http://users.utcluj.ro/~denisad Curs 3: Surse de perturbaţii electromagnetice Disciplina: COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ Titular curs: Conf. Dr. Ing. Denisa ȘTEȚ CURS pentru anul IV IE, Specializările: ET, I&AD, IM AN UNIVERSITAR: 2019-2020
2/71
SEMNAL = orice manifestare fizică care se poate propaga printr-un mediu dat PERTURBAȚIE = orice semnal care se suprapune, în mod nedorit, peste semnalul util SEMNAL UTIL TENSIUNI CURENTI CÂMPURI ELECTRICE CÂMPURI MAGNETICE CÂMPURI ELECTROMAGNETICE 3/71
Reprezentarea semnalelor în domeniul timp și în domeniul frecvență Un impuls perturbator poate fi caracterizat prin elementele: - Amplitudinea impulsului (arată comportarea dinamică a semnalului); - Timpul de creștere (caracterizează banda de frecvență a semnalului); - Durata impulsului timpul la jumătate (face referire la nivelul energetic al semnalului); - Perioda oscilației de bază; - Frecvența oscilației; - Durata totală a impulsului; - Perioada de repetiție. 4/71
Semnalele de testare in CEM pot fi: Impulsuri dublu exponențiale (cu fronturi de creștere sau scădere exponențiale): caracterizate prin amplitudine, timp de creștere (10%-90%) și timp la jumătate((1/2)a). Denumirea impulsului se compune din: a) Raportul timp de creștere/durată (µs) b) Amplitudine și unitate de măsură 5/71
Oscilații amortizate: timp de creștere al primului vârf și frecvență Denumirea impulsului se compune din: a) Raportul timp de creștere/frecvență (ms/khz) b) Amplitudine primului impuls și unitate de măsură 6/71
Când este necesar a se face distincție între semnalul de regim tranzitoriu şi impuls: Factor de umplere: Frecvența de repetiție a semnalului Lățimea impulsului la 50% din amplitudine (timpul la jumătate) Perturbație de regim tranzitoriu Impuls (în cadrul zgomotului continuu) 7/71
Caracteristicile regimului tranzitoriu/zgomotului produs de unele echipamente electrice [1]: 8/71
Caracterizarea în domeniul frecvențe a semnalelor are la bază Amplitudinea componentei spectrale/armonicii de ordinul k: 9/71
Explicativa la seria Fourier Reprezentare a nivelului componentelor spectrale 10/71
Efectul modificării nivelului unei componente spectrale f(t) = sinωt+(1/3)sin3ωt+(1/5)sin5ωt CIRCUIT REZONANT DERIVATIE Sursa: http://www.meo.etc.upt.ro/materii/cursuri/cem/cap2.pdf 11/71
f(t) = sinωt+(1/3)sin3ωt+(1/5)sin5ωt 12/71
Componentele spectrale pentru trenuri de impulsuri utilizate în CEM [1]: 13/71
La frecvențe ridicate nu se mai pot aplica metodele clasice se ține seama de propagarea semnalelor sub formă de unde electromagnetice Sursa: http://www.scientia.ro Sursa: http://89.121.128.229/clase/ixd/crina_i/lumina.html 14/71
Perturbatii electromagnetice (PEM) SURSE FUNCTIONALE (Intentional sources) Perturbatii intentionate (ex: bruiajul electronic, impulsul electromagnetic de origine nucleara (IEMN)) SURSE NEFUNCTIONALE (Unintentional sources) Perturbatii neintentionate in curenti tari: -PEM produse de scurtcircuite -PEM produse de electronica de putere -PEM produse prin descarcari electrostatice Perturbatii neintentionate in curenti slabi: -Interferente (cuplaje parazite) intre circuite vecine 15/71
Electroniştii preferă clasificarea surselor de perturbaţii după spectrul de frecvenţă, astfel:» surse de bandă îngustă;» surse de bandă largă. Sursa: http://www.ro-reparatii.ro/electronist.html Zgomot aleator care are un spectru de putere continuu; teoretic, se intinde pe toate frecventele in mod egal Exemplu: pentru un sistem audio cu lăţime de bandă de 10kHz, orice zgomot cu spectru continuu de lăţime mai mare de 10kHz arată ca un zgomot alb. 16/71
Inginerii de curenţi tari clasifică sursele de perturbaţii electromagnetice după criterii pe care le combină între ele: După nivelul de frecvenţă: - Perturbaţii de joasă frecvenţă; - Perturbaţii de înaltă frecvenţă. După suportul de propagare - Perturbaţii conduse; - Perturbaţii radiante. După durată (natura temporală); - Perturbaţii permanente; - Perturbaţii tranzitorii. Sursa: http://www.ro-reparatii.ro/electrician.html După poziția sursei in raport cu victima - Perturbaţii interne; - Perturbaţii externe. 17/71
3.1. Surse de perturbaţii de joasă frecvenţă Perturbaţii de joasă frecvenţă (JF) = toate tipurile de paraziţi a căror gamă de frecvenţă este inferioară la 1 MHz. O perturbaţie la joasă frecvenţă: are o durată lungă (de câteva zeci de microsecunde). poate fi măsurată cu mijloace convenţionale (se măsoară uşor o diferenţă de potenţial sau un curent de joasă frecvenţă care are o abatere de cca. 0,2 %.) 18/71
3.1.1. PERTURBAŢII PERMANENTE PRIN CONDUCŢIE DE JF Flickerul Variaţii de frecvenţă ale reţelei electrice Armonice Interarmonice 3.1.2. PERTURBAŢII TRANZITORII PRIN CONDUCŢIE DE JF Fluctuaţii de tensiune Goluri de tensiune Supratensiuni lente Supratensiuni sinusoidale amortizate Trăsnetul Curenţii tranzitorii 3.1.3. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE, CONTINUE) PRIN RADIAŢIE DE JF Câmpul de dispersie al transformatoarelor Cuptoarele de inducţie Radiaţiile liniilor aeriene de transport a energiei electrice Curenţii de scurgere (de fugă) la pământ 3.1.3. PERTURBAŢII TRANZITORII PRIN RADIAŢIE DE JF Scurtcircuite Conectarea (anclanşarea) LEA de ÎT Flash electronic produs de aparate foto Trăsnetul 19/71
3.1.1. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE, CONTINUE) PRIN CONDUCŢIE LA JOASĂ FRECVENŢĂ Perturbaţii întreţinute (continue, permanente) = ansamblul de semnale perturbatoare a cărui durată depăşeşte 1 secundă. Toate perturbaţiile întreţinute, prin conducţie la joasă frecvenţă, afectează reţeaua de alimentare cu energie electrică şi echipamentele electronice de joasă tensiune. Flickerul Variaţii de frecvenţă ale reţelei electrice Armonice Interarmonice 20/71
a) Flickerul = fenomen de scădere uşoară (±10%), dar frecventă, a tensiunii reţelelor electrice de alimentare a unor consumatori. Exemplu de variaţie a tensiunii în cazul unui flicker Surse ale fenomenului de flicker: pornirile motoare electrice mari, pornirea cuptoarelor electrice cu rezistoare şi cuptoarelor de inducţie, funcţionarea cuptoarelor cu arc electric în faza de topire, sudarea cu arc electric, funcţionarea laminoarelor, a pompelor şi compresoarelor cu piston etc. 21/71
Efectele fenomenului de flicker asupra receptoarelor: Variaţia vizibilă a fluxului luminos emis de lămpile de iluminat (1-20 Hz) senzaţie de jenă fiziologică a ochiului. http://nisamerica.com/forum/viewtopic.php?f=6 &t=9119&start=60 Deformarea imaginii la televizoare; Deranjamente în funcţionarea echipamentelor electronice. 22/71
b) Variaţii de frecvenţă ale reţelei electrice Rezultă ca urmare a producerii de energie electrică de către un grup electrogen a cărui frecvenţă de antrenare (dată de viteza de rotaţie a maşinii primare) nu este perfect constantă. Normativele prevăd că toate echipamentele electronice trebuie să suporte variaţii de frecvenţă pe o durată de 10 minute. Echipamentele electronice moderne alimentate de la surse de alimentare tip chopper sunt insensibile la variaţii de frecvenţă. Într-o reţea electrică puternică şi buclată, puterea electrică este practic, infinită. La o astfel de reţea frecvenţa instantanee are întotdeauna o abatere mai mică de 1% şi în mod curent, această abatere este mai mică de 0,1%. 23/71
c) Armonicele. În practică, sunt luate în considerare până la 30 de armonici. Într-un sistem electroenergetic, sursele de armonici pot fi grupate în: Surse interne = neliniarităţile anumitor parametrii electrici, ai elementelor sistemului electroenergetic (fenomenul corona în cazul LEA ÎT, saturaţia circuitelor magnetice ale maşinilor electrice şi transformatoarelor...) Surse externe = neliniarităţile impedanţelor unor receptoare sau consumatori electrici (atelierele de sudură electrică, transportul electrificat, cuptoarele cu arc electric, electronica de putere, instalaţiile de electroliza cuprului, calculatoarele electronice, televizoarele, lămpile fluorescente...). Distorsiunea undei de tensiune se exprimă în procente. 24/71
Distorsiunea undei de tensiune este proporţională cu curenţii armonici. şi cu impedanţa reţelei. care se comportă ca o impedanţă comună a sursei şi a receptoarelor. Distorsiunea tensiunii în reţelele de ÎT este slabă (sub 1%), însă nu mai poate fi neglijată în aval de transformatoarele MT/JT. Efectul distorsiunii de tensiune este încălzirea suplimentară a motoarelor electrice mari (o distorsiune de 3 3 % poate crea serioase probleme). Armonicele pare de curent sunt slabe şi sunt, în principal, generate de sarcinile care consumă o componentă continuă a curentului. Prezenţa unei componente continue a curentului produce saturarea rapidă a fierului transformatoarelor. Circuitul magnetic al unui transformator de putere clasic ajunge la saturaţie pentru un c.c. de valoare mult mai mică decât cea a c.a. nominal generează o mulţime de armonice pare.. 25/71
Sarcinile trifazate echilibrate și alimentate fără conductor neutru nu generează armonica de ordinul 3 si nici Armonice multipli de 3. Curenţii armonici de ordinul 3 şi multiplii de 3 ( 3 x 50 Hz = 150 Hz) ridică o problemă specială... 26/71
Bateriile de condensatoare (BC). Sursa: http://www.bizoo.ro/firma/maxsolution/vanzare/ 232738/Baterii-de-condensatoare Pot crea probleme în reţelele electrice de distribuţie datorită prezenţei curenţilor armonici Are un pronunţat caracter capacitiv este legată în paralel cu transformatorul de MT/JT care alimentează cu energie electrică Ansamblul transformator - BC formează un circuit oscilant paralel de tip L-C, care are o impedanţă foarte mare la frecvenţa de rezonanţă. Soluţii: 1. Se măreşte sau se micşorează numărul de condensatoare ale BC. 2. Se adaugă o bobină în serie cu BC realizându-se un filtru 27/71
d) Interarmonice Curent interarmonic = curent a cărui frecvenţă nu este multiplu întreg al frecvenţei reţelei electrice. interarmonice cu frecvenţe în spectru continuu; interarmonice adevărate, care sunt generate la frecvenţe discrete (sunt create de anumite convertizoare de frecvenţe statice: convertizoare ciclice (cicloconvertoare: utilizate pentru antrenarea motoarelor electrice la viteze reduse), unele motoare asincrone cu rotorul cu poli aparenţi (proeminenţi) produc interarmonice de recvenţe multipli ai frecvenţei de rotaţie). Pe termen lung: încălziri excesive ale instalaţiilor şi echipamentelor electrice, dar nu perturbă în mod periculos echipamentele electronice.!!! Perturbă sistemele de telecomandă centralizate, în banda de frecvenţe de 110 Hz 2 khz. ( nivelul de interarmonici, tolerat la 0,5 % din U n, trebuie să fie redus la mai puţin de 0,1 % din U n.) 28/71
3.2.2. PERTURBAŢII TRANZITORII PRIN CONDUCŢIE LA JOASĂ FRECVENŢĂ Sunt mult mai puţin deranjante decât perturbaţiile întreţinute (continue) de aceeaşi amplitudine. Fluctuaţii de tensiune Goluri de tensiune Supratensiuni lente Supratensiuni sinusoidale amortizate Trăsnetul Curenţii tranzitorii 29/71
a) Fluctuaţii de tensiune = variaţii rapide ale tensiunii de alimentare, cuprinsă în plaja normală de variaţie a acesteia (± 6% - 10%) U n, în timpul funcţionării normale a reţelei electrice de alimentare (distribuţie). Surse de fluctuații de tensiune: variaţiile de sarcină: porniri de motoare electrice mari, cuptoare cu arc electric, reglajul de tensiune cu ploturi la transformatoare etc. Perturbaţiile produse sunt, în general, slabe (pot afecta funcţionarea echipamentelor electronice sensibile: regulatoare de putere de mare precizie, calculatoare din generaţii mai vechi şi tuburi fluorescente de mare randament. Un echipament electronic modern poate suporta fluctuaţii de tensiune de ±8% U n.
b) Goluri de tensiune Gol de tensiune = scăderea bruscă a amplitudinii sau a valorii efective a tensiunii într-un anumit nod al reţelei electrice până la o valoare ce poate atinge 20% din U n şi care durează mai puţin de 3 secunde. Cauze ale golurilor de tensiune: - diferite defecte care apar în instalaţiile sistemului electroenergetic (vânt puternic, furtuni, defecte pe liniile electrice sau în sistemele vecine etc.), -conectări directe în reţea a unor agregate care necesită curenţi mari de pornire. Pot apărea oricând şi oriunde în reţelele electrice, ele fiind inevitabile şi aleatoare studiul lor se face pe baze statistice. Orice gol de tensiune este un proces tranzitoriu în timp. Nu afectează întotdeauna toate cele trei faze ale sistemului trifazat. goluri de tensiune simetrice şi nesimetrice (mono- sau bifazate). 31/71
Forme reale şi idealizate ale unor goluri de tensiune. Efect a golurilor de tensiune: pierderea alimentării cu energie electrică a consumatorilor racordaţi la linia electrică în care acesta apare. 32/71
c) Supratensiuni lente: supratensiunile care afectează reţeaua de alimentare; se manifestă ca perturbaţii de mod normal (diferenţial) la bornele consumatorilor. Anclanşarea unei baterii de condensatoare la reţeaua de alimentare:. Tensiunea tranzitorie are, după anclanşare, o valoare de vârf de peste două ori mai mare faţă de valoarea de vârf a tensiunii reţelei. Supratensiuni la anclanşarea unei baterii de condensatoare in rețea Exemplu: La un circuit monofazat de 230V, tensiunea de vârf atinge peste 500V, dar are energia de doar câteva sute de joule. 33/71
Topirea fuzibilului unei siguranţe.. Supratensiunea care urmează întreruperii fuzibilului depăşeşte, adesea, 1000V având o energie de câteva sute de joule poate distruge un echipament electronic sensibil montat în paralel pe aceeaşi bară. Supratensiune produsă de topirea fuzibilului, tip fir, a unei siguranţe fuzibile. 34/71
d) Supratensiuni sinusoidale amortizate... Șoc de manevră perturbă linia printr-un impuls de tensiune cu front abrupt. Unda sinusoidală amortizată Asemănător fenomenului ce apare la anclanşarea unei BC, dar cu o frecvenţă de rezonanţă superioară şi cu mai puţină energie.. 35/71
e) Trăsnetul = descărcare electrică de mare energie între nor şi pământ.. Amplitudinea medie a curentului de trăsnet: 25kA pentru calcule de protecţie, în 95% din cazuri se ia în considerare un curent de trăsnet de 100kA ( 99% 200kA). Pentru un coeficient de încredere de 95%, panta curentului de trăsnet se adoptă de Δl/Δt = 160 ka/μs, iar pentru un coeficient de încredere de 99%, se alege Δl/Δt = 300 ka/μs.. nivelul isokeraunic Unda de tensiune normalizată care se utilizează pentru studiul fenomenului de trăsnet 36/71
f) Curenţii tranzitorii Conectarea sarcinilor generează un impuls scurt de curent cu caracter de perturbaţie de mod normal, care afectează uşor şi tranzitoriu, tensiunea de alimentare. Astfel, conectarea unui simplu tub fluorescent cu balast generează un impuls de curent de peste 10A la vârf. Mai periculos este impulsul de mod comun care însoţeşte conectarea chiar dacă are o amplitudine redusă (vârful de câţiva amperi) este perturbativ pentru că frontul său este foarte abrupt. Soluţie: să se păstreze o distanţă mai mare de 30 cm între conductoarele de semnal şi conductoarele de alimentare de la reţea. 37/71
Diagrama de toleranta Concluzie: Pentru asigurarea protectiei echipamentelor, prin norme se impun conditii de testare la socuri electrice si supratensiuni care vizeaza atat testarea izolatiei cat si testarea imunitatii la perturbatii.
3.1.3. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE, CONTINUE) PRIN RADIAŢIE DE JOASĂ FRECVENŢĂ La JF numai câmpul magnetic poate crea probleme, dar numai în vecinătatea imediată a victimei. Ecranarea câmpului magnetic la joasă frecvenţă fiind foarte dificilă (sub 10 khz), reducerea cuplajului magnetic este singura soluţie practică de protecţie. Măsurarea perturbaţiilor întreţinute în câmp magnetic este simplă şi uşor reproductibilă. http://www.distek.ro Câmpul de dispersie al transformatoarelor Cuptoarele de inducţie Radiaţiile liniilor aeriene de transport a energiei electrice Curenţii de scurgere (de fugă) la pământ 39/71
a) Câmpul de dispersie al transformatoarelor Transformatoarele de forţă funcţionează, în cele mai multe situaţii, în apropiere de zona de saturaţie magnetică a fierului. Valoarea de vârf a inducţiei magnetice în fier depăşeşte 1.5 T, iar în unele cazuri (la transformatoarele care funcţionează în regim intermitent) poate să atingă 2 T. Fierul este saturat, iar intensitatea câmpului magnetic poate depăşi 100 A/m în apropierea transformatorului. Deformarea imaginii tuburilor catodice., o inducţie de zgomot în capetele magnetice de citire (magnetofoane, derulatoare de bandă, cititoare de diskete) şi inducţii în buclele de cuplaj etc. 40/71
Câmpul magnetic de joasă frecvenţă radiat de un transformator şi, în general, de sursele localizate, descreşte foarte rapid cu distanţa după o lege a lui 1 / D 3. Exemplu: în cazul unui transformator care are la distanţa de 25cm de el, o intensitate a câmpului magnetic de dispersie de 3A/m, la distanţa de 1m câmpul magnetic va avea o intensitate de 0,05A/m. Soluţii: 1. Depărtarea echipamentele electrice şi electronice sensibile de sursa de perturbaţii magnetice. Ex: Niciodată nu trebuie instalat un tub catodic la o distanţă mai mică de 5m de un transformator de forţă dintr-un post de transformare. 41/71
În cazul curenţilor slabi, transformatoarele de alimentare generează câmpuri magnetice de dispersie la joasă frecvenţă (frecvenţa reţelei de alimentare de 50 Hz sau de 60 Hz). Soluţie de protecţie: a circuitelor electrice şi electronice vecine este de a blinda (ecrana) câmpul de dispersie printr-o centură din cupru care să placheze înfăşurările transformatorului la exterior, construcţie toroidală a miezului feromagnetic. Reducerea câmpului de dispersie la un transformator de alimentare Câmpul de dispersie rămâne între bobinaje, în interiorul torului 42/71
b) Cuptoarele de inducţie Inductorul cuptoarelor de inducţie industriale de mare putere. Frecvenţa curentului prin bobina inductoare este cuprinsă între frecvenţa industrială şi câteva zeci de khz, iar puterea lor variază între 10 kw şi câţiva MW; Descreşterea intensităţii câmpului magnetic se face după curba corespunzătoare legii 1/D 3. Efectele câmpului magnetic de dispersie: perturbaţii vizuale ale tuburilor catodice, modificarea culorii imaginilor TV etc. Cuptoarele moderne utilizează pentru reglaj semiconductoare de mare putere care generează perturbaţii prin conducţie. 43/71
c) Radiaţiile liniilor aeriene de transport a energiei electrice Liniile de alimentare a tracţiunii electrice, precum şi LEA de ÎT reprezintă antene lungi şi eficace de câmp magnetic. O LEA de MT de 20 kv suportă, în mod constant, un curent de 500A; o linie de 110kV suportă peste 1000A. O LEA de ÎT de 300kV suportă în jur de 2000A. În industrie, însă, unele bare de joasă tensiune suportă curenţi superiori la 10kA (camp magnetic 10A/m). 44/71
Efecte: deformarea imaginile tuburilor catodice, inducerea de tensiuni perturbatoare în buclele circuitelor electrice vecine şi de a perturba liniile aeriene de comunicaţii etc. Soluţii: - Pentru distribuţia energiei electrice în industrie unde se utilizează cabluri unipolare la frecvenţă joasă (50 Hz), montarea alăturată a 2,3 sau chiar 3 cabluri reduce suprafaţa buclelor şi deci şi radiaţia magnetică. 45/71
d) Curenţii de scurgere (de fugă) la pământ În jurul unui conductor care este legat la pământ şi este parcurs de un curent de fugă la pământ se generează un câmp magnetic care descreşte cu distanţa după o lege de forma 1/D. Soluţii: Se adăugă un transformator de izolare care să alimenteze separat echipamentele generatoare de curenţi de fugă (curenţi homopolari sau armonice de rang 3; 9 etc.) îndepărtând astfel victimele prin mărirea distanţei între ele şi sursele de perturbaţii.!!! pot declanşa protecţiile diferenţiale sensibile. De aceea nu trebuie niciodată protejată alimentarea sistemelor informatice prin protecţii diferenţiale sensibile. 46/71
3.1.3. PERTURBAŢII TRANZITORII PRIN RADIAŢIE DE JOASĂ FRECVENŢĂ Câmpurile tranzitorii de joasă frecvenţă nu sunt perturbatoare decât dacă sunt de foarte mare amplitudine. Ca şi în cazul tuturor impulsurilor şi în acest caz riscul esenţial este de a perturba funcţionarea echipamentelor electronice mai puţin cunoscute sau prost cablate. Scurtcircuite Conectarea (anclanşarea) LEA de ÎT Flash electronic produs de aparate foto Trăsnetul 47/71
a) Scurtcircuite Scurtcircuitele pe liniile electrice se manifestă prin următoarele etape: - prin conducţie, tensiunea liniei cade la zero cel puţin pe durata necesară eliminării defectului; - prezenţa curentului de scurtcircuit generează un câmp magnetic tranzitoriu de valoare mult mai mare decât cea a câmpului nominal; - intrarea în funcţiune a întrerupătoarelor poate crea impulsuri cu front abrupt (cazul întrerupătoarelor de la înaltă tensiune) sau supratensiuni energetice (cazul topirii fuzibilului cu fir al unei siguranţe). Pentru o reţea electrică de transport, un sc. generează un curent de 5-50 de ori mai mare decât I n. În reţelele de JT, curentul de scurtcircuit nu depăşeşte, valoarea de 25 I n, iar un factor de 15 reprezintă un caz tipic realist..
b) Conectarea (anclanşarea) liniilor electrice aeriene de ÎT O linie lungă, în gol, determină apariţia la extremitatea în gol, a unei supratensiuni care poate atinge valoarea dublă a tensiunii liniei (efectul Ferrantti). În cazul unei linii defecte, la reanclanşare, între conductorul de dus şi întors circulă un curent oscilatoriu, durata fiecărei treceri a curentului fiind funcţie numai de distanţa până la defect şi având valoarea între 10μs şi câteva milisecunde. Efectul: apariţia prin inducţie, a unei t.e.m. în toate buclele de masă vecine liniei defecte. Exemplu: Pentru o linie de 20kV vecină, t.e.m. indusă poate depăşi 1kV, la vârf. 49/71
c) Flash electronic produs de aparate foto Câmpul magnetic radiant produs de flash-ul unui aparat foto provoacă, prin inducţie, o tensiune electromotoare indusă în buclele de cablaj ale echipamentelor electronice. La distanţa de 2m de un flash câmpul magnetic produs reprezintă un impuls magnetic sinusoidal amortizat de intensitate de 0,1A/m, la vârf şi o frecvenţă de câteva sute de kilohertzi. Soluţii de protecţie a victimelor : Să nu se fotografieze cu flash echipamentele electronice neautorizate CEM; Să se reducă suprafeţele buclelor de masă. http://www.distek.ro/ 50/71
d) Trăsnetul Pe lângă fenomenul de conducţie descris anterior, canalul ionizat al trăsnetului se comportă ca un conductor lung care conduce curenţi de fugă la pământ de zeci de ka, într-un timp mai scurt decât o microsecundă, între două reamorsări. Câmpul magnetic radiant descreşte cu distanţa după legea 1/D. T.e.m. parazite, de ordinul kv, în buclele de masă ale instalaţiilor electrice şi electronice.. http://www.trombon.ro 51/71
3.2. Perturbaţii de înaltă frecvenţă Perturbaţii de ÎF = toate tipurile de paraziţi al căror spectru semnificativ de frecvenţe se întinde dincolo de frecvenţa de 1 MHz.. Perturbaţiile de ÎF sunt dificil de măsurat.. Fenomenele produse la înaltă frecvenţă sunt importante, foarte frecvente, severe şi puţin intuitive. De aceea studierea lor este foarte dificilă. 52/71
3.2.1. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE) DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN CONDUCŢIE Zgomotul de comutaţie al motoarelor cu colector Convertizoarele statice 3.2.2. PERTURBAŢII TRANZITORII DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN CONDUCŢIE Deconectarea bobinelor Descărcările electrostatice 3.2.3. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE), DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN RADIAŢIE Maşinile de tip ISM Emiţătoarele de comunicaţii 3.2.3. PERTURBAŢII TRANZITORII DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN RADIAŢIE Descărcările electrostatice Arcurile electrice Impulsul electromagnetic nuclear 53/71
3.2.1. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE) DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN CONDUCŢIE a) Zgomotul de comutaţie al motoarelor cu colector Motoarele cu colector generează scântei la colector în timpul funcţionării. întrerupător foarte rapid conductorii de alimentare devin suportul curenţilor de ÎF, cu un front de creştere de ordinul câtorva zeci de ns, uneori chiar mai puţin. Efectul: perturbarea directă a sistemele de reglare precum şi a conductoarelor vecine. Soluţie de protecţie: - De a filtra fiecare conductor în raport cu masa. - La motoarele cu colector utilizate în echipamentele şi aparatele electrocasnice este suficient, să se amplaseze un condensator de antiparazitare cu capacitatea de câţiva nf între fiecare perie colectoare şi statorul (masa) motorului. 54/71
b) Convertizoarele statice Toate convertizoarele statice generează curenţi de mod comun de înaltă frecvenţă, cu care se închid între partea de alimentare şi partea de ieşire a convertizoarelor Curenţii de MC sunt formaţi din impulsuri sinusoidale amortizate de valoare cuprinsă între câţiva ma şi câteva sute de ma. Frecvenţa lor proprie este de 5-50MHz; Evacuarea curentului de mod comun l CM, la masă Efecte: bruiajul echipamentelor electronice sensibile (camere video, monitoare de mare rezoluţie, skanere, receptoare optice, etajele de frecvenţă intermediară a radioreceptoarelor, aparatele de ecografie medicală etc.). Soluţii: Filtrarea tuturor conductoarelor convertizorului prin filtre de ÎF care să aibă, toate, aceeaşi referinţă de potenţial sau acelaşi plan de masă. 55/71
3.2.2. PERTURBAŢII TRANZITORII DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN CONDUCŢIE Frontul de durată foarte scurtă (sub 10 ns) nu se propagă prea departe în conductoare pentru că radiaţia în mod comun este amortizată. În mod normal (diferenţial), se produce o degradarea rapidă a frecvenţelor foarte înalte, care se transformă în căldură. Rezultă că cuplajele prin conducţie la înaltă frecvenţă sunt, în mod esenţial, locale. Impulsurile de ÎF, prin conducţie, sunt, în mod particular, foarte grave pentru electronica numerică. (Un semnal de câţiva volţi, chiar dacă durează câteva nanosecunde, este comparabil cu un semnal real.) Deconectarea bobinelor Descărcările electrostatice 56/71
a) Deconectarea bobinelor În sistemul electroenergetic există foarte multe sarcini inductive: relee, contactoare, bobina, electrovalve, motoare, transformatoare, etc. Sarcină inductivă alimentată cu energie electrică energia reactivă inductivă este stocată în bobinaj Un contactor întrerupe curentul de alimentare Energia reactivă inductivă din bobinaj încarcă capacităţile condensatoarelor în serie formate între spirele bobinei, care apoi se descarcă brusc Apare o supratensiune importantă la bornele bobinei, care, practic, se manifestă între contactele contactorului. 57/71
Frecvenţa de rezonanţă a circuitului oscilant L C: câţiva khz - sute de khz Creştere lenta a tensiunii (kv) Între contactele care se deschid se amorsează un arc electric apariţia arcului electric generează un front rapid şi abrupt de câmp magnetic într-un timp de ordinul ns se acumulează în bobină sub formă de energie reactivă inductivă. Tensiunea între contacte cade, dar când arcul se stinge, tensiunea creşte din nou şi se produce o nouă amorsare a arcului electric.
Fenomenele se succed de un număr mare de ori salvă de impulsuri (pe o durată de cca 1 ms). Efectul salvei de impulsuri: perturbă puternic circuitele numerice fără un plan de masă sau prost conectate la masă. Variaţia tensiunii în cazul unei salve de impulsuri produse la deschiderea contactelor unui contactor. Soluţii: plasarea unui limitator de supratensiuni în paralel cu bobina. (varistor, diodă Zener, diodă supresoare etc.) 59/71
b) Descărcările electrostatice Cauzele electrizării (deplasării sarcinilor electrice spre un corp izolat de pământ): prin frecare (triboelectricitate); prin contact (transfer direct de sarcini electrice); prin influenţă (prin câmp electric); prin ionizare (emisii de ioni la tensiune înaltă); prin baloelectricitate (agitaţie de particule într-un gaz); prin clivaj sau prin fragmentare (când se sfărâmă zahărul într-un mojar); prin congelare; prin efect termo- sau fotoelectric etc. 60/71
În cazul corpului uman: Capacitatea faţă de mediul înconjurător este de cca 200 pf. În câteva secunde, o persoană care se deplasează se încarcă la câţiva kv. Tensiunea maximă la care se poate încărca o persoană este de cca 20 kv.. Diferenţa de potenţial a corpului uman faţă de pământ fluctuează în funcţie de sarcina electrică totală colectată: Energia electrostatică acumulată de corpul uman: Energie eliberată la o DES este de ordinul mj (neglijabilă) dar poate provoca dezastre în cazul componentelor electronice miniaturale. 61/71
Model electric al încărcării electrostatice: - capacitatea în raport cu pământul, C=200 pf - rezistenţa corpului uman R=1 kω - diferenţa de potenţial faţă de pământ în stare încărcată electrostatic U=10 kv. 62/71
3.2.3. PERTURBAŢII PERMANENTE (ÎNTREŢINUTE), DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN RADIAŢIE a) Maşinile de tip ISM Un ISM este un aparat Industrial, Ştiinţific sau Medical. Puteri de emisie de peste 1kW, depăşind uneori 100kW. Frecvenţa de funcţionare: 1MHz 3GHz sau frecvenţe autorizate de 13,56MHz sau 27,12 MHz. Soluţii: Aceste aparate trebuie să fie ecranate pentru a limita câmpul radiativ. 63/71
b) Emiţătoarele de comunicaţii Instalaţii ce produc energie electromagnetică în mod intenţionat pe care o radiază în mod controlat, în mediul înconjurător în scopul transmiterii sau culegerii de informaţii.. Emisiile emiţătoarelor de comunicaţii sunt, de regulă, în bandă îngustă şi constau dintr-o frecvenţă purtătoare, benzile laterale şi armonici de ordin superior, inevitabile. Câmpul electric radiant al unui emiţător : 64/71
3.3.3. PERTURBAŢII TRANZITORII DE ÎNALTĂ FRECVENŢĂ, PRIN RADIAŢIE a) Descărcările electrostatice Simultan cu curentul de descărcare la pământ, un echipament electronic trebuie să suporte şi un câmp electromagnetic intens de cca 8A/m şi 3kV/m (câmp măsurat la distanţa de 25 cm de punctul de descărcare) Soluţie de protecţie: un ecran bine echipotenţializat, în jurul echipamentelor electronice. b) Arcurile electrice Amorsarea unui arc electric între pantograf şi linia de contact în cazul tracţiunii electrice reprezintă o sursă de perturbaţii tranzitorii de ÎF care perturbă recepţia radio şi TV locală. Alte surse de perturbaţii: efectul corona al liniilor aeriene de înaltă tensiune, posturile de sudură electrică şi tuburile catodice. COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA curs 2 65/71
c) Impulsul electromagnetic nuclear (NEMP) Eliberarea bruscă a energiei nucleare printr-o explozie este însoţită de un impuls intens de radiaţie, format din fotoni (radiaţie Roentgen de înaltă energie în domeniul MeV), care se propagă în toate direcţiile cu viteza luminii. Dacă explozia are loc la mare înălţime (peste 300 km) faţă de Pământ, fotonii care vin spre pământ ciocnesc atomii din straturile dense ale atmosferei terestre, eliberează electroni Compton, care produc un mare număr de electroni secundari. Electronii formează un dipol electric tranzitoriu împreună cu ioni pozitivi rămaşi; În acelaşi timp, datorită mişcării sarcinilor electrice în câmpul magnetic al Pământului, sub acţiunea forţei Lorentz, se formează şi un dipol magnetic tranzitoriu. Un câmp electromagnetic tranzitoriu, care reprezintă impulsul electromagnetic nuclear, Nuclear Electro-Magnetic Puls). 66/71
Valoarea maximă a intensităţii câmpului electric este de cca 50 kv/m, iar cea a intensităţii câmpului magnetic se determină conform relaţiei: Unda de NEMP este asemănătoare undei standard a trăsnetului, având frontul de undă abrupt, cu durata de cca 5ns şi durata semiamplitudinii de cca 200ns. Efecte similare apar şi la explozii nucleare în apropierea solului, dar aici predomină efectele termice şi mecanice.. 67/71
Dupa evolutia in timp 1. Perturbatii stationare, produse de: - Circuite magnetice saturate (transformatoare, autotransformatoare si bobine cu miez de Fe) - Circuite pe semiconductoare (tiristoare triacuri, tranzistoare, diode) - Masini electrice sincrone si asincrone - Arcuri electrice (cuptoare cu arc electric, sudarea electrica, lampi cu descarcare in arc) - Cuplaje parazite intre linii electrice paralele - Surse de alimentare in comutatie (sursele de la calculatoare) - Surse de emisie (radio TV) 2. Perturbatii cvasistationare, constau in: - Variatii de sarcina, inverse de sens, limitare de curse (pornirea directa sau stea-triunghi, oprirea motoarelor electrice de actionare, inversoare sau schimbarea de sems de rotatie la strunguri si masini de gaurit, limitatoare de cursa folosite la podurile rulante, lifturi) - Bruiajul statiilor radio 3. Perturbatii tranzitorii (fugitive), cele mai importante sunt: - Anclansarea declansarea de contactoare, relee, tuburi fluorescente, sigurante, aparate de sudura - Fenomene naturale (fulgere si trasnete) - Impulsuri electromagnetice nucleare (IEMN) - Bruiajul electronic al armelor de lupta - Descarcarile electrostatice etc. 68/71
Dupa locul de producere 1. Interne (generate de componentele proprii ale echipamentelor: surse, apmlificatoare etc.) 1.1. Zgomote cauzate de temperatura si de procesele din semiconductoare (circuite electonice) 1.2. Cuplaje parazite, capacitive, inductive, galvanice (condensatoare electrice) 2. Externe (generate de alte surse din mediul inconjurator (motoare electrice, linii sau cabluri electrice, emitatoare radio, descarcari electrostatice etc.) Dupa caile de transmitere 1.a. Perturbatii de mod diferential (simetrice sau transversale) 2.a. Perturbatii de mod comun (nesimetrice sau longitudinale) 1.b. Perturbatii transmise prin fir (cuplaj perturbator galvanic) 2.b. Perturbatii transmise prin camp electromagnetic (cuplaj perturbator prin camp apropiat sau prin inductie si prin camp indepartat sau prin radiatii: conductoare si cabluri, antene de emisie) 69/71
Dupa dispunerea lor in domeniul frecventa 1. Perturbatii de banda ingusta (emitatoare de comunicatii, generatoare de IF pentru industrie, cercetare, medicina, receptoare radio, receptoare video, sisteme de calcul, surse de comutatie, efecte perturbatoare asupra retelei de alimentare) 2. Perturbatii de banda larga 2.1. Perturbatii de banda larga intermitente (nivelul zgomotului de fond in aglomerari urbane, instalatii de aprindere pentru autovehicule, lampi cu descarcari in gaze, motoare cu colector, LEA de IT) 2.2. Perturbatii de banda larga tranzitorii (descarcari electrostatice, comutarea inductivitatilor, fenomene tranzitorii in retele de JT, fenomene tranzitorii in retele de IT. fenomene tranzitorii in tehnica incercarii la tensiuni inalte si in fizica plasmei, traznetul impulsul electromagnetic de trasnet, impulsul electromagnetic nuclear) COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA curs 2 70/71
Bibliografie 1. A. Ignea, Compatibilitatea electromagnetica, Editura de vest, Timișoara, 2007 2. F.D. Surianu, Compatibilitate electromagnetica. Aplicatii in ingineria sistemelor electroenergetice, Editura Orizonturi Universitare, Timisoara, 2005; 3. G. Hortopan, Principii si tehnici de compatibilitate electromagnetica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1998; 4. A.J. Schwab, Compatibilitatea electromagnetica, Editura Tehnica, 1996. 5. Eugen Coca, Curs de CEM, Universitatea Ştefan cel Mare Suceava, Facultatea de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor 6. http://www.et.upt.ro/admin/tmpfile/fileu1318237973file3e92de2666117.pdf 71/71
1. Care sunt deosebirile dintre sursele funcționale si sursele nefuncționale? 2. In câte moduri se pot clasifica perturbațiile electromagnetice? 3. Exemplificați câteva tipuri de perturbații naturale și artificiale și menționați-le principalele caracteristici. 4. Explicați care sunt motivele pentru care aparatele electronice sunt mai putin afectate de distorsiunile armonice. 5. Exemplificați, din propria experiență câteva perturbații de regim tranzitoriu. 6. Care este diferența dintre fluctuațiile de tensiune și căderile de tensiune ale rețelei și care dintre ele sunt mai periculoase pentru echipamentele electronice? 7. Care este diferente dintre lficker si fluctuatii ale tensiunii? Dați exemple de jucării care pot fi surse de PEM. 8. Clasificati PEM dupa natura lor. Clasificați PEM după evoluția lor în timp etc. 9. Din ce cauză sunt considerate mai periculoase, din punct de vedere al CEM, exploziile nucleare produse la o înălțime mare comparativ cu cele produse la o înălțime mică?