Zakup aparatury współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego Jerzy PIETRUSZEWSKI BADANIA KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ 1. Wprowadzenie Współczesne maszyny i urządzenia, które użytkujemy i eksploatujemy bardzo często są mocno nasycone elementami elektrycznymi i elektronicznymi. Urządzenia te w czasie pracy emitują zaburzenia elektromagnetyczne, które możemy podzielić na zaburzenia niskiej i wysokiej częstotliwości oraz zaburzenia wprowadzane galwanicznie i wypromieniowywane. Najczęściej jest to zjawisko niepożądane, chociaż są maszyny i urządzenia, w których wykorzystuje się celowo pola i promieniowanie elektromagnetyczne. Oddziaływanie zaburzeń elektromagnetycznych może być różne i może prowadzić do poważnych zagrożeń. Przykładem może być: możliwość zakłócenia pracy rozrusznika serca u człowieka, który znajdzie się w nieodpowiednim polu; zakłócenia w pracy maszyn np. nieoczekiwane ruchy wykonywane przez ramię robota; czy choćby może najmniej szkodliwe, ale denerwujące zakłócenia w odbiorze programów radiowych czy telewizyjnych w postaci trzasków czy zaśnieżonego ekranu telewizora. Aby zapobiegać takim sytuacjom, każde urządzenie czy maszyna, w którym znajdują się elementy elektryczne i elektroniczne, powinno być tak skonstruowane, aby emitować jak najmniej zaburzeń. Ponadto każde urządzenie czy maszyna powinno być tak skonstruowane, aby było maksymalnie odporne na zaburzenia emitowane przez inne urządzenia. Ta zdolność współistnienia obok siebie różnych urządzeń i możliwość poprawnej pracy nazywana jest kompatybilnością elektromagnetyczną. Osiąga się to przez odpowiednią konstrukcję, dobór elementów, połączenia, filtrowanie i ekranowanie. Przy dzisiejszym stopniu skomplikowania układów często nie wystarczy wiedza teoretyczna, musi być ona podparta badaniami. 2. Zalecenia dla badań kompatybilności elektromagnetycznej Badania kompatybilności elektromagnetycznej można przeprowadzić na etapie końcowym lub już w trakcie konstruowania urządzenia. Często badania w trakcie pomagają uniknąć kosztownych przeróbek po zakończeniu prac i przeprowadzeniu badań końcowych. Zdarza się również, że żadne przeróbki nie pomagają i urządzenie należy przekonstruować całkowicie. 10
Badania przeprowadza się w zakresie emisji zaburzeń i w zakresie odporności na zaburzenia elektromagnetyczne. Dopuszczalne poziomy zaburzeń, jakie dane urządzenia mogą emitować w zależności od środowiska, w jakim pracują oraz na ile dane urządzenia powinny być odporne na zaburzenia emitowane przez inne urządzenia, określają normy. Normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej można podzielić na normy ogólne, np. seria norm EN 61000-6, gdzie normy EN 61000-6-1 i EN 61000-6-2 dotyczą odporności na zaburzenia elektromagnetyczne urządzeń pracujących w środowiskach mieszkalnych, handlowych oraz lekko uprzemysłowionych lub w środowiskach przemysłowych oraz normy EN 61000-3 i EN 61000-6-4, które dotyczą dopuszczalnych poziomów emitowanych zaburzeń tak przewodzonych, jak i wypromieniowywanych w środowiskach jak wymienione wyżej. Dla niektórych grup wyrobów opracowano normy szczegółowe, które określają dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń i wymaganą odporność na zaburzenia a także to, jakie rodzaje badań są wymagane ze względu na konstrukcję danego urządzenia. Przykładem takich norm są EN 55014-1, norma dotycząca emisji zaburzeń dla przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń czy norma EN 55014-2 dotycząca odporności na zaburzenia dla urządzeń wymienionych powyżej. Osobną grupę norm stanowi seria norm EN 61000-4-x, mówiące o metodach badań i pomiarów odporności urządzeń na zaburzenia elektromagnetyczne. Nie należy również zapominać o normach serii EN 61000-3-x dotyczących badania emisji harmonicznych i flickerów (migotania światła) a więc zaburzeń niskoczęstotliwościowych. Każde nowe skonstruowane urządzenie, jak również urządzenia, w których dokonywano przeróbek powinny zostać poddane badaniom weryfikującym ich kompatybilność elektromagnetyczną. Odporność urządzeń na zaburzenia bada się przeprowadzając badania odporności na znormalizowaną emisję zaburzeń i obserwując pracę urządzenia czy maszyny. Badania te w skrajnych przypadkach (jeżeli urządzenia jest źle zaprojektowane i wykonane) mogą być badaniami niszczącymi lub stwarzającymi zagrożenie. W ramach projektu pt.: Doposażenie laboratoriów Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania świadczących specjalistyczne usługi dla przedsiębiorców realizowanego w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Wzrost konkurencyjności przedsiębiorstw na lata 2004-2006, Priorytetu 1 Rozwój przedsiębiorczości i wzrost innowacyjności poprzez wzmocnienie instytucji otoczenia biznesu, Działanie 1.4 Wzmocnienie współpracy między sferą badawczo-rozwojową a gospodarką zakupiono aparaturę do badań odporności na zaburzenia elektromagnetyczne oraz do badań emisji harmonicznych i flickerów. Zakup tej aparatury rozszerzył możliwości badań prowadzonych w Instytucie. 3. Opis aparatury do badań dostępnej w Instytucie Do badań odporności na szybkie stany przejściowe/zaburzenia typu BURST wg normy EN 61000-4-4 oraz na udary wg normy EN 61000-4-5 ale także do badań wg wymagań klienta, w zakresie możliwości aparatury, służy modułowy system testujący NSG 2050. W skład systemu wchodzą: - moduł sterujący NSG 2050 - moduł kształtowania impulsów PNW 2050 pozwalający uzyskać impuls typu SURGE 1,2/50 µs (napięcie jałowe) o wartości napięcia 200 V do 6,6 kv oraz 8/20 µs (prąd zwarcia) o wartości prądu zwarcia do 3,3 ka, 11
posiadający impedancję 2 Ω i 12 Ω, umożliwiający uzyskanie impulsów o biegunowości dodatniej, ujemnej lub przemiennej; - moduł PNW 2051 pozwalający uzyskać impuls typu SURGE 0,5/700 µs (napięcie jałowe) o wartości napięcia 200 V do 6,6 kv oraz 10/700 µs (prąd zwarcia) o wartości prądu zwarcia do 440 ka, posiadający impedancję 15 Ω i 40 Ω, umożliwiający uzyskanie impulsów o biegunowości dodatniej, ujemnej lub przemiennej; - moduł kształtowania impulsów PNW 2225 pozwalający uzyskać impulsy typu BURST o amplitudzie impulsu do 4,8 kv, czasie narastania 5 ns i szerokości impulsu 50 ns, z częstotliwością serii 100 Hz do 1 MHz, umożliwiający uzyskanie impulsów o biegunowości dodatniej, ujemnej i przemiennej; - moduł sprzęgający CDN 133 pozwalający na sprzęganie urządzeń badanych z generatorami typu SURGE i BURST dla EUT zasilanych jednofazowo i trójfazowo (napięcie 24 V do 440 V 50/60 Hz faza/faza, prąd 25 A ciągły i 30 A do 30 min) - sieci sprzęgające CDN 117/118 pozwalające wstrzykiwać impulsy typu SURGE do linii sygnałowych, linii danych oraz linii telekomunikacyjnych, Do wykonywania badań odporności na wyładowania elektrostatyczne jest używany symulator ESD typu NSG 435 produkcji firmy Schaffner. Umożliwia on badania zgodnie z normą EN 61000-4-2, jak również badania, które mogą wnosić wiedzę na temat poprawnego działania urządzeń w obecności wyładowań elektrostatycznych, ale nie są do końca zgodne z wcześniej wymienioną normą. Symulator umożliwia generowanie napięć do 9 kv przy wyładowaniach dotykowych oraz 16 kv przy wyładowaniach powietrznych z dodatnią i ujemną biegunowością. Napięcie może być ustawiane co 100 V. Możliwe jest generowanie wyładowań pojedynczych oraz powtarzalnych co 0.5, 1, 5, 10, 20 lub 25 Hz. Do wykonywania badań na zapady i zaniki napięcia służy modułowy system testujący typu ProfLine bazujący na trzech źródłach wzorcowych NSG 1007-5- 400 o mocy 5 kva każdy, wyposażony także w szybki przełącznik fazowy NSG-3 oraz układ synchronizacji sieciowej INA 2150. Umożliwia on przeprowadzanie badań zgodnie z normą EN 61000-4-11, jeśli chodzi o poziomy i czasy trwania zaników napięcia, ale także stosownie do wymagań klienta w ramach możliwości systemu. Do wykonywania badań emisji harmonicznych oraz migotania światła służy również modułowy system testujący typu ProfLine bazujący na trzech źródłach wzorcowych NSG 1007-5-400 o mocy 5 kva każdy. System umożliwia analizę kształtu prądu pobieranego przez badane urządzenie do 40 harmonicznej oraz pomiar emisji flickerów (migotania światła). System ProfLine umożliwia także badanie odporności urządzeń na obecność harmonicznych w sieci zasilającej. 12
Poniższe zdjęcia przedstawiają nowo zakupioną część posiadanej przez nas aparatury: Modułowy system testujący NSG 2050 produkcji firmy Schaffner Symulator ESD typu NSG 435 produkcji firmy Schaffner 13
System ProfLine produkcji firmy Schaffner Oprócz powyższej aparatury Instytut posiada również wyposażenie do pomiarów emisji przewodzonej, tj. emisji zaburzeń przewodzonych do sieci zasilającej w zakresie 9 khz do 30 MHz. Posiadamy odbiornik pomiarowy ESCS 30 firmy Rohde & Schwarz oraz sztuczne sieci ESH2-Z5 (sieć trójfazowa, prąd do 25 A/fazę [obciążenie ciągłe]) oraz ESH3- Z5 (sieć jednofazowa, prąd 10 A/fazę). Zestaw - odbiornik pomiarowy oraz sztuczna sieć umożliwia pomiar emisji przewodzonej w zakresie 9 khz do 30 MHz. Dzięki posiadaniu odbiornika pomiarowego ESCS 30, cęgów absorpcyjnych MDS 21 oraz ławy pomiarowej wykonujemy także pomiary emisji mocy. promieniowanej na przewodzie zasilającym. Jest to badanie według normy EN 55014-1 dotyczącej wymagań dla przyrządów powszechnego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń. Kolejnym typem aparatury dedykowanej do pomiarów zgodnie z normą EN 55014-1 jest czterokanałowy odbiornik pomiarowy DIA 1512D firmy Schaffner służący do pomiarów emisji zaburzeń nieciągłych jakie powstają przy przełączaniu obwodów prądu elektrycznego. Odbiornik posiada cztery kanały, które umożliwiają jednoczesny pomiar zaburzeń nieciągłych dla częstotliwości 150 khz, 500 khz, 1,4 MHz oraz 30 MHz. 14
Posiadamy również aparaturę do badania: - odporności na zaburzenia przewodzone o częstotliwości radiowej (indukowane w przewodach pod wpływem pola elektromagnetycznego) umożliwiającą badanie odporności wg normy EN 61000-4-6 z zestawem sieci sprzęgająco-odsprzęgających dla linii zasilania, linii danych i linii sygnałowych. - odporności na pole magnetyczne o częstotliwości sieci zasilającej (50 Hz) umożliwiające wytworzenie pola magnetycznego o wartości do 1000 A/m. Na wyposażeniu posiadamy cewki o wymiarach 1 m x 1 m x 0,6 m oraz 2,6 m x 1 m. 4. Badania realizowane w Instytucie Dzięki posiadaniu aparatury omówionej w poprzednim rozdziale jesteśmy w stanie przeprowadzić badania: 1. Odporności na szybkie stany przejściowe. Jest to wprowadzanie do przewodu zasilającego lub przewodów sygnałowych i sterujących zaburzeń imitujących zaburzenia, jakie powstają przy przełączaniu styków np. przekaźników, styczników pod obciążeniem. 2. Odporności na udary. Jest to wprowadzanie do przewodu zasilającego i ewentualnie przewodów sterujących i sygnałowych zaburzeń imitujących zaburzenia, których typowym przykładem są zaburzenia powstałe przy wyładowaniach atmosferycznych. 3. Odporności na wyładowania elektrostatyczne. Jest to badanie polegające na poddaniu urządzenia działaniu impulsów napięciowych o napięciu od kilku (przy wyładowaniu dotykowym) do kilkunastu kilowoltów (przy wyładowaniu powietrznym). Ma to na celu zbadanie odporności urządzenia na przeskok iskry pomiędzy obudową urządzenia a innym naelektryzowanym ciałem. Typowym przykładem takiego zaburzenia, obserwowanym przez kierowców, jest przeskok iskry między palcem a karoserią samochodu. Są to wyładowania bardzo krótkotrwałe, ale o wysokim napięciu i stosunkowo dużej energii, znaczącej dla układów elektronicznych. 4. Odporności na zapady i zaniki napięcia. Zapady napięcia są to krótkotrwałe obniżenia napięcia a zaniki są to krótkotrwałe wyłączenia napięcia. Przyjmuje się, że urządzenie lub maszyna powinno być odporne na takie zjawiska w określonych zakresach napięć i czasu i nie powodować np. wyłączeń urządzenia, zmiany parametrów pracy itp. Badanie przeprowadza się, zasilając urządzenie z wzorcowego źródła zasilania, obniżając napięcie zasilające i obserwując pracę urządzenia. 5. Badania emisji harmonicznych wg normy EN 61000-3-2 oraz migotania światła (flickerów) wg normy EN 61000-3-3. 15