CZĘŚĆ II - Najważniejsze normy i dyrektywy związane z kompatybilnością elektromagnetyczną

W poprzedniej części artykułu przedstawiliśmy czym jest kompatybilność elektromagnetyczna, wyjaśniliśmy charakterystyczne pojęcia oraz pokrótce omówiliśmy problemy związane z EMC. W tej części skupimy się natomiast na regulacjach prawnych. Na wstępie pragniemy jednak zaznaczyć, że regulacji prawnych dotyczących EMC jest bardzo dużo. Nie sposób omówić ich wszystkich dokładnie i szczegółowo w jednym artykule. Dlatego skupiliśmy się na najważniejszych i najczęściej wykorzystywanych normach i przepisach. Zachęcamy do samodzielnego zgłębiania tematu norm EMC, a artykuł prosimy traktować jako wstęp i ukierunkowanie do dalszego poznawania problemu.

 
Spis treści

• Część 1: Wprowadzenie do EMC
• Część 2: Wprowadzenie do norm i przepisów EMC
• Część 3: Wstępne badania EMC

Normy i dyrektywy

Ze względu na skomplikowanie zagadnień związanych z EMC podjęto próbę określenia wymagań stawianych urządzeniom pod względem emisji oraz odporności, a także wyznaczono metody pomiarów i badań. Lata pracy, doświadczeń i rozwoju techniki spowodowały powstanie wielu dyrektyw, które w sposób bezpośredni oraz pośredni systematyzują pojęcia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną.

Dyrektywy związane z EMC to nie tylko dyrektywa bezpośrednio odnosząca się do kompatybilności, ale również szereg innych powiązanych dyrektyw. Obecnie najważniejsze z nich to:

• 2014/30/EU – Dyrektywa EMC
• 2014/54/EU – Dyrektywa o urządzeniach radiowych
• 2014/35/EU – Dyrektywa niskonapięciowa (LVD)
• 2014/34/EU – Dyrektywa o pracy w atmosferze wybuchowej (ATEX)

1 stycznia 1996 r. w życie weszła dyrektywa 89/336/EEC dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej i wymogów stawianych urządzeniom. W kolejnych latach dyrektywa ta była wielokrotnie uaktualniania, aż została zastąpiona dyrektywą 2004/108/EC. Obecnie obowiązującą dyrektywą jest ta z 2014 roku (2014/30/UE). Częste zmiany dyrektyw są świetnym przykładem jak dynamicznie poszerza się wiedza dotycząca EMC. W Polsce kwestię KEM reguluje ustawa z dnia 13 kwietnia 2007.

Jej celem nadrzędnym jest ograniczenie emisji promieniowania elektromagnetycznego do otoczenia przez urządzenia oraz ich odporność na wpływ takiego pola. Dzięki temu, z założenia, umożliwi współistnienie wszystkich urządzeń i systemów w jednym środowisku. Pełna treść dyrektywy znajduje się pod linkiem.

Dyrektywa EMC wprowadza lub systematyzuje wiele definicji. Poza przytoczonymi wcześniej definicjami kompatybilności elektromagnetycznej, odporności i zaburzeń istotną definicją jest ta, dotycząca aparatury. Zgodnie z dyrektywą: „Aparatura – oznacza każde gotowe urządzenie lub ich kombinacje udostępnione na rynku jako pojedyncze jednostki funkcjonalne przeznaczone dla użytkownika końcowego i które mogą wytwarzać zaburzenia elektromagnetyczne, lub na których działanie takie zaburzenia mogą mieć wpływ.”. Zgodnie z dyrektywą za aparaturę uważa się także komponenty lub podzespoły, instalacje ruchome oraz instalacje stałe. Definicja aparatury uwzględnia również kombinacje urządzeń. Jest to bardzo ważny aspekt, ponieważ jeśli dwa pracujące osobno urządzenia spełniają wymagania, nie jest oczywistym czy podczas pracy razem będą dalej spełniać te same wymagania.

Przykładem może być poniższy film:

Widać tutaj doskonale, jak sterownik silnika zakłóca pracę zasilacza. Osobno prawdopodobnie działają znakomicie, wspólnie niestety nie pracują tak jak powinny.

Dyrektywa 2014/30/EU nie obowiązuje w stosunku do urządzeń, dla których wymagania określono w osobnych dyrektywach. Jeśli na przykład urządzenie podlega ściśle pod dyrektywę radiową, to wtedy dyrektywa EMC nie ma zastosowania. Jednak jest możliwe stosowanie równolegle dwóch dyrektyw. Takim przypadkiem jest znaczna część maszyn, które podlegają zarówno dyrektywie EMC oraz dyrektywie dotyczącej bezpieczeństwa maszyn. Nie da się jednoznacznie określić w tej chwili, która dyrektywa obowiązuje dla jakiego urządzenia. Kwestię tę należy rozpatrywać indywidualnie.

Kiedy zatem na pewno nie stosujemy dyrektywy EMC? Wyjątkowo sprawa jest prosta – dla urządzeń pasywnych, które podczas użytkowania nie powodują przełączeń lub oscylacji prądu lub napięcia, które nie są zdolne do wytwarzania zaburzeń elektromagnetycznych i które działają zgodnie z przeznaczeniem bez pogorszenia jakości pod wpływem zaburzeń EM. Są to na przykład:

• Przewody
• Anteny
• Baterie
• Obciążenie stricte rezystancyjne
• Łączniki ręczne bez elementów elektronicznych
• Żarówki
• etc.

Następnym zagadnieniem są normy zharmonizowane. Normy są bardziej szczegółowe niż dyrektywy i przepisy krajowe, ale bezpośrednio od nich zależą.Najważniejsze normy międzynarodowe powiązane z EMC to normy CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, pol. Specjalny Międzynarodowy Komitet do spraw Zakłóceń Radioelektrycznych) oraz IEC (ang. International Electrotechnical Commission). Normy CISPR są uważane za normy ogólnoświatowe. Normy IEC po tłumaczeniu na język polski otrzymują oznaczenie Polskiego Komitetu Normalizacyjnego PN-EN IEC. Normy te są najczęściej, choć nie zawsze, aktualizowane i korygowane co około 5 lat, aby dostosować i uwzględnić nowe technologie, i warunki techniczne. Precyzują one zarówno metody pomiaru, jak i limity otrzymywanych wartości badanego parametru.

Aby sprawdzić czy urządzenie jest kompatybilne potrzebne są pewne wytyczne oraz instrukcje jak to zrobić. Gwarantują nam to właśnie normy. Jeśli postępujemy zgodnie z nimi, mamy DOMNIEMANIE spełnienia wymagań. Zastosowanie norm w zakresie dyrektyw jest dobrowolne, a producenci wybierają dowolne rozwiązanie techniczne, które zapewni zgodność z wymaganiami zasadniczymi.

Ocenę EMC można przeprowadzić na trzy sposoby:

• Poprzez pełne zastosowanie norm zharmonizowanych
• Poprzez własną metodologię producenta
• Poprzez ocenę mieszaną (np. odporność zgodnie z normą, zaś emisja zgodnie z własną metodologią)

Zastosowanie własnej metodologii, szczegółowej oceny technicznej EMC wymaga znacznej wiedzy i wysiłku, w związku z tym zaleca się stosowanie oceny na podstawie norm.

Wpisując w wyszukiwarce na stronie Polskiego Komitetu Normalizacyjnego hasło Kompatybilność elektromagnetyczna i zaznaczając, aby wyświetlane były tylko normy aktualne, uzyskujemy aż 267 wyników (sic!). Ciężko sobie wyobrazić naukę wszystkich wytycznych, które są tam opisane. Jednak są to normy bardzo szczegółowe odnoszące się do konkretnych przypadków, czy urządzeń. Za jedne z najczęściej używanych można uznać normy PN-EN IEC-61000. Szczególnie istotne są normy:

• PN-EN 61000-1-2:2016-11 – Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 1-2: Postanowienia ogólne -- Metodologia osiągnięcia bezpieczeństwa funkcjonalnego elektrycznych i elektronicznych systemów, z uwzględnieniem wyposażenia, w odniesieniu do zjawisk elektromagnetycznych
• PN-EN 61000-3-2:2019-04 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 3-2: Poziomy dopuszczalne -- Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika ≤ 16 A)
• PN-EN 61000-4-x:xxxx – Cała seria norm dotycząca metod badań i pomiarów

Najważniejszymi normami związanymi z kompatybilnością elektromagnetyczną są:

W niniejszym artykule skupimy się i pokrótce opiszemy normę 61000-3-2 oraz kilka podstawowych norm serii 61000-4-x. Osoby zainteresowane powinny już we własnym zakresie zapoznać się ze szczegółami zawartymi w tych normach oraz rozszerzyć wiedzę o pozostałe normy.

Norma PN-EN IEC 61000-3-2:2019

Powyższa norma dotyczy ograniczenia harmonicznych prądu wprowadzanych do publicznych sieci rozdzielczych. Określa dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu zasilającego, które mogą być wytwarzane przez odbiorniki. Dotyczy sprzętu elektrycznego i elektronicznego o fazowym prądzie zasilającym nie przekraczającym 16A, przeznaczonego do przyłączenia do publicznych sieci niskiego napięcia.

Norma wprowadza wiele definicji (narzędzia przenośne, lampa, oprawa oświetleniowa, prąd zasilający itd.) w tym kilka opierających się o wzory matematyczne takie jak:

Całkowity prąd harmoniczny określony wzorem:

Całkowita zawartość harmonicznych określona wzorem:

Niecałkowity prąd harmonicznych nieparzystych określony wzorem:

W dalszej części norma dzieli urządzenia na 4 kategorie, odpowiednio A, B, C, D. Przykłady sprzętu przyporządkowanego do danej kategorii to:

Kategoria A:

• Symetryczny sprzęt trójfazowy
• Odkurzacze, sprzęt audio

Kategoria B:

• Urządzenia przenośne
• Nieprofesjonalny sprzęt spawalniczy

Kategoria C:

• Sprzęt oświetleniowy

Kategoria D:

• Sprzęt o mocy ≤600W
• Komputery osobiste
• Monitory
• TV

Następnie norma opisuje wymagania ogólne. Szczególnie istotne są układ badawczy, procedura pomiaru oraz wymagania, które dane urządzenie musi spełnić.

Układy badawcze różnią się od siebie w zależności od tego czy badane urządzenie jest jednofazowe czy trójfazowe.

Napięcie testowe powinno być równe napięciu znamionowemu urządzenia ±2%, natomiast częstotliwość powinna zmieścić się w przedziale ±0,5% wartości znamionowej. Dodatkowo podczas zasilania trójfazowego, kąt przesunięcia fazowego między kolejnymi fazami powinien wynosić 120°±0,5°. Dla urządzeń klasy C i D stosuje się ponadto obostrzenie, że wartość szczytowa napięcia powinna mieścić się w przedziale 1,4 do 1,42 wartości skuteczniej i być osiągana między 87 a 93° licząc od momentu przejścia przez zero. Ostatnim, nie mniej ważnym punktem dotyczącym zasilania jest zawartość harmonicznych w napięciu testowym. Wygląda ono następująco:

Dla prądów harmonicznych należy dla każdego rzędu harmonicznej zmierzyć wygładzoną w czasie 1,5s skuteczną wartość harmonicznej prądu w każdym oknie czasowym DFT. Ponadto konieczne jest wyznaczenie średniej arytmetycznej zmierzonych wartości w oknach czasowych DFT dla całego okresu pomiarowego. Kolejnym punktem jest pomiar mocy wejściowej. Na początku należy zmierzyć w czasie 1,5s wygładzoną wejściową moc czynną w każdym oknie czasowym DFT, a następnie wyznaczyć maksymalną wartość spośród wszystkich zmierzonych wartości. Aby badanie było ważne, prądy harmoniczne i wejściową moc czynną należy mierzyć w tych samych warunkach. Nie musi być to wykonywane jednocześnie, można badania wykonać jedno po drugim. Dokładnie w tym miejscu norma zaczyna opisywać wymagania ogólne stawiane pomiarom. Są to:

Powtarzalność lepsza niż ±5% jeśli spełniono warunki:

• Badany jest dokładnie taki sam sprzęt
• Badania są przeprowadzone w takich samych warunkach
• Zastosowano dokładnie tę samą procedure badań
• Panują identyczne warunki klimatyczne (tylko, jeśli są one istotne)

Załączenie i wyłączenie:

• Po załączeniu urządzenia, nie uwzględnia się harmonicznych prądu i mocy następujących w czasie pierwszych 10s od włączenia
• Sprzęt nie powinien być w gotowości dłużej niż przez 10% okresu pomiarowego

Stosowanie wartości dopuszczalnych:

• Uśredniona wartość harmonicznej prądu, wyznaczona w całym okresie pomiarowym nie może być większa niż wartości dopuszczalne
• Wartości skuteczne harmonicznych prądu wygładzone w czasie 1,5s nie mogą być większe niż 150% wartości dopuszczalnej
• Prądy harmoniczne o wartości mniejszej niż 0,6% prądu wejściowego lub mniejsze od 5mA – pomija się (uwzględnia się większa wartość z tych dwóch)

Aby zapoznać się z pozostałymi wartościami harmonicznych oraz układami pomiarowymi należy zajrzeć do normy.

Pozostałe normy PN-EN IEC 61000-4-x

Pozostałe normy serii 61000-4-x opisują m.in. metody badań odporności na zaburzenia elektromagnetyczne. Pokrótce opiszemy zawartość poszczególnych norm.

Badanie odporności na wyładowania elektrostatyczne

Badania są przeprowadzane zgodnie z normą PN-EN 61000-4-2. Wykonywane są, aby sprawdzić odporność urządzenia na wyładowanie elektrostatyczne (ESD), które może pochodzić od osoby obsługującej urządzenie (w końcu każdy z nas na pewno kiedyś doświadczył tego zjawiska) lub innego urządzenia pracującego w pobliżu. Norma określa pełną procedurę badawczą, ściśle opisuje wymagania stawiane aparaturze oraz wskazuje sposób badania parametrów. Ponadto determinuje wymagania stawiane stanowisku badawczemu oraz poziomy narażeń dla urządzeń działających w różnych warunkach środowiskowych. Norma definiuje również kształt impulsu prądowego wyładowania ESD:

Impuls cechuje się bardzo krótkim czasem narastania, wynoszącym od 0,7 do 1ns. Natomiast czas jego trwania wynosi około 30ns. Części wykonane z tworzywa bada się wyładowaniem powietrznym (iskrowym), zaś części metalowe bada się poprzez wyładowania kontaktowe (impulsem prądowym). Ma to na celu symulację rzeczywistych narażeń pośrednich.

Badania odporności na pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej

Badania wykonuje się zgodnie z normą PN-EN IEC 61000-4-3. Ich celem jest sprawdzenie odporności urządzeń na pola elektromagnetyczne pochodzące, np. od urządzeń radiowych i telewizyjnych oraz popularnych telefonów komórkowych. Norma opisuje również metody badań, aparaturę badawczą oraz określa w jaki sposób przeprowadzić kalibrację pola. Ponadto precyzuje wygląd stanowiska badawczego, wartości poziomów probierczych, a także kształt przebiegów na wyjściu generatora.

Sygnał powinien mieć kształt sinusoidy modulowanej amplitudowo przebiegiem 1kHz o głębokości modulacji 80%. Stanowisko badawcze powinno znajdować się w komorze bezechowej (bezodbiciowej). Podczas badania, testowane urządzenie jest poddane działaniu fali elektromagnetycznej o częstotliwości z zakresu 30MHz – 1000MHz. W trakcie trwania pomiarów, obiekt powinien być obracany, aby napromieniowanie było wykonywane z każdej strony.

Badanie odporności na serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych (ang. BURST)

Badania wykonuje się zgodnie z normą PN-EN IEC 61000-4-4. Ich celem jest sprawdzenie odporności urządzeń na zaburzenia chwilowe, przejściowe, które mogą być wywołane, np. nagłym przerwaniem przepływu prądu w obwodach indukcyjnych lub pojemnościowych albo drganiem styków w przekaźnikach oraz łącznikach. Rzeczywisty charakter zaburzeń (najczęściej wiązka impulsów, gdzie jeden impuls narasta czasie rzędu kilku nanosekund i trwa przez kolejne kilkadziesiąt nanosekund) symuluje się podczas badań.

Norma, podobnie jak poprzednie, opisuje stanowisko badawcze, którego najważniejszymi elementami są: generator zaburzeń, klamra pojemnościowa i sieć sprzęgająco-odsprzęgająca. Sieć ma na celu zapewnienie określonych parametrów sprzężenia pomiędzy generatorem, a obwodem oraz separację innych urządzeń podłączonych do obwodu.

Badanie odporności na udary elektryczne (ang. SURGE)

Badania wykonuje się zgodnie z normą PN-EN IEC 61000-4-5. Ich celem jest sprawdzenie odporności urządzeń na impulsy prądowe i napięciowe o dużej energii, które może być następstwem procesów łączeniowych, wyładowań atmosferycznych lub zwarć w sieci zasilającej. Norma podaje sposób przeprowadzenia badań, wymagania, poziomy narażeń oraz opisuje stanowisko badawcze. Ponadto definiuje kształty impulsów 1,2/50 oraz 8/20, gdzie pierwsza liczba określa czas narastania impulsu w μs, natomiast druga określa czas trwania impulsu (również w μs).

Podsumowanie

Opisane powyżej normy i dyrektywy to tylko wierzchołek góry lodowej. Nie sposób opisać wszystkich aspektów prawnych dotyczących EMC w jednym artykule. Jak można zauważyć normy są bardzo szczegółowe i dotyczą często jednego konkretnego badania. Aby urządzenie uznać za kompatybilne należy wykonać wiele badań co jest czasochłonne i kosztowne, a jeśli badania wykażą brak kompatybilności elektromagnetycznej, niestety należy przeprojektować układ co wiąże się z kolejnymi kosztami i wydłużeniem czasu potrzebnego na rozpoczęcie produkcji seryjnej danego urządzenia. Doświadczeni inżynierowie są w stanie wyobrazić sobie procesy zachodzące w urządzeniach i dzięki temu bardzo często już pierwszy projekt jest projektem udanym.

Aby uniknąć wielokrotnego wysyłania urządzenia do laboratorium badawczego, a tym samym zwiększenia kosztów wprowadzenia urządzenia na rynek wykonuje się badania przedwstępne, nazywane również przedcertyfikacyjnymi i pre-compliance. Nad tym tematem pochylimy się w części III artykułu o EMC.

Gotowym rozwiązaniem służącym do badań EMC jest zestaw GW Instek składający się z:

• Analizatora widma GW InstekGSP-9330 z opcją EMC Pretest ułatwiającą wykonanie pomiarów, paśmie do 3,25GHz. Urządzenie może być wyposażone dodatkowo w generator śledzący.
• Zestawu sond GKT-008, w skład którego wchodzą sondy ANT-04 i 05 łączące w sobie funkcje pomiaru natężenia pola magnetycznego i pola elektrycznego.
• Sztucznej sieci LISN GLA-5040A wykorzystywanej w pomiarach zaburzeń przewodzonych i spełniająca wymagania CISPR16-1-2:2006
• Transformatora separującego GIT-5060 chroniącego układ zasilania przed wyłączeniem
• Ogranicznika stanów przejściowych GPL-5010 do ochrony analizatora widma
• Oprogramowania SpectrumShot pozwalającego na zdalne kontrolowanie analizatora i rejestrację badań