LVD i EMC

Sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych9 min read

Sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych

Zrozumienie zasad dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej jest niezbędne do tego, aby wprowadzić odpowiednie sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych. Wiedza na temat podatności na zakłócenia konkretnej aparatury, oraz wprowadzanie zakłóceń przez tą aparaturę z której ma być zbudowany układ sterowania, jest zawarta w instrukcji producenta aparatury. Dlatego montaż podzespołów powinien być wykonany z uwzględnieniem zaleceń zawartych w instrukcji producenta urządzenia. Niezależnie od tego, warto znać kilka dodatkowych zasad, wynikających z praktyki inżynierskiej.

Kompatybilność elektromagnetyczna jest gałęzią elektrotechniki związaną z nieprawidłowym działaniem sprzętu elektrycznego lub elektronicznego, spowodowaną na przykład polami lub zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi lub elektromagnetycznymi. Kluczowym czynnikiem zapewniającym kompatybilność elektromagnetyczną działania urządzeń elektrycznych jest właściwa konstrukcja i projekt urządzenia. Odpowiednie zestawienie takich urządzeń we wspólnym układzie sterowania, np. w postaci szafy elektrycznej również jest istotna. Projektantowi muszą być znane sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą powstać wskutek wzajemnej współpracy kilku urządzeń elektrycznych, zestawionych we wspólnym układzie stanowiącym całość.

Emisje zakłóceń elektromagnetycznych i odporność na zakłócenia są regulowane na całym świecie przez normy, wytyczne i prawodawstwo.

W przypadku urządzeń dostarczanych jako gotowe do użycia, zwykle wystarczy zainstalować i eksploatować je zgodnie z dokumentacją producenta w celu przestrzegania wartości granicznych kompatybilności elektromagnetycznej i osiągnięcia zadowalającej funkcji. Dokumentem wyznaczającym warunki użytkowania urządzeń jest zawsze dokumentacja techniczna, specyficzna dla urządzenia. Bezwzględnie należy przestrzegać instrukcji bezpieczeństwa podanych w dokumentacji.

Historycznie termin EMC, oznaczający kompatybilność elektromagnetyczną był ogólnie rozumiany jako odnoszący się głównie do zakłóceń o częstotliwości radiowej (RFI – Radio frequency interference). Zakłócenia te mają swoje źródło w sprzęcie elektrycznym, mogącym promieniować, emitować lub indukować energię, która ma negatywny wpływ na działanie systemu radiowego.

Przy tej interpretacji EMC, jedynym istotnym zagadnieniem, które należałoby wziąć pod uwagę w odniesieniu do wyposażenia elektrycznego maszyn, byłoby to, czy zjawiska opisane powyżej (promieniowanie, emisja lub indukcja) spowodowane przez działanie elementów elektroenergetycznych w niektórych urządzeniach miałyby negatywny wpływ na łączność radiową. Ponieważ ilość obwodów elektronicznych zintegrowanych w urządzeniach elektrycznych gwałtownie wzrosła, przedmiot kompatybilności elektromagnetycznej nabrał zupełnie nowego znaczenia.

Obowiązki producentów, importerów i dystrybutorów związane ze sprzedażą sprzętu elektromagnetycznego zostały określone w dyrektywie EMC 2014/30/UE. Celem dyrektywy jest określenie zasad funkcjonowania zestawionych ze sobą urządzeń w określonym środowisku.

Dyrektywa EMC 2014/30/UE ma zastosowanie tylko do aparatury, a nie do pól elektromagnetycznych i ich efektów, np. na ludziach. Systemy radiowe i końcowe urządzenia telekomunikacyjne nie są objęte dyrektywą EMC 2014/30/UE, ale są przedmiotem innej dyrektywy.

Prawidłowe funkcjonowanie urządzeń zapewnione jest poprzez określenie dopuszczalnego poziomu w odniesieniu do kompatybilności elektromagnetycznej. W związku z tym wyposażenie elektryczne musi być zaprojektowane i wyprodukowane w taki sposób, aby:

  • generowane przez te wyposażenie zakłócenia elektromagnetyczne nie przekraczały poziomu, powyżej którego urządzenia radiowe i telekomunikacyjne lub inne urządzenia mogłyby nie działać zgodnie z przeznaczeniem.
  • posiadało poziom odporności na zakłócenia elektromagnetyczne, których można się spodziewać w zamierzonym zastosowaniu, co pozwalałoby wyposażeniu działać bez niedopuszczalnego pogorszenia jego zamierzonego użytkowania.

Nowa dyrektywa EMC 2014/30/UE nie zawiera żadnych zmian technicznych w porównaniu do poprzedniej dyrektywy EMC 2004/108/WE. Dyrektywa EMC 2014/30/UE jest jedyną dyrektywą UE, która nie jest związana z bezpieczeństwem.

Zanim przejdziemy do tego aby wyjaśnić sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych, warto wspomnieć, jakie skutki i przyczyny mają takie zakłócenia.

Zakłócenia elektromagnetyczne mogą mieć różne skutki w instalacjach elektrycznych:

  • Niestabilność systemu sterowania – błędne działanie systemu sterowania o charakterze zbliżonym do błędów w oprogramowaniu
  • Sporadyczne błędy – brak możliwości odczytu wskaźników, błędne odczyty;
  • Nieprawidłowe działanie urządzenia pomiarowego – nieprawidłowe wskazania układów pomiarowych wielkości elektrycznych lub nieelektrycznych, nieprawidłowe działanie układów wykonawczych;
  • Usterki sprzętu komunikacyjnego – zwiększenie czasu transmisji, brak możliwości odczytu danych lub zmiany parametrów urządzeń zdalnych;
  • Awaria lub nieodwracalne uszkodzenie urządzeń i sekcji instalacji – trwałe uszkodzenia sprzętu w wyniku działania zaburzeń elektromagnetycznych lub wpływ na niezawodność sprzętu.

Przyczyny zakłóceń:

  • odbijanie styków mechanicznych;
  • włączanie i wyłączanie lamp fluorescencyjnych;
  • łączenie obwodów za pomocą połączeń typu gniazdo -wtyczka;
  • proces zapłonu ze spawania łukowego;
  • rozłączanie obciążeń indukcyjnych, transformatorów, reaktorów itp., które są instalowane równolegle do źródła napięcia;
  • urządzenia przełączające wysokiej częstotliwości (przemienniki częstotliwości, zasilacze itp.);
  • elektronika sterująca wysokiej częstotliwości (np. ekrany LCD);
  • napięcie przemienne 50 Hz;
  • zmiany w potencjale zasilania;
  • zmiany sygnału sterowania;
  • sygnały zegarowe o wysokiej i niskiej częstotliwości;
  • zjawiska związane z odwzbudzaniem obciążeń indukcyjnych, np. kontaktrony w obwodach drukowanych;
  • pola magnetyczne indukowane przez napędy pamięci masowej;
  • iskrzenie podczas otwierania się i zamykania styków;
  • efekty rezonansu po zamknięciu styków;
  • ładunki statyczne.

Najprostszym sposobem wdrożenia środków tłumienia zakłóceń w wyposażeniu elektrycznym jest zapewnienie przestrzennego rozdzielenia źródeł zakłóceń i ofiar interferencji. Na rys. poniżej źródło zaburzeń reprezentuje urządzanie lub system, który generuje zaburzenia. Urządzenie zakłócane (ofiara zakłóceń) reprezentuje urządzenie lub system, który jest wrażliwy (nieodporny) na te zaburzenia. W rzeczywistości urządzenie lub system może być jednocześnie źródłem jak i odbiornikiem zaburzeń. Linie przerywane obrazują rozchodzenie się zaburzeń na drodze emisji, a linie ciągłe zaburzeń na drodze przewodzenia. Strzałki pokazują kierunek sprzęgania i przenoszenia się zaburzeń.

Sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych - ofiara i źródło zakłóceń

  • Linia A przedstawia zaburzenia sprzężone bezpośrednio od źródła do odbiornika zaburzeń na drodze emisji.
  • Linia B pokazuje, że przewody połączeniowe mogą również stanowić źródło emisji zaburzeń.
  • Linia C obrazuje, że przewody połączeniowe mogą się zachowywać jak urządzenie zakłócane i reagować na zaburzenia które pochodzą z emisji. W ten sposób zaburzenie, które początkowo u źródła przenosi się na drodze emisji, dociera do urządzenia zakłócanego na drodze przewodzonej.
  • Linia D reprezentuje problem przenikania zaburzeń, który występuje w przewodach połączeniowych, gdzie zaburzenia z jednego przewodu mogą w sposób pojemnościowy lub indukcyjny sprzęgać się z drugim przewodem.

Identyfikacja potencjalnych źródeł i ofiar ingerencji jest kluczowym aspektem analizy ryzyka i oceny przewidzianej w dyrektywie EMC 2014/30/UE. Lista typowych źródeł zakłóceń i ofiar w znajduje się poniżej.

Typowe źródła zakłóceń, to takie, jak:

  • stycznik, zawory elektroniczne,
  • przetwornik częstotliwości,
  • silniki elektryczne,
  • zasilacze w trybie przełączania,
  • urządzenia o wysokiej częstotliwości,
  • nadajniki (np. systemu radiowego),
  • różnice w potencjale gruntowym lub referencyjnym,
  • człowiek (ładunek statyczny),
  • przewody zasilające.

Typowe ofiary interferencji, to takie jak:

  • czujniki,
  • kontrolery (np. PLC),
  • sprzęt pomiarowy,
  • interfejsy sygnałowe,
  • sprzęt komunikacyjny.

Istnieje kilka rodzajów wprowadzania zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą pogorszyć warunki funkcjonowania układu sterowania:

  • Galwaniczne wprowadzanie zakłóceń – wprowadzanie zakłóceń wynikające z wykorzystania wspólnego odcinka przewodu,
  • Pojemnościowe wprowadzanie zakłóceń – będące efektem sprzężeń pojemnościowych np. pomiędzy dwoma przewodami,
  • Indukcyjne wprowadzanie zakłóceń – wynikające z występowania zmiennego pola elektromagnetycznego.
  • Elektromagnetyczne wprowadzanie zakłóceń – wynikające z występowania silnego pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości.

Poniżej, w tabeli zestawiono wszystkie rodzaje zakłóceń i sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych:

Ścieżki sprzężenia / źródła zakłóceń Możliwości uniknięcia interferencji
Sprzężenie galwaniczne, np.:

  • uziemienie przewodu/ uziemienie współdzielone przez kilka urządzeń;
  • dwa obwody posiadające wspólny przewód;
  • urządzenia przełączające;
  • silniki podczas rozruchu;
  • odchyłki potencjałów między obudowami komponentów ze wspólnym zasilaniem.
  • długość przewodu wspólnego możliwie jak najkrótsza;
  • użycie przewodów o większym przekroju, jeśli wspólna impedancja ma w dużej mierze charakter omowy;
  • zastosowanie oddzielnego przewodu zasilającego i powrotnego dla każdego obwodu.
Sprzężenie pojemnościowe, np.:

  • przewód silnika i nieekranowany przewód sygnałowy są poprowadzone równolegle i blisko siebie na znacznej odległości;
  • różnica potencjałów między przewodnikami; sprzężenie interferencyjne za pośrednictwem kabli sygnałowych poprowadzonych równolegle;
  • wyładowanie statyczne pochodzące od człowieka (użytkownika).
  • prowadzenie przewodu „źródłowego” i „ofiarnego” w jak największej odległości od siebie;
    utrzymanie odległości, na której przewody są poprowadzone równolegle tak krótko, jak to możliwe, krzyżowanie przewodów pod kątem prostym;
  • w miarę możliwości należy używać kabli sygnałowych osłoniętych na całej ich długości i instalować osłony ekranu o niskiej indukcyjności z dużym obszarem styku:
    • ekran cyfrowych przewodów sygnałowych jest zawsze połączony na obu końcach;
    • interferencje niskiej częstotliwości (pętle uziemienia) mogą rozwijać się na analogowych kablach sygnałowych, jeśli ekran jest połączony na obu końcach; w takim przypadku tylko jeden koniec ekranu może być połączony z konwerterem; drugi koniec ekranu powinien być uziemiony za pomocą kondensatora typu MKT o mocy około 10 nF / 100 V.
Sprzężenie indukcyjne, np.:

  • wzajemna interferencja między pętlami przewodzenia; napięcia zakłócające są indukowane przez pola magnetyczne związane z prądami;
  • transformatory, silniki, elektryczne urządzenia spawalnicze;
  • przewody sieciowe poprowadzone równolegle;
  • przewody przewodzące prąd elektryczny;
  • przewody sygnałowe wysokiej częstotliwości;
  • brak tłumienia przepięć podczas wyłączania urządzeń o charakterze indukcyjnym.
  • zachować jak największą odległość pomiędzy pętlami przewodzenia;
  • zachować możliwie jak najmniejsze pole powierzchni pętli przewodnika, tzn. poprowadzić przewody zasilające i powrotne równolegle i w najbliższej możliwej odległości od siebie, lub użyć skręconych przewodów do kabli sygnałowych;
  • użycie ekranowanych kabli sygnałowych, przy czym ważne jest, aby ekran był połączony na obu końcach.
Sprzężenie elektromagnetyczne, np.:

  • mobilne urządzenia komunikacyjne;
  • styczniki i przełączniki po otwarciu styków; grupa przewodów jest narażona na falę elektromagnetyczną – prądy i napięcia są indukowane w przewodach, gdy są narażona na działanie fali elektromagnetycznej;
  • sąsiednie nadajniki (np. telefony);
  • iskry (świece zapłonowe, kolektory silników elektrycznych, urządzenia spawalnicze).
  • użycie metalowych szaf sterowniczych, w których połączenia między poszczególnymi elementami (rama szafy, ściany, drzwi itp.) są elektrycznie przewodzące;
  • użycie metalowych obudów dla urządzeń i modułów, które mają przewodzące połączenia między sobą oraz z obudową szafy;
  • użycie przewodów osłoniętych drobnym splotem, zaprojektowanym w celu zapewnienia odporności na szum wysokiej częstotliwości (ekran).