Med EMC och ABB i nästa sekel

Transkript

1 Med EMC och ABB i näs sekel Elekromgneisk kompiilie (EMC) eyder vrje produk rer i sin elekromgneisk omgivning un sörs och un orsk sörningr i någon nnn urusning, speciell medi som rdio, moil elefoner, elevision m.m. EMC är numer en veenskplig disciplin, serd på memik, fysik och eoreisk elekroeknik. ABB uppfyller ine enr lglig krv, som orde nses som miniminivå inom EMC-smmnhng, un även de llr srängse krven inom de exrem umnnde område. I Europ reglers kompiilieen vi EMC-direkiv och nionell lgr som ehndlr elekromgneisk kompiilie. Direkive i sig reglerr skyddskrv och procedurer, medn eknisk krv reglers v de så kllde Europeisk Hrmoniserde Sndrder. Lglig krv sk llid nses håll ends miniminivå, som ine llid lever upp ill kunderns krv. Insllionen 1, se från direkivens krv, är den mes umnnde delen från EMC-synpunk. För de förs är ingen, eller kn ingen srik li, nsvrig för eferlevnden v EMC krven. I sälle ns EMC egenskper uppnås i smree melln illverkre, insllörer och nvändre. För de ndr nvänds i insllioner så kllde ITE-urusningr (Informion Technology Equipmen), som omfr PC-urusningr, uvecklde och mrkndsförd för en mycke kor idsperiod. Dess urusningr är vsedd för en så klld osdsliknnde miljö som är hel nnorlund än den indusriell. Frmid produker ABB levererr komponener, sluproduker, sysem och insllioner. A formge elekronisk produker som sk re i en indusriell omgivning eyder konsen producer elekromgneisk kompi- l produker. Den mes umnnde uppgifen en konsrukör möer i de smmnhng är idenifier skillnder melln de änk och verklig egenskpern hos förindelser lik väl som hos pssiv som kiv komponener. De är nödvändig för korrek dorserd simulering, eräkning, felsökning och formgivning. Indusrin kräver forsäningsvis ny modern eknik. Vnligen är ekniken serd på olik pplikioner v modern mikroprocessorer och ders perifer enheer. Sysemen omfr forfrnde mycke precis nlog kresr sm fler och fler funkioner för höghsigheskommunikion. Denn ny eknik ger oss hiills onde möjligheer för öknde produkion och presnd, minskde kosnder, förärd miljö och signde kvlie. När en illverkre inroducerr en ny eknik möer hn vå yper v mogre, den en enusisisk, den ndr skepisk. Tillverkre och levernörer v denn ny eknik hr också e sor nsvr och Prof. Sen Bend ABB EMC Cerificion AB krv ine gör den enusisisk gruppen v mogre esviken. Dock måse vrje illverkre smidig överyg den ndr gruppen om den ny ekniken hr kommi för snn och den verkligen hr de ulovde fördelrn. Angligen finns ine en illverkre som ine srävr mo mö ll krv och försäkr sig om urusningen når upp ill erjudnde, om överlevnd efersrävs inom segmene. De kn ine finns mins vivel illverkren får sin produker funger r i uvecklingsmiljön och i e lororium. Men nu måse frågn sälls: är de nog för grner prolemfri funkion och nöjd kunder? Svre är gnsk enkel: j, om sörkällorn som finns i indusrin är medräknde och om illverkren försäkr sig om produken är EMC-provd i en sörmiljö relevn ill den där den sk nvänds. I sådn fll är de enkel överyg ll pessimiser om de ine hr någon s för sin vivel, efersom urusningen mosvrr ll förvänningr. Om urusningen ine klrr krven, är de en rejäl ksrof för en ovn levernör och ine mins för kunden. E illverknde föregs policy orde därför vr vrje kreskor, vrje sluproduk eller del v urusning, sysem och insllion, måse mö krven som en indusriell miljö säller och med god mrginler överräff specifikionern. All de måse också vr verifier med EMCprov. Policyn ygg produker som är fri från sörningr är nurligvis v sörs vik för e föregs frmgång. Kresuformning Tidigre innehöll ll reglernde, syrnde och konrollernde elekronik mycke enkl elekromeknisk komponener och elekronrör. Sådn urusning vr långsm och de frlig sörnde signlern fnns r i de lägre frekvensområden. Filosofin för minsk sörningrn från omgiv- 32 ABB Tidning 6/1999

2 ningen vr mycke enkel, och de vr full illräcklig kresr uformdes i enlighe med eorier serde på Ohms och Kirchhoffs lgr. Idg är de forfrnde vnlig i prkisk uformning nvänd EMC-eori serd på sådn elekrisk kresr. Kreseorin är serd på mång veenskplig srkioner som mer eller mindre ignorerr relevn fk. Kreseorin nvänder prmerr som indukns, kpcins, elekrisk resisns, mgneisk resisns och nn. Dess prmerr nses vr sinsemelln hnerr fs numerisk värden. En nlys v elekromgneisk fenomen, som nvänder så klld kreseori, ger pproximiv och därför oprecis resul. Mycke of ger en nlys som ine illämpr fäleori e meningslös resul. Usändning och spridning v elekromgneisk vågor är ypisk exempel på prolem som är omöjlig lös med nvändnde v kreseori. Elekromgneisk fäl Elekroniken hr uveckls och forsäer uveckls enorm i frmiden. I princip är de en eknisk revoluion vi upplever. Indusrin nvänder redn idg högeknologisk elekronisk urusning. Urusningrn kräver ll mindre urymme och lir snre och snre. Den elekromgneisk miljön ändrs också drmisk. Modern rdio- och elekommunikionsurusning plcers ll närmre elekroniken. Frekvensområden som nvänds för dess urusningr ökr ill åskillig GHz. Underhållsfolke rer på elekronikurusning och vill nvänd modern elekommunikion och dihörnde urusning i si ree. De eyder vi konfroners llmer med de elekromgneisk fälen. Därför är de nödvändig mer noggrn undersök den elekromgneisk kompiilieen, serd på eorin om elekromgneisk fäl. Denn måse led Blnd mång indusriell insllioner är offshore-plformr eroende v elekromgneisk kompiilie för illförlilig drif. ill ekämpning v yre sörkällor och egen emission. För korrek eräkning v fälförhållnden är de nödvändig idenifier såväl de elekrisk som de mgneisk fälen som finns i kresr med spänning och sröm. Kunskp om elekromgneisk fäl är nödvändig ine r för definier kresens prmerr, un också för i ll lägen fssäll krkären v de elekromgneisk fenomen som uppsår. En komple nlys v de elekromgneisk fenomenen är möjlig i ll kresr där srömähe, elekrisk fälsyrk och mgneisk dio är känd inklusive ders ändringr. Deljerde sudier är enr möjlig om även de rä sorlekrn som krkeriserr fäle är känd. Uppenr är de Mxwells ekvioner som kn ge illfredssällnde svr och lösningr. Insllioner I enlighe med Guide for he Applicion of he EMC Direcive (ugiven 1998 v Tredje Direkore i EU kommissionen och ngen v ll medlemsser) hr ll komponener med så klld direk 1 funkion och sluproduker vsedd för disriuion eller slunvändning krve vr CE-märk. Emellerid kn en s.k. fs insllion i enlighe med smm Guide r ehöv fyll de väsenlig krven enlig EMC-direkive. De finns heller ing krv på CEmärkning eller godkännnde fån e ehörig orgn (s.k. compeen ody). I norml språkruk eyder insllion någo som referers ill som opiml kominion v olik slgs urusning. Den hr vls så för uför en speciell uppgif, där slunvändren är den som eslur vilken urusning som sk nvänds och hur den sk kominers. Kominionen knske ine vr änk så som den uförs, och de ingående delrn är ine ens vsedd plcers på mrknden som e enkel funkionselemen. Sådn insllioner måse unför EMC-direkive erks som sysem. Fs insllioner EMC-direkives riklr 1 och 2 är illämpr på insllioner som innehåller elekrisk och/eller elekronisk komponener. ABB Tidning 6/

3 1 C 1 V s Olik slg v srörningskopplingr C 2 C s C s 2 2 ESD 2 2 M s C 3 1 Sörkäll C 1 C 3 Srökpcins 2 Sör ojek C s Kopplingskpcins 2 Signlkäll (givre) I s Sröm 2 Elekronik M s Inördes indukns Spänning V s Poenil ESD Elekrosisk urlddning Z j Jordlineimpedns Z j I s 2 elekronik och hur dess effeker kn undviks eller minsks. Påverkn på elekronik kn ske på ll sä som är eknisk möjlig 2, nämligen genom: Indukiv koppling Kpciiv koppling Direk koppling Srålning Oönskde effeker på urusningr kn undviks genom reducer kopplingr melln elekronik och sörkällor. De är speciell vikig för högfrekven signler, där sörsignlen och den nvänd signlen finns inom smm frekvensområde, e förhållnde som idigre ine lls ehövde s med i eräkningen. All påverkn kn ske inom commonmode volge (CMV, längsspänning) och norml mode volge (NMV, värspänning). Fs insllioner i dess redse mening är definierde som en kominion v olik yper v urusningr, sysem, sluproduker och/eller komponener (här enämnd delr) smmns och/eller monerde v en insllör på en given pls för funger illsmmns i en definierd miljö för uför en speciell uppgif, men ine för plcers på mrknden som en funkionell eller kommersiell enhe. I fs insllioner enlig ovn kn även delr, ine vsedd för mrknden som funkions- eller kommersiell enheer, nvänds (läs ine CE märk). De gör ingen skillnd om de är såld v en eller fler illverkre, efersom ingen v dem ve den slulig elekromgneisk påverkn på den kominion v delrn i insllionern; de kn ends n nsvr för vrje individuell del då den mrkndsförs. EMC prolem i urusningr nvänd i fs insllioner löses från fll ill fll genom smree melln illverkrn v vrje del, nvändren och i någr fll en konrkerd insllör. Den smmnlgd experisen hos dess resulerr i korrek funkion i insllionen och möjliggör också inegrion i e näverk. Personer nsvrig för uformning, konsrukion och uppyggnd (smmnsäning och monering) lir illverkre i direkives mening och nsvrr för insllionens förmåg uppfyll EMC-direkive då insllionen s i drif. Insllionen måse mosvr god ingenjörssed inom insllionens rm och mö nionell, inernionell eller lokl regler. Emellerid kn illverkning och konsruerd urusning som redn är uförd i enlighe med direkive ine påverks v sådn regler. Sådn insllioner kn ine h fri rörlighe inom EEA-mrknden (Europen Economic Are). Ing krv på CE-märkning finns, vrken EC DOC ( Declrion of Conformiy) eller inlndning v e s.k. ehörig orgn. Kopplingsfkorer De är v uomordenlig vik förså hur påverkn från sörkällor uppkommer i Minskning v sörningr A re med e ny projek eyder konsrukören måse ehärsk och undvik ll smmnlgd söreffeker i sig Digrm för en ppr som visr sörrriärern (grå områden) PI/O Process in-/ugång Communicion Inernl elecronics PI/O Supply 3 34 ABB Tidning 6/1999

4 själv. Konsrukörens medveenhe om de elöns då den insllerde produken rer un sör eller li sörd i kundens nläggning. De är jordning, skärmning, kpsling och även kvlieen på nollvolsplne och uformningen v EMC-rriärer 3 hos elekroniken som huvudskligen esämmer sörimmunieen v en elekronisk produk. Nurligvis är korrek uformning och vl v krfmning, nlog eller digil kreskor sm kommunikioner vikig fkorer i en frmgångsrik uppyggnd. Följnde princip orde nvänds för frmgångsrik undvik elekrisk sörningr: minsk mpliud och frekvens hos källn sm kopplingen melln sörnde och sörd kres. De kn uppnås med följnde ågärder: Användning v sörfri krfmning Seprion v klr Omsorgsfull vl läge för känslig klr (så när jordlinn som möjlig eller plcering i kelknler) Användning v korrek jordde skärmde klr med ccepel rnsferimpedns (360 nsluning) Användning v prvinnde klr Användning v överspänningsskydd Undviknde v sörnde källor 4 Föräringr v miljön (fukighe) om elekrosisk urlddning orskr prolem 5 Användning v filer i krfkresr Användning v filer i signlkresr Användning v chokes 6 Användning v korrek nsluning v kelskärmen Skydd mo korrosion Plcering v signl och reurledre i smm kel Användning v kelknler Användning v e jordlinenä Användning v isolerde kresr Användning v skärmning enlig följnde nlys c d e = = = ~ (=) ~ (=) R C R s Elekromgneisk skärmning som de ol EMC-skydde Enr e komple elekromgneisk skärmskydd kompleer med dekv filer kn llid ge de önskde ol EMC-skydde mo elekromgneisk fäl. I de fll förusäer de skärmen omsluer hel ojeke som sk skydds. Resule lir den elekromgneisk Meoder minsk sörningr c d e R C + + R - R + U z 1 = L = i 1 = L i R + 1 = L i 1 C> Ine vsörd Avsörd med diod Avsörd med diod och mosånd (liksröm) Avsörd med vrisor, TrnsZor eller 2 ck-o-ck zener-dioder (växelsröm) Avsörd med kondensor och mosånd (växelsröm) C Dämpningskpcins (n) Tidskonsn, Srökpcins ryningsfenomen Lsindukns (n) Tidskonsn, indukiv ls R Dämpningsmosånd Tid Lsmosånd Spänningskäll R s Sörningsmosånd U z Klämspänning vågen delvis penererr skärmen och lir delvis reflekerd. Om merile är illräcklig jock, lir dämpningen v den elekromgneisk vågen komple. Skärmen hr en duel funkion, efersom den skyddr omgivningen även från sörningr som ilds inui ppren. Fysisk är skärmens funkion förklrd med de virvelsrömmr som ilds i 4 ABB Tidning 6/

5 NEMP (Nucler ElecroMgneic Pulses) Line impednce Low-pss filer configurion Lod impednce 8. De för undvik kollps v smhälle då de skulle usäs för krig eller Low High erroriscker. Emellerid kn dess kunskper också illämps för skydd mo EMP-pulser, High High d.v.s. pulser orskde v mosfärisk fenomen som kn hndhs med smm meoder. High or no known High or no known Low Low or no known skärmmerile. De ildr e inern fäl mos de yre. Krve på skärmens minimijocklek eror v våglängdern i de elekromgneisk fäle. En elekromgneisk våg är dämpd i en lednde omgivning på e vsånd z som definierr relionen melln mpliudens dämpning ill e 2π = Low Low or no known Olik yper v filer för olik pplikioner 5 Skydd med högfrekven kärn, så klld choke, för sörningsskydd I C1, C2 I NIN, NOUT C1, C2 NIN, NOUT Sörsröm (common mode) Lssröm (norml mode) Flöde orsk v sörning (sörsröm) Flöde orsk v lssröm 6 Mgneisk skärmning För uppnå skydd mo oönskde mgneisk fäl, är de nödvändig nvänd sig v hel sluen inkpsling illverkd v ferromgneisk meril. Denn skärmyp klls mgneisk skärm 7. Fäle inom kpslingen är mycke svgre än de yre fäle. När ferromgneisk meril nvänds lir permeilieen i de mycke sörre än permeilieen i lufen, (µ r µ 0 ), vilke resulerr i koncenrion v mgnefälens flöde och i dess pssge genom de lägs mgneisk mosånde. I de fll psserr inge fäl in i de inneslun urymme. Skydd mo mgneisk fäl är mycke of gjord i olik seg (kskder), vilke eyder kpslingr i kpslingen. Sregi för hndhvnde v NEMP-effeker Innn mn gör nlyser om skydde mo NEMP måse mn uppsk de fenomen som kommer uppså och därför fssäll spänningr, srömmr och fäl som kn förväns i gränsområden med simuleringr som krävs under specifikionsfsen. E sor sysem dels nlyisk i små undersysem som kn hners med eseknik. Hel nlysen, plnering och prov inklusive projeksyrning, viss i förenkld form i 9. De är vikig dess mävärden läggs i projeksyseme så idig som möjlig för undvik kosndskrävnde och i någr fll oillfredssällnde mäningr senre, som då lir serde på åersr eller omsr. Mgneisk flöde,, i mgneisk skärm Tvärsnisre Kel med mgneisk skärm 7 I C1 I NIN Nukleär elekromgneisk I C2 I NOUT pulser (NEMP) NIN C1 C2 NOUT Tros ingen ror de fenomen någonsin kommer uppså, måse någr yggnder och insllioner v väsenlig eydelse för smhälle skydds mo 36 ABB Tidning 6/1999

6 Skyddsfilosofi mo NEMP Ansedd meriknsk experer inom område delr skyddskoncepe för jordserde sysem i olik fäl: Topologi 10 (delning i zoner) Genomrängnde ledre Med eferryck eons viken v undvik genomrängnde ledre genom kpslingen. Här kn of enkl ågärder eyd vsevärd föräringr,.ex. skärm klr vid ingången i en ppr (360 nsluning v skärmen). Onödig ledre kn eliminers. Konroll v öppningr Ends en öppning (så lien som möjlig) för klr i en yggnd 10 måse nvänds. Hålgningr i en kpsling är i llmänhe oundviklig: kylhål, hål för ryckknppr, ryre, poeniomeernsluningr m.m. Dessuom är dess hål vågledre, och i någr frekvenser kn kpslingens skärmeffekivie förärs om dess genomföringr uforms korrek. För uppnå god skärmeffekivie, måse gränsfrekvensen v vågledren vr mycke sörre än resfrekvensen. Allmän nvänds speciell öppningr för venilionshål. Dess genomföringr är mång vågledre sälld redvid vrndr, där skärmningens effekivie (vid frekvenser väl under gränsfrekvenser) minsks med sorleken v nle skärmväggr. Ground X Penerions Shield 3 Shield 2 Shield 1 Ground 1 Ground 3 Ground 2 Field srengh chrcerisic Shield Zone 1 Curren Effec of Zone 2 Zone 3 Zone X chrcerisic Zone X filering Zone 3 Zone 2 Zone 1 Koncep för NEMP-skyddszon 8 EMP-skyddde insllioner Vid konsrukion v ny NEMP-skyddde insllioner som är ill exempel äck med sor mängder jord är de fördelkig innef sålförsärk skele i koncepe 11. Inom lågfrekvensområde (10 khz) speciell kn upp ill 20 db skärmeffekivie uppnås. En förusäning Typisk NEMP-projeksyrning 9 Fine nlysis NEMP projec prolem definiion Wors-cse nlysis Proecive mesures needed? Yes No Compuer progrms Know-how Proecion inslled Teoreisk nlys Om NEMP fenomen suders i sor sysem är de omöjlig nvänd sig v si- Tesing mulorer. Teoreisk nlys nvänds of i sälle. För de ändmål nvänds små mjukvruprogrm. De är serde på små enkl underprogrm som medger Proecion ok? Yes NEMPproof Upding sn kosndeffekiv lösningr. Sor och följkligen klumpig dorkoder, som No forfrnde nvänds i viss illämpningr, leder of ill lång id för dmning och processider. Yes Addiionl pro. devices possile? No ABB Tidning 6/

7 ka Homogeneous shield Zone 1 Zone 0 Zone 1 Zone 0 ma Trnsien proecion ka In-ke ple In-ke ple Thin shield ma Zone 2 Topologisk skyddskoncep. Fler zoner kn nslus som kskder. 10 A Sluss A hndsks med legl krv och kundönskemål inom sörningsfri elekronik fordrr sund eoreisk kunskp. Denn rikel försöker påvis de eoreisk och prkisk prolemen som ABB kn klr, åde enlig EMC-krven (vilke snrs är se som e minimikrv), och de mes sofisikerde önskemål inom de exrem umnnde och konroversiell område EM näs millennium, så väl som förmågn överför kunskper ill ndr genom uildning och räning vrhels krven sälls på jorden. är emellerid korrek svesning är uförd i försärkningrn. Specilfiler för NEMP och EMP-pplikioner Inensieen i elekromgneisk srålning orskd v kärnexplosion eror v höjden där explosionen sker. En explosion på mycke hög höjd genererr e mycke krffull fäl i område 50 kv/m. Den elekromgneisk pulsen hr mycke kor sigid, ypisk mindre än 10 ns. E speciell, mycke vncer filer kn nvänds som en del i NEMP skydd. NEMP-filer är en del i skyddsrrngemngen som vnligen innehåller åskillig områden med speciell egenskper som: Kosndseffekiv skärmkoncep 11 Welded crossings Welded reinforcemen r Thick, coninuous frme En primär skyddsnordning konsruerd för shun mjorieen v den oönskde energin ill jord. En fördröjningsnordning där den inkommnde pulsen fördröjs innn den ränger in i filre. Filre är därför of plcer med viss disns ill de primär skydde, ill exempel på ksidn v en skyddsvll. En sekundär skyddsnordning, norml uför som en zinkoxid-vrisor plcerd värs över plinen som reducerr energin i den elekromgneisk pulsen. Skydd i NEMP-pplikioner kräver nvändning v filer i vrje fs och i nolln. Filer som innehåller en gemensm kärn är ine rekommender, då krfig pulser kn orsk den ypen v kärnor kn förlor sin lågfrekvensegenskper. Fler filer kn koppls in prllell för ök den illån nominell srömmen, un ök förlusern (dämpningen). Disriuion v srömmen kn uppnås genom nvändning v skenor. Speciell uppmärksmhe måse ägns å skärmning såväl som elekrisk säkerhe. NEMP-filer sk nvänds i skärmde rum sm i ll urusningr på mrken, i lufen och i vne, om de är konsruerde som speciell NEMP-säkr rrngemng. Referenser [1] Bend, S.: Sörningsfri elekronik. Elekromgneisk kompiilie, ISBN ABB r nr 3BSE R0102. [2] EU Commission DG III-Indusry: Guide o he pplicion of Direcive 89/336/EEC. [3] Bend, S.: Skydd mo lixnedslg för elekrisk urusningr och indusrielekronik. ABB Tidning 4/98, [4] Bend, S.: Överspänningr och sörspännngr. ABB Tidning 8/96, [5] Bend, S.: Inernionell EMC-normer uvärdering och erfrenhe. ABB Tidning 5/95, [6] Bend, S.: Jordning och skärmning v signlkresr för processyrning och kommunikion. ABB Tidning 10/95, [7] Bend, S.: Jordningssysem och poenilujämning i sor insllioner. ABB Tidning 5/94, [8] Bend, S.: Processuomion med sörningsfri elekronik. ABB Tidning 2/91, Förfrens dress Prof. Sen Bend ABB EMC Cerificion AB S Väserås Fx: +46 (0) E-mil: sen.end@seisy.mil..com 38 ABB Tidning 6/1999