CW01 - Teorie měření a cv. 6

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

CW01 - Teorie měření a regulace cv. 6. ZS – 2014/2015

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace rušení 1

17.SPEC-tak.1. ZS – 2014/2015

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

T- MaR

Další pokračování o

„souvisejících problémech“ A

měření a snímačů …………

a to o

RUŠENÍ © VR - ZS 2014

……


T- MaR

RUŠENÍ aneb A

Základy elektromagnetické kompatibility © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Rušení a odrušování patří k základním elektrotechnickým jevům, protože přímo a nezaměnitelně souvisejí s jejich podstatou a hlavně s realitou působení elektrického proudu v reálných soustavách. Hlavním zdrojem rušení jsou nedokonalé spoje a kontakty, dále pak proudové nárazy – např. od zapínání velkých spotřebičů, zejména s převažujícím indukčním charakterem. 09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál, generovaný zdrojem rušení, přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. Je neoddělitelné od jakéhokoliv zařízení, které ke své funkci (činnosti) potřebuje elektromagnetické pole.

Je neoddělitelné od jakékoliv lidské činnosti. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Rušením se rozumí generování užitečných a nezbytných, ale i nežádoucích elektromagnetických polí různé intenzity a kmitočtového spektra.

Odrušováním se pak rozumí zamezení přístupu rušení k přístroji a rovněž omezení působení přístrojem vyvolaných vlastním rušením do okolí. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Po síťovém přívodu se rušení šíří buď symetricky, kdy rušivý proud teče obdobně jako napájecí proud po fázovém vodiči L do přístroje a po nulovém N zpět ke svému zdroji, nebo nesymetricky, kdy obecně rozdílné rušivé proudy tečou do přístroje po fázovém i nulovém vodiči a zpět jsou ke svému zdroji odváděny ochranným vodičem PE. V prvním případě vzniká rušivé napětí mezi vodiči L a N, ve druhém pak mezi L a PE i mezi N a PE.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Zvláštním případem nesymetrického šíření rušení, který má význam z měřicích důvodů, je šíření asymetrické, kdy jsou rušivé proudy v L a N vodiči zcela shodné a ve fázi. V praxi se většinou vyskytují kombinace uvedených šíření.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Třídění podle kmitočtové oblasti Definice oblastí Třídění podle kmitočtu je z mnoha hledisek zásadní, protože poskytuje dobrý přehled o charakteru a rozdílech mezi jednotlivými ději, a úzce souvisí jak se způsoby šíření, tak s výběrem vhodných omezujících a odrušovacích prostředků. Základní dělení na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční oblast je tradičně vymezeno kmitočtem 9 kHz. Pod touto hranicí se nacházejí nízkofrekvenční jevy většinou spojené s kmitočtem elektrorozvodné sítě a jeho harmonickými, které se obvykle uvažují do řádu padesát Hz. Oblast nad 9 kHz je vyhrazena vysokofrekvenčnímu rušení, ale je často normami sledována oblast až od 150 kHz výše. © VR - ZS 2014


T- MaR

Nízkofrekvenční rušení Nízkofrekvenční rušení souvisí s takovými jevy, jako jsou pomalé změny napájecího napětí, flikr, zvlnění stejnosměrného napájecího napětí, krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí, nesymetrie napětí, signály v napájecích sítích a elektrická a magnetická pole, dále stručně charakterizovanými. Pomalé změny napájecího napětí mimo přípustné tolerance jsou většinou vyvolány významnými změnami výkonu odebíraného z rozvodné sítě. Příčinou mohou být spotřebiče typu, svařovací, elektrolytická a galvanizační zařízení, pohony s velkými výkony a další zařízení charakteru trvalé zátěže s měnícími se parametry.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Flikr neboli opakující se krátkodobá změna napájecího napětí se projevuje zejména kolísáním svítivosti žárovkových svítidel (blikání). Příčinou jsou opakované prudké změny zatížení rozvodné sítě kolísáním odběru např. při bodovém svařování apod. Pro lidské oko je nejkritičtější kmitočtová oblast od zlomků do desítek Hz. Zvlnění stejnosměrného napájecího napětí se projevuje trvalou přítomností střídavé složky v důsledku např. nedokonalé filtrace usměrněného síťového napětí, nebo na zařízení napájeném z akumulátorů při jejich dobíjení za provozu.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí způsobené spínáním zátěží, poruchovými jevy a jejich odstraňováním (opětné zapínání). Tyto jevy jsou charakterizovány zbytkovým napětím a dobou trvání. Některá připojená zařízení mohou bez zvláštních opatření v případě takové poruchy zkolabovat, popř. ztratit data. Nesymetrie napětí, zpravidla jako kombinace amplitudové a fázové nesymetrie třífázového napájecího systému způsobená připojením nesymetrické třífázové zátěže nebo velkými jednofázovými či dvoufázovými zátěžemi (např. u střídavé trakce). Signály v napájecích sítích reprezentuje především HDO, popř. jiné komunikační přenosy v sítích nn, vn a vvn. © VR - ZS 2014


T- MaR

Kmitočty těchto signálů nejsou shodné s kmitočtem sítě a jeho násobky, ale zpravidla spadají do nízkofrekvenční oblasti. Při náhodném vzniku rezonancí např. s kompenzačními prostředky a reaktancemi sítě a zátěží může dojít až k havárii. Elektrická a magnetická pole se na rozdíl od všech předchozích případů, kde se rušivé signály šíří po vedení, šíří prostorem. Rušivá elektrická pole jsou vytvářena především vodiči vrchního vedení vn, vvn a zvn. Významná magnetická pole vytvářejí vodiče protékané značnými proudy, jako svařovací kabely, přívody elektrod obloukových pecí, galvanizačních a elektrolytických lázní apod. Mohou se také přechodně vyskytnout v blízkosti vodičů při zkratech a proudových rázech v elektrizační soustavě. © VR - ZS 2014


T- MaR

Vysokofrekvenční rušení U vysokofrekvenčního rušení je rozlišení způsobu šíření významnější než u nízkofrekvenčního rušení. Přitom je třeba mít na zřeteli, že při vhodných podmínkách může rušivý signál šířený po vedení využít toto vedení jako vysílací anténu a pokračovat ve formě elektromagnetického pole. Obdobně může nastat i opačný jev, kdy rušivé elektromagnetické pole může být zachyceno vedením nebo další částí zařízení jako přijímací anténou a dále se šířit „po vedení“.

© VR - ZS 2014


T- MaR

O tom, zda rušivý signál přijde k rušenému zařízení po vedení, nebo polem, rozhoduje především konkrétní konfigurace zdroje a příjemce rušení, charakter prostředí, vzájemná vzdálenost a způsob propojení apod.

Vysokofrekvenční rušení v oblasti od 9 do 150 kHz je zapříčiněno především rušivými signály generovanými výkonovými polovodičovými měniči a spínanými zdroji zejména v rozsahu kmitočtů odvozených od nosného kmitočtu pulsně šířkové modulace. Přestože jde o poměrně silné rušivé signály, normy tuto oblast z hlediska emisí zatím většinou nepokrývají.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Rušení v oblasti nad 150 kHz zpravidla bývá označováno jako rádiové rušení. Významnými zdroji emisí jsou opět polovodičové měniče a spínané zdroje s ději spojenými se spínáním a rozpínáním polovodičových součástek budícími vysokofrekvenční kmitání spolupůsobením parazitních indukčností a kapacit připojených součástek a obvodů. Dalšími zdroji mohou být průmyslová, vědecká a lékařská vysokofrekvenční zařízení produkující tyto kmitočty jako hlavní produkt, tj. např. zařízení pro dielektrický, indukční a mikrovlnný ohřev, elektroerozní obrábění atd.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Zdrojem vyzařovaného rušení jsou rovněž výboje a jiskření na velmi namáhaných částech izolátorů, korónové výboje a jiskření na nedokonalých kontaktech. Zcela evidentním rušivým zdrojem jsou pevné a mobilní rádiové vysílače.

Přechodné děje jsou charakterizovány jednorázovými nebo různě často opakovanými napěťovými nebo proudovými impulsy tvaru rázové nebo tlumené kmitavé vlny. Mezi vysokofrekvenční jevy jsou řazeny právem, protože vzhledem ke strmé náběžné hraně rušivých impulsů spadá generované spektrum do vysokofrekvenční oblasti (v některých případech sahá až po desítky megahertzů).

© VR - ZS 2014


T- MaR

Tyto jevy jsou spojeny především s atmosférickými a elektrostatickými výboji a dále se spínacími jevy v elektrických sítích a rozvodech, jako např. vypínáním indukčních zátěží, poruchami a průrazy izolace, spínáním kompenzačních kondenzátorů apod. Zdrojem uvedených jevů bývají také rychle spínající moderní výkonové polovodičové součástky. Tyto jevy mohou být nepříjemně zesilovány při odrazech šířících se vln na koncích impedančně nepřizpůsobeného vedení. Některé z těchto rušivých přechodných vlivů jsou energeticky vydatné, např. rušení vyvolané přímým nebo blízkým úderem blesku s možnými destrukčními účinky. Jiné jevy jsou natolik rychlé, že se velmi snadno šíří parazitními cestami i vyzařováním do širokého okolí. © VR - ZS 2014


Šíření rušivých signálů Cesty šíření Nutným předpokladem „úspěšného rušení“ je existence cesty, kterou se rušivý signál šíří od zdroje k zařízení citlivému na rušení. Rušivé signály se v zásadě šíří třemi způsoby: - kontaktně po vedení - bezkontaktně vazbami - vyzařováním.

© VR - ZS 2014

T- MaR


T- MaR

Šíření po vedení K šíření rušivého signálu je nutné přímé propojení napájecími nebo datovými vodiči. Galvanické propojení je pro elektrický signál velmi vhodným prostředím, ačkoliv se impedanční poměry pro rušivé signály mohou od impedančních poměrů pro kmitočet pracovního signálu výrazně lišit. Na vedení se přitom rozeznávají dva typy rušivého napětí: symetrické a nesymetrické. Symetrické napětí je charakterizováno jako napětí mezi dvěma libovolnými vodiči daného vedení. Je to napětí vyvolané rušivým zdrojem připojeným mezi tuto dvojici vodičů, např. připojeným polovodičovým měničem. Symetrické rušivé napětí vyvolá rušivý proud uzavírající se ve smyčce tvořené dotčenou dvojicí vodičů. © VR - ZS 2014


Typy rušivých signálů šířících se po vedení

© VR - ZS 2014

T- MaR


T- MaR

Nesymetrické napětí se objevuje mezi pracovními vodiči (z hlediska rušení na společném potenciálu) a vztažným bodem – např. zemí nebo kostrou zařízení. Je to rušení vyvolané např. napětím indukovaným rušivým polem společně do všech vodičů vedení proti zemi. Nesymetrické rušivé napětí vyvolá rušivý proud uzavírající se ve smyčce mezi vedením a zemí, popř. kostrou spotřebiče. Na obr. jsou ukázány možné rozdíly v případě výkonového napájení, kdy se rušivý proud vyvolaný nesymetrickým napětím může uzavírat buď uvnitř přívodu ochranným zemním vodičem (případ A), nebo mezi všemi přívodními vodiči a zemí, popř. uzemněnou konstrukcí (případ B).

© VR - ZS 2014


T- MaR

Vzhledem k tomu, že impedance jednotlivých vodičů proti zemi je obecně různá, různé napěťové úbytky při nesymetrickém rušení často současně vyvolají symetrické rušení a výsledkem je kombinované rušení obou typů.

Poměrně zákeřný způsob přenosu rušivých signálů je přenos prostřednictvím společné impedance (někdy též vazba společnou impedancí), kdy zdroj rušení a rušený přístroj nemají společný živý nebo datový vodič, ale mají společnou impedanci – obvykle v obvodu zemnicího vodiče.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Rušivý proud sváděný do země ze zdroje rušení vyvolá na společné impedanci úbytek napětí UR, působící jako rušení na druhém, „odděleném„ přístroji (obr.). Tento společný vodič přitom může být zcela vyhovující z bezpečnostního hlediska, tj. z hlediska síťového kmitočtu, při kterém vykazuje zanedbatelnou impedanci. Pro vysokofrekvenční rušivý proud ovšem může reaktanční složka impedance vyvolat značné napěťové úbytky..

© VR - ZS 2014


Vazba společnou impedancí

© VR - ZS 2014

T- MaR


T- MaR

Šíření vazbami Šíření vazbami mezi zdrojem a příjemcem především vzniká mezi blízkými vodiči, např. při vedení ve společném kabelu nebo po společné trase. Uplatňují se při tom vzájemné indukčnosti mezi vodiči a kapacita mezi vodiči. Vzájemná indukčnost se přibližně pohybuje v desetinách mikrohenry na metr délky vzájemného souběhu vodičů při jejich vzdálenostech do deseti centimetrů. Přitom blízkost uzemněných konstrukčních částí tuto vazbu výrazně zmenšuje. Pro kapacitu obdobně platí hodnoty v jednotkách pikofaradů na metr délky.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Šíření vyzařováním Šíření vyzařováním znamená takový stav, kdy rušivý signál je k rušenému zařízení předáván prostřednictvím vyzařovaného elektromagnetického pole. Je vhodné uvažovat tyto dva případy: - v blízkém poli neplatí popis rovinnou vlnou a konstantní poměr elektrické a magnetické složky pole, tj. v obvyklých případech ve vzdálenostech kratších, než je dvojnásobek vlnové délky vyzařovaného rušení (např. pro 100 MHz je to vzdálenost přibližně 6 m) - vzdálené pole je pro posuzování úrovně rušení vhodnější, protože může být popsáno rovinnou vlnou a přijímač i vysílač mohou být uvažovány jako náhradní anténa (uplatňuje se ve vzdálenostech větších než je uvedeno shora, jestliže jsou oproti ní rozměry vysílače i přijímače podstatně menší). © VR - ZS 2014


T- MaR

Popisované pole je charakterizováno buď vyzařovaným výkonem, např. ve wattech na čtvereční metr, nebo intenzitou elektrického pole ve voltech na metr, popř. intenzitou magnetického pole v ampérech na metr. Úrovně se nejčastěji uvádějí vztažené k referenční úrovni, např. v decibelech na mikrovolt na metr.

© VR - ZS 2014


T- MaR

Prostředí Pro stanovení EMC výrobku je rozhodující, pro jaké elektromagnetické prostředí je určen. Toto prostředí je charakterizováno očekávanými úrovněmi elektromagnetického rušení jak v elektromagnetickém poli obklopujícím výrobek, tak v napájecích či datových vodičích; k výrobku. Podle očekávané intenzity rušení se rozlišují různé kategorie prostředí: chráněné prostředí, vyznačující se velmi nízkými úrovněmi rušení, zajišťovanými např. odrušovacími prostředky na vstupech vedení do místnosti, zálohovaným napájením apod. (prostředí typické např. pro výpočetní centra, některé laboratoře apod.),

© VR - ZS 2014


T- MaR

obytné prostředí, vyznačující se relativně nízkými úrovněmi rušení, kde se nevyskytují silně rušící zdroje (zejména prostředí v obytných objektech napájených z veřejné rozvodné sítě nn, ale i v dalších takto napájených prostorech, jako jsou např. obchody, supermarkety, kanceláře, banky, kina, provozovny lehkého průmyslu, dílny apod.), průmyslové prostředí, vyznačující se vysokými úrovněmi rušení, kde se vyskytují silně rušící zdroje a které je napájeno z neveřejné průmyslové rozvodné sítě, která není určena pro napájení obytných objektů. Ve zvláštních případech mohou být specifikována i další elektromagnetická prostředí vyznačující se specifickými rušivými signály, jako např. rozvodny vn a vvn, nemocniční prostředí, prostředí telekomunikačních ústředen, trakčních vozidel apod. © VR - ZS 2014


T- MaR

Pro jednotlivá prostředí jsou stanoveny meze emisí, tzn. maximální přípustné úrovně jednotlivých typů emitovaného rušení, a příslušně vyšší meze odolnosti, tzn. minimální přípustné hodnoty odolnosti výrobku proti jednotlivým typům rušení. Odstup mezi maximální přípustnou úrovní konkrétního emitovaného rušení a minimální přípustnou hodnotou odolnosti proti tomuto rušení v daném prostředí bývá označován jako rezerva kompatibility a respektuje vzájemné spolupůsobení několika rušivých zdrojů v daném prostředí. Je-li např. výrobek určen pro použití v obytném i průmyslovém prostředí, musí mít meze emisí odpovídající obytnému prostředí i meze odolnosti odpovídající průmyslovému prostředí. Normy předepisující konkrétní hodnoty mezí zpravidla rozlišují pouze obytné prostředí a průmyslové prostředí. © VR - ZS 2014

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Pro Vztah mezi přípustnými emisemi a požadovanou odolností podle typu prostředí

© VR - ZS 2014

T- MaR

T- MaR


Frekvence

0 až 2000 Hz

Název oblasti oblast vyšších harmonických (do n = 40)

2 až 9 kHz

„pásmo nikoho“

9 až 150 kHz © VR - ZS 2014

rušení sledované a měřené na síťových svorkách rušení sledované a

Odrušení řeší se kompenzací a filtrací zatím nejsou určeny přípustné meze, tudíž se zatím neměří zatím nejsou určeny přípustné meze, zpravidla se zatím neměří (lze zde rušit, ale ne předávat informace, odporovalo by to zákonům o telekomunikacích)

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Frekvence

Název oblasti

0 až 2000 Hz

oblast vyšších harmonických (do n = 40)

2 až 9 kHz

„pásmo nikoho“

rušení sledované a 9 až 150 kHz měřené na síťových svorkách 150 kHz až 30 MHz

30 MHz až 1000 MHz

© VR - ZS 2014

Odrušení

řeší se kompenzací a filtrací zatím nejsou určeny přípustné meze, tudíž se zatím neměří zatím nejsou určeny přípustné meze, zpravidla se zatím neměří (lze rušit, ale ne předávat informace, odporovalo by to zákonům o telekomunikacích)

rušení sledované a měřené na síťových svorkách

–---

rušení sledované a měřené jako elektromagnetické pole

měří se anténami, v případě nevyhovujících výsledků lze rušení omezit vysokofrekvenčním stíněním, odrušovací filtry na síťových svorkách zde nemají význam, protože rušení se šíří elektromagnetickým polem, a nikoliv po síťovém přívod


T- MaR

Normy elektromagnetické kompatibility Tvorbě norem (nejen) pro oblast EMC věnují mezinárodní organizace, na jejichž činnosti se ČR aktivně podílí. IEC – Mezinárodní elektrotechnická komise, která tvoří elektrotechnické normy s celosvětovou působností, označené IEC s příslušným číslem normy CENELEC – Evropská normalizační komise pro elektrotechniku, která ve spolupráci s IEC vytváří evropské elektrotechnické normy, označené EN a číslem shodným s číslem odpovídající (převzaté) normy IEC

© VR - ZS 2014


T- MaR

CISPR – Mezinárodní speciální komise pro rádiové rušení, tvořící normy CISPR v oblasti vysokofrekvenčního rádiového rušení, z nichž vybrané přejímá CENELEC jako evropské normy EN s modifikovaným číselným označením ETSI – Evropský telekomunikační normalizační institut, zabývající se mj. rušením v rámci telekomunikací, tj. rovněž vysokofrekvenčním rádiovým rušením, nikoliv však v rámci směrnice o EMC, ale pod tzv. směrnicí R&TTE (rádiová a telekomunikační koncová zařízení); vybrané normy ETSI opět přejímá CENELEC jako evropské normy ETSI EN se shodným číselným označením. České normy, vydávané Českým normalizačním institutem (ČNI), vznikají přejímáním mezinárodních norem ekvivalentním překladem. © VR - ZS 2014


T- MaR

Kmenové normy jsou harmonizované normy pro nejširší oblast elektrotechnických výrobků, pokud není vydána úžeji zaměřená výrobková norma. V současné době jsou vydány a platné čtyři kmenové normy: ČSN EN 61000-6-1: Odolnost – Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu, ČSN EN 61000-6-2: Odolnost pro průmyslové prostředí, ČSN EN 61000-6-3: Emise – Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu, ČSN EN 61000-6-4: Emise – Průmyslové prostředí.

© VR - ZS 2014


T- MaR

EMC - PŘEHLED NOREM A PRÁVNÍCH PŘEDPISŮ Basic Standards - Základní normy Generic Standards - Kmenové normy Product Standards - Normy výrobků Zákon 22/1997 o technických požadavcích na výrobky Zákon 102/2001 o obecné bezpečnosti výrobků EMC Directive 2004/108/EC EMC Směrnice 2004/108/ES Nařízení vlády EMC 616/2006 EMC Directive 2014/30/EU EMC Směrnice 2014/30/EU

© VR - ZS 2014


T- MaR

Elektromagnetická kompatibilita (slučitelnost) EMC je definována jako schopnost zařízení, systému či přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či umělé – lidskou činností vznikající). A naopak svou vlastní "elektromagnetickou činností" nepřípustně neovlivňuje své okolí, tj. nevyzařuje signály, které byly rušivé pro jiná zařízení. (nebo na jejich činnost rušivě působily).

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Elektromagnetická kompatibilita vznikla jako samostatná vědecko-technická disciplína (po předcházejícím údobí zkoumání a sledování problémů, které elektromagnetické rušení vyvolává) začátkem šedesátých let 20. století v USA a poměrně dlouhou dobu 10 až 15 let byla předmětem zájmu jen úzkého okruhu odborníků-elektroniků pracujících ve vojenském a kosmickém průmyslu. Její průnik do běžného života souvisí s prudkým rozvojem elektroniky, zejména mikroprocesorové a komunikační techniky v posledních desetiletích. © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Základní pojmy

EMC = elektromagnetická kompatibilita Electromagnetic Compatibility EMS = elektromagnetická susceptibilita (imunita) - Electromagnetic Susceptibility nebo Electromagnetic Immunity EMI = elektromagnetická interference Electromagnetic Interference Tři pojmy …… © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Základní pojmy V němčině se používá pojmu "Elektromagnetische Verträglichkeit" (EMV) V ruštině "Elektromagnitnaja sovměstimmosť".

V češtině byl dříve někdy užíván pojem "elektromagnetická slučitelnost“ --- dnes se používá správnější název „elektromagnetická kompatibilita“ Tři pojmy …… © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní pojmy

EMC = elektromagnetická kompatibilita Electromagnetic Compatibility Je definována jako schopnost zařízení uspokojivě pracovat v daném elektromagnetickém prostředí (okolí). Zároveň je definována jako soubor zkoušek a měření, jejichž splnění znamená vyhovující výrobek nebo vyhovující stav elektromagnetického pole. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní pojmy

EMC …… Zákazník si pod tímto pojmem představuje výsledky (zcela nezbytně a pochopitelně vyhovující) měření odolnosti proti rušení a minimalizaci jeho negativního působení na okolí.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní pojmy

EMC = …… Technik (projektant, návrhář, technolog, vedoucí výroby) si pod tímto pojmem představuje celou škálu úloh vyplývajících z povahy rušení, nutnosti zjištění zdroje a příčiny, včetně následných kroků vedoucích k odstranění rušení a minimalizaci jeho negativního působení na okolí. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní pojmy – další význam

EMS = elektromagnetická susceptibilita (imunita) - Electromagnetic Susceptibility nebo Electromagnetic Immunity Elektromagnetická citlivost či elektromagnetická odolnost vyjadřuje schopnost zařízení pracovat bez poruch nebo s přesně definovaným přípustným vlivem v prostředí, v němž se vyskytuje elektromagnetické rušení. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMS = …… EMS se zabývá technickými opatřeními, které zvyšují elektromagnetickou imunitu objektu (přijímače rušení), tedy jeho odolnost proti vlivu rušivých signálů.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní pojmy – další vysvětlení

EMS = …… EMS jako celek je velice široký, obsáhlý a komplexní vědní obora zabývá se především technickými opatřeními. EMS se týká spíše odstraňování důsledků rušení, bez odstraňování jejich příčin. .

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMI = elektromagnetická interference Electromagnetic Interference Elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál, generovaný zdrojem rušení přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů.

EMI se zabývá především identifikací zdrojů rušení, popisem a měřením rušivých signálů a identifikací parazitních přenosových cest. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMI = …… . Kompatibility

celého systému se dosahuje technickými opatřeními především na straně zdrojů rušení a přenosových cest vzniklého rušení. EMI se tak týká hlavně příčin rušení a jejich odstraňování.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMI = …… Velmi rozsáhlou a důležitou oblastí je měření EMI, především měření rušivých signálů a jejich identifikaci. Zahrnuje měřicí metody a postupy pro kvantitativní hodnocení vybraných parametrů hlavně na rozhraních zdrojů a přijímačů rušení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMI = …… Problematika měření, která je pro závěrečné posouzení EMC daného zařízení vždy rozhodující, je navíc komplikovaná tím, že i samotné měřicí zařízení je (či může být) zdrojem a současně přijímačem rušivých signálů, což je nutno při měření respektovat (technicky, kalibračně, početně). a jejich odstraňování. 09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR


EMI = …… Z hlediska fyzikálního principu (který je obvykle pro možnost potlačení parazitních vazeb nejdůležitější) rozlišujeme vazbu galvanickou, kapacitní, induktivní a vazbu vyzařováním (vazbu elektromagnetickým polem). Jejich základní principy působení mezi dvěma vodiči či obvody 1 a 2 jsou schematicky naznačeny na následujícím obrázku. © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


EMI = …… principy vazebního působení

a)

b)

c)

d)

Obr. 2.17. Základní druhy elektromagnetických vazeb: a) galvanická, b) kapacitní, c) induktivní, d) vyzařováním

Základní druhy elektromagnetických vazeb: a) galvanická, b) kapacitní, c) induktivní, d) vyzařováním. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

EMI = …… principy ochrany Feritové kroužky, příp. feritové perličky navlečené na vodičích


© VR - ZS 2009/2010


EMI = …… principy ochrany Vedení s útlumovým pláštěm


© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


EMI = …… principy ochrany Optočlen


© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


EMI = …… principy ochrany Optický kabel, optická linka


© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Základní pojmy - vztahy

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Obecně řečeno V současné době se rychle rozvíjí i oblast testování elektromagnetické odolnosti objektů pomocí tzv. simulátorů rušení (EMC simulátory). Jde tedy v podstatě o praktické ověření stupně EMC navrženého zařízení. Testování se provádí nejen na hotových zařízeních, ale zejména již v průběhu jejich vývoje.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Obecně řečeno Další velmi rozsáhlou je i oblast počítačové simulace a modelování EMS i EMI, využívající rozsáhlých softwarových produktů mnoha firem. Tento přístup je výhodný zejména ve stádiu návrhu a vývoje daného zařízení, kdy poskytuje základní výchozí poznatky o úrovni jeho EMC a umožňuje tak realizovat optimální technický návrh zařízení z hlediska EMC.

09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Obecně řečeno Zařízení nebo systémy (a to jak technické, tak i biologické) musí být odolné vůči působení jiných zařízení a nesmí přitom samy nepříznivě ovlivňovat normální funkci jiných systémů či zařízení.

Přitom každý systém nebo zařízení, nebo jejich určitá část, může být současně vysílačem (zdrojem) i přijímačem (tj. obětí) rušení. Je tedy vyšší a širší pojem než prostá spolehlivost daného zařízení. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Jeden ze zakladatelů - H. M. Schlike - již v roce 1968 řekl: "Systém sám o sobě může být provozně dokonale spolehlivý - v reálném praktickém provozu bude však téměř bezcenný, pokud současně nebude elektromagneticky kompatibilní (odolný). Spolehlivost a elektromagnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky na systém, který má fungovat v každé době a za všech okolností".

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Nutnost zabývat se touto oblastí je důsledkem neustále stoupajícího množství elektrických a elektronických zařízení (spotřebičů) a zároveň neúnosně stoupající úroveň elektromagnetických polí vytvářených mimo přírodní zdroje – tedy lidskou činností a jejími výtvory. Od jednoho z nejméně působících zdrojů = mikrovlnek v domácnostech, přes mobilní telefony a radiová pojítka, WiFi sítě, řadu lékařských přístrojů, přes televizní a rozhlasové vysílání až po stykače, spinače, motory a generátory a jejich řízené pohony. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Principiálně nedílnou součástí těchto polí jsou rušení v kmitočtových pásmech od 0 (tj. prakticky subakustických kmitočt, cca 10-4 Hz) až do hodnot 104 GHz (prakticky po kmitočty kosmického záření). Souvisejícím faktem, který velice nepříznivě ovlivňuje danou situaci právě v oblasti EMC je, že řada zdrojů elektromagnetických polí pracuje na poměrně vysokých výkonových úrovních – technicky měřitelných od mW po stovky MW. Odhaduje se, že v úrovních výkonu může být maximální poměr až 200 dB, tj. 1020 násobek. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

V takto vzniklých a působících elektromagnetických polích – musí pracovat (přímo ve stejných zařízeních nebo v zařízeních sousedících) citlivé „přijímače“ pracující na obdobných kmitočtech – např. citlivé zesilovače či nebo mikroprocesorové obvody. Těmto obvodům pracujícím často při extrémně nízkých úrovních výkonu - řádově až 10-14W – stačí velmi slabá pole k narušení jejich bezchybné funkce.

Pravděpodobnost vzájemného rušení je za těchto podmínek skutečně velká. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

V praxi, kdy citlivá elektronická zařízení musí pracovat v prostředí se silným rušením, vznikají značně obtížné situace. Např. vstupní měřicí ústředna technologického řídicího počítače je spojena s výrobním procesem (technologií) prostřednictvím množství čidel, k nimž často vedou i několik set metrů dlouhé přívodní kabely nesoucí signály nízkých úrovní – méně než jednotky mV nebo mA.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Propojovací kabely jsou přitom vystaveny působení silných rušivých polí schopných do nich naindukovat napětí dosahující desítek až stovek voltů. Tak vzniknou parazitní signály - impulsní nebo harmonické – ty pak mohou být (mylně) vyhodnoceny jako informace došlé z technologického procesu a mohou mít za následek nesprávný zásah (mnohdy automaticky provedený řídicím systémem) s možným rizikem hospodářských škod, havárií na technickém zařízení, ale i ohrožení života či zdraví lidí. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

V odborném tisku byla publikována a přesně popsána řada příkladů, kdy nedodržení požadavků EMC mělo katastrofální následky – na majetku i lidských životech. Zničení stíhacího letounu NATO typu Tornado v r. 1984. Příčinou katastrofy bylo rušení elektronického řídicího systému letadla jiným elektromagnetickým vlněním - vysílačem velkého výkonu v Holkirchenu u Mnichova v SRN. V důsledku selhání automatického systému řízení se letadlo zřítilo z výšky 230 m při rychlostí 800 km/hod. Hmotná škoda byla vyčíslena na 100 miliónů marek.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Potopení britského křižníku Sheffield v roce 1982 během falklandské války argentinským letadlem. Příčinou bylo nedodržení elektromagnetické kompatibility mezi palubním komunikačním zařízením lodi a jejím rádiovým obranným systémem určeným k rušení cílové navigace nepřátelských raket – konstrukčně-výrobní pochybení a opomenutí. Výsledkem byly poruchy při vlastní rádiové komunikaci křižníku a proto byl během rádiového spojení lodi s velitelstvím ve Velké Británii vypínán. V tété době odpálilo argentinské letadlo raketu Exocet, která křižník potopila. Kromě obrovských materiálních škod přišlo dvacet lidí přišlo o život..

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Havárie v hutích na průmyslovém východě USA v roce 1983. Příčinou havárie bylo rušení mikroprocesorového systému řízení jeřábu, přenášejícího licí pánev s tekutou ocelí příruční „walkietalkie“. Licí pánev se předčasně převrhla.

Rozžhavený kov zabil na místě jednoho dělníka a čtyři další vážně zranil.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Ztráta rádiového spojení mezi vysílači a přijímači, když docházelo k intenzivnímu rušení rádiového spojení a k poruše funkce automatického havarijního vypínání důlního kombajnu. Stalo se na lodích Labské plavby a v dolech na Ostravsku. Ve všech těchto případech byl zdrojem rušení tyristorový měnič a obvody výkonových tranzistorových napáječů.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Havárie ve zdravotnických zařízeních. Diagnostická souprava na JIPce monitorovala dech, tep a teplotu připojených pacientů. Spínání okolních silových spotřebičů však vyvolávalo v kardioskopu přídavné pulsy, které byly vyhodnocovány jako nesynchronní tep srdce. Navíc, vadný startér zářivkového svítidla poblíž jednotky, který spínal každou sekundu, vyvolával trvale hlášení překročení meze tepů a blokoval měření. Celá souprava byla naprosto neodolávající rušení, takže musela být vyměněna za jiný (obdobný, funkčně shodný) systém od jiného výrobce. Systém splňoval přísnější požadavky EMC. Cena v tomto případě nebyla prioritní (a také ale nebyla zanedbatelná). © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Součástí působení rušivých vlivů je i oblast indukovaného přepětí a statické elektřiny. Obě působení vyvolávají i „klasické“ rušení a mají tedy i odpovídající následky. Při každé bouřce je přepětím poškozována řada elektronických zařízení, počítačů, telefonních ústředen a koncových komunikačních zařízení, jako faxy, záznamníky a telefony. Důvodem je nedostatečná odolnost těchto zařízení proti přepětí a nevhodné či chybějící přepěťové ochrany na vedení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

EMC biologických systémů se zabývá celkovým "elektromagnetickým pozadím" našeho životního prostředí a přípustnými úrovněmi rušivých i užitečných elektromagnetických signálů (přírodních i umělých) s ohledem na jejich vlivy na živé organismy. Tyto vlivy jsou pozorovány již delší dobu, ale výsledky dosavadních biologických a biofyzikálních výzkumů v této oblasti nejsou zdaleka jednoznačné. Biologické účinky elektromagnetického pole závisí na jeho charakteru, době působení i na vlastnostech organismu. Protože nejsou známy receptory pole (tj. vstupy elektromagnetického pole do organismu), posuzují se tyto účinky jen podle nespecifických reakcí organismu. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Každý z biologických systémů (člověk) reaguje na působení elektromagnetického pole jinak, protože jeho adaptační, kompenzační a regenerační možnosti a schopnosti jsou individuální. Existuje řada konkrétních klinických studií zaměřených na vyšší expozice elektromagnetickým polem v pracovním procesu. Nežádoucí vliv na člověka je nejen přímé působení elektromagnetického pole na pracovišti (obsluha vysílačů, radiolokátorů, výpočetních středisek apod.), ale i dlouhodobé bezděčné působení elektronizovaného životního prostředí venku a doma, kde lidi tráví hodiny svého času - "společností" jsou elektrická a elektronická zařízení (TV a rozhl. přijímače, kuchyňské spotřebiče, osobní počítače, …). © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Problematikou EMC biologických systémů se zabývají výzkumná lékařská pracoviště s cílem posoudit odolnost lidského organismu vůči elektromagnetickým vlivům, mechanismy jejich působení apod.

U vysokofrekvenčních a mikrovlnných polí jsou relativně nejvíce objasněny tzv. tepelné účinky, tj. účinky, které se objeví jako výsledek ohřevu tkání vystavených vysokým úrovním polí.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Příslušné hodnoty prahových výkonových hustot elektromagnetického pole na velmi vysokých kmitočtech, při jejichž překročení může nastat tepelné poškození organismu, jsou: 0,3 až

3 GHz

--- 40 mW/cm

3 až 30 GHz 30 až 300 GHz

--- 10 mW/cm --- 7 mW/cm

V České republice se této problematiky týká Vyhláška ministerstva zdravotnictví č. 408/1990 Sb, která stanovuje poměrně přesné požadavky pro práci a pobyt osob v elektromagnetickém poli. Stanovuje největší přípustné velikosti ozáření jak pracovníků, tak i "běžného" obyvatelstva. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Všechny způsoby a postupy měření, stejně tak jako hodnoty (dovolených nebo přesněji „přípustných“) rušivých úrovní, dané průběhy vyhovujících výsledků a metodika měřicích postupů a zkoušek je uložena v normách ČSN (např. řady ČSN 61000), a ve speciálních předpisech a návodech. Obdobně normy a předpisy týkající se EMC existují ve všech vyspělých zemích.

09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Elektromagnetická kompatibilita představuje výrazně systémovou a integrující disciplínu mající navíc významné aspekty finanční a ekonomické. Respektování EMC při vývoji, konstrukci a výrobě prakticky všech elektrotechnických a elektronických zařízení je již v současné době nezbytnou podmínkou jejich prodejnosti na všech trzích.

Pro export výrobků českého průmyslu na světové trhy, musejí výrobky vyhovovat i dalším normám.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Dnem 1. ledna 1996 ve všech zemích EU vstoupila v platnost jednotná a přísně sledovaná i sankcionovaná direktiva č. 89/336/EEC - ze dne 3. 5. 1989 „o sbližování zákonů členských států v oblasti elektromagnetické kompatibility“. Direktiva předepisuje obecné požadavky EMC pro uvedení přístroje či zařízení na trh.

Bez splnění všech těchto požadavků, a jeho závazného prokázání, je prodej zařízení (ale i jeho vystavení či reklama) finančně sankcionován a zakázán. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní řetězec EMC a jeho především metodologický význam

motory, spínače, relé, energetické rozvody, polovodičové měniče, zářivky, pece obloukové, svářečky, oscilátory, počítače, číslicové systémy, elektrostatický výboj © VR - ZS 2009/2010

vzdušný prostor, energetické kabely, napájecí vedení, zemnění, stínění, signálové vodiče, datové vodiče

číslicová technika, počítače, měřicí zařízení a přístroje, automatizační prostře dky, telekomunikační systémy, systémy pro přenos dat, rozhlasové a televizní přijímače


T- MaR

První oblast zdrojů elektromagnetického rušení zahrnuje zkoumání obecných otázek mechanismů vzniku rušení, jeho charakteru a intenzity. Patří sem jednak tzv. přírodní (přirozené) zdroje rušivých signálů (Slunce, kosmos, elektrické procesy v atmosféře apod.), jednak tzv. umělé zdroje rušení, tj. zdroje vytvořené lidskou činností ("man made noise"), k nimž patří technická zařízení - zapalovací systémy, elektrické motory, výroba, přenos a distribuce elektrické energie, elektronická zařízení, elektronické sdělovací prostředky, tepelné a světelné spotřebiče apod.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Druhá oblast zdrojů elektromagnetického rušení se zabývá elektromagnetickým přenosovým prostředím a vazbami, tedy způsoby i cestami, kterými se rušící energie ze zdroje rušení dostává do rušených objektů - přijímačů rušení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Třetí - konečná oblast se zabývá problematikou objektů či přijímačů rušení a klasifikací typů, podrobnou specifikací rušivých účinků na základě analýzy konstrukčních a technologických parametrů zařízení i z toho plynoucí jejich elektromagnetickou odolností. Skutečná souvislost uvedených tří oblastí základního řetězce EMC je samozřejmě mnohem složitější.

Ve skutečném řetězci EMC se nikdy nejedná o jediný zdroj rušení a jediný přijímač, ale vždy o vzájemné vztahy více systémů vzájemně se všestranně ovlivňujících. 09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Pokud by se podařilo zcela odstranit kteroukoli část tohoto řetězce, ztratila by elektromagnetická kompatibilita svůj smysl, neboť dané zařízení či systém by byl absolutně kompatibilní.

Kromě obávanějšího průmyslového a přepěťového rušení mohou ohrozit správnou činnost elektronického systému i rušivé signály kontinuálního (spojitého) charakteru, jejichž působení trvá obvykle buď nepřetržitě (příp. jen s krátkými přerušeními) nebo alespoň relativně delší dobu.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Zvláštním zdrojem rušení je tzv. nukleární elektromagnetický impuls (NEMP - Nuclear Electromagnetic Pulse), který vzniká jako doprovodný jev při jaderném výbuchu.

Ochrana je řešena v rámci vojenské speciální výroby (takže je součástí utajovaných skutečností) a pro běžnou situaci je málo využívána – její cena je vysoká a kromě jaderné techniky a energetiky se jeví „zbytečná“.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Rozlišují se dva různé typy zkoušek: - typové zkoušky prováděné v laboratoři; - zkoušky prováděné po instalaci zařízení v podmínkách jeho konečné montáže (post-instalační zkoušky).

Zkušební úrovně dle ČSN EN 61000-6-1 V normě ČSN EN 61000-6-1, která se vztahuje na zařízení používaná v prostředí obytném, obchodním a lehkého průmyslu. Zkušební plán musí být odsouhlasen výrobcem a zkušební laboratoří i uživatelem. Zkušební úroveň nesmí za žádných okolností přesáhnout specifikaci výrobku.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Zkouška musí být provedena podle zkušebního plánu včetně ověření vlastností zkoušeného zařízení tak, jak jsou definovány v technické specifikaci.

Zkoušené zařízení musí být provozováno v jeho normálních provozních podmínkách – při standardní nebo předem vyspecifikované činnosti.

09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Zkušební plán musí specifikovat: - typ zkoušky, která bude prováděna - zkušební úroveň - polaritu zkušebního napětí (povinné jsou obě polarity) - interní nebo externí buzení generátoru - trvání zkoušky, ne kratší než 1 minuta - počet aplikací zkušebního napětí - vstupy zkoušeného zařízení, které se podrobují zkoušce - reprezentativní provozní podmínky zkoušeného zařízení - posloupnost aplikací zkušebního napětí na vstupy, jak následují po sobě, nebo posloupnost aplikací na kabely příslušející k více než jednomu obvodu, atd. - pomocná zařízení. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Grafické znázornění – pro laboratorní typovou zkoušku © VR - ZS 2009/2010


Grafické znázornění – pro laboratorní typovou zkoušku © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


© VR - ZS 2014

T- MaR


T- MaR

Znázornění vzájemné působení různých systémů je tedy velmi složité a komplexní, což je aspoň náznakově naznačeno ,.,.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Každé elektrotechnické zařízení je současně jak zdrojem elektromagnetického rušení, tak i jeho přijímačem pracujícím v určitém elektromagnetickém prostředí. Pro každé takové zařízení definuje obecná norma ČSN-IEC 61000-1-1 některé základní pojmy, jejichž základní vztah je na obrázku.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Všechny výrobky, nejen spotřební elektronika, prodávané v ČR (tj. vyrobené v ČR nebo dovezené do ČR) musejí odpovídat zákonu č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky, a z hlediska EMC (elektromagnetické kompatibility) nařízení vlády 169/97 Sb.

Při nákupu zařízení, a to i starších, dbát na odrušení a vyžadovat od dodavatele osvědčení o splnění podmínek EN 50081-1 nebo EN 50081-2.

© VR - ZS 2014

T- MaR


rezerva EMC

Grafické znázornění – úrovně: vyzařování a odolnosti © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Úroveň vyzařování je rušení generované samotným konkrétním spotřebičem či zařízením měřené předepsaným způsobem a vyjádřené např. v [dBm] v závislosti na kmitočtu.

Mez vyzařování je maximální přípustná (tj. normami povolená) úroveň vyzařování daného zařízení. Rozdíl těchto úrovní vyjadřuje tzv. rezerva návrhu daného zařízení z hlediska EMI.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Podobně …

Úroveň odolnosti je maximální úroveň rušení působícího na konkrétní zařízení, při němž nedochází ještě ke zhoršení jeho provozu. Mez odolnosti je nejnižší normou požadovaná úroveň odolnosti daného zařízení. Rozdíl obou těchto úrovní udává rezervu návrhu zařízení z hlediska odolnosti k EMS.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Rozdíl meze (mezí) odolnosti a meze (mezí) vyzařování je nazýván rezervou (rozpětím) EMC daného zařízení. Výše uvedená norma zavádí rovněž pojem tzv. kompatibilní úrovně , jakožto úrovně rušení, při níž je dosaženo ještě "přijatelně vysoké" pravděpodobnosti EMC zařízení. Rozdíly mezí vyzařování a mezí odolnosti vůči této kompatibilní úrovni (v [dB]) jsou nazývány rezerva (rozpětí) vyzařování a rezerva (rozpětí) odolnosti.

09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Aby zkoušené zařízení vyhovělo požadavkům EMC, musí být úroveň jeho vyzařování vždy nižší než maximální přípustná úroveň, tj. než mez vyzařování. Podobně úroveň odolnosti zařízení musí být vždy větší než minimální požadovaná úroveň, tj. než mez jeho odolnosti. Navíc, mez odolnosti musí být vyšší než mez vyzařování, neboť jen tak je dosaženo dostatečné rezervy EMC daného zařízení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Konkrétní velikosti rezervy návrhu zařízení z hlediska EMI a EMS nejsou nijak předepsány a jejich míra je výlučnou záležitostí výrobce daného zařízení. Jsou-li rezervy zvoleny příliš velké, vede to ke zbytečnému zvýšení nákladů - na odrušení, na parametry odrušovacích prostředků, na stínění a na další ochranu EMC. Vývoj i konečná cena daného zařízení se tím zvyšuje.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Naopak, jsou-li rezervy návrhu příliš malé, vzniká velké riziko, že zařízení nevyhoví zkouškám EMC či provozním požadavkům a musí být dodatečně odrušováno, odstiňováno apod., což je obvykle ještě pracnější a nákladnější než v předchozím případě. Ukazuje se, že v závislosti od velikosti a rozsáhlosti zařízení by optimální náklady na zajištění EMC měly činit asi 2 až 10 % celkových vývojových nákladů zařízení. Jsou-li otázky EMC sledovány od samého počátku vývoje zařízení, lze náklady snížit dokonce pod hodnotu 1 %. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Klasifikaci rušení i jejich zdrojů lze uskutečnit podle mnoha různých hledisek. Některé možné případy jsou naznačeny v obrázku. Z hlediska zamezení rušení jsou v centru naší pozornosti především umělé interferenční zdroje, tj. zdroje vzniklé lidskou technickou činností. Přírodní (přirozené) zdroje rušivých signálů musíme brát jako fakt, jehož vzniku většinou nemůžeme zabránit; zbývá tedy jen předcházet jejich následkům.

© VR - ZS 2009/2010


Klasifikace interferenčních signálů

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

ČSN-EN 55014


T- MaR

Uvedená norma definuje tzv. mžikovou (impulsní) poruchu jako poruchu s dobou trvání ne delší než 200 ms, která je oddělena od následující mžikové poruchy nejméně o 200 ms. Mžiková porucha může skládat z nepřerušené řady impulsů nebo být tvořena seskupením jednotlivých impulsů kratších než 200 ms. Oba tyto časové intervaly jsou vztaženy k úrovni mezí spojitého rušení. Jednorázová mžiková porucha jako nepřerušená řada impulsů (a) a jako seskupení jednotlivých impulsů (b) netrvající déle než 200 ms.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Jednorázová mžiková porucha – omezení doby trvání na max. 200 ms.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Vyhodnocení mžikových poruch: nespojité rušení - a) dvě mžikové poruchy v intervalu 2s vzdálené od sebe o více než 200 ms; spojité rušení - b) jedna mžiková porucha delší než 200 ms, c) dvě mžikové poruchy v odstupu menším než 200 ms © VR - ZS 2009/2010


Vyhodnocení mžikových poruch: spojité rušení - d) více než dvě poruchy v intervalu 2 s.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Grafické znázornění typických případů průběhů rušivých signálů pro napětí v napájecí energetické síti - mohou se projevovat různými formami deformace harmonického napájecího napětí 50 Hz.. 09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Další typ rušení související se spínacími pochody – objevil se okolo roku 1970 – přinesla polovodičová usměrňovací a řídicí technika. Tj. usměrňovače diodového či tyristorového a triakového typu a tyristorové řízení výkonových průmyslových zařízení (pohonů), např. nejrůznějších hnacích strojů v průmyslových podnicích a výrobnách, hnacích soustrojí tramvají, trolejbusů, lokomotiv. Dále při tyristorové regulaci otáček velkých motorů, např. u výtahů, těžních klecí a podobných strojních systémů.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Při činnosti všech těchto obvodů a zařízení jsou opakovaně spínány velké proudy, takže zde vznikají rušivá napětí v podobě periodicky se opakujících impulsů doprovázená silnými rušivými eklektromagnetickými poli. Napěťové pulsy značně deformují průběh napájecího napětí. Kmitočtové spektrum rušivých signálů sahá až do kmitočtů desítek MHz. Jsou-li tyto usměrňovače a polovodičové spínače, regulátory či měniče připojeny k energetické napájecí síti přímo bez patřičné filtrace, příp. bez přepěťových ochran, deformují svými výstupními průběhy síťové napětí do té míry, že mohou způsobit celoplošné výpadky energetické sítě. Viz následující obrázky. © VR - ZS 2009/2010


Obr. 2.6. Deformace síťového napětí vlivem diodového usměrňovače a polovodičových měničů – reálné průběhy sejmuté z obrazovky osciloskopu.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

V praxi jedním z nejrozšířenějších zdrojů průmyslového rušení jsou kolektory elektrických motorů.

Odrušení kolektorového motoru

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Výtah musí odpovídat normám ČSN EN 55011 pro zařízení třídy B – měření rušivých napětí na síťových svorkách v pásmu 150 kHz až 30 MHz a ČSN EN 50081-1 pro prostředí obytné, obchodní, kancelářské a lehkého průmyslu. © VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014

T- MaR


© VR - ZS 2014

T- MaR


© VR - ZS 2014

T- MaR


© VR - ZS 2014

T- MaR


© VR - ZS 2014

T- MaR


T- MaR

Další typ rušení vzniká v napájecích sítích nízkého napětí při činnosti mechanickcých stykačů a jističů, případně mechanických relé. Při přechodovém jevu rozpojování obvodu obsahujícího indukčnost dochází v okamžiku rozpojení kontaktů k rychlé změně (přerušení) proudu (se strmostí hrany proudového impulsu) di/dt a tím na indukčnosti (cívce) vzniká vysoké rušivé napětí u = -L.di/dt. Mezi kontakty vznikne obloukový výboj, který představuje „spoj“ a proto napětí mezi oběma kontakty klesne skokem k nule. Následkem poklesu napětí musí být, že výboj zhasne. Vzhledem k oscilačnímu principu daného účastí indukčnosti v obvodu bude děj pokračovat tím, že mezi kontakty opět narůstá napětí. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Proces se opakuje pokud jeho velikost opět překročí průraznou pevnost vzduchu mezi vzdalujícími se kontakty spínače (to záleží na velikosti rozpojovaného napětí, na rychlosti vzdalování se kontaktů spínače i na velikosti indukčnosti rozpojovaného obvodu), oblouk mezi kontakty se opět zapálí a celý děj se může několikrát opakovat. Na rozpojovaných kontaktech vznikají velmi strmé impulsy s krátkou náběžnou hranou jen několika ns, ale s napětím několika kV – lze aplikovat obrázek s tvarem proudového impulsu při úderu blesku (viz dále).

Výsledkem je jednak vznik rušivě působícího elektromagnetického pole a jednak i možnosti vzniku naindukovaného přepětí. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Značně silné rušící účinky vykazují venkovní energetická ve-

dení vysokého (vn) a velmi vysokého (vvn) napětí. Patří k těm zdrojům rušení, která se obtížně vyhledávají a ještě obtížněji odstraňují. Produkované rušivé spektrum sahá od kHz až ke GHz. Výsledkem je, že negativně ovlivňuje provoz jakékoli radiokomunikační služby a řadu dalších elektronických (např. lékařských aj.) zařízení a přístrojů – včetně měřicích a řídících systémů.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Zdrojem rušivých signálů vedení vn a vvn jsou výboje dvojího druhu.

Koronové výboje vznikají jen u vedení vvn (110 kV a více) na nerovnostech vodičů, na armaturách a zařízeních rozvoden. Korona se podobá doutnavému výboji a její spektrální složky nepřesahují 10 MHz. Velikost výbojů se zvyšuje za vlhka (projevuje se jako intenzivní slyšitelný praskot pod vedením vvn a v jeho okolí). Současně opět vzniká rušivé elektromagnetické pole.

Kapacitní …

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Kapacitní výboje jsou typické pro vedení vn 22 kV, kde vznikají na nedokonalém spojení kovových předmětů nacházejích se v těsné blízkosti částí vedení pod napětím. Tj. kovové kloubové spoje závěsných izolátorů, u nichž se v důsledku koroze vytvoří izolační vrstvička a dielektricky se oddělí kovové části kloubového spoje. Po překročení dielektrické pevnosti této vrstvičky či při jejím mechanickém narušení (např. při kývání izolátoru ve větru) dojde k jiskrovému výboji. Za suchého počasí bývá toto rušení větší, za vlhka někdy i zcela vymizí. Vznikající kmitočtové spektrum sahá až k 1 GHz a rušivý signál se "dobře" vyzařuje částmi armatur i vlastním vn vedením. Opět i zde současně vzniká rušivé elektromagnetické pole. 09.2009

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Rušivě působí i jiné druhy elektrických výbojů, např. u zářivek a osvětlovacích či jiných výbojek. Startéry zářivek se přemosťují odrušovacími kondenzátory, které zkratují vysokofrekvenční složky vznikající při rozpojování startérového kontaktu. Šíření do napájecí sítě pak omezuje do přívodu zapojená tlumivka a odrušovací kondenzátory.

Velmi častým zdrojem rušivých signálů, polí a poruch jsou zapalovací obvody zážehových spalovacích motorů – dříve byly v tomto případě největším zdrojem motorky.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Zdroje napěťového přepětí lze z hlediska jejich původu rozdělit na dvě skupiny: přírodní zdroje a zdroje uměle vytvořené lidskou činností. .Zatímco zařízení s diskrétními součástkami snesla napěťové přepětí až několik kV, moderní integrované obvody (s počtem součástek až několik miliónů na čipu) bývají poškozovány napětími již od několika V a to i při mizivě malé energetické úrovni přepětí.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Nejdůležitějším přírodním zdrojem přepětí je především bleskový výboj, jakožto nejsilnější přírodní elektrický výboj. Úder blesku ohrožuje elektrická zařízení až do vzdálenosti cca 4 km.

Vybíjení atmosférické elektřiny bleskem způsobuje vznik strmého elektromagnetického impulsu (v literatuře označovaného zkratkou LEMP - Lightning Electromagnetic Pulse), který má na zasažená i vzdálenější zařízení rušivé až destrukční účinky. Z kmitočtového hlediska produkuje blesk rušení o hodnotě až 140 dBmV v pásmu 2 - 30 kHz.

Dále úroveň rušení klesá se strmostí 20 dB/dek. až do kmitočtu cca 100 MHz. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Nepřímý účinek blesku spočívá v zavlečení napěťového rázového impulsu z vnějšího vedení nízkého, případně i vysokého napětí do vnitřního silového rozvodu budov. V tomto případě je důležité, aby na vstupu budovy byla nainstalována primární přepěťová ochrana (bleskojistky, varistory) a aby budova byla vybavena dokonalým zemnicím systémem.

© VR - ZS 2009/2010

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Proudový impuls při úderu blesku a jeho základní parametr

09.2009

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

K umělým zdrojům přepětí, jejichž význam v posledních letech stále vzrůstá, patří lokální elektrostatické výboje (ESD - Electrostatic Discharge). S jejich vlivem je nutno počítat všude tam, kde se vyskytuje třecí pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pevných, kapalných či plynných). Přestože energie lokálních výbojů je velmi nízká (často menší než 10 mJ), je jejich napěťová úroveň jednotek až desítek kV velmi nebezpečná pro elektronické prvky a zařízení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Největším provozním nebezpečím elektrostatický náboj vznikající na osobách při jejich chůzi, pohybu končetin či třením částí oděvu. Osoba tak může běžně dosáhnout napětí proti zemi 5 - 15 kV. Závislost napětí elektrostatického výboje na vlhkosti vzduchu a druhu materiálu, který elektrostatický náboj vytváří.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Závislost napětí elektrostatického výboje na vlhkosti vzduchu a druhu materiálu, který elektrostatický náboj vytváří.

© VR - ZS 2009/2010

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Proudový impuls při vybití elektrostatického náboje

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Srovnání úrovní mimozemských poruch a šumů s úrovněmi jiných interferenčních zdrojů a jejich spektrální rozložení

09.2009

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Respektování zásad EMC úzce souvisí s kvalitou a spolehlivostí výrobků.

Neznalost zásad a podmínek EMC může za určitých okolností způsobit značné hospodářské škody, havárie technických zařízení či ohrozit život a zdraví lidí. Uvádí se, že celkový objem evropského obchodu s výrobky a službami EMC přesáhl v roce 1999 jednu miliardu dolarů při meziročním nárůstu zhruba 15 %. Jde tedy o problematiku rozvíjející se velmi dynamicky i z výrobního a obchodního hlediska.

© VR - ZS 2009/2010


Teritoriální rozdělení evropského trhu EMC

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


6.

Teritoriální rozdělení evropského trhu EMC.

Obr. 1.7.

Podíly hlavních produktů

Podíly hlavních produktů na evropském trhu EMC © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Odrušovací prvky

Odrušovací prostředky jsou technickými prostředky, které se užívají k omezování elektromagnetického rušení v kterékoli části řetězce EMC. Používají se jak k potlačení rušivých signálů u jejich zdroje, tak i pro zvýšení odolnosti "přijímacího" zařízení proti němu. Omezení rušení vyzařováním, příp. zvýšení odolnosti vůči elektromagnetickým polím nelze obvykle dosáhnout bez použití správně provedeného stínění.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky

Nesprávná volba odrušovacího prostředku nejen že nepřinese očekávaný efekt, ale může být dokonce příčinou zhoršení parametrů odrušovaného zařízení nebo ohrožení bezpečnosti obsluhy. Nevhodně zvolený odrušovací prostředek nebo jeho nesprávná montáž a instalace může ve svém výsledku zvýšit celkovou hladinu rušení tak, že výsledek je horší (špatný).

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky

Podmínkou správné volby odrušovacích prostředků je znalost jejich fyzikálních vlastností a technických parametrů a současně znalost chráněných obvodů a principů vazeb – vše v závislosti na kmitočtu.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky

Mezi odrušovací prostředky patří zejména: - odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry, - odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry, - odrušovací filtry LC, - přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynem plněné výbojky, varistory, omezovací diody), - elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky - odrušovací tlumivky Odrušovací tlumivky jsou nejnákladnějšími a nejobjemnějšími pasivními prvky užívanými v technice odrušování - buď samostatně nebo jako součást odrušovacích filtrů. Protože se odrušovací tlumivky zapojují do proudových obvodů odrušovaného zařízení, jsou jejich rozměry v prvé řadě dány velikostí protékajícího pracovního proudu.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky - odrušovací kondenzátory Odrušovací kondenzátory mohou být používány buď samostatně, nebo spojené do určitých kombinací tzv. kondenzátorových filtrů, nebo jako součásti odrušovacích filtrů LC, příp. článků RC.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky - odrušovací kondenzátory Indukčnost přívodů vytváří s vlastní kapacitou kondenzátoru parazitní rezonanční obvod, nad jehož rezonančním kmitočtem má odrušovací kondenzátor induktivní charakter a jeho vložný útlum s rostoucím kmitočtem klesá. Kvalitní odrušovací kondenzátory musí mít délku přívodů co nejkratší, což je především otázkou jejich konstrukčního provedení. Nejvýhodnější jsou průchodkové a zejména koaxiální průchodkové kondenzátory. Jejich několik konstrukčních variant spolu s kmitočtovým průběhem vložného útlumu je naznačeno na obrázku. Umožňuje-li to konstrukce odrušovaného zařízení, dáváme proto průchodkovým koaxiálním kondenzátorům přednost před ostatními. © VR - ZS 2009/2010


Odrušovací prvky - odrušovací kondenzátory

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Odrušovací prvky - odrušovací filtry K dokonalejší ochraně před působením vysokofrekvenčního rušení šířícího se po vedení se používají odrušovací filtry, nejčastěji filtry LC typu dolní propust. Jako síťový odrušovací filtr označujeme filtr zapojený do energetické napájecí sítě či do napájecího vstupu přístroje. Tento druh odrušovacího filtru je asi v současné praxi EMC nejčastější.

© VR - ZS 2009/2010


Odrušovací prvky - odrušovací filtry Odrušovací filtr jako lineární

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Odrušovací prvky - odrušovací filtry

Příklady zapojení komerčních síťových © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry Zvláštním druhem síťových odrušovacích filtrů jsou tzv. filtry NEMP, příp. LEMP, nazývané též filtry EMP. Tyto filtry byly vyvinuty pro ochranu elektronických zařízení

proti působení rušivých impulsů velké intenzity. Na rozdíl od běžných síťových odrušovacích filtrů LC má filtr EMP na svém vstupu zapojeny ještě součástky omezující přepětí (bleskojistky, varistory, ochranné diody apod.).

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry Jiným speciálním typem odrušovacích filtrů jsou tzv. filtry

TEMPEST (Temporary Emanation and Spurious Transmission - přechodné úniky a nepravé přenosy). Slouží k zamezení úniku informací předávaných telekomunikačními zařízeními a zařízeními pro přenos dat, které mohou být zneužity nepovolanými osobami.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry Technická specifikace filtrů TEMPEST je přísně tajná a liší se filtr od filtru. Tyto filtry se vyznačují velmi jakostními parametry - vysokým útlumem 80 až 100 dB ve velmi širokém kmitočtovém rozsahu - obvykle od 10 kHz až 1 GHz. Je zřejmé, že takový filtr musí být tvořen mnohastupňovým řetězcem článků LC umístěných ve vysoce kvalitním elektromagneticky stíněném a hermeticky uzavřeném pouzdru se speciálními vstupními a výstupními konektory.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry Zkratka TEMPEST se stala synonymem pro všechny aktivity a opatření v souvislosti s nežádoucím vyzařováním či odposlechem elektronicky přenášených zpráv a dat.

V USA je jako TEMPEST označován celý národní program na ochranu počítačů a periférií před nežádoucím odposlechem dat.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry V telekomunikačních zařízeních se používají tzv. datové filtry (Data - Line Filters) k omezení rušivých signálů na datových a signálových vedeních. Jejich základní odlišností od síťových filtrů je nižší pracovní proud a nižší pracovní napětí datových filtrů. Datové filtry obvykle pracují v přizpůsobených systémech (ZS = ZZ) a jimi propouštěné užitečné signály (sdělovací či datové) bývají značně širokopásmové.

© VR - ZS 2009/2010

přepěťových ochranných prvků

T- MaR


Odrušovací prvky – přepěťové ochranné prvky Plynem plněné bleskojistky (výbojky)

Varistory (Voltage Dependent Resistors - VDR)

Klasické Zenerovy diody

Supresorové diody (Transient Absorbing Zener - TAZ diody)

Ochranné napětí [V]

10 ÷ 12 000

6 ÷ 2 000

2,4 ÷ 200

6 ÷ 440

Max.í proud po dobu 1 ms [A]

500

120

10

200

60

2 000

0,1

1

Přípustné výkonové zatížení [W]

800

2

50

5

Vlastní kapacita [pF]

0,5 ÷ 10

40 ÷ 40 000

5 ÷ 15 000

300 ÷ 15 000

Doba reakce [ns]

> 1 000

25

10

0,01

Druh ochrany

hrubá

hrubá

jemná

jemná

Název Schematická značka

Obr. 3.12.Max. Příklad absorbovaná provedení a útlum

energie [J]

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – komplexní ochranné prvky

Komplexní odrušovací filtry EMP - hlavním úkolem přepěťových ochranných prvků v těchto filtrech je omezit velikost přepěťových rušivých impulsů, které se mohou dostat na vstup filtru, a tím snížit nároky na velikost vložného útlumu následného filtru LC. Teplotně závislý odpor (termistor) sériově zapojený do větve plynové bleskojistky je tepelně vázán se vstupní tavnou pojistkou celého filtru a způsobí její rychlé přetavení v případě velmi vysokého vstupního přepěťového impulsu, jímž je výbojka zapálena.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Odrušovací prvky – komplexní ochranné prvky

Zapojení síťového odrušovacího filtru s přepěťovými ochrannými prvky

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Literatura: VACULÍKOVÁ, P., VACULÍK, E. aj. Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémů. Grada Publishing, Praha 1998 SVOBODA, J. aj. Základy elektromagnetické kompatibility. Skripta FEL ČVUT. Vydavatelství ČVUT, Praha 1993 CHATTERTON, P. A., HOULDEN, M. A. EMC - Electromagnetic Theory to Practical Design. John Wiley, New York 1991

HABIGER, E. Elektromagnetische Verträglichkeit. Hüthig Buch Verlag, Heidelberg 1992 RODEWALD, A. Elektromagnetische Verträglichkeit - Grundlagen, Experimente, Praxis. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995 © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SVAČINA, J. Základy elektromagnetické kompatibility (EMC) Část 5: Elektromagnetická odolnost a její testování. Elektrorevue, 2001/25, Brno 2001 SVAČINA, J. Elektromagnetická kompatibilita, principy a metody. Brno: Vysoké učení technické. 2001 "Připojujeme se k Evropské Unii", svazek 2 VONDRÁK, M. Elektromagnetická kompatibilita v teleinformatice - cvičení. Skripta FEL ČVUT v Praze. Vydavatelství ČVUT, Praha 1998

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

KÜNZEL, K. – ŽÁČEK, J.: EMC v technické praxi I: Legislativní požadavky. Automa, 2006, roč. 12, č. 2 a č. 3. http://www.odbornecasopisy.cz/au020659.htm

© VR - ZS 2014


T- MaR

V prezentaci byly z veřejně dostupných internetových zdrojů použity také informace autorů – např. Ing. Richard Jelínek, CSc. Prof. Ing. Jiří Svačina Ing. Josef Jansa doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc. Ing. Karel Künzel, CSc.

© VR - ZS 2014


T- MaR

… a to by bylo

vše 6...... © VR - ZS 2014

T- MaR

© VR - ZS 2014

CW01 - Teorie měření a cv. 6

Recommend Documents