Capitolo 2 - Progetto Atena

DETERMINAZIONE DELL' IMMUNITA' CONTRO GLI IMPULSI A
BASSO CONTENUTO ENERGETICO CON IL GENERATORE EFT
(ELECTRIC FAST TRANSIENT - IEC 801-4)
INDICE
INTRODUZIONE
1. FORMAZIONE DEI TRANSITORI DI MANOVRA (BURST)
1.1 Tempo di manovra di un interruttore meccanico
1.2 Circuito equivalente alla sorgente di "Burst"
1.3 Calcoli sul fenomeno di disturbo "Burst"
1.4 Misure su un modello dimostrativo "Burst"
2. MODELLO DI INFLUENZA EMC
2.1 Sorgenti di disturbo
2.2 Accoppiamento dei disturbi "Burst"
2.3 Sistemi disturbati
3. SIMULAZIONE DI TRANSITORI DI MANOVRA A BASSO
CONTENUTO ENERGETICO
3.1 Generatore secondo la norma
3.2 Accoppiamenti
3.3 Esigenze ai mezzi di prova
4. PROVA SECONDO IEC 801-4 E VDE 0843 PARTE 4
4.1 Classi ambientali
4.2 Grado di severità della prova
4.3 Criteri di guasti
4.4 Norme nelle quali viene prescritta la prova di Burst
5. COMPROMESSI NELLA NORMA IEC 801-4
5.1 Frequenze d'impulso
5.2 Definizione della forma d'impulso. Dipendenza dal carico
5.3 Livelli di tensione
5.4 Distribuzione dell'impulso
6. PIANO DI PROVA
1
7. INDICAZIONI PER LA PROVA
7.1 Indicazioni dalla norma IEC 801-4
7.2 Esempio di una sequenza di prova con modelli di prova
8. CONCLUSIONE E BIBLIOGRAFIA
8.1 Conclusione
8.2 Bibliografia
2
DETERMINAZIONE DELL' IMMUNITA' CONTRO GLI IMPULSI A
BASSO CONTENUTO ENERGETICO CON IL GENERATORE EFT
(ELECTRIC FAST TRANSIENT - IEC 801-4)
INTRODUZIONE
Le correnti nei conduttori e le tensioni tra strutture conduttrici causano con i
loro campi magnetici, rispettivamente campi elettrici, delle influenze
elettromagnetiche nelle loro vicinanze. Queste influenze aumentano con
l'aumentare della velocità delle variazioni. L'intensità dell'accoppiamento
induttivo mediante il campo magnetico di una corrente aumenta
proporzionalmente con la sua rapidità di variazione. La stessa cosa vale per
l'accoppiamento capacitivo del campo elettrico della tensione Una delle più
frequenti e pericolose fonti di disturbo è l'interruttore quando viene commutato
nell’istante in cui la corrente non è nulla. Elevati disturbi si possono verificare
quando nel circuito di comando sono presenti grossi carichi induttivi.
3
1.
FORMAZIONE DEI TRANSITORI Dl MANOVRA (BURSI)
1.1
Tempo di manovra di un interruttore meccanico
Rapide variazioni di tensioni e correnti dovute alla commutazione di un
interruttore (dallo stato isolante a quello conduttore) sono la causa di elevati
disturbi. Questo è il caso anche negli interruttori con contatti azionabili
meccanicamente dove prima della chiusura o apertura si creano delle scintille.
Dalla fig. 1.1 derivata dalla Legge di Toepler, si nota che il tempo di
commutazione viene determinato principalmente dall'intensità di campo,
presente all'istante della commutazione stessa. Con l'aumentare dell'intensità
del campo diminuisce il tempo di commutazione Ts.
Figura 1.1 Chiusura dì un interruttore con formazione dell'arco
I tre diagrammi della figura 1.2 confermano che con l~aumentare dell'intensità
del campo diminuisce il tempo di manovra. Un confronto delle misure di B e C
dimostra che con circa la stessa tensione ma con una pressione diversa il tempo
di commutazione si differenzia per un fattore 10.
Figura 1.2 Tempo di manovra di vari tipi di interruttori
A
Rete B.T. 220 V
B
Sezionatore A.T., blindato con pressione 4 bar
C
Sezionatore in aria
4
Nel capitolo 2 si nota che i transitori di manovra presenti nelle varie reti A.T.,
M.T e B.T. hanno le stesse caratteristiche. Risulta evidente dalla figura 1.2 che i
tempi di commutazione, a seconda del tipo di commutatore, sono nel campo tra
1 ns e 100 ns.
Il circuito della figura 1.3, sul quale sono stati registrati gli oscillogrammi della
figura 1.2 può essere suddiviso in tre parti: sorgente, zona adiacente
all'interruttore e carico. La zona adiacente all'interruttore comprende tutti i
collegamenti tra interruttore sorgente e fonte.
Figura 1.3 Rappresentazione schematica di un circuito di manovra
Per le nostre prossime considerazioni sono importanti i parametri Ux e Ix, che
causano i disturbi nel carico o nei sistemi elettronici, i cui cavi percorrono
parallelamente la zona adiacente all’interruttore mentre non e' importante Us.
Nella figura 1.4 sono riportate 3 misure eseguite con 3 diverse basi di tempo.
Figura 1.4 Tensione Ux con base dei tempi diversi
5
Dall'oscillogramma C della figura 1.4 si deduce che il tempo di manovra Ts e la
forma della tensione di manovra Us sono rappresentati nel transiente di
manovra Ux, che si propaga come onda verso il carico. Un'onda simile si
propaga anche verso la sorgente. All'inizio dell'impulso sono visibili delle
riflessioni (figura 1.4b) che dipendono sostanzialmente dalla lunghezza delle
linee ("zona adiacente all'interruttore") e dai punti di riflessione K1 e K2.
1.2
Circuito equivalente ad una fonte di burst
Per la migliore comprensione del tempo di manovra, nell'introduzione, é stato
rappresentato un circuito con un interruttore che si sta chiudendo. I transienti di
manovra-Burst più pericolosi si presentano prevalentemente durante l'apertura
di un interruttore. Se nel momento dell'apertura la corrente non é nulla, l'energia
accumulata nelle induttanze L1 e L2 si scarica secondo il circuito da L1 a C1 e
da L2 a C2.
Figura 1.5 Circuito equivalente da una fonte di burst
La figura 1.5 raffigura un tipico circuito equivalente dove vengono collegati e
scollegati dalla rete carichi induttivi quali bobine, relais, timer, motori,
teleruttori ecc. L'apertura del circuito provoca nei due circuiti dei transitori
oscillanti decrescenti, con le proprie frequenze di risonanza f1 e f2. Poiché L1
solitamente é più piccola di L2 la frequenza di risonanza f1, dalla parte della
sorgente, è più alta di f2. dalla parte del carico.
Tramite la sovrapposizione vettoriale del livello di tensione si vede che la
tensione presente ai contatti può essere più alta che le tensioni presenti sui
singoli componenti. Finché la tensione presente ai contatti è più alta della
6
rigidità dielettrica tra gli elettrodi dell'interruttore, si verificano dei buchi di
tensione (figura 1.6).
Figura 1.6 Rappresentazione schematica del reinnesco dell'arco di un
interruttore in apertura
Questo procedimento di reinnesco dell'arco da luogo alla frequenza di
commutazione Tf4 che cambia durante l'evento di manovra. L'evento
intermittente termina quando la sollecitazione dielettrica dei contatti é inferiore
alla rigidità elettrica e termica del canale d'arco. La linea che collega i punti A,
B, C,. ecc. rappresenta la rigidità dielettrica (distanza) tra i contatti
dell'interruttore in apertura. Ogni reinnesco da luogo al tempo di manovra Ts.
L'ampiezza di tensione aumenta con ogni reinnesco fino a UBmax.
L'evento sopra descritto si verifica non solo nei relà BT, ma anche negli
interruttori M.T. e B.T.
Figura 1.7 Misure pratiche eseguite su un relà ed un interruttore A.T.
7
Negli oscillogrammi non si intravede il tempo di manovra Ts poiché la base dei
tempi è troppo grande per poter riconoscere impulsi nell'ordine dei ns.
Riassumendo si può descrivere il fenomeno di disturbo come qui di seguito
descritto:
a) La frequenza di ripetizione f4 degli inneschi dell'arco durante una manovra di
commutazione si aggira nel campo da 10 kHz a 10 MHz. La tensione di picco
Us invece è compresa nel campo da 100 V fino ad alcuni kV. Durante la
manovra di comando il comportamento della tensione e della frequenza è
inverso, ciò significa che all'inizio si hanno delle elevate frequenze di
ripetizione e delle tensioni basse, alla fine invece si ha una bassa frequenza di
ripetizione però un'elevata tensione (vedi figura 1.6)
La durata dipende soprattutto dal carico (sollecitazione termica dei contatti per
via della corrente), dal comportamento dell'elemento di manovra (tempo di
commutazione) e dalle condizioni ambientali (temperatura ed inquinamento).
b) Ogni'" buco di tensione" produce dei transitori oscillanti con una frequenza
di risonanza propria. Questa frequenza dipende in primo luogo dalla velocità di
propagazione della linea e dalle riflessioni finali della linea. La frequenza
rimane costante durante l'intero ciclo di manovra, ed é stata misurata tra 1 e 100
MHz.
C) Ogni spegnimento d'arco dopo un buco di tensione causa delle oscillazioni
nella parte di alimentazione. A causa dei bassi valori dei parametri del circuito
si raggiungono delle frequenze comprese nel campo da 10 a 100 MHZ. Il valore
di cresta, che normalmente raggiunge i 100 V, in casi particolari, può
raggiungere valori attorno ad alcune centinaia di Volt. A seconda delle
caratteristiche di propagazione della linea (lunghezza, componenti parassiti,
ecc.) l'ampiezza della tensione subisce un veloce decremento.
Concludendo possiamo dire: le sopra descritte manovre producono dei disturbi
con un vasto spettro di frequenza ed ampiezza. La registrazione di queste
grandezze di disturbo in pratica risulta molto problematica.
Nel campo spettrale questi disturbi a banda larga contengono frequenze fino ad
alcune centinaia di MHz. Il tempo di salita degli impulsi di tensione e corrente
che si creano durante i singoli "buchi di tensione" si aggira nel campo dei ns. I
disturbi quindi non sono presenti soltanto sulla fonte di disturbo ma si possono
trasmettere tramite radiazioni o induzione anche ad oggetti situati nelle
vicinanze.
8
1.3
Calcoli riguardanti il fenomeno di disturbo del "Burst"
Per semplicità prendiamo in considerazione il circuito della figura 1.5.
Attraverso S viene azionato come carico un relè a 220 V. I dati del relè sono:
Lato carico
I = 70mA
L2= 1H
C2= 80pF
Presunzione: l'energia immagazzinata nell'induttanza viene scaricata nella
capacità.
1 2 1
LI = CU 2
2
2
L
= 7826V
C
U =I
f2 =
1
2π LC
= 17.8 KHz
Lato rete
I = 70mA
L2= l0µH
C2= 80pF
1 2 1
LI = CU 2
2
2
U =I
f2 =
L
= 25V
C
1
2π LC
= 5,6 MHz
Dai calcoli si nota che si possono creare delle tensioni dell’ordine dei kV ed
elevate frequenze di risonanza.
9
1.4
Misura su un modello dimostrativo "FONTE-BURST"
Fig 1.8 Configurazione di un simulatore di “Burst”
A seconda della corrente che circola nell’istante dell'apertura dei contatti del
relè si creano dei Burst differenti. Il Burst secondo la norma IEC 801-4 é un
compromesso tra la molteplicità dei vari pacchetti e le possibilità dei costruttori
di generatori nel 1985.
10
Di seguito vengono rappresentati alcuni oscillogrammi registrati su un circuito
equivalente a quello della figura 1.8.
2. MODELLO Dl INFLUENZA EMC
Il modello di influenza EMC è composto da una sorgente di disturbo, dal
percorso di trasmissione e dal sistema disturbato. Di seguito viene discusso e
descritto in particolare il fenomeno del Burst.
Figura 2.1 Modello generalizzato EMC
2.1 Sorgenti di disturbo
Le sorgenti di Burst sono presenti in tutti i circuiti elettrici ed elettronici di
manovra. Di seguito viene elencata una serie di elementi di comando che
possono diventare, tramite la rispettiva commutazione, la fonte di disturbo
Burst:
a)
b)
c)
d)
e)
Interruttori elettromeccanici come: relè, interruttori rete, teleruttori, relà a
vuoto, relà al mercuno.
Motori con spazzole, motori negli elettrodomestici, azionatori
nell'industria, ecc.
Interruttori negli impianti di distribuzione, interruttori di potenza,
sezionatori, interruttori in SF6, scariche.
Elementi di protezione, scaricatori a gas, spinterometri di protezione,
fusibili.
Scariche in aria, fulminazioni, scariche di energia statica (p.es. in aerei,
elicotteri)
2.2 Accoppiamento del disturbo Burst
Non tutti i modi di accoppiamento hanno la stessa importanza per la
trasmissione dei disturbi di Burst. La sorgente di Burst ha quasi sempre
un'elevata resistenza interna che da luogo ad elevate variazioni di tensione
du/dt. le quali vengono trasmesse preferibilmente attraverso l’accoppiamento
11
capacitivo. In alcuni casi può dominare anche l'accoppiamento galvanico. Nota
che nella figura 2.2 il termine du/dt è presente solo nella formula per
l'accoppiamento capacitivo.
Figura 2.2 Modi di accoppiamento tra due circuiti
Nella maggior parte dei casi si può trascurare l'accoppiamento del disturbo
Burst tramite i campi radiati, poiché questi vengono attenuati in funzione della
distanza della sorgente di disturbo. Il campo elettrico ad una distanza r dalla
sorgente di disturbo può essere definito come E = E0/ r3
Nella figura 2.3 viene rappresentato l'accoppiamento dell'impulso di Burst in un
sistema di alimentazione a due conduttori 220V (110V).
Figura 2.3 Accoppiamento degli impulsi di Burst nella rete 220/110 V
12
Osservando la figura si nota che all'origine il disturbo di Burst si propaga
solamente tra la fase ed il neutro. Dopo una breve distanza dalla fonte di
disturbo l'impulso si propaga a causa delle capacità tra i conduttori ed il piano di
terra, con la stessa ampiezza tra fase terra e tra neutro terra.
L'accoppiamento capacitivo e' dato da i = C du/dt. Questo significa che
maggiore è la variazione di tensione, maggiore sarà la corrente attraverso la
capacità. Di seguito si ha una rapida trasformazione del disturbo differenziale in
uno comune. La rapida trasformazione del disturbo differenziale in quello
comune è il motivo per il quale nella norma IEC 801-4 non viene richiesto
l'accoppiamento tra i singoli conduttori ma solamente quello tra conduttori e
terra.
2.3 Sistemi disturbati
Tutti i sistemi ed apparecchi elettronici che sono collegati alla rete, come p.es.
110 V/60 Hz, 230 V/50 Hz, alle reti di bordo di automobili 12/24 V, aerei 110
V/400 Hz, navi 110 V/40 Hz, ecc., possono essere interessati da un Burst. I
sistemi elettrici ed elettronici vengono comunque disturbati soltanto se
l'accoppiatore non riesce a filtrare i disturbi dalla sorgente stessa.
Nella figura 2.4 viene rappresentata l'influenza dell’accoppiatore.
Fig 2.4 Rappresentazione del modo di accoppiamento
13
3. SIMULAZIONE DI TRANSITORI DI MANOVRA A BASSO
CONTENUTO ENERGETICO SECONDO IEC 801-4 O VDE 0843
PARTE 4
3.1 Generatore secondo la norma
Fino al 1985 non si aveva a disposizione nessun generatore per la simulazione
dei cosiddetti Burst. I generatori disponibili riuscivano a simulare soltanto un
impulso ripido con incremento di circa 1-2 kV/ns ad una frequenza di
ripetizione molto bassa (p.es. 50 impulsi/sec.). Questa situazione venne discussa
nell’IEC TC65 dove si decise di elaborare una proposta di norma che diventò
definitiva nel 1988. lì generatore e la sequenza di prova sono descritte anche
nella norma VDE 0843 parte 4.
Le forme d'impulso da realizzare con il generatore sono definite nella figura 3.1.
a) forma d'impulso caratteristica con un b) Andamento di un pacchetto di
carico di 50 Ohm
impulsi "Burst"
Figura 3.1 Definizione degli impulsi di prova del Burst secondo la IEC 801-4
I principali dati tecnici del generatore, definiti dalla IEC 801-4 - edizione 1988,
sono:
Tensione d'uscita a vuoto:
250V-4kV
Resistenza interna del generatore:
50 Ohm
Dati con funzionamento con una resistenza di terminazione di 50 Ohm:
Tempo di salita:
Ts = 5 ns valutazione 10/90%
14
Tempo di discesa
Tr = 50 ns valutazione 50/50%
Una verifica del generatore come riportato nella figura 3.1 si dovrebbe eseguire
prima di ogni consistente numero di prove.
Figura 3.2 Configurazione di misura per la verifica del generatore di Burst
La verifica va fatta seguendo i punti da i a 4:
1.
2.
3.
4.
La resistenza di terminazione compreso il partitore deve essere stata
controllata su 50 Ohm con una tensione sinusoidale da 100 kHz fino 100
MHz
Il tempo di salita (Ts = 5 ns) deve rientrare nel campo tra 3,5 e 6.5 ns
Il tempo di discesa (Tr = 50 ns) deve rientrare nel campo tra 35 e 65 ns
La resistenza d'origine del generatore é 50 Ohm quando UI/Uout = 2
UL = tensione di carica misurata sul condensatore d'impulso
Uout = tensione d'uscita su 50 Ohm
Solo chi ha verificato i dati del generatore può confermare con una certa
sicurezza che i risultati di prova sono corretti ed utilizzabili.
3.2
Accoppiamento
La norma cerca di descrivere in modo dettagliato la sequenza di prova e
l'accoppiamento in modo da ottenere dei risultati di prova con elevato grado di
riproducibilità. Generalmente si distingue tra accoppiamento in:
Cavi rete: Fig3.3
Cavi dati: Fig3.4
15
Ck: condensatori di accoppiamento
Z : induttanze di disaccoppiamento
Fig 3.3: Esempio di un piano di prova con accoppiamento diretto nei cavi di
alimentazione.
L'accoppiatore contiene per ogni linea un condensatore di accoppiamento Ck di
33 nF. Per il disaccoppiamento del disturbo verso il lato alimentazione vengono
usati dei filtri.
L’accoppiatore capacitivo di lunghezza 1 m ha una capacità di accoppiamento di
100 pF che è sufficiente per il trasferimento delle frequenze contenute nel
Burst.
Fig 3.4 Esempio di piano di prova con l’impiego dell’accoppiatore capacitivo
sui cavi di interconnessione.
16
Nelle due figure 3.3 e 3.4 sono stati usati consapevolmente dei provini di grandi
dimensioni posizionati sul pavimento, poiché nel capitolo 7 "Indicazioni per
prove pratiche" vengono fatti alcuni esempi di prova di provini posizionati sui
tavoli da lavoro.
3.3 Esigenze di mezzi di prova
Principalmente si distingue tra due gruppi di utilzzatori
- Sviluppo
- Controllo qualità
- Mezzi di prova per il controllo qualità
1. I transitori di manovra prodotti devono essere possibilmente riproducibili.
2. L'apparecchio deve avere delle possibilità di misura interne per poter
verificare il suo funzionamento sia a vuoto che con un carico definito.
L'utilizzo di circuiti di misura esterni, realizzati dall'utilizzatore dovrebbe
essere evitato poiché a seconda dei dispositivi di misura impiegati si
potrebbero ottenere dei risultati di misura diversi; soprattutto la misura degli
impulsi singoli nel campo superiore ai 100 MHz diventa problematica.
3. Lo sgancio dell'impulso dovrebbe poter essere comandabile anche
dall'esterno. Spesso è molto interessante ed importante poter triggerare
l'impulso di disturbo ad un determinato punto (tempo).
Esempio:
- disturbi durante cicli di regolazione
- disturbi sincronizzati con la rete
4. La polarità positiva/negativa deve essere commutabile.
5. Nella dotazione base dell’apparecchio deve essere compresa anche una
resistenza di terminazione di 50 Ohm per poter eseguire la verifica secondo la
IEC 801-4.
- Mezzi di prova per il reparto di sviluppo
Per la verifica dei sistemi elettronici durante lo sviluppo dovrebbero valere le
seguenti condizioni:
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1. La frequenza di ripetizione degli impulsi di disturbo dovrebbe essere
selezionabile nel campo da alcuni Hz fino ad alcune centinaia di kHz.
2. La tensione di prova deve essere regolabile in continuazione per poter
stabilire esattamente la soglia di disturbo.
3.Una documentazione dettagliata delle grandezze di disturbo e degli elementi
di accoppiamento/filtraggio deve essere disponibile.
4.Il generatore deve essere in grado di simulare impulsi con ampiezza superiore
ai 4 kV, p.es. 8 kV.
- Altre esigenze ad un generatore della nuova generazione
-
Interfaccia RS232 e 1EEE488
Possibilità di poter memorizzare dei determinati programmi di prova
Incremento automatico della frequenza
Incremento automatico della tensione
Stampa di protocolli di prova
Sincronizzazione del Burst sulla rete
18
4. PROVA SECONDO LA IEC 801-4 0 VDE 0843 PARTE 4
Il livello di severità di prova e la tensione di prova vanno scelte in funzione
della classe ambientale. Nella VDE 0843 parte 4 vengono definite le seguenti
classi ambientali.
4.1 Classi ambientali
Classe 1: Ambiente ben protetto
L'installazione é caratterizzata dai seguenti accorgimenti:
- Soppressione delle grandezze di disturbo causate da manovre nei circuiti di
comando.
- Separazione tra linee di alimentazione (A.C. e D.C.), linee di comando e
misura che derivano da un ambiente con elevato livello di disturbo.
- Uso di cavi di alimentazione schermati dove lo schermo é collegato da
entrambi i lati alla terra di riferimento ed installazione di filtri di protezione
sull'alimentazione.
Esempi tipici di ambienti simili sono centri di elaborazione dati.
Classe 2: Ambiente protetto
L'installazione é caratterizzata dai seguenti accorgimenti:
- Soppressione parziale delle grandezze di disturbi causate dalla commutazione
di relè nei circuiti di comando.
- Separazione dei circuiti di comando da quelli che appartengono ad un
ambiente con elevato livello di disturbo.
- Separazione ambientale dei cavi di alimentazione e di comando non schermati
dai cavi di segnalazione e trasmissione.
Un esempio tipico di questo ambiente sono i luoghi dove negli impianti
industriali vengono posizionati i vari terminali.
Classe 3: Tipico ambiente industriale
L’installazione é caratterizzata dai seguenti accorgimenti:
- Nessuna soppressione delle grandezze di disturbo che vengono causate dalla
commutazione di relè nei circuiti di comando.
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- Separazione parziale dei circuiti da quelli che appartengono ad un ambiente
con elevato livello di disturbo.
- Separazione parziale per le linee di alimentazione, di comando, di
segnalazione e trasmissione.
- Presenza di un sistema di terra attraverso condutture, cavi di terra ed una terra
generale di riferimento.
Un esempio di un ambiente simile sono le installazioni della tecnica di processo
nelle industrie.
Classe 4: Ambiente industriale con elevato livello di disturbo
L'installazione é caratterizzata dai seguenti accorgimenti:
- Nessuna soppressione delle grandezze di disturbo nei circuiti di comando ed
alimentazione, che vengono azionati da relé a teleruttori
- Separazione limitata di circuiti da quelli appartenenti ad un ambiente con
elevato livello di disturbo.
- Nessuna separazione dei cavi di alimentazione, di comando, di segnalazione e
di trasmissione.
Ambienti simili si trovano nelle installazioni industriali all'aperto dove non
vengono richiesti particolari provvedimenti nella protezione.
Classe 5: Classe particolare
La classe 5 viene applicata soltanto in casi particolari e va definita sempre tra
costruttore e utilizzatore.
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4.2 Livelli di severità
Tabella 4.1 Livelli di severità secondo la IEC 801-4
4.3 Criteri di guasto - Valutazione dei risultati di prova
La definizione dei criteri di valutazione sull'influenza delle grandezze di
disturbo nei mezzi di prova ed impianti risulta molto difficile a causa della vasta
gamma di provini aventi diverse caratteristiche.
La valutazione dei risultati di prova in base alle condizioni di impiego e la
funzionalità dell'apparecchio può avvenire nel seguente modo:
1. Nessuna limitazione nell'esercizio o funzionalità.
2.
Limitazione temporanea dell'esercizio o funzionamento, con ripristino
automatico della anomalia.
3.
Limitazione temporanea dell'esercizio o funzionamento, con necessità
d'intervento dell'operatore per il ripristino.
4.
Anomalia non più ripristinabile a causa del danneggiamento completo del
provino o dei suoi singoli componenti.
In caso di collaudi di accettazione il programma di prova e l'interpretazione dei
risultati viene sempre stabilita tra costruttore ed utilizzatore.
21
4.4 Norme nelle quali viene richiesta la prova del Burst
Qui di seguito vengono elencate le varie Norme che richiedono la prova EFT
(Burst)..
Norme di base
IEC
801-4
IEC
1000-4-4
VDE
0843 parte 4
Norme di prodotto FTZ
12TR1
CCITT
K17 Edizione 89
NAMUR
Edizione 1988 da pagina 1 fino 14
Norme generiche
CENELEC
prEN50 082-1
Tabelle riassuntive IEC
77B C04
VDE
0848 Teil 11
5 COMPROMESSI NELLA NORMA IEO 801-4
Generalmente per le prove EMC si cerca di simulare in modo realistico le fonti
di disturbo, senza ridurre la riproducibilità dei valori di prova Questo può
avvenire solo con un generatore che riesce a riprodurre i parametri più
importanti della fonte di disturbo. Qui di seguito vengono descritte le differenze
tra il fenomeno di disturbo Burst e l'attuale Norma IEC 801-4 edizione 1988.
5.1 Frequenza di ripetizione
Il motivo della diversità per quanto riguarda la frequenza tra la fonte di disturbo
e la normativa viene accennato nell'attuale IEC 801-4.
Estratto dalla Norma IEC 801-4 edizione 1988 pag. 45.
"The actual phenomenon of a burst occurs with repetition
rates of the individual pulses from 10kHz up to 1MHz.
However, extensive investigations have indicated that this
relatively high repetition rate is difficult to duplicate with a
generator using a fixed adjusted gap. Therfore rates lower
repetition have been specified in subclause 6.1.2."
Questo estratto della IEC 801-4 dimostra che solamente a causa della mancanza
di un interruttore elettronico da montare nel generatore di Burst al posto del
tradizionale spinterometro, non sono state richieste delle frequenze di prova
superiori ai 5kHz.
Con l'impiego della moderna tecnologia nella costruzione di generatori di
disturbi si riesce a raggiungere una frequenza di ripetizione fino a 1 MHz. Il
tempo di prova si può quindi accorciare notevolmente. Il seguente esempio
22
mostra che non su tutti gli apparecchi e sistemi elettronici si può accettare il
compromesso fatto dalla IEC 801-4 riguardante la frequenza di ripetizione.
Esempio di una prova con esito positivo secondo la norma IEC 801-4.
Disservizio verificatosi durante il funzionamento.
Un invertitore statico per un motore trifase viene spesso disturbato durante il
suo funzionamento. L'acquirente dell'invertitore contesta al costruttore la
validità di tale componente. La risposta del costruttore é: "L'invertitore statico
ha superato le prove di disturbo secondo la IEC 801-4, ai livelli più severi. E
stato sottoposto a tutti i tipi di accoppiamento possibili (L1-E, L2-E, ecc.) senza
che fosse riscontrato alcun malfunzionamento ".
Figura 5.1 Prova secondo IEC 801-4: accoppiamento nella rete trifase
Un'ulteriore verifica fatta dal costruttore dell'invertitore statico, con connesso in
parallelo un motore elettrico, da esito negativo. Per un brevissimo istante
l'invertitore risulta cortocircuitato. Si é così dimostrato che per questo
componente la prova EFT secondo la norma IEC 801-4 vigente non è
sufficiente.
23
Figura 5.3 Con l'inserzione del motore tramite S1 l'inverter viene disturbato
Alla tensione di 4 kV , variando linearmente la frequenza da 10 kHz a 100 kHZ,
alla frequenza di 62 kHz si é verificato il guasto causato nella realtà dal motore
connesso sul lato alimentazione. L'invertitore statico viene respinto. Come già
riportato nell'introduzione, vediamo che le sorgenti EFT, nella realtà, generano
tensioni e frequenze più alte di quelle definite dalla norma 801-4. Molti
apparecchi elettronici sono infatti sensibili solo a disturbi con frequenze
superiori ai 5 kHz.
5.2
Definizione della forma d'impulso e dipendenza dal carico
Originariamente la forma d'impulso venne definita, come contenuto nella IEC
801-4 per la verifica della funzionalità dei generatori EFT e per il confronto dei
modelli dei vari costruttori. Fino a poco tempo fa si era del parere che
verificando la forma d’impulso dei vari tipi di generatori su un carico di 50 Ohm
si ottenessero gli stessi risultati di prova. La pratica invece ha dimostrato che
usando generatori diversi si ottengono anche diversi valori di suscettibilità dei
provini.
Le misure di confronto fatte su diversi generatori dimostrano che con differente
caricamento dello stesso si hanno all'uscita diverse forme d'impulso. Per questo
motivo non si era mai sicuri di poter ottenere gli stessi risultati di prova.
Nella prossima revisione della norma si dovrebbe prevedere anche la verifica
della forma d'impulso con carico superiore a 50 Ohm ed uno inferiore. Soltanto
con delle determinate verifiche si potrà in futuro garantire che con tutti i tipi di
generatori si riesce a simulare la stessa fonte di disturbo.
Al giorno d'oggi esistono sul mercato apparecchi con un interruttore elettronico
oppure con delle valvole di comando. Un generatore con l'interruttore
elettronico ha il grosso vantaggio di riuscire a simulare delle frequenze di
ripetizione fino a 1 MHz senza alterare la funzionalità. Un altro vantaggio è che
la forma d'impulso non dipende dalle condizioni ambientali. Il generatore con la
24
"valvola di comando", invece, è limitato sia nella frequenza di ripetizione che
nella sua funzionalità.
La commutazione di elevate tensioni con l'interruttore elettronico richiede il
collegamento in serie dei tiristori, poiché il singolo tiristore è dimensionato fino
a max 1000 V. Mediante il collegamento in serie dei tiristori, la resistenza Ron
aumenta in proporzione al numero degli elementi. In un interruttore da 4-8 kV il
valore di Ron è di ca. 15-20 Ohm. Se questa resistenza viene presa in
considerazione per il dimensionamento dell'impedenza all'origine di 50 Ohm, si
riesce a costruire un generatore che fornisce una forma di impulso di 5/50 ns sia
a vuoto, con carico di 50 Ohm, come pure con un carico di1 Ohm. La
variazione é minima.
5.3
Ampiezze di tensione
Ultimamente molti clienti hanno avuto la necessità di eseguire le prove EFT con
tensioni fino a 8 kV poiché anche in pratica questo valore viene raggiunto. Ciò
significa che la prova secondo l'attuale IEC 801-4 con tensione massima di
prova di 4 kV non sempre è sufficiente per determinati provini.
Soprattutto il reparto di sviluppo dovrebbe avere a disposizione un generatore
con tensione fino a 8 kV.
Figura 5.4 Ampiezza reale dello spike e compromesso della IEC 801-4
ESEMPIO: Prova secondo la IEC 801-4 superata. Disservizio durante il
funzionamento. Una lavabiancheria é stata provata secondo i livelli 4 della IEC
801-4 senza presentare alcuna anomalia. Il livello 4 prescrive una tensione di
prova di 4 kV. Il prodotto ha avuto il benestare per la produzione in serie.
Durante l'impiego presso i clienti finali si sono verificati parecchi
malfunzionamenti. Durante il funzionamento, dalla pompa della lavabiancheria
fuoriusciva dell'acqua. Al momento del malfunzionamento sono stai rilevati dei
25
disturbi sia nella rete che nella lavabiancheria stessa. Per questo prodotto le
prove fino a 4 kV non erano sufficienti.
Figura 5.5 Prova secondo la IEC 801-4 superata. Accoppiamento nella rete
monofase
Figura 5.6 La lavabiancheria viene disturbata durante il funzionamento
La verifica in laboratorio con il generatore EFT ha dimostrato che appena a ca.
7 kV si verificava questo malfunzionamento.
5.4 Distribuzione degli impulsi
Con il simulatore si deve avere anche la possibilità di simulare, con l'aiuto di un
generatore di casualità (Randomly Mode), impulsi con cadenza casuale, come
26
avviene tra l'altro in pratica. Il vantaggio essenziale di questo modo di prova è
la riduzione della durata di prova. Questo vale in particolare per i circuiti
digitali.
6. PIANO DI PROVA
Un piano di prova dovrebbe essere fatto dal progettista già all'inizio della
progettazione
1.Descrizione del sistema
-
Descrizione dell'integrazione del sistema
Descrizione degli aspetti di funzionamento
Condizioni ambientali interne
Classi ambientali
Valori delle misure di disturbo
2.Criteri di guasto
- Vedi punto 4.3
3. Sequenza di prova
- Descrizione del sistema di prova impiegato come: generatore, apparecchi di
misura e dispositivi di accoppiamento.
- Verifica del sistema di prova secondo le descrizioni della normativa.
- Descrizione del luogo di prova con i rispettivi apparecchi periferici mediante
schizzi, disegni e figure.
- Definizione dei livelli di prova e delle forme d'impulso.
- Determinazione delle fasi dove deve avvenire l'accoppiamento.
- Tempo di prova, frequenza di ripetizione. Polarità degli impulsi.
4. Protocollo di prova
- Tutti i dati e le osservazioni sono da protocollare.
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7. INDICAZIONI PER LE PROVE PRATICHE
Solo durante le prove pratiche ci si rende conto della complessità delle prove
EMC. La IEC 801-4, in futuro reperibile anche come norma IEC nr. 1000-4-4,
descrive solo le esigenze di prova riguardanti il fenomeno derivante dal Burst.
Le informazioni del provino necessarie per l'esecuzione della prova non sono
contenute.
Durante le prove pratiche ci si pone alcune domande quali: come proteggere un
apparecchio non atto alla prova stessa del burst, ma indispensabile per
l'esecuzione di quest'ultima. Nel capitolo 7.1 vengono descritti gli esempi di
accoppiamento secondo la IEC 801-4. che contengono informazioni utili per la
realizzazione della prova. Mentre nel capitolo 7.2 viene riportato come esempio
un protocollo di prova.
7.1 Indicazioni dalla IEC 801-4
Figura 7.1 Esempio di come si può disaccoppiare un apparecchio dalla prova
di Burst
Se il provino 2 non deve essere interessato dall'impulso di disturbo é necessario
allungare il cavo tra l’accoppiatore ed il provino e collegarlo alla piastra di
terra. Con questo collegamento i segnali di disturbo vengono deviati alla terra
tramite la capacità che si crea tra il cavo ed il piano di terra. Montando un
nucleo in ferrite sopra il cavo. possibilmente all'inizio del cavo del provino 2 si
ottiene un'ulteriore attenuazione.
28
Figura 7.2 Esempio di un'iniezione capacitiva senza l'accoppiatore capacitivo.
L'accoppiatore capacitivo richiesto dalla IEC 801-4 in pratica spesse volte si é
dimostrato molto ingombrante. Dato che l'impulso di Burst ha un'elevata
frequenza ed e' quindi possibile il suo accoppiamento già in presenza di una
capacità tra 50 e 100 pF, è sufficiente usare una lamina posata in parallelo
oppure avvolgere un cavo attorno al cavo di collegamento del provino.
29
8. CONCLUSIONE E BIBLIOGRAFIA
8.1 Conclusione
Le prove BURST mettono di fronte a nuove esigenze sia l'utilizzatore che il
costruttore di questi generatori. Dal lato utilizzatore aumenta la complessività
dei sistemi da provare, le prescrizioni di prova devono essere dettagliate, il
circuito di prova diventa più dispendioso. Sistemi ed apparecchi lavorano in
servizio nominale, i rapporti dell’impedenza di processo devono essere
riprodotti, oppure bisogna riordinare l'ambiente circostante e disaccoppiarlo.
Per svolgere le prove menzionate bisogna stabilire il grado di severità, come
anche nozioni ed indicazioni specifiche del provino, quali posizionamento,
messa a terra, sequenza di funzionamento, sequenza dei programmi e non per
ultimo le ripercussioni ammesse. Così, per esempio, é senz'altro più facile
ammettere una deviazione del segnale analogico all'interno della fascia di
tolleranza che una falsificazione di un unico Bit in una memoria o durante un
trasferimento d'informazioni.
I costruttori di apparecchi elettronici e di sistemi dovrebbero esaminare la
possibilità che frequenze di ripetizioni e livelli di tensioni superiori a quelli
prescritte nella normativa potrebbero causare dei disturbi al proprio prodotto.
Diventa importante decidere già in fase di sviluppo se conviene eseguire già
delle prove di Burst con delle frequenze di ripetizioni e livelli di tensione più
alte, in modo da evitare problemi sul prodotto finito ed installato.
30
8.2 Bibliografia
1. E.Keith Howell:
How Switches Produce Electrical Noise
IEEE Transactions on Electro Magnetic
Interference Vol. EMC 21 No3. Aug.79
2.A.Rodewald, M.Lutz
Interference generated by Switching
Operations ard its Simulation
EMC Symposium Tokyo 1984
3. G.Balzer
Influenza di apparecchi ed impianti
della tecnica di misura comando e di
regolazione dovuta a ricetrasmittenti
ed apparecchi simili
4.
IEC 801-4 Edizione 1988
5.
VDE 0843 Parte 4
6.
VDE 0846 Parte 11
7.
FTZ 12TR 1
8.
Consigli Namur febbraio 1988 da pagina
1 fino a pagina 14
9.
ISO/DIS
7637-1 12V alimentazione
7637 - 2 24V alimentazione
10. M.Lutz
Panoramica sulla simulazione di impulsi
transitori per le prove EMC
11. M.Lutz
Determinazione
dell'immunità
di
apparecchi elettronici contro le scariche
elettrostatiche
12. M.Lutz
Determinazione dell’immunità contro
impulsi energetici con il generatore
ibrido.
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