DETERMINAZIONE DELL`IMMUNITÀ AI DISTURBI DI RETE, BUCHI

DETERMINAZIONE DELL'IMMUNITÀ AI DISTURBI DI RETE,
BUCHI DI TENSIONE ARMONICHE E CAMPI MAGNETICI A
50/60HZ.
1. Generalità
La qualità dell’energia elettrica è un argomento che sta assumendo sempre più
importanza. L'impiego dei sempre più numerosi dispositivi di comando
elettronici, contenenti componenti non lineari come per esempio tiristori, negli
elettrodomestici (piani di cottura, lavatrici, ecc.) e negli impianti industriali
(azionamenti a velocità regolabile, ecc.) sono la causa dell’aumento delle fonti
di disturbo nella rete.
D'altro canto é in aumento anche l'uso di sistemi elettronici aventi un elevato
grado di sensibilità ai disturbi esterni. Per raggiungere la compatibilità
elettromagnetica bisogna stabilire sia i limiti di emissione degli apparecchi
collegati alla rete come pure il loro grado di immunità. La base per poter
stabilire questi limiti e proprio la qualità della rete.
Nella Normativa IEC 1000-2-1 e 1000-2-2 viene
definita
la
qualità
dell’alimentazione. La IEC 1000-3 invece definisce i limiti di emissione e la
IEC 1000-4 quelli di immunità.
DETERMINAZIONE DELL'IMMUNITÀ AI DISTURBI DI RETE,
BUCHI DI TENSIONE ARMONICHE E CAMPI MAGNETICI A
50/60HZ.
INDICE
1. GENERALITÀ
1.1 Qualità della rete
1.2 Misura dell’emissione
1.3 Prove di immunità
2. LE FONTI DI DISTURBO
2.1 Campi magnetici
2.2 Variazioni di tensione
2.3 Buchi di tensione
2.4 Variazioni di frequenza
2.5 Armoniche, interarmoniche
3. LE NORMATIVE BASE PER LE PROVE DI IMMUNITÀ
3.1 Prova con campo magnetico IEC 1000-4-8
3.2 Variazioni e buchi di tensione IEC 1000-4-11
3.3 Armoniche, interarmoniche
4. I GENERATORI DI PROVA, CONFIGURAZIONE DEL PIANO DI
PROVA
4.1 Prova di campo magnetico
4.2 Variazioni e buchi di tensione
4.3 Armoniche, interarmoniche
5. PIANO DI PROVA
5.1 Descrizione del sistema
5.2 Criteri di guasto
5.3 Svolgimento della prova
5.4 Protocollo di prova
6. BIBLIOGRAFIA
1.1 La qualità della rete
Come già accennato inizialmente la qualità della rete risente molto dei carichi
non lineari e stazionari. D’altra parte é in notevole aumento l’impiego di
apparecchi sempre più sofisticati che però sono molto sensibili ai disturbi
esterni. Il motivo principale per il quale fino ad oggi non esiste ancora nessuna
garanzia sulla qualità della rete fornita, é da attribuire soprattutto a due gruppi
aventi diversi interessi:
a) gruppo di utilizzatori di apparecchi sensibili, che pretendono un elevato
livello qualità della rete
b) gruppo di utilizzatori di apparecchi che a causa delle loro emissioni nella
rete, influenzano notevolmente la qualità. Per diversi motivi come per esempio
il risparmio d’energia, però si pretende ugualmente il loro utilizzo.
Tra questi gruppi si trovano i fornitori di energia (aziende elettriche) che
vorrebbero soddisfare entrambi i clienti. Questa situazione la si può raffigurare
come un modello EMC.
Fig. 1.1 Modello EMC per l’alimentazione dell’energia
Per cercare di ottenere una soddisfacente funzionalità degli apparecchi
elettronici, tutti tre i gruppi dovranno dare il loro contributo.
Il gruppo A dovrà eseguire le prove di immunità sui vari livelli di suscettibilità.
Il gruppo B dovrà cercare di ridurre al minimo le immissioni nella rete,
eseguendo le misure di emissioni.
Le Aziende Elettriche dovranno cercare, adottando le rispettive precauzioni, di
non superare i livelli di suscettibilità definiti dalla Normativa.
1.2 Misura dell’emissione
Nella presente dispensa non verrà trattato in dettaglio la problematica della
misura delle emissioni. Verranno comunque accennate le normative esistenti e
lo sviluppo delle stesse.
Poiché quasi tutte le normative europee fanno riferimento alla Norma IEC si
parlerà solamente della IEC. Tutte le Norme EMC nella IEC in futuro verranno
assegnate al gruppo 1000. Le emissioni di disturbi con i rispetti limiti verranno
riportate nella 1000-3…”Limits: Generic standards”.
Tabella 1.1 Struttura della IEC riguardante l’emissione nella rete di
alimentazione
1.3 Prove di immunità
Come nel punto 1.2 viene data anche qui una panoramica sulla struttura
riguardante le prove di suscettibilità secondo la IEC 1000-4-…
Tabella 1.2: Struttura della IEC riguardante le prove di suscettibilità nelle reti
di alimentazione
2. LE FONTI DEL DISTURBO
2.1 Campi magnetici a 50/60 Hz IEC 1000-4-8 En 61000-4-8
Un prodotto molto diffuso e molto sensibile ai campi magnetici è il monitor.
Già la presenza di un campo di 1 A/m può disturbare un monitor che non
possiede particolari protezioni. La pratica ha dimostrato che le fonti di questi
disturbi sono soprattutto:
- la ferrovia
- i tram
- fonti di riscaldamento
- le barre di corrente negli impianti di distribuzione
A seconda della distanza tra la fonte di disturbo ed il monitor, oppure altri
apparecchi elettronici, sono stati misurati dei campi magnetici con un’intensità
fino a 100 A/m.
Nella IEC 1000-4-8 pubblicata nel luglio 1993 vengono riportati ulteriori dati
riguardanti le misure dei campi magnetici.
2.2 Variazioni di tensione IEC1000-4-11 EN 61000-4-11
Fig. 2.1 Variazioni di tensione nella rete di alimentazione
Leggenda
P
T1
Z(L)
Generatore, centrale elettrica
Trasformatore di distribuzione
impedenza del cavo di alimentazione L
Z(N)
L2
L1
impedenza del cavo di alimentazione N
Carichi variabili
Inserimento di carichi
Le variazioni di tensioni vengono causate soprattutto da carichi variabili come
per esempio ins./disinserzione di grossi carichi nella propria alimentazione.
Poiché la rete ha una sua impedenza propria (trasformatore, cavi di
alimentazione) si verifica, a seconda della corrente dissipata, una caduta di
tensione che ha come conseguenza una variazione di tensione. Le Aziende
Elettriche cercano d mantenere queste variazioni entro certe tolleranze,
effettuando degli adattamenti al trasformatore o al generatore che a sua volta
però comportano anch’essi delle variazioni di tensione.
2.3 Buchi di tensione IEC 1000-4-11 EN 61000-4-11
Fig. 2.2 Buchi di tensione
Leggenda:
P
Z(N)
Z(L)
L1
L2
L3
F1
F2
Generatore, centrale elettrica
Impedenza Neutro
Impedenza Fase
Apparecchio carico 1
Apparecchio carico 2
Apparecchio carico 3
Fusibile
Fusibile nell’apparecchio i
I buchi di tensione vengono causati da diverse fonti di disturbo come per
esempio da fulminazioni oppure da apparecchi guasti. La durata del buco come
pure l’intensità della riduzione dipende da molti fattori. Nella figura 2.2
vengono rappresentati due casi diversi.
Nell’apparecchio 1 si verifica un cortocircuito. La tensione presente
nell’apparecchio 2 si riduce a 0 V fino a quando interviene il fusibile
dell’apparecchio 1. Nell’apparecchio 3 invece la tensione non é mai scesa a 0 V
in quanto si ha un certo disaccoppiamento tra l’apparecchio 1 e 3 dovuto
all’impedenza della rete Z. La durata del buco per entrambi gli apparecchi 2 e 3
é la stessa e si aggira attorno ai ms dipendentemente dalle caratteristiche del
fusibile.
Nel secondo caso il buco di tensione é causato da una fulminazione che crea un
guasto di isolamento in una delle linee di alimentazione.La linea interessata
viene quindi disalimentata e la sua interruzione può durare per un periodo
abbastanza lungo.
Uno studio fatto dalla UNIPEDE nel 1991 da delle indicazioni sulla durata del
buco con la rispettiva frequenza.
Fig. 2.3 Studio UNIPEDE 91 en 50.92
Questo studio é stato fatto in una rete pubblica con l’obbiettivo di fornire
informazioni utili ai costruttori di apparecchi elettronici riguardanti i buchi di
tensione. Come fonti di disturbo sono state prese in considerazione solamente
commutazioni nella rete come pure cortocircuiti negli apparecchi.
2.4 Variazioni di frequenza
Le variazioni di frequenza vengono causate, come pure le variazioni di tensione,
dalla presenza di grossi carichi variabili.
Esistono comunque solamente ancora pochi apparecchi elettronici che sono
sensibili a questo tipo di disturbo.
Una rispettiva norma non sarà in vigore prima dei prossimi 2-3 anni.
2.5 Armoniche, interarmoniche
Le armoniche sono delle tensioni sinusoidali composte da un multiplo della
frequenza della
tensione di alimentazione per esempio 2, 3, 4, 5…ecc.
Le interarmoniche invece sono disturbi che non ammontano ad un multiplo
intero della frequenza della tensione di alimentazione per esempio 1,5- 2,5 ecc.
Le armoniche si creano in presenza di carichi con caratteristiche di
tensione/corrente non lineari. I seguenti apparecchi danno luogo a un
consistente numero di armoniche:
- Apparecchi con comando a sincronizzazione di fase
- Alimentatori nelle TV e lampade a basso consumo energetico
- Convertitori di frequenza
3. LE NORMATIVE BASI PER LE PROVE DI IMMUNITÀ
3.1 Prova con campo magnetico IEC 1000-4-8, EN 61000-4-8
La IEC 1000-4-8 contiene tutte te indicazioni sul tipo di ambiente e prodotto per
i quali bisogna eseguire le prove di campo magnetico.
Fig.3 .1 Indicazioni per gli ambienti dove si consiglia di eseguire le prove con
campo magnetico
Abbreviazioni e note
*** consigliato
**
possibile
*
in casi particolari
bianco non rilevante
Questa tabella dimostra che per i 50/60 Hz viene consigliata la prova con campo
magnetico per tutti gli ambienti di installazione.
Fig. 3.2. Livelli di severità per la prova con campo magnetico
In aggiunta al livello 4 e 5 della prova continua viene richiesta anche una prova
abbreviata.
Questo riguarda però solamente gli apparecchi elettronici installati nei quadri
M.T./A.T. in vicinanza delle barre di corrente.
Figura 3.3 Prova, apparecchi da tavolo, rack
Dalla figura 3.3 si intravede che sono state definite due bobine di prova con
dimensioni diverse. Una bobina di 1 x 1 m per apparecchi da tavolo ed una di 1
x 2,6 m per i rack. La prova va eseguita in tutte tre le direzioni.
Fig.3.4 Distribuzione orizzontale del campo nella bobina da 1 x 1 m
L’area con 3 dB di uniformità si trova in un rettangolo il cui lato é di ca. 60 cm.
Figura 3.5 Distribuzione verticale nella bobina da 1 m
Il volume di 0,6 x 0,6 m rientra nel limite dei 3 dB. I livelli di prova sono
definiti al centro della bobina.
Figura 3.6 Distribuzione verticale nella bobina 1 m x 2,6 m
Figura 3.7 Altre bobine e metodi di prova ammessi
Leggenda
n
numero delle spire
a
distanza tra le bobine
b
lunghezza di un lato
H campo magnetico A/m
I
H
intensità della corrente (A)
1.22 x n/b x I
Con a = b/2,5 la non linearità del campo magnetico e di +/- 0,2dB
Per ottenere un grande volume con campo omogeneo si possono utilizzare per le
prove con campo magnetico a 50/60 Hz anche più bobine (HELMHOLZ).
Per la prova di provini di elevate dimensioni si può utilizzare la bobina da
1x1m.
3.2 Variazioni e buchi di tensione IEC 1000-4-11 EN 610004-11
La IEC 1000-4-11 da delle indicazioni sugli ambienti di installazione per i quali
I prodotti devono essere sottoposti alle prove di immunità.
Fig. 3.8 Consigli sugli ambienti per i quali vanno fatte le prove di variazione e
buchi di tensione
Abbreviazioni e note:
***
**
*
bianco
consigliato
possibile
in casi speciali
non rilevante
Da questa tabella si intraprende che entrambe le prove vengono consigliate per
tutti gli ambienti di installazione. Ulteriori indicazioni si possono apprendere
dalle norme generiche e di prodotto.
Oltre al discostamento della tensione dal valore nominale e la durata del
buco della variazione risulta molto importante anche la velocità con la quale
avviene la variazione. Alcuni prodotti sono risultati sensibili quando la
variazione avveniva in un determinato tempo e non quando era istantanea. Molti
controlli a microprocessori possiedono dei sensori per riconoscere eventuali
guasti nell’alimentazione (variazioni di tensione, buchi, ecc.). Per non perdere i
dati in presenza dell’interruzione della rete, vengono impiegati dei gruppi di
continuità, oppure si cerca di memorizzare tutti i dati. Nel caso che i detettori
non siano sufficientemente veloci per riconoscere questi disturbi rete, si rischia
di perdere tutti o almeno una parte dei dati, con conseguente riprogrammazione
al ritorno dell’alimentazione nominale. Questa è la ragione per la quale nella
prova di immunità alle variazioni di tensione viene definito anche il tempo
nel quale avviene la variazione.
Figura 3.9 Variazione di tensione IEC 1000-4-11 EN 61000-4-11
Livello di severità: variazioni di tensione
Il livello di tensione da adottare per i vari provini viene appreso dalle norme
generiche, di prodotto oppure concordato tra costruttore ed utilizzatore. Da
considerare è il relativo lungo tempo nel quale avviene la variazione della
tensione.
Figura 3.10 Buchi di tensione
Livelli di severità: buchi di tensione
Come per le variazioni di tensione, anche per i buchi i livelli di tensione e la
durata del disturbo vengono appresi dalle norme generiche, di prodotto oppure
concordati tra costruttore ed utilizzatore. I buchi si verificano quasi
istantaneamente, siamo nel campo dei [s.
3.3
Armoniche e interarmoniche
Le tensioni di prova si basano sui livelli di compatibilità della norma IEC 10002-2.I livelli di compatibilità per le prove di immunità nel documento SEC99,
TC77A, sono stati aumentati del fattore 1.5.
Armoniche dispari non composte da un multiplo di tre:
Armoniche dispari ottenute da un multiplo di tre
Fig.3.11 Livelli di severità per le prove di immunità alle armoniche
Armoniche pari
Figura 3.12 Livelli di prova per prove di immunità alle interarmoniche
4. I GENERATORI DI PROVA, LA CONFIGURAZIONE DI PROVA
4.1 Prova con campo magnetico
Figura 4.1 Configurazione di prova
Figura 4.2 Rapporto tra il campo magnetico e la tensione all’ingresso del
trasformatore
4.2 Variazioni di tensione, buchi di tensione
In pratica vengono usati principalmente due tipi di generatori di prova
Fig. 4.3 Trasformatore regolatore ed interruttore elettronico
Leggenda
T1 Trasformatore per il livello di prova 40%
T2 Trasformatore per il livello di prova 70%
S1 Interruttore elettronico, commutazione in [s
S2 Interruttore elettronico, commutazione in [s
CR0 Controllo della misura
EUT Provino
Il vantaggio di questa soluzione sta sicuramente nel prezzo e nella possibilità
d’impiego anche per elevate correnti.
Lo svantaggio però é che i disturbi presenti nella rete vengono trasferiti al
provino con conseguente falsificazione dei risultati di prova. Questa soluzione
viene impiegata per le misure preliminari “Precompliance Test”.
Figura 4.4 Amplificatori di potenza
Il vantaggio di questa soluzione sta sicuramente nell’ottimo disaccoppiamento
della rete riducendo quindi al minimo la ripercussione. Anche la flessibilità
nella simulazione di buchi e variazioni di tensione è superiore a quella data dal
trasformatore regolatore (fig. 4.3).
Lo svantaggio invece sta nel prezzo e nella limitata corrente.
Questa soluzione viene consigliata per le prove di accettazione “Compliance
Test”.
Un ulteriore vantaggio degli amplificatori di potenza sta nella possibilità di
poter simulare anche future richieste riguardanti le variazioni di frequenza,
armoniche e la D.C.
Figura 4.5 Verifica della corrente d’inserzione
Leggenda:
A
T
B
R
Generatore di disturbi, commutato a 90 e 270 gradi
Sonda di corrente con uscita CR0
Raddrizzatore
Resistenza di terminazione inferiore a 10 kOhm e superiore a
100 Ohm
C Condensatore elettrolitico 1700 [F ± 20%
Oltre ai già citati livelli di prova, durata delle interruzioni e la velocità di
variazione bisogna anche verificare secondo la fig. 4.5 la corrente di inserzione.
In molti apparecchi elettronici sono state prese delle precauzioni per limitare la
corrente di inserzione.
In presenza di buchi di tensione oppure inserzioni queste precauzioni non
sempre vengono attivate. La conseguenza è il danneggiamento del trasformatore
di alimentazione, l’impossibilità di inserire l’apparecchio a causa di problemi al
software, ecc.
Per riconoscere questi difetti durante la prova di immunità é importante che
all’atto dell’inserzione circoli un’elevata corrente.
All’inserzione del generatore viene misurata la corrente nel condensatore. Se
viene raggiunta un’ampiezza minima di 500 A, è possibile usare il generatore
per prove su provini fino ad una corrente nominale di 16 A.
Nel caso che non si raggiungono i 500 A bisogna misurare prima della prova la
corrente di inserzione del provino.
Figura 4.6 Misura della corrente d’inserzione del provino
Leggenda:
T
EUT
Sonda di corrente
Provino
La corrente d’inserzione del provino può raggiungere al massimo il 70% della
corrente misurata sul generatore (fig.4.5). Soltanto in questo caso si può
eseguire una prova di interruzione significativa. In molti amplificatori di
potenza non viene raggiunta una corrente di 500 A. L’impiego del trasformatore
regolatore con l’interruttore elettronico invece comporta grossi disturbi nella
rete di alimentazione, cosa che non sempre viene ammessa dal fornitore di
energia (vedi anche emissioni secondo IEC 1000-2).
4.3 Armoniche, interarmoniche
Nel Sec. 99 TC 77 A viene definito un generatore con le seguenti caratteristiche
tecniche.
Nota 1: Per la certificazione di apparecchi elettronici viene richiesta una
corrente massima d’uscita di 16 A.
Figura 4.8 Configurazione per la prova monofase
Sono previsti due metodi di prova.
Figura 4.9 Prova con armoniche singole oppure con una serie
Figura 4.10 Verifica della frequenza nel campo da 10 Hz a 3 kHz
5. IL PIANO DI PROVA
Un piano di prova deve essere realizzato quanto prima dal costruttore e dal
venditore, o dal responsabile del progetto globale.
5.1 Descrizione del sistema
-
Descrizione dell’integrazione del sistema
Descrizione degli aspetti di funzionamento
Condizioni ambientali interne
Classi ambientali
Valori di disturbi delle prove
5.2 Criteri di guasto
Vedi punto 5.3
5.3 Svolgimento della prova
- Descrizione del sistema di prova come: generatore, apparecchi di misura ed
accoppiamento
-
Verifica del sistema di prova secondo le norme
- Descrizione del luogo di prova con i rispettivi apparecchi periferici mediante
schizzi, disegni e foto
- Definizione dei livelli di prova e delle forme d’impulso
- Descrizione esatta delle fasi sulle quali viene accoppiato il disturbo
- Durata della prova, frequenza di ripetizione
- Polarità degli impulsi
5.4 Protocollo di prova
Tutti i dati e le osservazioni sono da protocollare
6.
BIBLIOGRAFIA
1.
E.Keith Howell:
How Switches Produce Electrical Noise
IEEE Transactions on Electo Magnetic
Interference Vol. EMC 21 No3. Aug.79
2.
A. Rodewald:
M. Lutz
Interference generated by Switching
Operations and its Simulation
EMC Symposium Tokyo 1984
3.
G. Balzer:
Influenza di apparecchi ed impianti della
tecnica di misura, di comando e regolazione,
dovuta a ricetrasmittenti ed apparecchi
simili
4.
IEC 801-4 Edizionel988
5.
VDE 0843 parte 4
6.
VDE 0843 parte 4
7.
FTZ 12TR1
7.
Consigli NAMUR del febbraio 1988 pag. 1
fino a pag. 14
9.
ISO/DIS 7637-1
7637-2
alimentazione 12 V
alimentazione 24 V
10.
M. Lutz:
Panoramica sulla simulazione di impulsi
transitori per le prove EMC
11.
M. Lutz:
Determinazione dell’immunità contro le
scariche elettrostatiche
12.
M. Lutz:
Determinazione dell'immunità contro gli
impulsi energetici
13.
Qualità dell'alimentazione elettrica
Prof. Dr. Jean Weiler ETH Zurigo
Rolf Schreiber Azienda Elettrica di Zurigo
SEV Bulletin 1/93
14.
15.
Valori orientativi per la qualità dell’
alimentazione elettrica
Alexander Hardell Hannover
Elektrizitatswirtschaft Jg 92 (1993) Heft 13
IEC
1000-4-1
IEC
1000-4-8
IEC
1000-4-11