Dr inż. Paweł A. Mazurek.

Transkrypt

1 Dr inż. Paweł A. Mazurek

2 Treści programowe przedmiotu Forma zajęć wykłady Treści programowe Liczba godzin Emisja elektromagnetyczna. Odporność elektromagnetyczna. 4 W1 Kompatybilność elektromagnetyczna instalacji i urządzeń elektrycznych. Legislacja krajowa i unijna. W2 Oddziaływanie przemysłu energetycznego na środowisko naturalne - emisje 2 elektromagnetyczne. Suma godzin 6 Forma zajęć laboratoria Treści programowe Liczba godzin L1 Badanie emisji elektromagnetycznej wysokich częstotliwości 1 L2 Badanie przewodzonych zaburzeń elektromagnetycznych urządzeń/instalacji 2 elektrycznych L3 Badanie odporności na znormalizowane sygnały zaburzeniowe 1 Suma godzin 4

3 Zaburzenia promieniowane Zaburzenia przewodzone

4 Współistnienie wielkiej ilości urządzeń elektrycznych powoduje, że w efekcie superpozycji emisji wielu urządzeń o większych mocach, pola nakładają się wzajemnie tworząc pole elektromagnetyczne o pewnej mierzalnej wartości na znacznym obszarze. Pole to może oddziaływać zarówno na obiekty biologiczne jak również na inne znajdujące się w tym obszarze urządzenia i systemy elektryczne. Działania biologiczne pola elektromagnetycznego generowanego przez urządzenia elektryczne mogą mieć charakter termiczny i nietermiczny. Niezależnie od typu działania, pole elektromagnetyczne powoduje zmiany biologiczne in vivo poprzez układy regulacyjne: nerwowy, hormonalny i łączno-tkankowy. Oddziaływanie na ludzi uzależnione jest od natężenia tego pola i charakterystyki jego zmienności w czasie, częstotliwości pól oraz od warunków i czasu trwania ekspozycji człowieka.

5

6 Pole Elektromagnetyczne Ekspozycja organizmów żywych Ekspozycja urządzeń elektrycznych Kompatybilność elektromagnetyczna zdolność urządzenia do poprawnej pracy (zgodność techniczna w określonym środowisku elektromagnetycznym )

7 E V/m poziom zakłóceń [db] a b c ,30 0,49 0,70 0,95 1,75 3,00 5,30 8,00 14,0 20,0 25,0 30,0 częstotliwość [MHz]

8 Środowisko elektromagnetyczne (PN -T ) Przez środowisko elektromagnetyczne należy rozumieć zespół wszystkich zjawisk elektromagnetycznych, występujących w pewnym obszarze. Zakłócenie elektromagnetyczne, EMI (PN -T ) Zakłócenie elektromagnetyczne jest to niepożądane obniżenie jakości działania urządzenia spowodowane przez zaburzenie elektromagnetyczne. Urządzenie jest kompatybilne, jeżeli działa w danym środowisku elektromagnetycznym w sposób zadawalający oraz jeżeli nie wprowadza do tego środowiska zaburzeń nietolerowanych przez wszystko, co się w tym środowisku znajduje

9 Przyczyny wzrostu emisji elektromagnetycznej zagęszczenie urządzeń elektrycznych, wzrost mocy w urządzeniach z elementami wykorzystującymi przekształtniki elektroenergetyczne, wzrost częstotliwości pracy elementów elektronicznych w urządzeniach, wzrost zakłóceń w sieciach zasilających. Do powstania problemu zakłóceń konieczne są trzy elementy sprzężenie galwaniczne zakłócenie EM sprzężenie indukcyjne sprzężenie pojemnościowe propagacja fali em w linii promieniow anie kom puter m onitor

10 Ustalenie par urządzeń mogących się zakłócać, analiza parametrów EMC, Określenie rodzaju zaburzeń (sprzężeń ) - (pomiar, obliczenia), Analiza wartości istniejących zapasów kompatybilności (porównanie zaburzeń z wartościami dopuszczalnymi), Analiza możliwości dopuszczenia zakłóceń w określonych stanach (lub czasach) pracy.

11 zakłócenia zewnętrzne zakłócenia wewnętrzne Rozpatrywana aparatura elektroniczna zakłócenia emitowane przez aparaturę Ilustracja oddziaływania zakłóceń w aparaturze elektronicznej Mechanizmy oddziaływań pomiędzy źródłem zakłóceń, a obwodem czułym na zakłócenie

12 0Hz MHz MHz GHz.. radioelektryczne PRZEWODZONE PROMIENIOWANE zakłócenia EM podział ze względu na podział ze względu na podział ze względu na ch-ki czasowe ch-ki częstotliwościowe źródło powstawania krótkotrwałe szerokopasmowe naturalne ciągłe wąskopasmowe ziemskie sztuczne podział ze względu na opis matematyczny pozaziemskie intencjonalne sygnał zdeterminowany nieintencjonalne syg. niezdeterminowany

13 Analiza częstotliwości zaburzeń Emisja energii zakłócającej z obiektu 0Hz MHz MHz GHz.. Energia emitowana przewodami Promieniowanie całego obiektu Zakłócenia radioelektryczne

14 Pole jest stanem przestrzeni, w której istnieje energia. Pola elektromagnetyczne mogą być stałe i zmienne w czasie. Zmienność pól wyraża się przez liczbę zmian na sekundę, zdefiniowaną jako częstotliwość. Długość fali dla pól zmiennych wyraża się zależnością λ = c / f (gdzie c jest szybkością światła). Wyróżniamy pole elektryczne, które jest wywołane obecnością przeciwstawnych ładunków elektrycznych, czyli napięciem elektrycznym oraz pole magnetyczne, wywołane ruchem ładunków elektrycznych, czyli prądem elektrycznym. Fala elektromagnetyczna składa się ze sprzężonych ze sobą pól elektrycznego E i magnetycznego H.

15 1. strefę pola dalekiego (promieniowania), o odległości od źródła większej od długości fali λ, dla przypadku fali płaskiej zachodzi wtedy pomiędzy natężeniami E i H zależność: E/H = 377 Ω. W strefie promieniowania parametry pola elektromagnetycznego są jednoznacznie określone. 2. strefę przejściową, o zasięgu od ok.λ/20 doλ. W strefie tej na równi z polami E i H charakterystycznymi dla strefy promieniowania występują dodatkowo pola quasi stacjonarne o natężeniach zmniejszających się znacznie z drugą a nawet trzecią potęgą odległości od źródła pola. W strefie przejściowej rozkład pól magnetycznych i elektrycznych jest bardzo złożony i nie występuje pomiędzy nimi jednoznaczny związek. Przy rozpatrywaniu warunków pracy oraz oddziaływania w strefie przejściowej pól elektromagnetycznych na ludzi oraz na urządzenia należy uwzględniać zarówno pole E jak i H. 3. strefę pola bliskiego, o zasięgu od źródła pola do ok. λ/20. W strefie tej dominują quasi-stacjonarne składowe pola elektrycznego E i magnetycznego H. Natężenie pola elektrycznego E jest proporcjonalne do napięcia zasilającego źródło pola, a natężenie pola magnetycznego H jest proporcjonalne do prądu płynącego w instalacji źródła pola. Pola strefy bliskiej są najsilniejsze i stanowią poważne źródło zakłóceń dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz mogą wprowadzać istotne zagrożenie dla ludzi.

16 Oddziaływania i środowisko elektromagnetyczne mechanizm oddziaływań elektromagnetycznych - siły działające na ładunki elektryczne - oddziaływanie na odległość pojęcie pola - pole magnetyczne, elektryczne i elektromagnetyczne - pola statyczne i zmienne środowisko elektromagnetyczne - znormalizowane rodzaje środowisk z punktu widzenia pól, z punktu widzenia zasilania.

17 E z B y v x Podstawowe równania elektromagnetyzmu - Prawa Maxwell a B wektor indukcji magnetycznej H wektor natężenia pola magnetycznego D wektor indukcji elektrycznej E wektor natężenia pola elektrycznego J wektor gęstości prądu przewodnictwa t - czas ε o = ¼π F/m µ o = 4π H/m

18 E = B t V 3 m D =ρe C 3 m D H = + t J e A 3 m B = 0 Wb 3 m

19 Podstawy kompatybilności - jednostki Emisja przewodzona: Napięcie - Volty (V) Natężenie prądu - Ampery (A) Moc Waty (W) Emisja promieniowana: Pole Elektryczne Volt/metr (V/m) Pole Magnetyczne Amper/metr (A/m) Gęstość mocy Wat/(metr metr) (W/m 2 ) Ponieważ zakres zmian wielkości jest znaczny określa się wielkości w skali decybelowej [ (db)jednostki ]. Decybele przedstawione są w skali logarytmicznej.

20 Podstawy kompatybilności - jednostki Współczynnik wzmocnienia mocy = (v 2 out R L ) / (v 2 in R in ) = (v 2 out / v 2 in)(r in /R L ) = (P out / P in ) Wzmocnienie mocy w skali decybelowej : P db 10 log 10 (P out / P in ) wzmocnienie napięciowe = (v out /v in ) wzmocnienie prądowe = (i out /i in ) wzmocnienie napięciowe w sakli decybelowej definiujemy: U db 20 log 10 (v out /v in ) wzmocnienie prądowe w sakli decybelowej definiujemy: i db 20 log 10 (i out /i in ) 1mV (dbmv), 1mV (dbmv), 1mA (dbma), 1mA (dbma), 1mW (dbmw), and 1mW (dbmw = dbm)

21 Podstawy kompatybilności - jednostki Zestawienie tabeli przeliczeniowej : volt = 10 [dbµv /20] x 10-6 volt = 10 [dbmv /20] x 10-3 wat = 10 [dbµw /10] x 10-6 wat = 10 [dbm /10] x 10-3 Przykład przekonwertuj 36 dbµv na Volty: Volt = 10 [36/20] x 10-6 = 10 [1.8] x 10-6 = x 10-6 = 63.1 µv

22 Prawodawstwo Podstawę kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) tworzą normy międzynarodowe opracowywane przez IEC (International Electrotechnical Commission - Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna) i CISPR (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques - Międzynarodowy Komitet Specjalny ds. Zakłóceń Radioelektrycznych z siedzibą w Genewie). Od tych norm międzynarodowych wywodzi się duża liczba aktów prawnych używanych w różnych blokach gospodarczych w Europie, Ameryce i Azji. W przepisach i normach zarówno polskich jak i międzynarodowych dotyczących problematyki pól elektromagnetycznych szczegółowo określa się dopuszczalne poziomy zakłóceń i metody badań. Ich geneza sięga Dyrektywy Unii Europejskiej EMC/89/336/EEC ważnej od , a ograniczenie poziomu zakłóceń elektromagnetycznych jest obligatoryjne we wszystkich krajach członkowskich UE [2].

23 Klasyfikacja norm wg zakresów ważności: samodzielnie sformułowane normy, normy zakładowe, np. w przemyśle, normy branżowe, np. samochody, normy krajowe, normy europejskie, normy globalne (międzynarodowe).

24 Celem dyrektyw jest likwidowanie przeszkód przy wprowadzaniu produktów na rynek. Dyrektywy nie mają mocy prawnej. Stwarzają jedynie podstawę do przygotowywania aktów prawnych w krajach członkowskich Unii. Pozwala to ujednolicić wymagania stawiane produktom pojawiającym się na rynku we wszystkich krajach Unii. Dzięki jednolitemu prawodawstwu, produkt spełniający wymagania dopuszczenia do sprzedaży w jednym kraju może być sprzedawany w pozostałych krajach członkowskich. Dostawca produktu na rynku sam pisemnie deklaruje spełnienie wymagań odpowiedniej dyrektywy lub dyrektyw, ponosząc wszelkie konsekwencje tego faktu. Potwierdzeniem tego jest znak CE umieszczony na produkcie.

25 Pierwsza Dyrektywa EMC Council directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility amended by Directives 91/263/EEC, 92/31/EEC,93/68/EEC, 93/97/EEC

26 Dyrektywa EMC 1. Cele dyrektywy wykreowanie akceptowalnego środowiska elektromagnetycznego, zapewnienie swobodnego obrotu urządzeniami w ramach UE. 2. drogi osiągnięcia celów ograniczenie emisji zakłóceń i podniesienie odporności EM, wprowadzenie oznaczenia zgodności europejskiej CE.

27 Trzy drogi uzyskiwania znaku zgodności europejskiej CE

28 CE komputer indywidualny - PC CE przewód! drukarka CE CE Przykład prostego systemu, który poddany zostanie badaniom (kilka urządzeń sprzężonych przez przewód) CE & CE =/= = CE

29 BASIC STANDARDS normy podające podstawowe warunki i reguły zachowania wystarczającej kompatybilności (oraz obowiązujące nazewnictwo). GENERIC STANDARDS normy odnoszące się do określonych środowisk (np. domowych lub przemysłowych). PRODUCT STANDARDS normy odnoszące się do pewnych typów aparatów (rodzin aparatów). Współzależność rodzajów norm EMC

30 DYREKTYWA 2004/108/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 15 grudnia 2004 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do kompatybilności elektromagnetycznej oraz uchylająca dyrektywę89/336/ewg Przepisy Państw Członkowskich zapewniające ochronę przed zaburzeniami elektromagnetycznymi powinny być zharmonizowane w celu zagwarantowania swobodnego przepływu aparatury elektrycznej i elektronicznej, bez obniżania uzasadnionego poziomu ochrony istniejącego W Państwach Członkowskich. Ochrona przed zaburzeniami elektromagnetycznymi wymaga nałożenia obowiązków na różne podmioty gospodarcze. Obowiązki te powinny być nakładane uczciwie i skutecznie w celu osiągnięcia takiej ochrony.

31 (5) Należy poddać regulacjom kompatybilność elektromagnetyczną urządzeń mając na względzie zapewnienie funkcjonowania rynku wewnętrznego, czyli obszaru bez granic wewnętrznych, na którym zapewniony jest swobodny przepływ towarów, osób, usług i kapitału. (6) Do urządzeń objętych niniejszą dyrektywą należy zaliczyć zarówno aparaturę jak i instalacje stacjonarne. Jednak należy stworzyć odrębne przepisy dla każdego z nich. Związane jest to z faktem, że o ile sama aparatura jest przedmiotem swobodnego przepływu wewnątrz Wspólnoty, to instalacje stacjonarne są instalowane do stałego użytkowania w określonych miejscach, jako zestawy różnego rodzaju aparatury, a w stosownych przypadkach, także innych urządzeń. Skład i przeznaczenie takich instalacji w większości przypadków odpowiadają szczególnym potrzebom ich użytkowników. (7) Urządzenia radiowe i końcowe urządzenia telekomunikacyjne nie powinny zostać objęte niniejszą dyrektywą, ponieważ są one już objęte dyrektywą1999/5/we Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 9 marca 1999 r. w sprawie urządzeń radiowych i końcowych urządzeń telekomunikacyjnych oraz wzajemnego uznawania ich zgodności (4). Wymagania kompatybilności elektromagnetycznej w obydwu dyrektywach osiągają ten sam poziom ochrony.

32 (8) Statki powietrzne lub urządzenia, które mają być w nich instalowane nie powinny zostać objęte niniejsza dyrektywą, ponieważ są już one przedmiotem specjalnych reguł wspólnotowych lub międzynarodowych dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. (9) Niniejsza dyrektywa nie powinna obejmować urządzeń, które są z założenia nieszkodliwe pod względem kompatybilności elektromagnetycznej. (10) Bezpieczeństwo urządzeń nie powinno być przedmiotem niniejszej dyrektywy, ponieważ jest ono objęte odrębnym prawodawstwem wspólnotowym lub krajowym. (11) W przypadkach gdy niniejsza dyrektywa wprowadza regulacje dotyczące aparatury, dotyczą one aparatury gotowej po raz pierwszy dostępnej w obrocie na rynku wspólnotowym. Niektóre komponenty lub części składowe powinny, na pewnych warunkach, być uważane za aparaturę, jeżeli użytkownik końcowy ma do nich dostęp.

33 (13) Normy zharmonizowane odzwierciedlają powszechny stan techniki w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej w Unii Europejskiej. W związku z tym w interesie funkcjonowania rynku wewnętrznego leży opracowanie norm kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń, zharmonizowanych na poziomie wspólnotowym; w chwili gdy odesłanie do takiej normy zostało opublikowane w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej osiągnięcie zgodności z tą normą oznacza domniemanie, że osiągnięto zgodność z odpowiednimi wymaganiami zasadniczymi, chociaż należy zezwolić na inne środki wykazujące taką zgodność. Zgodność ze zharmonizowaną normą oznacza zgodność z jej przepisami i wykazanie tej zgodności przy użyciu metod, które norma zharmonizowana opisuje lub do których odsyła. (15) Wprowadzenie aparatury do obrotu lub oddanie jej do użytku powinno być możliwe wyłącznie gdy zainteresowani producenci stwierdzili, że taka aparatura została zaprojektowana i wyprodukowana zgodnie z wymaganiami niniejszej dyrektywy. Aparatura wprowadzona do obrotu powinna nosić oznakowanie CE potwierdzające zgodność z niniejszą dyrektywą. Pomimo że producent jest odpowiedzialny za zapewnienie oceny zgodności bez potrzeby angażowania niezależnego podmiotu zajmującego się oceną zgodności, producenci powinni mieć możliwość korzystania z usług takiego podmiotu. (16) Obowiązek zapewnienia oceny zgodności powinien się wiązać z obowiązkiem producenta do przeprowadzenia oceny kompatybilności elektromagnetycznej aparatury, w oparciu o odpowiednie zjawiska, w celu określenia czy spełnia ona wymagania ochronne zawarte w niniejszej dyrektywie.

34 Instalację stanowi zestaw aparatury, komponentów, zmontowany przez instalującego w określonym miejscu w celu wspólnego działania w przewidywanym środowisku, nie przeznaczony jednak do wprowadzania do obrotu jako funkcjonalna całość. Rozróżnia się instalacje stacjonarne i ruchome (mogące przemieszczać się w obrębie Unii Europejskiej); Za producenta instalacji stacjonarnej uznaje się osobę realizującą projekt, wykonanie i konstrukcję (łącznie z zestawieniem elementów). Osoba ta jest zobowiązana do zapewnienia zgodności aparatury z zasadniczymi wymaganiami.

35 (wewnętrzna kontrola produkcji) 1. Producent przeprowadza ocenę zgodności kompatybilności elektromagnetycznej aparatury, w oparciu o odpowiednie zjawiska, mając na celu spełnienie wymagań w zakresie ochrony, o których mowa w załączniku I pkt 1. Prawidłowe stosowanie wszystkich odpowiednich norm zharmonizowanych, do których odesłania zostały opublikowane w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej jest równoważne z przeprowadzeniem oceny kompatybilności elektromagnetycznej. 2. Ocena kompatybilności elektromagnetycznej uwzględnia wszelkie zwykłe warunki działania zgodnie z przeznaczeniem. W przypadkach, gdy aparatura może występować w różnych konfiguracjach, ocena kompatybilności elektromagnetycznej potwierdza, że aparatura taka spełnia wymagania w zakresie ochrony, o których mowa w załączniku I pkt 1 we wszystkich możliwych konfiguracjach wskazanych przez producenta jako reprezentatywne przykłady wykorzystania aparatury zgodnie z jej przeznaczeniem. 3. Zgodnie z przepisami zawartymi w załączniku IV, producent sporządza dokumentację techniczną przedstawiającą dowody zgodności aparatury z wymaganiami zasadniczymi niniejszej dyrektywy. 4. Producent lub jego upoważniony przedstawiciel na terytorium Wspólnoty przechowuje dokumentację techniczną do dyspozycji właściwych władz przez okres co najmniej dziesięciu lat od dnia, wyprodukowania ostatniego egzemplarza takiej aparatury.

36 5. Zgodność aparatury ze wszystkimi odpowiednimi wymaganiami zasadniczymi potwierdza się deklaracją zgodności WE wystawianą przez producenta lub jego upoważnionego przedstawiciela mającego siedzibę na terytorium Wspólnoty. 6. Producent lub jego upoważniony przedstawiciel na terytorium Wspólnoty przechowuje deklarację zgodności WE do dyspozycji właściwych władz przez okres co najmniej dziesięciu lat od dnia wyprodukowania ostatniego egzemplarza takiej aparatury. 7. Jeżeli producent ani jego upoważniony przedstawiciel nie mają siedziby na terytorium Wspólnoty, powyższy obowiązek przechowywania deklaracji zgodności WE oraz dokumentacji technicznej do dyspozycji właściwych władz spoczywa na osobie wprowadzającej aparaturę do obrotu na terytorium Wspólnoty. 8. Producent musi podjąć wszelkie środki niezbędne w celu zapewnienia aby produkty były wyprodukowane w sposób zapewniający zgodność z dokumentacją techniczną, o której mowa w pkt. 3 oraz z przepisami niniejszej dyrektywy, które stosuje się w odniesieniu do tych produktów. 9. Dokumentacja techniczna i deklaracja zgodności WE są sporządzone zgodnie z przepisami zawartymi w załączniku IV.

37 Normy Rodzajowe (Generic Standards) dotyczą wszystkich urządzeń, zgrupowanych w trzech kategoriach, zgodnie z którymi nazwano też Grupy Norm: Klasa 1 (pierwsza część normy): środowisko mieszkalne (rezydencjalne), handlowe i drobnej wytwórczości; Klasa 2 (druga część normy): środowisko przemysłowe; Klasa x według szczególnych ustaleń. Dla klasy 1 tzn. środowiska mieszkalnego, handlowego i drobnej wytwórczości, poziomy dopuszczalne zakłóceń emitowanych są wyższe niż dla klasy 2 (tj. sektora przemysłowego), natomiast w przypadku odporności na zakłócenia te poziomy są niższe.

38 Normy Generic wyróżniają trzy kategorie objawów i efektów, które mogą wystąpić podczas badań odporności na zaburzenia: Kategoria A): zakłócenia nie występują, Kategoria B): zakłócenia występują, ale badany obiekt po wyłączeniu sygnału zakłócającego ponownie pracuje bez zarzutu, Kategoria C): utrata zdolności funkcjonalnych podczas badania, ale poprawne działanie po ponownej regulacji badanego obiektu. Generic nie są regulaminem badań, lecz zawierają zbiór metod ich przeprowadzania dopuszczalnymi poziomami zakłóceń emitowanych i maksymalnymi poziomami odporności na zakłócenia dla urządzeń w pewnym założonym środowisku elektromagnetycznym.

39 Pomiary emisji