Studia podyplomowe TEO

Transkrypt

1 Identyfikacja sygnału elektrycznego, praca układów prostownikowych Badanie jakości energii w instalacjach (OZE) Analiza pracy przetwornic DC/AC (np. w instalacjach z OZE) Badanie zaburzeń przewodzonych w zakresie częstotliwości 0,15-30 MHz Badanie emisji elektromagnetycznej w zakresie niskich częstotliwości Badanie emisji elektromagnetycznej w zakresie wysokich częstotliwości Badanie hałasu 1

2 Zaburzenia promieniowane Zaburzenia przewodzone 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. 2

3 Z prawnego punktu, formalne zasady ochrony środowiska przed polami elektromagnetycznymi zostały określone w: ustawie z 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska, Dz. U. nr 52, poz. 627, 2001 (artykuły ), dyrektywie unijnej (obecnie zawieszonej), Council of the European Union Recomendation of 12 July 1999 on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz), 1999/519/EC. Off. J. Eur. Communities, L 199/59, 1999, rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia r. w sprawie szczegółowych zasad ochrony przed promieniowaniem szkodliwym dla ludzi i środowiska, dopuszczalnych poziomów promieniowania, jakie mogą występować w środowisku oraz wymagań obowiązujących przy wykonywaniu pomiarów kontrolnych promieniowania. Dz. U. 107, poz. 676, 1998, rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 24 września 2002 r. w sprawie określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko, oraz szczegółowych kryteriów związanych z kwalifikowaniem przedsięwzięć do sporządzenia raportu o oddziaływaniu na środowisko. Dz. U. nr 179, poz. 1490, 2002, rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania tych pomiarów, (Dz. U. Nr 192, poz. 1883). 3

4 Zgodnie z obowiązującym ustawodawstwem, ochrona przed polami elektromagnetycznymi polega na zapewnieniu jak najlepszego stanu środowiska poprzez utrzymanie poziomów pól elektromagnetycznych poniżej dopuszczalnych, lub co najmniej na tych poziomach, a także poprzez zmniejszanie poziomów pól elektromagnetycznych, co najmniej do dopuszczalnych, gdy poziomy te nie są dotrzymane. Pole Elektromagnetyczne Ekspozycja organizmów żywych Ekspozycja urządzeń elektrycznych Kompatybilność elektromagnetyczna zdolność urządzenia do poprawnej pracy (zgodność techniczna w określonym środowisku elektromagnetycznym ) 4

5 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] Pomiary terenowe w Lublinie 5

6 6 A bram owick a A ltanowa Anders a B ernardyńsk a B isk upińsk a B urs ztynowa Cienis ta Chodź ki Diam entowa Długa Głębok a Hutnicz a Inż yniersk a Janowsk a Jutrz enk i K oncertowa K raś nick a M ełgiewsk a Nadbystrz yck a Nałęc zowsk a P odhalańsk a Raabego Rapac kiego Rudnick a Rusałk a S olidarnośc i Tury sty czna W. W itosa W arszaws ka Ż eglarsk a 1,0 10,0 100,0 E [V/m] 1000,0 frequency range (5Hz-400kHz) Studia podyplomowe TEO

7 7 Abramow ic ka Altanow a Andersa Bernardyńska Biskupińska Bursz tynowa C ienista C hodźki D iamentow a Długa G łęboka H utnicza Inży nierska J anows ka J utrzenki Koncertowa Kraśnicka M ełgiews ka N adbystrzy cka N ałęczows ka Podhalańska R aabego R apackiego Rudnicka R usałka Solidarnośc i Turysty czna W. Witos a Warszaws ka Żeglarska 1,00 10,00 100, ,00 H-Field 3D [ma/m] frequency range (5Hz-400kHz) Studia podyplomowe TEO

8 wartości 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 8

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 promieniowanie kom puter m onitor 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. 9

10 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 0Hz MHz MHz GHz.. radioelektryczne PRZEWODZONE PROMIENIOWANE zakłócenia EM podział ze względu na ch-ki czasowe krótkotrwałe podział ze względu na ch-ki częstotliwościowe szerokopasmowe podział ze względu na źródło powstawania naturalne ciągłe wąskopasmowe ziemskie sztuczne podział ze względu na opis matematyczny pozaziemskie intencjonalne sygnał zdeterminowany nieintencjonalne syg. niezdeterminowany 10

11 Analiza częstotliwości zaburzeń Emisja energii zakłócającej z obiektu 0Hz MHz MHz GHz.. Energia emitowana przewodami Promieniowanie całego obiektu Zakłócenia radioelektryczne 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. 11

12 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. W przypadku źródeł napięć i prądów o częstotliwości sieciowej wytwarzane pole elektromagnetyczne jest zawsze polem bliskim i powinno być charakteryzowane przez natężenie składowej pola elektrycznego E oraz składowej pola magnetycznego H, których wartości określa się obliczeniowo lub poprzez pomiary. Dla warunków rzeczywistych obliczenia rozkładu i wartości pól E i H są bardzo skomplikowane, w praktyce wykonuje się więc pomiary obu składowych. Pomiary takie przeprowadza się przy użyciu odpowiednich przyrządów, z zachowaniem wymaganych procedur pomiarowych (odpowiednie miejsce, określona wysokość, uwzględnienie wpływu sąsiadujących obiektów przewodzących oraz warunków atmosferycznych). 12

13 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. 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 13

14 E B = t V m 3 D =ρ e C m 3 D H = + t J e A 3 m B = 0 Wb 3 m Podstawy elektromagnetyzmu Długość fali elektromagnetycznej Prędkość w próżni W innych ośrodkach λ = v / f v o = 1 / (ε o µ o ) 1/2 Gdzie: ε = ε r ε o i µ = µ r µ o 3 x 10 8 m/s v = 1 / (εµ) 1/2 = v o / (ε r µ r ) 1/2 Przykład: plexiglass (ε r = 3.45, µ r = 1) v = v o / (ε r µ r ) 1/2 = v o / (3.45 x 1) 1/2 = 0.54 v o 14

15 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. Podstawy kompatybilności - jednostki Przeliczenia jednostek: 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 15

16 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]. Product Specific Product Family Generic Klasyfikacja norm wg zakresów ważności: samodzielnie sformułowane normy, normy zakładowe, np. w przemyśle, normy branżowe, np. samochody, normy krajowe, normy europejskie, normy globalne (międzynarodowe). 16

17 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. 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 17

18 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. Trzy drogi uzyskiwania znaku zgodności europejskiej CE 18

19 CE komputer indywidualny - PC CE drukarka przewód! CE CE Przykład prostego systemu, który poddany zostanie badaniom (kilka urządzeń sprzężonych przez przewód) CE & CE =/= = CE 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 19

20 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. 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. 20