LPQI), což je evropský vzdělávací program podporovaný Evropskou
komisí(v rámci programu Leonardo da Vinci) a Mezinárodní asociací mědi
(International
Copper Assotiation).
Více
informací naleznete na
www.lpqi.org.
Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC)
HCPC je nezisková organizace financovaná producenty mědi a výrobci zpracovávajícími měď. Jejím cílem je
podporovat používání mědi a měděných slitin a napomáhat jejich správné a účinné aplikaci. Služby HCPC, mezi
něž patří i poskytování informací a technického poradenství, jsou dostupné zájemcům o využití mědi ve všech
oborech. Sdružení rovněž slouží jako prostředník mezi výzkumnými organizacemi a průmyslovými uživateli a
udržuje těsné styky s obdobnými středisky mědi ve světě.
Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava (FEI - TUO)
Fakulta elektrotechniky a informatiky zahájila svou činnost na VŠB Technické univerzitě v Ostravě od 1. ledna
1991. Fakulta zajišťuje všechny formy vysokoškolského studia (tj. bakalářské, magisterské a doktorské) ve
studijním programu Elektrotechnika a informatika s ucelenou strukturou elektrotechnických oborů a inženýrské
informatiky. Nedílnou součástí činností pedagogů na fakultě je i vědecko-výzkumná činnost, kde jedním z nosných
programů je kvalita elektrické energie s hlavním zaměřením na problematiku monitorování parametrů kvality a na
problematiku harmonických v elektrických sítích.
European Copper Institute (ECI)
European Copper Institute je „joint Venture“ společnost mezi ICA (International Copper Association) a evropským
zpracovatelským průmyslem. ECI zastupuje největší světové producenty mědi a přední evropské výrobce při
propagaci mědi v Evropě. ECI, který byl založen v roce 1996, se opírá o síť deseti národních organizací mědi
(Copper Development Associations - 'CDAs') v Beneluxu, Francii, Německu, Řecku, Maďarsku, Itálii, Polsku,
Skandinávii, Španělsku a Spojeném království.
Upozornění
Obsah tohoto materiálu nemusí nutně vyjadřovat názor Evropského společenství a není pro něj ani závazný.
European Copper Institute a Hungarian Copper Promotion Centre odmítají odpovědnost za jakékoliv přímé,
nepřímé či vedlejší škody, které mohou být způsobeny nesprávným využitím informací v této publikaci.
Copyright© European Copper Institute a Copper Development Association.
Česká verze byla připravena ve spolupráci HCPC a Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB – Technické
Univerzity Ostrava. Reprodukce je možná za předpokladu, že materiál bude otištěn v nezkrácené podobě a s
uvedením zdroje.
Uzemnění a EMC
___________________________________________________________________________________
Uzemnění a EMC
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
Úvod
V minulosti tvořily většinu zařízení používaných v elektroinstalacích běžných budov lineární zátěže
(jako například AC/DC motory, odporové zátěže, žárovky, atd.), které nevytvářely nebo vytvářely jen
velmi málo rušení mezi různými částmi zařízení. Nyní je mnoho z používaných zátěží nelineárních
(měničem napájené střídavé motory, výbojky, energeticky úsporná svítidla atd.). Tyto zátěže vytvářejí
úzké pásmo šumu (následkem spínacích prvků s pevnou frekvencí nad 9 kHz), který se může šířit po
celé síti. Typický příkladem jsou spínané energetické zdroje, které vytvářejí tento typ rušivého signálu
(v rozsahu 10 kHz až 100 kHz). Současně můžeme sledovat nárůst v používání digitálních systémů,
jako například IT zařízení jakožto technický nástroj řízení a pro průmyslové automatické systémy, multimediální aplikace a obchodní využití.
Na jedné straně jsou stále výkonnější energetické napájecí systémy, které mohou vést k elektromagnetické interferenci (EMI), na druhé straně se rozšiřují digitální sítě, které se stávají citlivějšími, protože
zajišťují přenos vyššího objemu dat a stále více jsou využívány pro práce týkající se bezpečnosti. Tento
rozvoj požadavků vyšší kvality elektroinstalací ve všech elektromagneticky nekompatibilních budovách vede také k vyšším nákladům nebo k nepřijatelnému poklesu ukazatelů bezpečnosti.
Základem je, že všechny elektricky vodivé části budov a jejich vybavení se podílejí na elektromagnetické interferenci buď jako zdroje rušení (EMI transmitter) nebo jako přijímače rušení (EMI receiver).
Kromě instalovaných elektrických vodičů, jsou zde ještě kovová potrubí, armaturové tyče v betonu,
kovové fasády a stavební ocelové objekty, které rovněž mohou ovlivňovat EMC příslušné instalace a
přenášet EMI. To se často projevuje, když některá instalace může být zdrojem i přijímačem rušení
současně. Typickými systémy jsou:
♦ energetická napájecí vedení
♦ měřící a řídící zařízení
♦ výstražná zařízení
♦ počítačové instalace včetně sítí
Zastaralé instalace, společně se soustavou TN-C, umožňují šířit rušivý signál kolem celé budovy a dokonce zasáhnout zařízení sousedních budov.
Vzrůstající význam EMC vyvolala Evropská unie, kde v souladu s EMC směrnicí EU 89/336/EEC
(doplněnou směrnicemi 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC a 93/97/EEC) musí také každá elektroinstalace budov respektovat mezinárodní normy pro citlivost a emise EMC. Osobou nebo osobami zodpovědnými za návrh, technickou úpravu a konstrukci (sestavení a montáž) se ve smyslu směrnice stává
„výrobce“ a přebírá plnou zodpovědnost za provedení instalací dle všech příslušných směrnic od uvedení do provozu.
Pro realizace spolehlivé a cenově dostupné elektroinstalace vyhovující EMC je zcela nezbytné provést
analýzu EMC a vytvořit EMC plán již v počáteční fázi projektu. Elektroinstalace by měly být dozorovány a realizovány osobami školenými na EMC. Cílem této části je podat přehled a základní principy
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
zlepšování rušivých jevů. Výsledkem by měla být snadno pochopitelná měření nutná pro vytvoření
instalací, které vyhovují EMC.
Pole jako základní zdroj elektromagnetické interference
Elektromagnetická kompatibilita (EMC) popisuje schopnost každého elektrického nebo elektronického
systému, stroje, přístroje, atd. pracovat bez poruchy v rušivém elektromagnetickém prostředí, pokud
sám neruší činnost ostatních prvků systému.
Základními zdroji každé elektromagnetické interference (EMI) jsou pole a proudy na základní frekvenci. Při nízkých frekvencích se elektrická a magnetická pole chovají nezávisle, při vysokých frekvencích
má význam pouze šíření elektromagnetického pole.
Všechna pole nízkých, středních i vysokých frekvencí jsou generovány elektrickými náboji a proudy.
Při nízkých frekvencích mají elektrická i magnetická pole relativně malý dosah, klesající intenzitu
s rostoucí vzdáleností od zdroje, a jsou tedy soustředěny v okolí vodičů, které mohou přenášet proudy a
napětí.
Protože je elektrické pole úměrné napětí elektroinstalací, způsobí jev EMI na velké vzdálenosti pouze
dostatečná intenzita v okolí vysokonapěťových zařízení. Ve většině instalací však elektrické pole nehraje podstatnou roli. Na krátkých vzdálenostech jako je tomu v případě kabelů, které vedou společně
v kabelových kanálech, může být elektrické pole považováno za možný zdroj EMI.
Magnetické pole je úměrné velikosti elektrického proudu. V mnoha energetických systémech mohou
proudy dosahovat značně vysokých hodnot, tedy i vyvolat silné magnetické pole, a je tedy velké nebezpečí účinků EMI. Toto je především pravděpodobné v instalacích typu TN-C. V důsledku sloučení
nulového vodiče (N) a ochranného vodiče (PE) do vodiče PEN a následného připojení ostatních vodivých částí budovy mohou proudy zasáhnout značnou oblast budovy a výsledná magnetická pole mohou
způsobit EMI téměř všude. Protože část nulového zpětného proudu protéká ve vnějších kovových částech, celkový proud v sítí TN-C samotné je nesymetrický a magnetické pole sítě TN-C je zvyšováno
úměrně velikosti jeho amplitudy.
Obrazovky počítačových monitorů jsou snadno rušeny (blikání na obrazovce) pomocí magnetického
pole řádově 1,5 μT. Takové pole může být generováno jednoduchým vodičem, kterým se přenáší proud
10 A, 50 Hz ve vzdálenosti 1,3 m. Větší monitory (> 17 palců) jsou dokonce mnohem citlivější na
vnější magnetická pole. Jestliže proudy silových vedení obsahují složky vyšších frekvencí, potom mohou mít magnetická pole i větší průvodní jevy.
Při vyšších frekvencích se elektrická a magnetická pole spojují do formy elektromagnetického pole,
které se šíří prostorem rychlostí světla. V důsledku toho je možné rušení na mnohem větší vzdálenosti.
Typickými zdroji novodobých elektromagnetických polí jsou radary, rádiové a televizní vysílače, mobilní telefony, bezdrátové telefony, bezdrátové sítě (WLAN), Bluetooth© spojení a průmyslové instalace v pásmu mikrovlnných frekvencí. Silové kabely mohou působit jako antény a šířit libovolné vysokofrekvenční signály, které jsou záměrně (např. komunikace po silnoproudých vedeních) nebo nezáměrně (např. rychlé přechodné děje) přítomny v síti. Pro zvyšování odolnosti elektrických instalací
proti elektromagnetickým polím by měl být proveden pečlivý návrh a instalace stínících opatření.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Typy elektromagnetických vazeb
Základní vazební model EMI
K popisu mechanismu elektromagnetické interference je nejlepší začít s velmi jednoduchým modelem.
Je sestaven ze zdroje, který způsobuje interferenci, vazebního mechanismu nebo vazebního prostředku
a rušeného zařízení.
Obrázek 1 – Základní vazební model EMI
Příkladem zdrojů mohou být, jak bylo uvedeno dříve, vedení elektroenergetických systémů, antény
bezdrátových LAN systémů, apod. Vazba je vytvořena prostřednictvím proudu, jestliže vodiče různých
obvodů sdílí společně elektrická, magnetická nebo elektromagnetická pole. Rušený přijímač může být
jakýkoliv druh přístroje nebo části elektroinstalace. Samozřejmě úplná elektromagnetická interakce
celé instalace budovy nebo zařízení je celkový souhrn těchto elementárních interakcí. Navíc kterýkoliv
přijímač může také působit jako zdroj EMI a naopak.
V průběhu fáze projektování nových nebo renovovaných instalací by měla být vytvořena matice všech
možných zdrojů, vazebních cest a možných rušených objektů. Pomocí této matice musí být stanovena
případná intenzita vzájemné interference pro posouzení, která EMI rušení se mohou vyskytnout, a která
jsou asi důležitá. Pouze na základě EMI matice interakcí mohou být naplánovány již od počátku
ochranné prostředky, zajišťující rychlé a cenově efektivní uvedení zařízení do provozu.
Můžeme rozlišit čtyři různé základní typy EMI:
♦ impedanční vazba
♦ induktivní vazba
♦ kapacitní vazba
♦ vazba elektromagnetickým polem
Základní fyzikální vlastnosti různých vazeb EMI jsou shrnuty v následující tabulce:
Zdroj
Elektrické pole
Magnetické pole
Elektromagnetické
pole
Frekvenční
oblast
Nízká
frekvence
Nízká
frekvence
Vysoká
frekvence
Vazba
Dosah
Přijímač
Kapacitní
Krátký
Induktivní
Krátký
Elmag.
polem
Dlouhý
NN a VN
kabely
NN a VN
kabely
NN a VN
kabely
Hlavní rušivé jevy v budovách jsou způsobeny induktivní vazbou, následuje kapacitní a impedanční
vazba. Vazba elektromagnetickým polem obvykle nebyla až dosud dominantní, protože intenzity polí
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
jsou obvykle zcela pod vyžadovanými limitními hodnotami citlivostních testů směrnice EU pro EMC.
Vzrůstající používání bezdrátových aplikací však může v budoucnosti vést ke zvýšení jevů EMI
z těchto zařízení.
Impedanční vazba
Galvanická vazba se vyskytuje, když různé obvody používají společné vodiče a/nebo vazební impedance. Toto se může stát například, když různé obvody využívají pro svůj obvod tentýž napěťový
zdroj. Základní princip impedanční vazby můžeme vidět na Obrázku 2.
Obrázek 2 – Impedanční vazba
Obvod I může představovat část energetické sítě a obvod II část datové přenosové sítě. Napětí, které je
superponováno na signál u2 následkem společné vazební impedance ZC = RC + jωLC je pro malé ZC
<< Zi + ZL roven:
uC = Z C ⋅ i1 ≈
u1
⋅ ZC
Zi + Z L
(1)
Jestliže proud i1 a/nebo vazební impedance ZC jsou dostatečně velké, potom superponované napětí uk
může být dostatečně velké ve srovnání se signálem u2 pro rušení datového obvodu.
Impedance společného vedení se skládá z odporových a induktivních prvků, ZC (ω) = RC + jωLC. Pokud odporová část vazby zůstává pro všechny frekvence konstantní (zanedbáme-li skinefekt), vzrůstá
při vysokých frekvencích podíl induktivní části, jak je vidět na následujícím modelu.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 3 – impedanční vazba, jednoduchý model
Rušivé napětí udist , které se objeví na ZC je superponováno na signál bloku 2 a závisí na proudu i(t) a
také na jeho časové změně di(t)/dt. Na zjednodušeném modelu může být rušivé napětí stanoveno:
u dist = u R ,dist + u L ,dist = RC ⋅ i (t ) + LC ⋅
di (t )
dt
(2)
Jestliže provedeme dosazení reálných parametrů pro náš model (délka vedení l=2m, vlastní indukčnost
LC=1μH/m, odpor RC=1Ω, proud i=1A a rychlost změny proudu di/dt=1A/100ns), získáme následující
příspěvky pro galvanickou vazbu:
u R ,dist = RC ⋅ i (t ) = 1V
u L ,dist = LC ⋅
di (t )
= 20V
dt
(3)
u dist = 21V
Při vysokých frekvencích hraje vlastní indukčnost dominantní roli. Toto platí dokonce i v případě, když
vezme do úvahy nárůst zdánlivého odporu vedení vlivem skinefektu, který není zanedbatelný, rychlé
přechodné děje a digitální signály.
Podle Kirchhoffových zákonů se může rušivý signál šířit instalací celého objektu a dokonce může
ovlivňovat i instalace sousedních objektů. Pro minimalizaci galvanické vazby je nezbytné vyvarovat se
spojením mezi nezávislými systémy a v případech, kde je spojení nutné, udržet jejich vlastní indukčnosti co nejnižší. Obvykle může být přerušení galvanické vazby elektroenergetických obvodů dosaženo
mnohem snadněji, když je místo systému TN-C používán systém TN-S.
Induktivní vazba
Časově proměnný externí proud i1(t) vytváří magnetické pole B(t), které indukuje rušivé napětí udist(t)
v sousedícím obvodu. V odpovídajícím modelu obvodu toto může být popsáno pomocí vazby obou
obvodů prostřednictvím vazební indukčnosti M. Napětí udist(t) vyvolává soufázový proud i2(t), který
sám vyvolává magnetické pole oslabující externí pole. Proud i2(t) je superponován na proudy rušeného
systému a může vést k poruše systému. Vazba magnetických polí rozdílných systémů může být modelována pomocí náhradních obvodových modelů prostřednictvím vzájemných indukčností spřažených
obvodů (Obrázek 4).
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 4 – Induktivní vazba a) model pole b) ekvivalentní obvod
Intenzita vazby závisí především na třech parametrech:
♦ intenzitě rušivého proudu
♦ vzdálenosti zdroje a přijímače
♦ frekvenci rušivého pole
Rušivý signál se stává velký a významný když:
♦ proudy externích obvodů jsou velké
♦ proudy přívodního a zpětného vedení jsou nesymetrické (jako v síti TN-C)
♦ obvody jsou vzájemně vázány a pokrývají velkou oblast
♦ signály externích obvodů se rychle mění v čase a tedy obsahují vysokofrekvenční složku
Induktivní vazba může také být využita k omezení rušení. Jestliže je instalace kabelových lávek a koaxiálních kabelů správně zakončena (tj. jsou spolehlivě spojeny nakrátko přes nízkou impedanci i při
vysokých frekvencích) vytváří stínění kabelů (prostřednictvím induktivní vazby) proti externím magnetickým polím, především vyšších frekvencí.
Geometrická závislost induktivní vazby
Citlivost induktivní vazby na typ elektrické sítě a geometrii instalace může být znázorněna na následujícím příkladu. Závěry jsou důležité pro elektromagnetickou kompatibilitu instalací.
Budeme uvažovat dva obvody, jednoduché vedení a smyčkové vedení, a stanovíme vliv obou systémů
na obvod, tvořený obdélníkovou smyčkou ve vzdálenosti r.
Magnetické pole pro každé uspořádání může být přesně vypočteno:
B1 ( r ) =
μ 0. i(t )
μ
2 a ⋅ i (t )
⎡ Vs ⎤
, B2 (r ) = 0. ⋅
, kde μ 0 = 4π ⋅ 10 −7 ⎢
⋅
⎥
2π r
2π ( r − a ) ⋅ ( r + a )
⎣ Am ⎦
(4)
Magnetické pole je úměrné proudu i(t). Pokud pole jednoduchého vedení klesá pouze nepřímo úměrně
vzdálenosti, potom při velkých vzdálenostech pole smyčkového vedení klesá nepřímo úměrně čtverci
vzdálenosti. Tato závislost na vzdálenosti vede k dramatickým rozdílům induktivní vazby pro jednotli-
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
vé modely sítí. Průběh magnetického pole pro induktivní vazbu na jednotku délky je ukázán na následujícím obrázku. Proud i(t) je zvolen 1A a vzdálenost a=1,5mm.
Obrázek 5 – a) jednoduché a smyčkové vedení jako zdroj magnetického pole
b) elektrický obvod jako přijímač
Obrázek 6 – a) magnetické pole jednouchého vodiče a smyčkového vedení
b) vazební indukčnost na jednotku délky smyčky vůči jednoduchému vodiči a smyčkovému vedení
Magnetické pole symetrického smyčkového vedení je velikostí o dva řády nižší a klesá rychleji než u
jednoduché vedení. Totéž platí pro vazební indukčnost. Závislost vazební indukčnosti na ploše smyčky
je zcela podobná dle Obrázku 6b). Tento příklad vytváří nejzákladnější znalosti jakožto „základní pravidla“ pro elektrické instalace vyhovující EMC:
♦ vytvářet plochu elektrické instalace co nejmenší
♦ maximalizovat vzdálenost k vedení s velkými proudy
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
♦ oddělovat silová a datová vedení
♦ používat pouze sítě TN-S.
Pouze sítě TN-S jsou přívětivější z pohledu EMC. V sítích TN-C se mohou objevit nesymetrické proudy a tedy síť TN-C vytváří magnetické pole jednoduchého vodiče způsobené nesymetrickým proudem. Pro totéž uspořádání instalace nesymetrický proud vytváří magnetické pole nejméně o dva řády
vyšší než v síti TN-S.
Frekvenční závislost induktivní vazby
Indukční vazba jako funkce frekvence poskytuje cenné informace o tom, jak může být provedena elektroinstalace tak, aby bylo dosaženo optimální ochrany proti externím vysokofrekvenčním rušením.
Opět uvažujeme idealizované pokusné uspořádání podobné jako na Obrázku 5b. Obrázek 7 ukazuje
náhradní obvod závitu nakrátko tvořený vlastní indukčností L2 a odporem R2, který je ovlivňován externím vodičem protékaný proudem i1(t) s vazební indukčností M.
Obrázek 7 – Ekvivalentní obvod pro induktivní vazbu
Jestliže uvažujeme proudy definované frekvence ω, i1,2(t) = i1,2(ω)ejωt, potom může být pro jednoduchý
model přesně stanovena přenosová funkce rušivého proudu i1(ω) a indukovaného proudu i2(ω) viz rovnice (5) .
i2 =
sM
i1 , s = jω , j 2 = −1
R2 + sL2
(5)
Pro pochopení co tato rovnice znamená pro reálné instalace, uvažujeme smyčku délky l=0,3m a šířky
w=0,1m, která je ve vzdálenosti d=2mm mimo vedení rušivého proudu. Vnitřní odpor volíme R2=50Ω.
Vlastní indukčnost a vzájemná indukčnost může být vypočtena pro tento příklad L2=0,9μH a
M=0,2μH. Velikost rušivého proudu na jednotku externího proudu i2(ω)/i1(ω) je ukázána na následujícím obrázku:
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 8 – Případová studie přenosové funkce proudu
Rušivý proud i2 narůstá s externím proudem i1 a jeho frekvencí. Při nízkých frekvencích narůstá úměrně s ω, zatímco při vysokých frekvencích dosahuje i2 jeho saturační hodnotu. Tato saturace je limitována poměrem M/L2. pro minimalizaci jevů EMI musí instalace vyhovující EMC minimalizovat vzájemnou indukčnost M a maximalizovat vlastní indukčnost L2 spřaženého obvodu.
Protože rychlé změny obsahují další a vyšší vysokofrekvenční složky, generují větší rušení. Toto můžeme vidět na Obrázku 9, kde je ukázán vypočítaný rušivý proud vyplývající z lichoběžníkového průběhu proudu, který reprezentuje digitální signál.
Obrázek 9 – Induktivní vazba pomalých a rychlých lichoběžníkových proudů
Na Obrázku 9 můžeme vidět rušivý proud, který dosahuje více něž 10% amplitudy pro pomalé a více
než 15% amplitudy pro rychlé externí proudy. Tyto vysoké hodnoty vyplývají z krátké doby náběhu
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
digitálních signálů. Podobně vysoké hodnoty se dají očekávat u elektronicky spínaných procesů jako
například fázově řízené stmívače. Provoz stmívače může být modelován pomocí náběhu lichoběžníkového signálu. Zbývající část 50Hz signálu způsobuje pouze zanedbatelné rušení.
Dosud jsme se zabývali pouze závitem nakrátko jakožto přijímače EMI. V tomto případě by měly být
elektrické vlastnosti optimalizovány tak, aby byl rušivý proud i2(t) minimální. Vlastnost indukovaného
proudu i2(t) vyvolávajícího magnetické pole, které oslabuje externí pole, může být také využit ke stínění citlivých elektrických a elektronických systémů. Pro tento případ by měly být elektrické parametry
závitu nakrátko voleny pro optimalizaci opačného pole generující proud i2(t) a pro minimalizaci síťového magnetického toku prostřednictvím smyčky. Praktickými příklady těchto aplikací jsou stínění
stíněných kabelů, kabelových lávek, nevyužitých jader kabelů apod. Síťový magnetický tok v závitu
nakrátko může být vypočítán takto:
Φ loop (i2 ) =
MR2
i1 , s = jω , j 2 = −1
R2 + sL2
(6)
Můžeme vidět, že síťový magnetický tok je pro malé hodnoty R2 minimalizován. Stínící vlastnosti našeho modelu závitu nakrátko pro různé hodnoty R2 je ukázána na Obrázku 10. Stínící účinek rapidně
vzrůstá s poklesem odporu závitu nakrátko, zde je ukázán pro hodnoty R2 = ∞, 500, 50, 5 Ω.
Z těchto výsledků vyplývají důležitá pravidla pro instalace budov. Všechny spoje stínících zařízení
jako kabelové lávky, kabelové kanály, skříně, atd. by měly mít při vysokých frekvencích malý odpor.
Následkem skinefektu odpor elektrických vodičů s frekvencí signálu roste. Proto geometrie vodičů
musí být zvolena tak, aby se minimalizoval zdánlivý odpor při vysokých frekvencích. Optimální geometrie vodiče je plochý pás, buď jednoduchý nebo splétaný, kde povrchová plocha je velká a tloušťka
je malá. Standardní kruhový průřez vodičů není ideální.
Samozřejmě závit nakrátko pracuje efektivně jako stínící zařízení pouze tehdy, když jím může protékat
ochranný proud bez přerušení smyčky. Stínění musí být připojeno k zemi na obou koncích, aby se neomezil tok stínícího proudu.
¨
Obrázek 10 – Stínící účinek závitu nakrátko pro různé hodnoty jejího odporu R2
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Kapacitní vazba
Časově proměnné elektrické pole externího systému způsobuje časově proměnné náboje v rušeném
systému. Tok posuvných proudů může být modelován na náhradním obvodu pomocí rozptylových kapacit, které propojují oba systémy a způsobují rušivá napětí.
Obrázek 11 – Kapacitní vazba a) model pole b) náhradní obvod
Podobně jako u induktivní vazby je velká kapacitní vazba, když:
♦ obvody jsou vzájemně vázány
♦ rozdíl napětí obou obvodů je velký
♦ signály v externím obvodu se rychle mění v čase a mají tedy velký obsah vysokých frekvencí.
Jako příklad můžeme uvažovat obvod kabelů energetického napájení a obvod místní počítačové sítě,
která může ležet blízko a paralelně při vzdálenosti 10m v kabelové lávce. Jestliže proud v silovém kabelu má čistě sinusový průběh 50Hz, 230V, potom rušivý signál v datovém kabelu dosahuje amplitudy
10V, který může být přijatelný. Jestliže proud v silovém kabelu má vysokofrekvenční složky generované nelineární zátěží, potom rušivý signál v datovém kabelu může dosahovat amplitudy více než
90V, který může vést ke špatnému chodu nebo poruchám LAN sítí.
Jestliže kabeláž a stínící opatření jsou řádně plánovány a instalace je pečlivě provedena, potom se můžeme těmto typům rušení vyhnout nebo mohou být minimalizovány na únosnou úroveň.
Pro vysvětlení nejdůležitějších aspektů kapacitní vazby uvažujeme opět základní model, který může
být řešen analyticky. Model je složen ze dvou obvodů, které využívají, pro zjednodušení, společný
zpětný vodič. Náhradní obvod systému je vidět na následujícím obrázku.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 12 – Trojvodičový model pro kapacitní vazbu
Vedení a a c jsou části externího sytému, vedení b a c části rušeného systému. Jestliže uvažujeme napětí definované frekvence ω, u1,2(t)=u1,2(ω)ejωt , potom vztah mezi rušivým napětím u1ω a vazebním napětí u2ω pro jednoduchý model může být přesně určen:
u2 =
sR2 C ab
u1 , s = jω , j 2 = −1
1 + sR2 (C ab + Cbc )
(7)
Pro model volíme parametry R2=1kΩ, Cab=Ccb=100pF, což je přijatelné pro paralelní kabely tloušťky
1mm ve vzdálenosti 5mm při délce 10m a externí napětí u1=220V. Průběh frekvenční závislosti napětí
kapacitní vazby u2 je ukázán na Obrázku 13.
Obrázek 13 – Frekvenční závislost kapacitní vazby
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Chování kapacitní vazby je velmi podobné induktivní vazbě. Rušivé napětí u2 roste při nízkých frekvencích lineárně s frekvencí rušivého signálu a při vysokých frekvencích dosahuje saturační hodnotu.
Opět rychlé rušivé signály, které obsahují velké vysokofrekvenční složky, budou značně ovlivňovat
rušené obvody. Obrázek 14 ukazuje vazební napětí běžného 220V sinusového průběhu 50Hz a fázově
řízeného stmívače.
Sinusovka vyvolává sinusový rušivý signál s amplitudou okolo 7mV, který v mnoha případech může
být zanedbatelný. V protikladu spínací proces stmívače vede k napěťovým špičkám 110V.
Obrázek 14 – Signály kapacitní vazby a) sinusovka 50 Hz b) fázově řízený stmívač
Kapacitní vazba může být redukována použitím stíněných kabelů. Model dvojice stíněných kabelů je
ukázán na následujícím obrázku.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 15 – Kapacitní vazba dvou stíněných kabelů
Vodivá stínění S1 a S2 jsou spojena v jediném bodě systému. Frekvenční závislost rušeného napětí u2 je
stejná jako ve vztahu 7, kde:
Cab musí být nahrazeno C1 =
C13C 24
C13 + C 24
a Cbc musí být nahrazeno C34.
Maximální napětí, které by mohlo být připojeno se rovná u 2 =
1
1 + C34 / C13 + C34 / C 24
u1 ,
což ukazuje, že
dobré kapacitní spojení C34 mezi vodičem a stíněním zlepšuje účinnost stínění. Na následujícím obrázku je zobrazena účinnost stínění kabelů proti rychlým přechodovým pulzům pro různé kapacitní vazby.
Obrázek 16 – Odstínění rázových pulzů stíněním různých vnitřních kapacitních vazeb
Vazba elektromagnetickým polem
Elektromagnetická pole se šíří prostorem rychlostí světla c = 2,988 x 108 m/s a mohou ovlivňovat elektroinstalace v blízkém i dalekém okolí zdrojů. Typickými zdroji elektromagnetických polí jsou rádiové
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
a televizní vysílače, mobilní telefony nebo jakékoliv jiné druhy bezdrátových aplikací. Vysokofrekvenční složky rychlých signálů nebo rychlých přechodných dějů (elektrostatické rušení, vlny,
bleskové pulsy) mohou také vést k vyzařování elektromagnetického pole prostřednictvím kabelů nebo
vodivých částí elektroinstalací a mohou způsobit rušení elektrických systémů v jiných částech budovy.
Jestliže rušení v energetických nebo datových sítích obsahuje vysokofrekvenční složky, potom ostatní
části instalací mohou působit jako antény a vyzařovat elektromagnetické pole. Hertzův dipól může
sloužit jako základní model k určování velikosti vyzařovaných polí. Všechny vodivé části elektroinstalací mohou plnit úlohu antény, včetně:
♦ kabelů
♦ otvorů a štěrbin pouzder, skříní, atd.
♦ pásů plošných spojů
F
[MHz]
0,1
1
10
100
1000
λ [m]
3000
300
30
3
0,3
Tabulka 2 – Některé hodnoty frekvencí
a odpovídajících vlnových délek
Otvory a štěrbiny zařízení vyzařují rušení do okolních oblastí nebo do krytů, tedy ruší ostatní objekty
v okolí a/nebo přenášejí elektromagnetická pole z vnějšku do systémů.
Jako příklad se můžeme podívat na elektrostatický výboj lidského těla na kovovou desku. Oblouk elektrostatického výboje není pouhý přenos proudu, ale také vznik elektromagnetického pole, které může
snadno dosáhnout intenzitu pole 0,5-4kV ve vzdálenosti menší než 1m. Tato elektromagnetická pole
mohou rušit elektrické systémy uvnitř nevhodných skříní přes štěrbiny, které fungují jako anténa.
Vodivé prvky, jako jsou kabely a štěrbiny začínají vyzařovat, když jejich podélný rozměr přesáhne
polovinu vlnové délky. Vlnová délka elektromagnetické vlny a její frekvence f jsou svázány přes rychlost světla vztahem λ=c/f. Některé typické dvojice hodnot jsou uvedeny v Tabulce 2.
V praxi nemohou být kryty zcela uzavřeny. Otvory jako jsou vstupy pro kabely, ventilační štěrbiny a
spáry mezi dvířky jsou nezbytné. Tyto otvory snižují účinnost stínění každého krytu. Pomocí inteligentní konstrukce krytu může být dosažena přijatelná úroveň stínění.
Rozsah netěsností z nespojitostí stínění závisí především na těchto faktorech:
♦ maximální podélný rozměr otvorů
♦ vlnová impedance
♦ frekvence zdroje
Pro štěrbiny délky l=λ/2 je účinnost stínění je dána:
⎛λ⎞
S = 20 log⎜ ⎟
⎝ 2l ⎠
(8)
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Snížení délky štěrbiny na polovinu zvýší účinnost stínění o 6dB. Obrázek 17 ukazuje účinnost stínění
pro různé frekvence podle délky štěrbiny.
Obrázek 17 – Účinnost stínění štěrbin různých délek jako funkce frekvence
V praktických instalacích by měla být maximální délka štěrbin menší než 1/20 vlnové délky, aby byla
zajištěna účinnost stínění alespoň 20dB. Odpovídající maximální délka štěrbiny pro požadovanou účinnost stínění musí být odvozena podle rovnice (8) nebo podle Obrázku 17.
Komplexní elektromagnetická interference (EMI) v praxi
Ve skutečné situaci pro EMI místo všech základních vazeb popsaných výše existuje komplex vzájemných kombinací. Jednoduchý případ automatického systému (Obrázek 18) ukazuje, že se jediného systému v kontaktu s jeho okolím ve stejném čase týkají všechny vazby.
Kterýkoli samostatný systém je vestavěný do sítě ostatních systémů a společně formují komplexní systém vzájemných vztahů EMI. Pro garanci řádného fungování celého systému, musí být vytvořena tak
zvaná EMC matice a musí být vyhodnocena již při procesu plánovaní nových i renovovaných budov.
Směrnice EU pro EMC a jejich vztah k instalacím v budovách
Směrnice EU jsou určeny k zajištění toho, že se všechny výrobky vyráběné nebo prodávané v EU řídí
společnými normami a mohou být prodávány ve všech členských státech bez dalších úprav. V případě
EMC směrnice EU 91/263/EEC, doplněná směrnicemi EU 92/31/EEC, 93/68/EEC a 93/97/EEC přizpůsobuje hlavní normy pro libovolný výrobek pro garanci elektromagnetické kompatibility omezením
maximální úrovně vyzařování výrobku a jeho stanovením jeho minimální odolnosti proti externí EMI.
Výrobce kteréhokoliv přenosného výrobku musí prohlásit shodu výrobku s normami EU.
Výrobek musí být označen značkou CE k potvrzení jeho souladu s EMC a ostatními směrnicemi pro
odběratele.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Obrázek 18 – Různé vazební cesty automatického systému
Pokud jde o elektroinstalace, prohlášení o shodě a značka CE nejsou nutné, nicméně plnění norem
směrnic EU by mělo být zajištěno. Je to úkol těch, kdo zodpovídají za návrh, techniku a provedení
elektroinstalace. Jsou zde cesty ke garantování a prokázání shody. První je použití modulů přizpůsobených EMC, které jsou instalovány obsluhou vyškolenou pro EMC. Druhá je použití jakýchkoliv vhodných modulů a prověření dodržení EMC instalace pomocí měření v EMC laboratoři nebo pověřenou
osobou. V každém případě projektant musí prohlásit shodu s normami EMC a směrnicemi EU podle
odpovídajících dokumentů. Navíc „výrobce“ instalace musí dodat jasné pokyny pro provoz a údržbu
v souladu s Dodatkem 3 směrnice EU. Tyto pokyny musí podávat informace o stanovených podmínkách použití, instalaci, montáži, nastavení, uvedení do provozu, použití a údržbě. Kde je to nutné, musí
být také obsaženo upozornění na omezení použití.
Nejbezpečnější cesta k zajištění shody elektroinstalace budovy může být, když se budeme řídit následujícími pravidly:
♦
♦
♦
♦
uvažovat s EMC již od počátku, je-li to nutné využít služeb odborníka na EMC
používat pouze moduly a materiály, které jsou ověřeny z hlediska EMC
používat k provádění instalačních prací personál znalý problematiky EMC
inženýři (technici) znalí EMC by měli dohlížet na instalační práce
Protože předmět EMC byl uveden do školících kurzů poměrně nedávno, je zde potřeba dalšího vzdělávání na toto téma.
Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)
___________________________________________________________________________________
Literatura
G Durcansky: EMC Correct Design of Apparatus (in German), Francis, 1995
Electromagnetic Compatibility (EMC), Guide to the Application of Directive 89/336/EEC, European Communities
1997
S Fassbinder: Disturbances of the Power Supply Network by Active and Passive Components (in German), VDE
Verlag 2002
J Goedbloed: Electromagnetic Compatibility (in German), Pflaum Verlag, 1990
M Grapentin: EMC for the Installation of Buildings (in German), Verlag Technik, 2000
E Habiger: Electromagnetic Compatibility (in German), Hüthig, 1998
B Keiser: Principles of EMC, Artech House, 1987
VP Kodali: Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Press, 1996
A Kohling: EMC of Buildings, Facilities and Apparatus (in German), VDE-Verlag, 1998
G Lehner: Theory of Electromagnetic Fields (in German), Springer, 1994
H W Ott: Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, A Wiley, 1988
C R Paul: Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley, 1992
D Peier: Electromagnetic Compatibility (in German), Hüthig, 1990
A Rodewald: Electromagnetic Compatibility (in German), Vieweg, 1995
W Rudolph, O Winter: EMC according VDE 0100 (in German), VDE-Verlag, 2000
W Rudolph: An EMC Primer for Electricians (in German), VDE-Verlag, 2001
Guideline Electromagnetic Compatibility (in German), EMC-Guideline ZX62920D, 1998, Groupe Schneider
A Schwab: Electromagnetic Compatibility (in German), Springer, 1996
DIN/VDE 0848 : Safety in Electrical, Magnetic and Electromagnetic Fields (in German)
Reference & Founding* Partners
European Copper Institute* (ECI)
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
LEM Instruments
www.eurocopper.org
www.etsii.upm.es
www.lem.com
Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)
Fluke Europe
MGE UPS Systems
www.agh.edu.pl
www.fluke.com
www.mgeups.com
Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC)
Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
www.htw-saarland.de
www.uni-magdeburg.de
Hogeschool West-Vlaanderen
Departement PIH
Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)
www.citcea.upc.edu
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
www.ceiuni.it
www.miedz.org.pl
www.pih.be
Copper Benelux*
www.copperbenelux.org
International Union for Electricity Applications
(UIE)
Università di Bergamo*
www.unibg.it
www.uie.org
Copper Development Association* (CDA UK)
ISR - Universidade de Coimbra
University of Bath
www.cda.org.uk
www.isr.uc.pt
www.bath.ac.uk
Deutsches Kupferinstitut* (DKI)
Istituto Italiano del Rame* (IIR)
The University of Manchester
www.kupferinstitut.de
www.iir.it
www.manchester.ac.uk
Engineering Consulting & Design* (ECD)
Katholieke Universiteit Leuven*
(KU Leuven)
Wroclaw University of Technology*
www.ecd.it
www.pwr.wroc.pl
www.kuleuven.ac.be
EPRI Solutions Inc
Laborelec
www.epri.com/eprisolutions
www.laborelec.com
Editorial Board
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Dr Franco Bua
ECD
[email protected]
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Gorniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
ERA Technology
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Kees Kokee
Fluke Europe BV
[email protected]
Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI Solutions
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
The University of Manchester
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
[email protected]
Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA-UPC
[email protected]
Roman Targosz
PCPC
[email protected]
Dr Ahmed Zobaa
Cairo University
[email protected]
Hochschule für
Technik und Wirtschaft
des Saarlandes
University of Applied Sciences
EMC-Laboratory
Hochschule für Technik und Wirtschaft
University of Applied Sciences
Goebenstrasse. 40
D66 117 Saarbrücken
Germany
Tel:
0049 681 5867279
Fax:
0049 681 5867302
Website: www.htw-saarland.de
Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth
HUNGARIAN COPPER
PROMOTION CENTRE
Hungarian
Copper
Promotion
Centre
Képíró u. 9
H - 1053 Budapest
Maďarsko
Tel.: 00 361 266 4810
Tel.: 00 361 266 4804
E-mail: [email protected]
Website: www.hcpcinfo.org
VŠB-TU Ostrava
Fakulta elektrotechniky a informatiky
17. listopadu 15
CZ 708 33 Ostrava-Poruba
Tel.: +420 59 732 4279
Tel.: +420 596 919 597
E-mail: [email protected]
Website: homen.vsb.cz/~san50/
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B - 1150 Brussels
Belgium
Tel.:
00 32 2 777 70 70
Fax:
00 32 2 777 70 79
Email: [email protected]
Website: www.eurocopper.org