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 Generatore, centrale elettrica T1 Trasformatore di distribuzione Z(L) impedenza del cavo di alimentazione L

Z(N) impedenza del cavo di alimentazione N L2 Carichi variabili L1 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 Generatore, centrale elettrica Z(N) Impedenza Neutro Z(L) Impedenza Fase L1 Apparecchio carico 1 L2 Apparecchio carico 2 L3 Apparecchio carico 3 F1 Fusibile F2 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 I intensità della corrente (A) H campo magnetico A/m H 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: *** consigliato ** possibile * in casi speciali bianco 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 1000-2-2.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 Generatore di disturbi, commutato a 90 e 270 gradi T Sonda di corrente con uscita CR0 B Raddrizzatore R 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 Sonda di corrente EUT 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: Interference generated by Switching M. Lutz 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 alimentazione 12 V 7637-2 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. Valori orientativi per la qualità dell’ alimentazione elettrica Alexander Hardell Hannover Elektrizitatswirtschaft Jg 92 (1993) Heft 13 15. IEC 1000-4-1 IEC 1000-4-8 IEC 1000-4-11