curs 5: mecanisme de cuplaj si masuri de atenuareusers.utcluj.ro/~denisad/compatibilitate...
TRANSCRIPT
Curs 5:
Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
http://users.utcluj.ro/~denisad
Disciplina: COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ
Titular curs: Conf. Dr. Ing. Denisa ȘTEȚ
CURS pentru anul IV IE, Specializările: ET, I&AD, IM
AN UNIVERSITAR: 2019-2030http://users.utcluj.ro/~lcmn
Cunoaşterea tipurilor de cuplaje prin intermediul cărora perturbaţiile
electromagnetice se propagă de la surse la receptoare;
Cunoașterea metodelor practice de atenuare a interferenţelor
electromagnetice
Obiectivele cursului 5:
2/50COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 2/40
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
5.2. Cuplajul capacitiv (electric)
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
5.5. Cuplajul prin radiatie electromagnetica
Cuprinsul cursului 5:
Sursă de
perturbații
Receptor
(victimă)
I
U
Cuplaj prin câmp electromagnetic
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
Clasificarea generală a tipurilor de cuplaje
3/40
Cuplaj prin
conducţie
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Surse
Câmpuri E&H
Cuplaj
capacitiv
Cuplaj
inductiv
Cuplaj prin
radiaţii
Cuplaj prin
conducţie
Curenţi şi tensiuni
induse
Câmpuri Conducţie
Modele la JF Modele la ÎF Modele la JF şi ÎF
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
4/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
Apare intotdeauna intre doua circuite care au o impedanta comuna:
- o portiune comuna de circuit conductor;
- o impedanta de transfer;
- un anumit tip de dipol.
I. CUPLAJ GALVANIC INTRE CIRCUITE FUNCTIONALE
II. CUPLAJ GALVANIC DATORITA LEGARII LA PAMANT AL ECHIPAMENTULUI (cuplaj prin bucla de pământare)
5/40
Reactia asupra retelei de alimentare creata de sursele in comutatie
si de convertoarele statice;
Variatiile de curent la comutarea circuitelor integrate numerice;
Variatiile de curent la actionarea bobinelor releelor;
Curentii in circuitele de alimentare ale motoarelor cu colector etc.
Daca două sau mai multe circuite au o impedanță comună, atunci trecerea
curentului prin impedanța comună este de natură să distorsioneze curenții
din toate circuitele cuplate galvanic.
I. Cuplajul prin conductie intre circuite funcționale
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
6/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
Mecanismul cuplajului galvanic
(Demonstratie pe tabla)
Neutralizarea cuplajului galvanic: masa
intr-un singur punct
7/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
Metode de reducere a perturbatiilor conductive intre circuite de alimentare
[1]
8/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
II. Cuplajul galvanic datorat legarii la pamant (realizat prin buclele de
pamantare)
Tensiune electromotoare intre doua
prize de pamant
Impedanta de transfer (cuplaj) a cablului coaxial
lI
UZ
P
Pt
)(
)(
IP()
IP()
UP()
l
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
9/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Caracteristici ale impedantei de transfer
Descrie cazul cel mai defavorabil al unei bucle de pamantare cu o linie de semnal
coaxiala.
La frecvente inalte, datorita refularii curentului prin efect pelicular, curentul
perturbator circula practic numai pe partea exterioara a ecranului.
Cu cat impedanta de transfer a unui cablu coaxial este mai mica, cu atat este mai
mica tensiunea perturbatoare produsa si cu atat este mai buna calitatea ecranarii.
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
10/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
sR ZZ
Perturbatia de MC se regaseste in intregime ca perturbatie de mod
normal la receptorsR ZZ
Perturbatia de MC se regaseste ca perturbatie de mod normal la
receptor, numai jumatate din aceasta valoare
La ÎF curentul perturbator circula numai prin partea exterioara a ecranului;
tensiunea culeasa de conductorul central reprezinta caderea de tensiune longitudinala
pe partea interioara a ecranului, care poate sa prezinte o dependenta de frecventa
specifica.
SR
R
CM
p
ZZ
Z
U
UFCCN
)(
)(
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
[1]
11/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
L
LP
CM
CM
Z
ZZ
U
U
)(
)('
L
LP
R
RS
P
CM
Z
ZZ
Z
ZZ
U
U
)(
)(
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
[1]
12/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Pentru circuitul oscilant serie format din inductivitatea L si
capacitatea parazita ajunge la rezonanta si in functie de amortizare, apar
curenti mari (rezonanta de curenti)
Pentru linii de semnal lungi si frecvente inalte trebuie sa se tina cont de
impedantele liniei de ducere si de intoarcere care sunt in serie cu impedanta
sursei si a receptorului
Pentru frecvente la care lungimea de unda este de acelasi ordin de
marime cu lungimea cablului de semnal sau mai mica, trebuie aplicata
teoria liniilor electrice lungi
Pentru linii de semnal coaxiale si la frecvente mari, datorita efectului
pelicular, curentul perturbator circula numai la suprafata exterioara e
ecranului cablului; conversia mod comun/mod normal are loc atunci prin
impedanta de transfer a liniei
CL /1
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
13/40
Măsuri antiperturbative în cazul cuplajului prin conducție
Decuplare cu transformator (izolare galvanica)
A. Transformatoare de separare pentru semnalul util
B. Transformatoare de neutralizare (simetrizare)
C. Transformatoare de retea
Optocuploare si linii din fibre optice (izolare galvanica)
Amplificatoare diferentiale si sisteme simetrice
Tehnica ecranului de protectie (gardare)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
14/40
A. Transformatoare de separare pentru semnalul util (permit separarea
galvanică a circuitelor de curent alternativ, in JF si MF)
Asigură întreruperea buclelor de pământare realizând o foarte bună rejecţie de mod
comun.
La ÎF rejecţia de MC este mai redusă din cauza capacităţilor parazite dintre
înfăşurările primară şi secundară ale transformatorului.
Îmbunătăţirea rejecţiei în acest caz se poate obţine prin introducerea între cele două
înfăşurări a unui ecran pus la pământ.
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – Curs 7 15/41COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.1.Cuplajul prin conductie (galvanic)
Decuplare cu transformator (izolare galvanica)
15/40
Raportul de transformare trebuie
sa fie constant pentru toata latimea
de banda a semnalului.
Transformatorul de separare nu
transfera o eventuala componenta de
c.c a semnalului util.
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
www.loreelectro.ro
[1]
16/40
Transformatorul de neutralizare: doua infasurari bobinate pe miez de ferita. Sensul
de bobinaj al infasurarilor determina pentru semnalul :
- Contratact: flux magnetic practic nul in miezul de ferita (pentru semnalul util nu
ofera reactanta semnificativa)
- In acelasi tact (provenit fie dintr-o t.e.m. Ed, fie din cauza unui cuplaj inductiv);
bobinele functioneaza ca reactante sumatoare
B. Transformatoare de neutralizare
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 17/40
C. Transformatoare de retea
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
[4]
18/40
Conexiunile ofera urmatoarele efecte benefice:
Neutralizarea efectului t.e.m. Ed (curentul se
inchide pe traseul punctat fara a influenta
infasurarile transformatorului T2). Valoarea
curentului este limitata de reactanta capacitiva a
capacitatii C1= 500….1000pF.
Capacitate minima intre infasurarile primara si
secundara
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 19/40
20/33
Optocuploare şi cabluri din fibră optică
Oferă o înaltă rejecţie de MC → sunt utilizate pentru întreruperea buclelor de
pământare, în special la intrările şi ieşirile automatelor programabile, respectiv la
interfeţele sistemelor de conducere a proceselor
O diodă luminiscenţă sau o diodă laser transformă
semnalul electric în semnal luminos, care se transmite
printr-un mediu electroizolant transparent optic şi este
transformat din nou în semnal electric printr-o fotodiodă sau
un fototranzistor.
Nivelele de izolaţie obişnuite ale optocuploarelor sunt
între 500 V şi 10 kV.
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – Curs 4
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
20/40
Optocuploarele sunt folosite mai ales în tehnica numerică, unde asigură o
transmitere foarte bună a semnalelor numerice. (Pentru transmiterea
semnalelor analogice, ele asigură, însă, numai o precizie satisfăcătoare)
Pentru semnalele de MC de ÎF, rejecţia de MC oferită de optocuploare
scade foarte mult din cauza capacităţilor parazite dintre intrare şi ieşire.
O rejecţie de mod comun oricât de mare, chiar şi la cele mai înalte frecvenţe se
poate obţine folosind o transmisie prin fibre optice
Cu cabluri din fibre optice pot fi asigurate orice diferente de potential
pana in domeniul MV.
5.1. Cuplajul prin conductie (galvanic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 21/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.2. Cuplajul capacitiv (electric)
Se manifesta intre conductoare, circuite aflate la potentiale diferite si
intre care exista cai de inchidere a curentilor produsi de catre diferenta de
potential.
C12, C’12 – capacitati de
cuplaj parazit
IP – curent perturbator →
produce tensiuni efective
perturbatoare la bornele
rezistentelor receptorului
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
22/40
[7]
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.2. Cuplajul capacitiv (electric)
Exemplu: Doua circuite (perturbator si perturbat) care au referinta (masa) comuna
Aparitia cuplajului capacitiv
(Demonstratie la tabla)
!!! Cuplajul capacitiv
este de mod comun.
23/40
[7]
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Efectul ecranului electric asupra cuplajului capacitiv
Ecran electric = incinta din material bun conductor in care este plasat circuitul perturbat
5.2. Cuplajul capacitiv (electric)
Sursa Receptor
24/40
[7]
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 1COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 1COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 1COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 1COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Ecranul nu este conectat la masa:
Ecranul este conectat la masa prin inductanta:
Ecranul este conectat la masa prin impedanta nula:
5. Cuplajul capacitiv (electric)
!!! Pentru ca ecranul electric sa fie
activ, este esential sa fie conectat la
masa prin impedanta nula.
25/40
Principii de ecranare la masa a ecranelor electrice
1. Ecranul electric trebuie conectat la punctul cu potential de referinta
zero (masa) circuitului protejat, plasat in interiorul ecranului;
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5. Cuplajul capacitiv (electric)
26/40
[7]
5. Cuplajul capacitiv (electric)
2. Ecranul
electric trebuie
conectat la
punctul cu
potential de
referinta zero al
semnalului la
care este
conectata sursa
de semnal (masa
sursei de semnal)
astfel incat sa se
asigure circulatia
curentilor
perturbatori
prin ecran spre
punctul de masa
al sursei
5. Cuplajul capacitiv (electric)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 28/40
[7]
[7]
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic, transformatoric)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 3
Apare intre doua sau
mai multe circuite
parcurse de curenti
-Inductanta proprie unei portiuni de
circuit
-Cuplaj magnetic (inductanta mutuala)
-Flux total
-Flux de dispersie (de scapari) →
inductanta de scapari
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
29/40
Intr-un circuit cu aria A, intersectat de fluxul variabil in timp Φ,
se induce o t.e.m.
- Daca inductia prezinta o variatie armonica, A=const
- Daca bucla este cuplata prin M cu un circuit parcurs de curentul I1
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
30/40
IP
-Cuplajul inductiv este de mod diferential
-Tensiunile perturbatoare nu se reduc prin reducerea rezistentei totale a circuitului
perturbat
-Tensiunile pe R si RS sunt in antifaza
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
31/40
Dependenţa geometrică a cuplajului inductiv
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
Inducţia câmpului magnetic al unui circuit egal încărcat pe liniile de
ducere şi întoarcere este cu două ordine de mărime mai mic şi reducerea este
mai rapidă faţă de linia simplă.
Acelaşi lucru este adevărat şi pentru inductivitatea de cuplaj.
32/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
33/40
„Reguli de aur" pentru conformitatea CEM a instalaţiilor electrice:
♦ menţineţi aria unei instalaţii electrice pe cât posibil mai redusă;
♦ maximizaţi distanţa faţă de o linie cu curent mare;
♦ separaţi circuitele de putere de cele de date;
♦ utilizaţi numai circuite de tipul TN-S.
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
T - masele instalatiei legate direct la pamant, independent de
eventuala legare la pamant a unui punct al alimentarii
N - legatura directa a maselor la nulul de lucru al retelei
S - nulul de lucru si cel de protectie sunt separati unul de celalalt
34/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Masuri antiperturbative in cazul cuplajului inductiv (magnetic)
- Micsorarea lui M prin portiuni paralele ale conductoarelor, cat mai scurte
- Dispunerea perpendiculara a circuitelor
- Marirea distantei intre circuite
-Utilizarea unui conductor de reducere a cuplajului
- Micsorarea ariei circuitelor
- apropierea conductoarelor
- prin torsadare
- utilizand cabluri coaxiale
- Ecranarea sistemului perturbat
Conductorul de reducere formeaza o bucla in
scurtcircuit al carei camp magnetic poate
compensa partial campul magnetic perturbator.
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
35/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Ecranarea cablurilor si a cuplajului parazit magnetic
I. Reducerea perturbatiilor prin cuplaj inductiv folosind ecranarea
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
38/40
II. Protectia cablurilor la perturbatii prin cuplaj magnetic, prin ecranare
• Frecventa de semnal este sub frecventa
de taiere → curentul se indchide prin
masa iar aria intersectata de campul
perturbator este maxima
• Frecventa de semnal este peste frecventa
de taiere (≈5fet)→ curentii prin ecran si
conductorul interior sunt egali (aria
circuitului este mult mai mica, deci
perturbatia indusa este mai redusa)
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 2 39/23COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.3. Cuplajul inductiv (magnetic)
39/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 40/40
[8]
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
5.5. Cuplajul prin radiatie electromagnetica
Reprezinta interferenta provocata de campurile electromagnetice variabile in timp ;
La mare distanta, campurile E si H apar intotdeauna impreuna si sunt legate
prin legea inductiei electromagnetice:
t
BErot
Unda electromagnetica
)(),( tvrnEtrE d
)(1
),(0
tvrnEnZ
trH d
r - vectorul de pozitie al undei in spatiul liber
N - versorul directiei de propagare (perpendicular pe planul E,H)
V - viteza undei
Z0≈ 377Ω impedanta caracteristica a undei
5. Mecanisme de cuplaj si masuri de atenuare
41/40
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
Unghiul de incidenta
in plan orizontal
Unghiul de incidenta
in plan vertical
Polarizare verticala = vectorul Ei este continut in planul de incidenta, vectorul Hi este paralel
cu interfata
Polarizare orizontala = vectorul Hi este in planul de incidenta, vectorul Ei este paralel cu
interfata
5.5. Cuplajul prin radiatie electromagnetica
42/40
Masuri antiperturbative in cazul cuplajului prin radiatie se
realizeaza cu ajutorul:
Filtrelor
Ecranelor
A spatiilor (cabine) ecranate
5.5. Cuplajul prin radiatie electromagnetica
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4 43/40
Bibliografie
1. A.J. Schwab și W.W. Kȕrner, “Compatibilitate electromagnetică”, Editura Agir, București,
2013;
2. Prof. Dr. Wolfgang Langguth Hochschule, Legarea la pământ & CEM. Aspecte
fundamentale ale Compatibilităţii Electromagnetice (CEM), Ghid de Aplicare - Calitatea
Energiei Electrice, 2005, http://www.sier.ro/Articolul_5_1_2.pdf
3. F.D. Surianu, “Compatibilitate electromagnetica. Aplicatii in ingineria sistemelor
electroenergetice”, Editura Orizonturi Universitare, Timisoara, 2005
4. G. Hortopan, “Principii si tehnici de compatibilitate electromagnetica”, Editura Tehnica,
Bucuresti, 1998;
5. Alex. Sotir, T. Mosoiu, “Compatibilitate electromagnetica”, Ed. Militara, Bucuresti, 1997
6. Eugen Coca, Curs de CEM, Universitatea Ştefan cel Mare Suceava, Facultatea de
Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor
7. http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/vlcehan/discipline%20predate/cem/(2)%20CEM
-cuplaj%20capacitiv.pdf
8. Dan Pitica, Curs de CEM, Universitatea Tehnica din Cluj
Napoca, Facultatea de Automatica si Calculatoare
9. http://www.scribd.com/doc/90023548/CEM-5
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – curs 4
1. Cuplajul galvanic: definiţie, exemple, măsuri de atenuare
2. Cuplajul capacitiv: definiţie, exemple, măsuri de atenuare
3. Cuplajul inductiv: definiţie, exemple, măsuri de atenuare
4. Cuplajul prin radiatie electromagnetica: definiţie, exemple, măsuri de
atenuare
5. Cuplajul prin conductie intre circuite funcționale
6. Cuplaj galvanic datorita legarii la pamant