Villamosenergia minőség Alkalmazási segédlet Földelés és EMC Az elektromágneses összeférhetőség alapjai (EMC) 6.1.2 Földelés és EMC
Földelés és EMC Az elektromágneses összeférhetőség alapjai (EMC) Prof. Dr. rer nat Wolfgang Langguth Hochshule für Technik und Wirtschaft 2006. május Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelők és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elősegítése. A szolgáltatások, beleértve a műszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi a rézpiac fejlesztésén tevékenykedő- szervezetével. Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelői és Európa vezető réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erőfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett. Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelősséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerű meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzői jog : Copper Development Association (CDA) Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik. Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail: info@hcpcinfo.org Web: www.rezinfo.hu
Bevezetés Földelés és EMC Régebben a hagyományos épületekben alkalmazott villamos berendezések között túlsúlyban voltak a lineáris terhelések (mint például a váltakozó- és egyenáramú motorok, ellenállásos terhelések, wolframszálas izzó lámpák stb.), amelyek nem, vagy csak nagyon kismértékben okoztak zavarokat a különböző berendezésekben. A ma használatos terhelések között sok a nemlineáris (inverterrel táplált váltakozó-áramú motorok, gázkisüléses lámpák, energiatakarékos lámpák stb.). Ezek részben keskenysávú zavarokat hoznak létre (a 9 khz feletti rögzített frekvencián működő eszközöknek köszönhetően), amelyek a teljes hálózaton szétterjednek. Ilyen jellegű vezetett zavarjelet jellemzően a kapcsolóüzemű tápegységek termelnek, amelyek 10 khz és 100 khz között üzemelnek. Ugyanakkor megfigyelhető a digitális rendszerek használatának növekedése, mint például az információtechnológiai berendezések elterjedése a műszaki életben, az ipari folyamatok automatizálásában, a multimédiás és az üzleti alkalmazásokban. Az elektromágneses zavarokat okozó (EMI) teljesítményelektronikai energiaellátó rendszerek száma és teljesítménye egyre nő, ugyanakkor terjednek a digitális rendszerek, amelyek jelfeszültsége, működési teljesítményszintje egyre csökken, ezért egyre érzékenyebbek az elektromágneses környezetre. Növekszik az adatátviteli sebességük és egyre nagyobb mértékben alkalmazzák ezeket a rendszereket a biztonságtechnikával kapcsolatos feladatokra. Ez a fejlődés mindazokban az épületekben megköveteli a jó minőségű villamos hálózatok kiépítését, ahol az elektromágneses összeférhetőség hiánya akár a költségek növekedését, akár a biztonsági szintek elfogadhatatlan mértékű csökkenését eredményezi. Alapvetően az épületek összes villamosan vezető szerkezeti eleme és berendezési tárgya szerepet játszik az elektromágneses zavarás során akár forrásként (elektromágneses zavar adó), vagy vevőként (elektromágneses zavar vevő). A villamos hálózat vezetői mellett a fémcsövek, a betonszerkezetek vasalása, a fém homlokzatok és az épületek acélszerkezetei mind részesei a teljes EMC folyamatnak, amelyekben az elektromágneses zavarok tovább is terjedhetnek. Gyakran előfordul, hogy valamely szerkezet egyszerre forrásként és vevőként is működik. A jellemző rendszerek a következők: Energia ellátó vonalak Mérő- és szabályozó készülékek Riasztó berendezések Számítógépes hálózatok, beleértve a vezetékezést. Nem megfelelő telepítés és TN-C hálózat esetén a zavarjelek a teljes épületen belül szétterjednek, sőt eljuthatnak a szomszédos épületekbe is. Az Európai Unió felismerte az EMC növekvő jelentőségét. Az Európai Unió 89/336/EEC számú EMC irányelve szerint (amelyet a 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC és a 93/97/EEC irányelvek módosítottak, majd a 2004/ 108/EK kiváltott) az épületekben lévő összes villamos berendezésnek ki kell elégítenie az elektromágneses zavartűrésre és zavarkibocsátásra vonatkozó nemzetközi szabványokat. Az irányelv értelmében mindazok a személyek gyártó -nak minősülnek, akik felelősek a tervezésért és gyártásért (összeszerelésért és létesítésért), és teljes felelőséggel tartoznak azért, hogy a berendezés az irányelv összes vonatkozó rendelkezésének megfeleljen az üzembe helyezéskor. Annak érdekében, hogy az épületben kialakítandó villamos hálózat megbízhatóan és költséghatékony módon biztosítsa az EMC követelményeket, már a tervezés legkorábbi szakaszában feltétlenül szükség van az EMC helyzet elemzésére és az EMC terv kidolgozására. Minden villamos berendezés felülvizsgálata és üzembe helyezése EMC területen jártas szakembert igényel. Ennek a résznek az a célja, hogy áttekintse és alapszinten megismertesse az elektromágneses zavarás fő fizikai törvényszerűségeit, és bevezetést nyújtson a zavaró hatások elleni védekezés alapelveibe. Az erőterek, mint az elektromágneses zavarás alapvető forrásai interference Az elektromágneses összeférhetőség a villamos vagy elektronikus rendszereknek, gépeknek, készülékeknek stb. az a képessége, hogy a saját elektromágneses környezetükben kielégítően működnek anélkül, hogy környezetükben bármi számára elviselhetetlen elektromágneses zavarást idéznének elő. 3
Az elektromágneses zavarás (EMI) alapvető forrásai az elektrodinamika területén előforduló erőterek és áramok. Kis frekvenciákon a villamos és mágneses erőterek egymástól függetlenül hatnak; nagy frekvenciák esetén csak a terjedő elektromágneses erőtérnek van jelentősége. A kis-, közepes- és nagyfrekvenciájú erőtereket villamos töltések és áramok hozzák létre. Kis frekvenciákon a villamos és mágneses erőterek hatótávolsága viszonylag kicsi. Nagyságuk a forrástól mért távolságnak legalább a reciprokával arányosan csökken, ezért ezek az áramvezető vagy feszültség alatt lévő vezetők közelében koncentrálódnak. Mivel a villamos erőtér a villamos berendezés feszültségével arányos, ezért az elektromágneses zavaráshoz szükséges nagyságú villamos erőtér csak a nagyfeszültségű berendezések közelében alakul ki. Ezzel együtt a legtöbb berendezésben a villamos erőterek nem játszanak jelentős szerepet. Ugyanakkor azonban kis távolságok esetén, mint például a kábelcsatornákban együtt futó több kábel esetén figyelembe kell venni a villamos erőteret, mint az elektromágneses zavarás egyik lehetséges forrását. A mágneses erőtér a villamos áram nagyságával arányos. Számos energiaellátó rendszerben az áramok nagy értékeket érhetnek el, így a létrejövő mágneses erőtér is nagy lesz, ezért jelentős elektromágneses zavaró hatásokkal kell számolni. Ennek különösen a TN-C típusú hálózatokban nagy a valószínűsége. A nulla vezetőnek (N) és a védővezetőnek (PE) a PEN vezetőben történő egyesítése, és az épület egyéb fémszerkezeteinek a bekötése miatt az áramok az épület minden részébe eljuthatnak, és a kialakuló mágneses erőterek szinte mindenhol előidézhetnek elektromágneses zavaró hatásokat. Mivel a nullavezetőn visszafolyó áram egy része külső fémszerkezetekben folyik, a TN-C hálózat eredő árama aszimmetrikus lesz, és a TN-C hálózat körül kialakuló mágneses erőtér nagyságrendekkel megnő. A katódsugárcsöves számítógép monitorokat könnyen meg lehet zavarni 1,5 µt nagyságrendű mágneses indukcióval (a zavarás a képernyő remegésében jelentkezik). Ekkora erőtér jön létre például egyetlen, 10 A nagyságú, 50 Hz frekvenciájú áramot vezető tápvezetéktől 1,3 m távolságban. A nagyobb méretű (>17 hüvelyk) katódsugárcsöves számítógép monitorok még érzékenyebbek a külső mágneses erőterekkel szemben. Ha a tápvezetékben folyó áram nagyobb frekvenciájú összetevőket is tartalmaz, akkor a zavaró hatás még erőteljesebb. Nagyfrekvenciákon a villamos és a mágneses erőterek elektromágneses térré alakulnak át, amely a térben fénysebességgel terjed. Ebből adódóan a zavaró hatása sokkal nagyobb távolságban érvényesül. Manapság az elektromágneses terek legjelentősebb forrásai a radarok, rádió- és tv adók, mobil telefonok, DECT telefonok, vezetéknélküli hálózatok (WLAN), Bluetooth összeköttetések és a mikrohullámú tartományban működő ipari berendezések. Ugyanakkor az energia vezetékek antennaként is működhetnek, miközben vezetik a hálózatban szándékoltan (pl. tápvonali jelátvitel) vagy nem szándékoltan (pl. gyors tranziensek) megjelenő nagyfrekvenciás jeleket. A villamos berendezések elektromágneses erőterekkel szembeni zavartűrésének biztosításához gondos tervezésre és az árnyékolások alapos kialakítására van szükség. Az elektromágneses csatolások fajtái Az elektromágneses zavarás csatolásának elemi modellje Az elektromágneses zavarás tárgyalását célszerű egy nagyon egyszerű modellel kezdeni. Ez tartalmazza a forrást, amely a zavarást okozza, valamilyen csatolási folyamatot vagy csatoló közeget és a zavart eszközt. Az elektromágneses zavar forrása Csatolási folyamat Az elektromágneses zavar vevője 1. ábra: Az elektromágneses zavarás elemi modellje A forrásokra példák lehetnek, az előbbiekben említettek szerint a villamos energiarendszer, a vezeték nélküli helyi hálózatok (LAN) antennái stb. A csatolás az áram útján valósul meg, ha a különböző áramkörök közös vezetői villamos, mágneses vagy elektromágneses térben haladnak. A zavar vevője bármilyen fajta készülék vagy a villamos berendezés bármely része lehet. Természetesen egy adott épületben lévő összes berendezés vagy 4
hálózat között fellépő teljes elektromágneses kölcsönhatás ezeknek az elemi kölcsönhatásoknak a nagyon bonyolult kombinációja. Ráadásul bármely zavarvevő elektromágneses zavarforrásként is működhet, és fordítva. Új létesítéskor vagy felújítás esetén a tervezési szakaszban meg kell határozni az összes lehetséges forrást, csatolási utat és zavart objektumot tartalmazó mátrixot. Ennek a mátrixnak a segítségével kell megbecsülni a kölcsönhatások lehetséges mértékét, majd megítélni, hogy milyen fajta elektromágneses zavarok alakulhatnak ki, és ezek közül várhatóan melyek lesznek jelentősek. Csak ennek az elektromágneses zavarok kölcsönhatását tartalmazó mátrixnak az alapján lehet a védőintézkedéseket már a kezdeteknél megtervezni, lehetővé téve a gyors és költséghatékony megoldást. Négy különböző fajta elemi elektromágneses zavarást lehet megkülönböztetni: Galvanikus csatolás Induktív csatolás Kapacitív csatolás Csatolás sugárzás útján A különböző csatolási módok alapvető fizikai tulajdonságait foglalja össze a következő táblázat: Forrás Frekvenciatartomány Csatolás Hatótávolság Vevő Villamos tér Kisfrekvencia Kapacitív Kicsi Nagy- és kisfeszültségű kábelek Mágneses tér Kisfrekvencia Induktív Kicsi Nagy- és kisfeszültségű kábelek Elektromágneses tér Nagyfrekvencia Sugárzás Nagy Nagy- és kisfeszültségű kábelek 1. táblázat: Az elektromágneses csatolási módok alapvető fizikai tulajdonságai Épületekben a zavarjelenségek legnagyobb részét az induktív csatolások, kisebb részét pedig a kapacitív és a galvanikus csatolások idézik elő. A sugárzás útján történő csatolásnak mindeddig nem volt általában különösebb jelentősége, mivel a fellépő térerősségek rendszerint jóval alatta maradnak az Európai Unió EMC irányelvében előírt zavartűrési vizsgálatok során megkövetelt határértéknek. Azonban a vezetéknélküli alkalmazások terjedése a jövőben az ilyen jellegű elektromágneses zavarási jelenségek megszaporodásához vezethet. Galvanikus csatolás Galvanikus csatolás akkor lép fel, ha különböző áramkörök közös vezetőket és/vagy csatolóimpedanciákat tartalmaznak. Ez például akkor fordulhat elő, ha különböző áramköröket azonos feszültségforrás táplál. A galvanikus csatolás alapelve a 2. ábrán látható. Az I. áramkör legyen például az energiaellátó hálózat része, a II. áramkör pedig egy adatátviteli hálózat. A közös Z c = R c + jvl c csatoló impedancia miatt az u 2 jelfeszültségre szuperponálódó feszültség kis értékű Z c (Z c <<Z i + Z L ) esetén a következő összefüggéssel számítható: (1) 2. ábra: Galvanikus csatolás Ha az i 1 áram és/vagy a Z c csatoló impedancia elég nagy, akkor a szuperponálódó u k feszültség az u 2 jelfeszültséghez képest elég nagy lehet ahhoz, hogy megzavarja az adatátviteli áramkört. 5
A közös vonalszakasz impedanciája ohmos és induktív összetevőkből áll: Z c (ω) = R c + jωl c. Míg a csatolás ohmos összetevője nem függ a frekvenciától (a szkinhatástól eltekintve), addig az induktív összetevő jelentősége megnő a nagyobb frekvenciákon. A jelenség rövid magyarázatához tekintsük a következő modellt: 1. egység 2. egység 3. ábra: A galvanikus csatolás egyszerű modellje A Z c impedancián fellépő udist zavarfeszültség a 2. egység jelére szuperponálódik, és az i(t) áramtól valamint annak időbeli di(t)/dt változásától függ. Az egyszerűsített modellben a zavarfeszültséget a következő összefüggéssel lehet becsülni: (2) Ha a modellünk paramétereit a gyakorlatból vett értékekkel vesszük figyelembe (a vonal hossza l = 2 m, az öninduktivitás L c = 1 µh/m, az ellenállás R c = 1 Ω, az áram i = 1 A és az áramváltozás nagysága di/dt = 1 A / 100 ns), akkor a galvanikus csatolásból származó feszültségértékek a következőképpen alakulnak: (3) Nagyfrekvenciákon egyértelműen a vonalak öninduktivitása a meghatározó. Ez még akkor is igaz, ha figyelembe vesszük a szkinhatás miatti látszólagos ellenállás növekedést, amelyet a gyors tranziensek és a digitális jelek esetén nem lehet elhanyagolni. A Kirchhoff törvények szerint a zavarjelek szétterjedhetnek a hálózaton a teljes létesítményen belül, sőt a szomszédos létesítmények hálózatain is megjelenhetnek. A galvanikus csatolás csökkentése érdekében kerülni kell a független rendszerek közötti összeköttetéseket. Abban az esetben, ha összeköttetésekre szükség van, ezek öninduktivitását a lehető legkisebb értéken kell tartani. A gyakorlatban a villamos energiaellátó áramkörök galvanikus szétválasztását a legegyszerűbben a TN-C rendszer helyett TN-S rendszer alkalmazásával lehet elérni. Induktív csatolás Az időben változó külső i 1 (t) áram maga körül B(t) mágneses indukciót hoz létre, amely a közelben lévő áramkörben u dist (t) zavarfeszültséget indukál. A jelenség leírására alkalmas áramköri modellben a csatolást az M kölcsönös induktivitás segítségével lehet figyelembe venni. Az u dist (t) zavarfeszültség olyan közös módusú i 2 (t) áramot indít meg az áramkörben, amely a külső teret gyengítő mágneses erőteret hoz létre. Az i 2 (t) áram a zavart rendszer áramaira szuperponálódik, ami a rendszer hibás működéséhez vezethet. Különböző rendszerek mágneses erőtereinek csatolását a csatolt áramkörök közötti kölcsönös impedanciát figyelembe vevő helyettesítő áramkörrel lehet modellezni (4. ábra). 6
a) b) 4. ábra: Induktív csatolás a) erőtér modell, b) helyettesítő áramkör A csatolás mértéke alapvetően három paramétertől függ: a zavaró áram nagyságától a forrás és a vevő közötti távolságtól a zavaró erőtér frekvenciájától. A zavarjel akkor lesz nagy és jelentős, ha: a külső áramkörben folyó áram nagy az elmenő és visszatérő vezetőben folyó áramok aszimmetrikusak (mint pl. a TN-C hálózatban) az áramkörök közel vannak egymáshoz, és nagy hurkot írnak le a külső áramkörben folyó áram időben gyorsan változó, és emiatt jelentős a nagyfrekvenciás tartalma. Az induktív csatolás ugyanakkor a zavarás mérséklése során hasznos is lehet. Ha a kábeltálcák és a koaxiális kábelek telepítése megfelelő (azaz, ha rövid vezetőkkel megbízhatóan vannak összekötve, amelyek impedanciája nagyfrekvenciákon is kicsi), akkor ez, különösen nagyobb frekvenciákon a kábelek árnyékolását biztosítja a külső mágneses erőterekkel szemben. Az induktív csatolás függése a geometriától Az induktív csatolás függését a villamos hálózat típusától és geometriájától a következő példa kapcsán lehet szemléltetni. A következtetések a hálózatok elektromágneses összeférhetősége szempontjából fontosak. Tekintsünk két esetet: az elsőben egyetlen vezető, a másodikban egy elmenő és egy visszavezető vonal hatását számítsuk ki egy tőlük r távolságra lévő derékszögű hurokkal modellezett áramkörre. A mágneses indukciót a két esetben a következő összefüggésekkel lehet pontosan kiszámítani: ahol (4) A mágneses erőtér az i(t) árammal arányos. Azonban, amíg az egyvezetős gerjesztés esetén az erőtér csak a távolság reciprokával arányosan csökken, addig a kétvezetős vonal esetén az erőtér már a távolság négyzetének reciprokával arányosan csökken nagyobb távolságok esetén. Ez okozza a távolság hatásának jelentős különbségét a két esetben. A következő ábrán a mágneses indukciónak és az egységnyi hosszra eső kölcsönös induktivitásnak az alakulása látható. A példában az i(t) áram értékét 1 A-nek, az a távolságot 1,5 mm-nek választottuk. A szimmetrikus kétvezetős vonal által létrehozott mágneses erőtér két nagyságrenddel kisebb, ráadásul a távolsággal gyorsabban csökken, mint egyetlen vezető esetén. Ugyanez érvényes a kölcsönös induktivitásra 7
a) b) Egy- vagy kétvezetős vonal Villamos áramkör Mágneses indukció 5. ábra: a) Egy- és kétvezetős vonal, mint a mágneses erőtér forrása b) villamos áramkör, mint vevő a) b) Egyetlen vezető Egyetlen vezető Kétvezetős gerjesztés Kétvezetős gerjesztés 6. ábra: a) Az egy- és kétvezetős gerjesztés által létrehozott mágneses indukció b) egy hurok és az egy- illetve kétvezetős gerjesztés közötti egységnyi hosszra eső kölcsönös induktivitás is. A kölcsönös induktivitásnak a hurok területétől való függése a 6.b) ábrához hasonlóan alakul. Ez a példa rávilágít a legalapvetőbb ismeretekre, amelyekből az elektromágneses összeférhetőség követelményeit kielégítő hálózatok tervezésének néhány aranyszabálya következik: minden villamos hálózat hurokméretét a lehető legkisebbre kell választani a nagyáramú vezetőktől a lehető legnagyobb távolságot kell tartani az energiaellátó vonalakat és az adatvonalakat el kell választani egymástól csak TN-S hálózatot szabad alkalmazni. Csak a TN-S hálózatok nyújtanak EMC-barát megoldást. A TN-C hálózatokban aszimmetrikus áramok jelenhetnek meg, és így a TN-C hálózatban az aszimmetrikus áramot vezető egyetlen vonal hatása lesz a meghatározó a mágneses indukció létrehozásában. Azonos hálózati elrendezés esetén az aszimmetrikus áram által létrehozott mágneses indukció legalább két nagyságrenddel lesz nagyobb, mint a TN-S hálózat esetén. 8
Az induktív csatolás frekvencia függése Az induktív csatolás frekvencia függésének ismerete elengedhetetlenül fontos az olyan villamos hálózatok kialakítása során, amelyek a külső nagyfrekvenciás zavarokkal szemben optimális védelmet nyújtanak. Vegyünk újra egy, az 5.b) ábrához hasonló ideális kísérleti elrendezést. A 7. ábra mutatja az elrendezés helyettesítő áramkörét, amelyben a kisméretű hurok öninduktivitása L 2, ellenállása R 2, a gerjesztést adó külső vonalban i1(t) áram folyik és a kettő közötti kölcsönös induktivitás M. 7. ábra: Az induktív csatolás helyettesítő kapcsolása Ha meghatározott ω körfrekvenciájú áramokat vizsgálunk (i 1,2 (t) = i 1,2 (ω)e jωt ), akkor az egyszerű modell esetén az i 1 (ω) zavaró áramnak és az i 2 (ω) indukált áramnak pontosan ki lehet számítani az átviteli függvényét, amelyre az 5. egyenlet adódik: (5) Annak a megértéséhez, hogy ez az összefüggés mit jelent egy valóságos hálózatban, vegyünk egy l = 0,3 m hosszúságú és w = 0,1 m szélességű hurkot, amely d = 2 mm távolságra van a zavaró áramot vezető vonaltól. A belső ellenállás értékét válasszuk R 2 = 50 Ω-nak. Az öninduktivitást és a kölcsönös induktivitást az adatokból ki lehet számítani, értékük: L 2 = 0,9 µh és M = 0,2 µh. Az indukált áramnak a külső zavaró áramhoz viszonyított i 2 (ω) / i 1 (ω) értéke a következő ábrán látható: 8. ábra: Az áram átviteli függvényének esettanulmánya Az i 2 indukált áram nő, ha az i 1 zavaró áram és annak frekvenciája nő. Kisfrekvenciákon az ω-val arányosan növekszik, míg nagyfrekvenciákon az i 2 elér egy telítési értéket. Ezt a telítési értéket az M/L 2 arány határozza meg. Az elektromágneses zavaró hatások csökkentése érdekében az elektromágneses összeférhetőség követelményeit kielégítő hálózatban a csatolt áramkörre vonatkozó M kölcsönös indukciónak a lehető legkisebbnek, míg az L 2 önindukciónak a lehető legnagyobbnak kell lennie. Mivel a gyors zavarok több és nagyobb nagyfrekvenciás összetevőket tartalmaznak, ezért ezek nagyobb zavarokat okoznak. Ez látható a 9. ábrán, ahol a digitális jelet helyettesítő trapéz formájú áram-hullámalak által létrehozott indukált áram számított értékei láthatók. 9
Mivel a gyors zavarok több és nagyobb nagyfrekvenciás összetevőket tartalmaznak, ezért ezek nagyobb zavarokat okoznak. Ez látható a 9. ábrán, ahol a digitális jelet helyettesítő trapéz formájú áram-hullámalak által létrehozott indukált áram számított értékei láthatók. 9. ábra: Lassú és gyors, trapéz alakú áramok által létrehozott indukált áramok A 9. ábrán látni lehet, hogy az indukált áram a lassú felfutású külső áram amplitúdójának több, mint 10 %-át éri el, gyors felfutású külső áram esetén pedig annak több, mint 15 %-át. Ezek a nagy értékek a digitális jelek meredek felfutásából erednek. Hasonlóan nagy értékek adódnak minden elektronikus kapcsolási folyamatból, mint pl. a fázisszög-vezérelt fényerősség szabályozókból. A fényerősség szabályozó kapcsolását trapéz alakú jellel lehet modellezni. Az 50 Hz-es jel többi része gyakorlatilag elhanyagolható. Eddig az elektromágneses zavarás vevőjeként rövidrezárt hurkot vizsgáltunk. Ebben az esetben a villamos jellemzőket kell optimalizálni annak érdekében, hogy az i 2 (t) indukált áram a lehető legkisebb legyen. Az i 2 (t) indukált áramnak azt a tulajdonságát, hogy az őt létrehozó külső mágneses erőteret csökkentő mágneses erőteret hoz létre, szintén fel lehet használni a burkolt, érzékeny villamos vagy elektronikus rendszerek árnyékolásában. Ebben az esetben a rövidrezárt hurok villamos paramétereit úgy kell megválasztani, hogy a mágneses erőtér csökkenését eredményező i 2 (t) értéke legyen optimális, és ezáltal a hurokban fellépő mágneses fluxus a lehető legkisebb legyen. Erre a célra fel lehet használni például az árnyékolt kábelek árnyékolását, a kábeltálcákat, a kábelek kihasználatlan ereit stb. A rövidrezárt hurok modellünkben fellépő eredő mágneses fluxus értékét a következő összefüggéssel lehet számítani: (6) Megfigyelhető, hogy az eredő mágneses fluxus kis R 2 értékek esetén lesz a legkisebb. A rövidrezárt hurok modellünk árnyékolási tulajdonságainak alakulását különböző R 2 értékek esetén a 10. ábrán követhetjük nyomon. Az árnyékolás hatékonysága rohamosan nő a rövidrezárt hurok ellenállásának csökkentésével. Az ábrán az R 2 =, 500, 50, 5 Ω hoz tartozó görbék szerepelnek. Ezekből az eredményekből az épületekben alkalmazandó fontos létesítési szabályok következnek. Az árnyékoló szerkezetek, mint pl. a kábeltálcák, kábelcsatornák, szekrények stb. összes összekötésének nagyfrekvenciákon kis ellenállással kell rendelkezniük. A szkinhatás miatt a frekvencia növelésével minden vezető ellenállása növekszik. Ezért a vezetők geometriáját úgy kell megválasztani, hogy nagyfrekvenciákon a látszólagos ellenállás a lehető legkisebb legyen. Az optimális vezetőgeometria a lapos szalag, amely lehet tömör vagy fonott, és amelynek a felülete nagy, viszont a vastagsága kicsi. A szabványos körkeresztmetszetű vezetők nem ideálisak. Természetesen egy rövidrezárt hurok csak abban az esetben fejthet ki hatékony árnyékoló hatást, ha benne kialakulhat az indukált áram, azaz ha a rövidrezárt hurokban nincs szakadás. Az árnyékolásokat tehát mindkét végükön le kell földelni annak érdekében, hogy ne korlátozzuk az áramot. 10
10. ábra: Rövidrezárt hurok árnyékolásának hatékonysága az R 2 hurokellenállás különböző értékei esetén Kapacitív csatolás Külső rendszer időben változó villamos tere a zavart rendszerben a töltések időbeli változását eredményezi. A zavarfeszültségeket létrehozó eltolási áramokat a két rendszer közötti szórt kapacitásokat figyelembe vevő helyettesítő áramkörrel lehet modellezni. a) b) 11. ábra: Kapacitív csatolás a) erőtér modell, b) helyettesítő áramkör A kapacitív csatolás akkor lesz jelentős, ha: a két áramkör közel van egymáshoz a két áramkör közötti feszültségkülönbség nagy a zavart okozó pl.külső áramkörben lévő jelek időben gyorsan változnak, és emiatt jelentős a nagyfrekvenciás tartalmuk. Példaként tekintsük egy energiaellátó áramkör kábeleit és egy helyi hálózat (LAN) áramkörét, amelyek egy kábeltálcában, egymáshoz közel párhuzamosan haladnak 10 m hosszúságban. Ha az erősáramú kábelben folyó 230 V feszültségszintű és 50 Hz frekvenciájú áram tisztán szinuszos, akkor az adatkábelben megjelenő zavarjel amplitúdója 10 V-ot ér el, amely még elfogadható érték. Azonban, ha az erősáramú kábelben a nemlineáris terhelések miatt nagyfrekvenciás összetevők is jelen vannak, akkor az adatkábelben kialakuló zavarjel amplitúdója meghaladhatja a 90 V-ot, amely az adathálózatok működőképesség romlását vagy hibás működését eredményezheti. Ha a kábelezés és az árnyékolás tervezése megfelelő, és a kivitelezést gondosan végezték el, akkor ezek a fajta zavarok elkerülhetők, de legalábbis elviselhető mértékűre lehet őket csökkenteni. 11
A kapacitív csatolás legfontosabb tulajdonságainak vizsgálatához ismét tekintsünk egy olyan elemi modellt, amelyet analitikusan meg lehet oldani. A modell két áramkörből áll, amelyek az egyszerűség kedvéért közös visszatérő vezetőt használnak. Az elrendezés helyettesítő áramköre a következő ábrán látható: Az a és c vonal a külső rendszer része, a b és c vonal pedig a zavart rendszeré. 12. ábra: Háromvezetős modell a kapacitív csatoláshoz Ha meghatározott ω körfrekvenciájú feszültségeket vizsgálunk (u 1,2 (t) = u 1,2 (ω)e jωt ), akkor az egyszerű modell esetén az u 1 (ω) zavaró feszültség és az u 2 (ω) becsatolt feszültség közötti kapcsolatot pontosan ki lehet számítani: (7) A modell paramétereire válasszuk a következő értékeket: R 2 =1kV, C ab = C cb =100 pf. Ezek az értékek megfelelnek 1 mm vastagságú, egymástól 5 mm távolságban, 10 m hosszúságban párhuzamosan haladó kábeleknek. A külső feszültség értéke u 1 = 220 V. A kapacitív úton becsatolt u 2 feszültség frekvenciamenete a 13. ábrán látható. 13. ábra: A kapacitív csatolás frekvenciafüggése A kapacitív csatolás alakulása nagyon hasonló az induktív csatoláséhoz. Az u 2 becsatolt feszültség kisfrekvenciákon az u 1 zavaró jel frekvenciájával arányosan nő, és nagy frekvenciákon elér egy telítési értéket. A nagyfrekvenciás összetevőket tartalmazó gyors zavaró jelek itt is jelentős zavaró hatást eredményeznek. A 14. ábra a normál 220 V-os, 50 Hz-es szinuszhullám és a fázisszög-vezérelt fényerőszabályozó által létrehozott becsatolt feszültségeket szemlélteti. A szinuszhullám kb. 7 mv amplitúdójú szinuszos jelet eredményez, amely a legtöbb esetben elhanyagolható. Ezzel szemben, a fényerő-szabályozó kapcsolási folyamatai 110 V-os csúcsértéket hoznak létre. 12
14. ábra: a) 50 Hz-es szinuszhullám, b) fázisszög-vezérelt fényerőszabályozó által kapacitív csatolással létrehozott jelek A kapacitív csatolás mértékét árnyékolt kábelek alkalmazásával lehet csökkenteni. A két árnyékolt kábelből álló modell a következő ábrán látható. S 1 C 13 S 2 C 34 C 24 15. ábra: Két árnyékolt kábel közötti kapacitív csatolás Az S 1 és S 2 vezetőképes árnyékolás egy ponton csatlakozik a rendszerhez. Az u 2 becsatolt feszültség alakulása megegyezik a 7. egyenlettel, ahol: C ab - t a kifejezéssel, és C bc -t C 34 -gyel kell helyettesíteni. A becsatolt feszültség legnagyobb értéke lehet, 13
amiből az következik, hogy a vezető és az árnyékolás közötti jó kapacitív csatolás (C 34 ) növeli az árnyékolás hatékonyságát. A következő ábra egy gyors tranziens impulzussal (burst) szemben mutatja különböző kapacitív csatolások esetén az árnyékolás hatékonyságát. 16. ábra: Különböző belső kapacitív csatolással rendelkező árnyékolás hatékonysága burst impulzussal szemben Csatolás sugárzás útján Az elektromágneses terek a térben fénysebességgel (c = 2,998 10 8 m/s) terjednek, és befolyásolhatják a forrás közelében vagy attól távol lévő villamos berendezéseket. Az elektromágneses terek leggyakoribb forrásai a tv adók, mobil telefonok és mindenféle vezetéknélküli alkalmazás. A gyors jelek vagy a gyors tranziensek (ESD, lökőhullám, burst impulzus) nagyfrekvenciás összetevőinek hatására a kábelek vagy a villamos hálózat egyéb vezető részei elektromágneses sugárzást hoznak létre, amely zavarhatja az épület más részeiben lévő villamos hálózatokat. Ha az energiaellátó- vagy adathálózat nagyfrekvenciás összetevőjű zavarokat tartalmaz, akkor a hálózat elemei antennaként működhetnek, és elektromágneses sugárzást bocsáthatnak ki. A jelenség a Hertz dipólussal modellezhető, amellyel megbecsülhető a sugárzott erőterek nagysága. A villamos berendezések minden egyes vezető része felfogható antennaként, így többek között: a kábelek a burkolatok, tokozások nyílásai, rései a nyomtatott áramköri lapok áramvezető fóliái. f [MHz] λ [m] A berendezések burkolatain található nyílások és rések zavarokat sugároznak a környezetükbe vagy a saját belsejükbe, ezzel zavarják a környezetükben lévő többi berendezést és/vagy az elektromágneses erőtereket bejuttatják a rendszerek belsejébe. Példaként tekintsünk egy emberi test és egy fémlap között kialakuló elektrosztatikus kisülést. Átíveléskor az elektrosztatikus kisülés nemcsak jelentős áramot szállít, hanem elektromágneses teret is létrehoz, amelynek hatására 1 m-nél kisebb távolságban 0,5-4 kv feszültség is keletkezhet adott esetben. Ezek az elektromágneses terek a nem megfelelően kialakított burkolat belsejében lévő villamos rendszert megzavarhatják az antennaként működő nyílások miatt. 0.1 3000 1 300 10 30 100 3 1000 0.3 2. táblázat: Néhány frekvenciaérték és a hozzájuk tartozó hullámhosszak A vezető részek, mint a kábelek és a nyílások akkor kezdenek el sugározni, ha a hosszúságuk meghaladja a hullámhossznak kb. a felét. Az elektromágneses hullámok hullámhossza és frekvenciája között a fénysebesség teremt kapcsolatot: λ = c / f. Néhány jellemző adatpár található a 2. táblázatban. 14
A gyakorlatban a berendezések burkolata nem lehet teljesen zárt. A bemenő kábelek és a hűtés miatti nyílások valamint az ajtók körüli rések elkerülhetetlenek. Ezek a nyílások minden burkolat árnyékolásának hatékonyságát csökkentik. A burkolat célszerű kialakításával viszont elfogadható szintű árnyékolást lehet elérni. Az árnyékoláson lévő nyílások miatti áteresztőképesség alapvetően három tényezőtől függ: a nyílás legnagyobb lineáris mérete a hullámimpedancia a forrás frekvenciája. l = λ / 2 hosszúságú rés esetén az árnyékolás hatékonysága a következő: (8) Fele olyan hosszúságú rés esetén az árnyékolás 6 db-lel növekszik. A 17. ábra az árnyékolás hatékonyságát mutatja a frekvencia függvényében, különböző hosszúságú rések esetén. S [db] Range l= 1cm l= 5 cm l= 10cm l= 50 cm l= 1 m 17. ábra: Különböző hosszúságú rések árnyékolási hatékonysága a frekvencia függvényében A gyakorlatban a berendezéseken legfeljebb a hullámhossz 1/20-ánál rövidebb rések lehetnek, ha legalább 20 db árnyékolási hatékonyságot szeretnénk biztosítani. A 8. egyenletből és a 17. ábráról meghatározható a kívánt árnyékolási hatékonysághoz tartozó legnagyobb réshossz. f Komplex elektromágneses zavarás a gyakorlatban A gyakorlatban fellépő elektromágneses zavarás során a korábbiakban tárgyalt elemi csatolási folyamatok bonyolult kombinációja jelentkezik. Egy automatizálási rendszer egyszerű modellje látható a 18. ábrán, amelyben az összes csatolás egy rendszeren jelenik meg, amely ugyanakkor kapcsolatban van a saját környezetével. Minden egyes egyedi rendszer be van ágyazva más rendszerekből álló hálózatba, és ezek együtt alkotják az elektromágneses zavarás bonyolult kölcsönhatásait. A teljes rendszer megfelelő működésének biztosításához létre kell hozni az u.n. EMC mátrixot, amelyet mind az új épületek, mind a felújítások tervezési folyamatában figyelembe kell venni. Az EMC irányelv és annak jelentősége az épületek berendezései szempontjából Az Európai Unió irányelveinek célja annak biztosítása, hogy az Európai Unióban gyártott vagy forgalomba hozott minden egyes termék megfeleljen a közös szabványoknak, és így a tagállamokban minden további szabályozás nélkül forgalomba lehessen hozni ezeket. Az elektromágneses összeférhetőség területén a 89/336/ EEC európai direktíva (amelyet a 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC és a 93/97/EEC irányelvek módosítanak) 15
Elektromágneses terek Bemenő/Kimenő jelvezetékek Automatizálási rendszer Busz vezetékek Energiaellátás Földelő vezetékek Figure 18 - Various couplings paths of an automation system minden termék esetén meghatározza azokat az általános szabványokat, amelyek a termék zavarkibocsátásának korlátozásával és a külső elektromágneses zavarokkal szembeni zavartűrés legkisebb értékének előírásával biztosítják az elektromágneses összeférhetőséget. Minden egyes hordozható termék gyártójának nyilatkoznia kell, hogy a termék megfelel az Európai Unió szabványainak. A terméket CE jelöléssel kell ellátni, amely a fogyasztó számára igazolja, hogy a termék kielégíti az EMC összeférhetőségi irányelveket. Ami a villamos hálózatokat illeti, megfelelőségi nyilatkozatra és CE jelölésre ugyan nincs szükség, azonban az európai irányelv szabványainak való megfelelőséget biztosítani kell. Ez azoknak a feladata, akik a villamos hálózat tervezéséért és kivitelezéséért felelősek. A megfelelőség biztosításának és ellenőrzésének megvannak a módszerei. Az első lehetőség EMC szempontból minősített részegységek alkalmazása, amelyeket EMC területen kioktatott dolgozók építenek be. A második lehetőség tetszőleges részegységek alkalmazása, de ekkor egy EMC laboratóriumnak vagy kijelölt tanúsító szervnek a berendezés megfelelőségét méréssel kell igazolnia. Mindkét esetben a tervezőnek megfelelő dokumentumokkal kell bizonyítania az európai irányelv szabványainak való megfelelőséget. Kiegészítésképpen a berendezés gyártójának az európai irányelv III. melléklete szerint egyértelmű kezelési és karbantartási utasítást kell biztosítania. Ezeknek az utasításoknak tájékoztatást kell adniuk a rendeltetésszerű üzemeltetési, létesítési, összeszerelési, beállítási, beavatkozási és karbantartási körülményekről. Szükség esetén fel kell hívni a figyelmet az esetleges üzemeltetési korlátozásokra. Egy létesítmény villamos berendezés megfelelőségét a következő szabályok alkalmazásával lehet a legbiztonságosabb módon elérni: Az EMC szempontokat már a legkorábbi szakaszban figyelembe kell venni, és ha szükséges, igénybe kell venni EMC szakértők szolgálatait Csak EMC minősítéssel rendelkező egységeket és anyagokat szabad használni EMC területen kiképzett dolgozók végezzék a létesítést EMC területen képzett mérnökök felügyeljék a kivitelezést. Mivel az EMC területén folyó képzések még viszonylag újak, ezért indokolt a téma oktatásának fejlesztése. 16
Irodalomjegyzék 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) 17
Jegyzetek 18
Referencia és Alapító Tagok* European Copper Institute* (ECI) www.eurocopper.org ETSII - Universidad Politécnica de Madrid www.etsii.upm.es LEM Instruments www.lem.com Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH) www.agh.edu.pl Fluke Europe www.fluke.com MGE UPS Systems www.mgeups.com Centre d'innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC) www.citcea.upc.edu Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW) www.htw-saarland.de Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg www.uni-magdeburg.de Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) www.ceiuni.it Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH www.pih.be Polish Copper Promotion Centre* (PCPC) www.miedz.org.pl Copper Benelux* www.copperbenelux.org International Union for Electricity Applications (UIE) www.uie.org Università di Bergamo* www.unibg.it Copper Development Association* (CDA UK) www.cda.org.uk ISR - Universidade de Coimbra www.isr.uc.pt University of Bath www.bath.ac.uk Deutsches Kupferinstitut* (DKI) www.kupferinstitut.de Istituto Italiano del Rame* (IIR) www.iir.it The University of Manchester www.manchester.ac.uk Engineering Consulting & Design* (ECD) www.ecd.it Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven) www.kuleuven.ac.be Wroclaw University of Technology* www.pwr.wroc.pl EPRI Solutions Inc www.epri.com/eprisolutions Laborelec www.laborelec.com Szerkesztőségi bizottság David Chapman (Chief Editor) CDA UK david.chapman@copperdev.co.uk Prof Angelo Baggini Università di Bergamo angelo.baggini@unibg.it Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid ahernandez@etsii.upm.es Prof Ronnie Belmans UIE ronnie.belmans@esat.kuleuven.ac.be Dr Franco Bua ECD franco.bua@ecd.it Jean-Francois Christin MGE UPS Systems jean-francois.christin@mgeups.com Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra adealmeida@isr.uc.pt Hans De Keulenaer ECI hdk@eurocopper.org Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen jan.desmet@howest.be Dr ir Marcel Didden Laborelec marcel.didden@laborelec.com Dr Johan Driesen KU Leuven johan.driesen@esat.kuleuven.ac.be Stefan Fassbinder DKI sfassbinder@kupferinstitut.de Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza hanzel@uci.agh.edu.pl Stephanie Horton ERA Technology stephanie.horton@era.co.uk Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology antoni.klajn@pwr.wroc.pl Kees Kokee Fluke Europe BV kees.kokee@fluke.nl Prof Dr Wolfgang Langguth HTW wlang@htw-saarland.de Prof Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology henryk.markiewicz@pwr.wroc.pl Carlo Masetti CEI masetti@ceiuni.it Mark McGranaghan EPRI Solutions mmcgranaghan@eprisolutions.com Dr Jovica Milanovic The University of Manchester jovica.milanovic@manchester.ac.uk Dr Miles Redfern University of Bath eesmar@bath.ac.uk Dr ir Tom Sels KU Leuven tom.sels@esat.kuleuven.ac.be Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg Sty@E-Technik.Uni-Magdeburg.de Andreas Sumper CITCEA-UPC sumper@citcea.upc.edu Roman Targosz PCPC cem@miedz.org.pl Dr Ahmed Zobaa Cairo University azmailinglist@link.net
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes University of Applied Sciences Hochschule für Technik und Wirtschaft EMC Laboratory University of Applied Sciences Goebenstrasse. 40 66 117 Saarbrücken Germany Prof Dr Wolfgang Langguth Tel: 0049 681 5867279 Fax: 0049 681 5867122 Website: www.htw-saarland.de Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail: info@hcpcinfo.org Web: www.rezinfo.hu 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: eci@eurocopper.org Website: www.eurocopper.org