Compatibilidade eletromagnética

ELIO FREITAS MAGNUS
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA
PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA
DE BAIXO CUSTO
PORTO ALEGRE
2001
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA
DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA
PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA
DE BAIXO CUSTO
Dissertação submetida à
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
ELIO FREITAS MAGNUS
Porto Alegre, dezembro de 2001.
2
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA
PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA
DE BAIXO CUSTO
ELIO FREITAS MAGNUS
‘Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do Título de Mestre em
Engenharia Elétrica, Area de concentração em Eletrônica de Potência, e aprovada em
sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul.’
___________________________________
Fernando Soares dos Reis, Dr.Eng.
_______________________________
______________________________
______________________________
3
Resumo da Dissertação apresentada à PUCRS como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
DESENVOLVIMENTO DE UMA
FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA
DE BAIXO CUSTO
Elio Freitas Magnus
Dezembro / 2001
Orientador: Fernando Soares dos Reis, Doutor.
Área de Concentração: Eletrônica de Potência.
Palavras-chave: EMC, EMI,
Número de Páginas: 101.
RESUMO: Este trabalho apresenta uma ferramenta de baixo custo para realização de
ensaios de EMI Conduzida destinada a pré-conformidade. Tal ferramenta foi
desenvolvida para ser executada em um microcomputador, onde os instrumentos de
medição são simulados de acordo com as especificações da Norma IEC CISPR 16-1. O
princípio de funcionamento do sistema para o ensaio de EMI Conduzida, baseado na
Norma CISPR 16-2, com a ferramenta proposta, consiste na aquisição e processamento
de uma amostra da corrente de entrada do equipamento em ensaio utilizando uma
ponteira de corrente e um osciloscópio digital que possua um meio de transferência de
dados. Os dados da amostra da corrente, adquiridos com o auxílio da ponteira e o
osciloscópio, são levados para a ferramenta de simulação. Os resultados fornecidos pela
ferramenta são os valores da interferência em dB/µV para a faixa de freqüência
escolhida, validados com auxílio de uma Rede Artificial, cuja construção foi detalhada.
A ferramenta proposta permite ainda simular a corrente de entrada para os conversores
(Elevador, Redutor, Zeta, Sepic e Redutor-elevador), operando como pré-reguladores de
fator de potência, possibilitando determinar a EMI conduzida antes de construir um
protótipo, contribuindo para a redução do tempo de desenvolvimento e o custo de um
produto, além de seu caráter didático.
4
Abstract of Dissertation presented to PUCRS as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.
DEVELOPMENT OF THE LOW COST TOOL FOR
CONDUCTED EMI TEST
Elio Freitas Magnus
December / 2001
Advisor: Fernando Soares dos Reis, Doctor.
Area of Concentration: Power Electronic.
Keywords: EMC, EMI.
Number of Pages: 101.
ABSTRACT: This work present a tool of low cost for EMI Conducted tests destined to
precompliance. Such tool was developed to run under a microcomputer, where the
measurement instruments are simulated in accordance with the specifications of the
CISPR 16-1 standard.. The operation principle of the system for EMI Conducted test,
based in the CISPR 16-2 standard, with the proposed tool, consist in the acquisition and
processing of an input current sample of the equipment under test using a current probe
and a digital scope that has a path of data transference. The data of current sample
obtained with the current probe and the oscilloscope are carried to the simulation tool.
The results determined by the tool are the values of the interference in dB/µV for
selected frequency band, it was validated with an Artificial Network, which
construction was detailed. A proposed tool allows also to simulate the input current for
the converters (Boost, Buck, Zeta, Sepic, and Buck-Boost) operating as a basic power
factor pre-regulator, possibilitying to determinate the Conducted EMI before building a
prototype, it contribute to reduce the time and cost of the product development, besides
the didactic feature.
5
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13
2
COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA. ............................................. 20
2.1 INTRODUÇÃO. ...................................................................................................... 20
2.2 ASPECTOS GERAIS................................................................................................ 20
2.3 HISTÓRICO DA EMI. ............................................................................................ 22
2.4 A MARCAÇÃO CE. ............................................................................................... 23
2.5 CERTIFICAÇÃO..................................................................................................... 24
2.6 A NORMALIZAÇÃO............................................................................................... 25
2.7 ÓRGÃOS REGULAMENTADORES. .......................................................................... 25
2.8 DEFINIÇÕES. ........................................................................................................ 27
2.8.1
Termos básicos. .......................................................................................... 27
2.8.2
Termos combinados.................................................................................... 28
2.8.3
Termos interrelacionados........................................................................... 28
2.8.4
Relação entre nível de emissão e imunidade.............................................. 29
2.9 INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS................................................................ 30
2.10
SUSCEPTIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA. ......................................................... 31
2.11
A EMC E A ELETRÔNICA DE POTÊNCIA........................................................... 31
2.12
PRINCIPAIS NORMAS SOBRE EMC.................................................................... 33
2.12.1 Limites para EMI estabelecidos nas principais normas. ........................... 35
2.13
3
RESUMO. ......................................................................................................... 40
ENSAIOS............................................................................................................... 41
3.1 INTRODUÇÃO. ...................................................................................................... 41
3.2 OS EQUIPAMENTOS DE MEDIDA............................................................................ 41
3.2.1
Receptor para medição de quase-pico. ...................................................... 42
3.2.2
Rede Artificial............................................................................................. 42
3.2.3
Microcomputador. ...................................................................................... 44
3.2.4
Instrumentos auxiliares importantes. ......................................................... 44
3.2.5
Dispositivos auxiliares. .............................................................................. 45
3.3 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENSAIO PARA MEDIÇÃO DE EMISSÕES
CONDUZIDAS................................................................................................................
6
45
3.4 DISPOSIÇÃO DO EQUIPAMENTO EM ENSAIO. ......................................................... 47
3.5 VALIDAÇÃO E EXECUÇÃO. ................................................................................... 48
3.6 RESUMO. ............................................................................................................. 50
4
FERRAMENTA ALTERNATIVA PARA ENSAIO DE EMI CONDUZIDA 51
4.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 51
4.2 A SIMULAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO. ............................................... 51
4.2.1
Circuito e modelo da Rede Artificial.......................................................... 52
4.2.2
Receptor de EMI......................................................................................... 55
4.3 MEIOS PARA OBTER OS DADOS PARA SIMULAÇÃO................................................ 65
4.3.1
Os dados para simulação. .......................................................................... 65
4.3.2
Ensaio para aquisição de dados reais da corrente em um equipamento... 66
4.3.3
Dados obtidos através de simulação. ......................................................... 67
4.4 O FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE. .................................................................... 72
4.5 RESUMO. ............................................................................................................. 80
5
COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DA FERRAMENTA PROPOSTA. . 81
5.1 INTRODUÇÃO. ...................................................................................................... 81
5.2 LEVANTAMENTO DA INTERFERÊNCIA BÁSICA DO LOCAL DE ENSAIO. ................... 81
5.3 COMPARAÇÃO DE RESULTADOS DE UM SINAL CONHECIDO. ................................. 83
5.4 COMPROVAÇÃO ATRAVÉS DE ENSAIO DE UM CONVERSOR ELEVADOR. ............... 84
5.4.1
Ensaio no Laboratório. .............................................................................. 84
5.4.2
Ensaio utilizando a ferramenta proposta. .................................................. 86
5.4.3
Simulação do Conversor Elevador através da ferramenta proposta. ........ 86
5.4.4
Comparação entre os resultados obtidos. .................................................. 87
5.5 CONSTRUÇÃO DE UMA REDE ARTIFICIAL. ........................................................... 88
5.5.1
A construção do indutor. ............................................................................ 89
5.5.2
O gabinete................................................................................................... 91
5.5.3
A validação da Rede Artificial.................................................................... 92
5.6 RESUMO. ............................................................................................................. 93
6
CONCLUSÕES DO TRABALHO...................................................................... 95
6.1 INTRODUÇÃO. ...................................................................................................... 95
6.2 AS NORMAS......................................................................................................... 96
6.3 A FERRAMENTA PROPOSTA.................................................................................. 96
7
6.4 LIMITAÇÕES......................................................................................................... 97
6.5 SUGESTÕES PARA OUTROS TRABALHOS. .............................................................. 97
7
6.5.1
Susceptibilidade.......................................................................................... 97
6.5.2
Analisador de espectro de baixo custo. ...................................................... 97
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. .............................................................. 98
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ciclo de desenvolvimento típico de um produto........................................... 16
Figura 2 – Módulos básicos do software. ....................................................................... 17
Figura 3 – Categorias básicas da EMC........................................................................... 20
Figura 4 - Compatibilidade entre dois micro computadores. ......................................... 21
Figura 5 – A marcação CE. ............................................................................................ 23
Figura 6 – Marcas de conformidade. .............................................................................. 24
Figura 7 – Faixas de cobertura regulamentadas para EMI irradiada............................. 26
Figura 8 – Faixas de cobertura regulamentadas para EMI conduzida........................... 26
Figura 10 – Nível de compatibilidade. ........................................................................... 30
Figura 12 – Limites para as interferências conduzidas pela VDE 0871......................... 36
Figura 13 – Limites para as interferências conduzidas pela FCC 15. ............................ 36
Figura 14 – Limites da NBR IEC CISPR 11 para EMI conduzida. ............................... 37
Figura 15 – Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de alimentação............................ 38
Figura 16 – Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de carga. ..................................... 38
Figura 17 – Limites da IEC CISPR 22 para a EMI conduzida....................................... 39
Figura 18 – Esquema de uma Rede Artificial................................................................. 43
Figura 19 – Circuito equivalente de um indutor............................................................. 44
Figura 23 – Esquema da Rede Artificial sem filtro. ....................................................... 52
Figura 24 – Esquema da rede com simplificação dos capacitores. ................................ 53
Figura 25 – Rede Artificial com um lado apenas. .......................................................... 53
Figura 26 – Rede Artificial simplificada. ....................................................................... 54
Figura 27 – Circuito equivalente da Rede Artificial....................................................... 55
Figura 28 – Forma de onda didática da corrente de entrada de um equipamento. ......... 55
Figura 29 – Representação de um sinal nos domínios do tempo e freqüência............... 57
Figura 33 – Resposta de um indicador de quase-pico. ................................................... 65
Figura 34 – Conversor Elevador..................................................................................... 68
Figura 35 – Etapas da corrente em um período de alta freqüência................................. 69
Figura 36- Conversor Redutor........................................................................................ 71
Figura 37 – Conversor Zeta. ........................................................................................... 71
Figura 38 – Conversor Sepic. ......................................................................................... 72
Figura 39 – Conversor Redutor-elevador ....................................................................... 72
Figura 41 – Tela de confirmação de configuração. ........................................................ 74
9
Figura 43 – Tela gráfica com o resultado da EMI Conduzida........................................ 76
Figura 44 – Analisador de Espectro para ensaios de EMC. ........................................... 82
Figura 45 – Validação do ambiente de ensaio................................................................ 82
Figura 48 – Conversor elevador e ponteira de corrente.................................................. 85
Figura 52 – Detalhe da montagem do indutor L1........................................................... 89
Figura 53 – Esquema de colocação dos resistores no indutor. ....................................... 90
Figura 54 – Detalhe da colocação dos resistores............................................................ 90
Figura 55 – Gabinete sugerido pela Norma.................................................................... 91
Figura 56 – Rede Artificial montada em gabinete de microcomputador. ...................... 91
Figura 57 – Impedância da Rede Artificial de acordo com a Norma. ............................ 92
Figura 58 – Esquema de montagem da validação da Rede Artificial............................. 92
Figura 59 – Comprovação da Rede Artificial construída. .............................................. 93
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Especificação para o filtro da tensão interferente......................................... 18
Tabela 2 – Órgãos regulamentadores. ............................................................................ 27
Tabela 3 – Exemplos de aplicações de conversores de potência.................................... 32
Tabela 4 – Faixas de freqüências.................................................................................... 42
Tabela 5 – Especificações do receptor de quase-pico pela IEC CISPR 16-1................. 42
Tabela 6 – Padronização de cores para isolação de condutores em equipamentos. ....... 66
Tabela 7 – Comparação entre Analisador de Espectro e a Ferramenta proposta. .......... 84
Tabela 8 – EMI Real e obtida por simulação para Conversor Elevador. ....................... 87
Tabela 9 – Lista de componentes para a Rede Artificial................................................ 88
11
LISTA DE NORMAS
IEC 61.000-1-1
– Aplicação e interpretação de termos e definições
consideradas básicos para a EMC.
IEC 61.000-6-3
– Recomendações para a emissão de equipamentos elétricos
e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais,
comerciais e indústrias de pequeno porte.
IEC 61.000-4-7
– Ensaios e técnicas de medição - harmônicos e interharmônicos.
IEC 60.555-2
– Distúrbios
em
sistemas
elétricos
causados
por
equipamentos eletrodomésticos e similares (Harmônicos).
IEC 61.000-3-2
– Harmônicos de corrente.
IEC 61.000-3-3
– Flutuações de tensão e flicker.
NBR CISPR 11
– Norma brasileira harmonizada com a norma CISPR 11 –
Equipamentos eletromédicos.
IEC CISPR 12
– Veículos, barcos e equipamentos que utilizam faíscas
como meio ignição.
IEC CISPR 13
– Equipamentos de som, televisores e receptores de rádio.
IEC CISPR 14
– Ferramentas elétricas operados a motor utilizadas em
ambiente doméstico.
IEC CISPR 15
– Dispositivos utilizados em iluminação e similares.
IEC CISPR 16-1 – Métodos e especificação de equipamentos para medição de
perturbações radioelétricas e imunidade Parte 1 –
Equipamentos de medição.
IEC CISPR 16-2 – Métodos e especificação de equipamentos para medição de
perturbações radioelétricas e imunidade Parte 2 – Métodos
de medição.
ANSI C63.12
– Limites
para
Compatibilidade
Eletromagnética
–
Recomendação Prática.
NBR 12304
– Limites e métodos de medição de radioperturbação em
equipamento para tecnologia da informação.
VDE 0871
– Métodos de medidas e limites máximos para EMI geradas
por equipamentos industriais, científicos e eletromédicos.
12
1
INTRODUÇÃO
Em função de um
jogo da final do campeonato de futebol, você está
confortavelmente sentado em frente ao televisor; seu time está no ataque quando alguém
liga um liqüidificador antigo e imediatamente aparece um ruído no som e uma faixa de
chuvisco exatamente sobre o atacante. Certamente a sua reação seria similar a de uma
pessoa assistindo o último capítulo da novela preferida e um vizinho aciona uma
furadeira.
Estes fatos apresentados, identificados como chuviscos, distorção da imagem ou
perda de cor são degradações ocorridas por interferência eletromagnética (EMI).
A nível de radio freqüência (RF), a coexistência de todos os tipos de
telecomunicações, que utilizam o
espectro
eletromagnético
para
transportar
informações, criou um problema conhecido como compatibilidade eletromagnética
(EMC), por exemplo uma emissora interferindo em outra através de harmônicos. A
solução deste problema está num compromisso, onde os serviços de telecomunicações
devem permitir um certo grau de interferência, mas as emissões interferentes não podem
passar a um certo nível, envolvendo medidas para limitar ou suprimir a energia
interferente.
O compromisso apresentado como solução do problema, possui uma limitação
bastante significativa, a limitação econômica. Utilizando-se um transmissor com um
baixo nível de interferência seria possível transmitir um sinal com menor potência, pois
com pouca interferência um sinal pode ser mais facilmente identificado, no entanto o
problema está no custo da supressão da interferência, que é muito alto.
Alternativamente, o que é feito é utilizar um transmissor de alta potência, que causa o
uso ineficiente do espectro eletromagnético, mas com um baixo custo de supressão de
interferências. Esta solução alternativa resolve o problema de quem está transmitindo,
mas causa um enorme problema aos outros sistemas que compartilham do mesmo
espectro eletromagnético. Isso deu origem a necessidade de encontrar uma ponderação
entre um nível de interferência tolerável e um custo praticável, através de um balanço
econômico.
O balanço econômico foi estudado e testado nas últimas décadas por comissões,
como o Comitê Internacional Especialista em Perturbações Radioelétricas (CISPR),
dando origem a várias normas que estabelecem níveis toleráveis de EMI.
13
Os serviços de telecomunicações não são os únicos que convivem com os
problemas da EMC. Os equipamentos eletrônicos de todos os tipos são susceptíveis às
interferências externas. Este fenômeno cresce cada vez mais, tanto pela invasão de
produtos eletrônicos na vida diária, como pela diminuição da imunidade dos
equipamentos modernos que utilizam gabinetes plásticos e microprocessadores.
Quanto aos aparelhos eletrônicos, além de susceptíveis, também são potenciais
geradores de EMI, principalmente EMI conduzida, cujo meio de propagação é através
da rede elétrica.
Com a necessidade de medidas regulamentares para proteger e assegurar a EMC
dos equipamentos, alguns governos impuseram medidas restritivas às propriedades
eletromagnéticas de alguns tipos de produtos. Estas medidas foram vistas como métodos
de protecionismo, além de utilizarem técnicas inadequadas e permitirem que diferentes
normas fossem aplicadas aos produtos importados.
A Comunidade Européia deu o primeiro passo para o reconhecimento da
necessidade de medidas relativas a EMC e ao mesmo tempo eliminar as barreiras
protecionistas para o comércio, adotando em 1989, uma diretiva para harmonizar as leis
dos estados membros com relação a EMC, através da Comissão Européia para a
Compatibilidade Eletromagnética [1].
Como conseqüência, o Comitê Europeu para Normalização Eletrotécnica
(CENELEC) foi encarregado de produzir novas normas num período de dois anos,
enquanto o processo normal para gerar uma norma internacional leva no mínimo 5 anos.
Existem países que possuem suas próprias normas ou diretivas, como por
exemplo a Alemanha com as norma da União Eletrotécnica Alemã (VDE), os Estados
Unidos com as regras da Comissão Federal de Comunicações (FCC), na Comunidade
Européia as normas da CENELEC e no Brasil as normas da Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT). No âmbito internacional temos as normas da Comissão
Eletrotécnica Internacional (CEI), que são normas harmonizadas com base nas normas
CISPR.
Uma norma está harmonizada quando os limites exigidos para a conformidade e
os métodos de ensaios descritos são os mesmos estabelecidos por uma norma
reconhecida internacionalmente, com exceção apenas dos itens referentes a limites que
são influenciados pelas condições climáticas de uma determinada região. Quando uma
norma harmonizada é utilizada, os resultados obtidos são reconhecidos por todos os
países. Uma norma harmonizada é facilmente identificada, pois mantém o nome da
14
norma original, acrescido da sigla do órgão que a harmonizou. Como exemplo,
podemos citar a norma internacional IEC CISPR 16 [6,7], que foi harmonizada a partir
da norma CISPR 16 e ainda a norma brasileira NBR IEC 601-1, que foi harmonizada a
partir da norma internacional IEC 601-1 [8].
Até este ponto foram tratados dos problemas e soluções de equipamentos ou
sistemas dando enfoque pelo lado dos usuários. O fabricante também tem problemas
quando seu produto precisa atender às exigências de uma norma ou diretiva no que se
refere a EMC, além disso os instrumentos necessários para executar os ensaios são de
alto custo e existem poucos laboratórios capacitados. Tudo isso eleva o custo do
produto, pois o fabricante terá que repetir os ensaios sempre que alterar o projeto para
atender a Norma específica, até que o produto esteja de dentro dos limites exigidos.
As etapas ou ciclos de desenvolvimento de um produto são inúmeras, desde o
projeto inicial até a colocação no mercado, Figura 1. Poder avaliar o desempenho do
produto ainda na fase de projeto, sob o ponto de vista da EMI, pode levar o projetista a
economizar muito tempo, levando-se em conta que atualmente se ele quiser saber se o
produto atende a uma determinada norma técnica ou diretiva, terá que construir um
protótipo e realizar ensaios em um laboratório capacitado. Se o produto não atende aos
limites impostos pela norma, o projetista terá que retornar ao projeto, revisar e corrigir
para depois retornar ao laboratório. Por outro lado, no ensaio de adequação de um
equipamento, para que atenda à norma correspondente, se o equipamento for reprovado
o problema será mais grave ainda, pois provavelmente o fabricante terá que alterar a
linha de montagem de seu produto. E ainda o custo dos ensaios em um laboratório
credenciado é muito alto, e será cobrado a cada ensaio.
No atual momento os fabricantes brasileiros estão enfrentando uma barreira
técnica imposta pela Argentina, cujo principal objetivo, além do comercial, é impedir a
entrada de produtos estrangeiros de baixa qualidade, provenientes principalmente da
Ásia. Assim os fabricantes que queiram exportar seus produtos para a Argentina, devem
possuir certificação, isto é, seus produtos devem atender às exigências das normas
técnicas internacionais pertinentes ( Norma Mercosul ou IEC).
Desta forma os fabricantes brasileiros estão passando pelo mesmo problema que
os fabricantes europeus enfrentaram na década passada, o problema das barreiras
técnicas, contando com apenas um laboratório capacitado para realizar ensaios relativos
a EMC, com reconhecimento junto a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios
15
(RBLE), O Laboratório CIENTEC, localizado em Gravataí, cidade localizada na região
metropolitana de Porto Alegre, no Estado do Rio Grande do Sul.
CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE UM PRODUTO
Pesquisa
inicial
Viável
Não
Projeto na
prancheta
Sim
Passa
Protótipo no
Laboratório
Sim
Reprojetar
Sim
Passa
Não
Início
da produção
Não
Reprojetar
Passa
Produção
comercial
Sim
Passa
Não
Reprojetar
Sim
Não
Reprojetar
Figura 1 – Ciclo de desenvolvimento típico de um produto.
O custo de montagem de um laboratório para ensaios de EMC é muito alto,
inviável para a maioria dos fabricantes de produtos eletrônicos. Desta forma, o ideal
seria dispor de um meio de fazer uma pré-análise do produto, a um baixo custo, para
verificar se o produto atende ou não a uma determinada Norma. Assim, o produto só
seria levado ao laboratório para a realização dos ensaios finais para certificação, após a
adequação, se este estiver fora dos limites exigidos pela norma pertinente.
O presente trabalho tem
como
objetivo apresentar uma
ferramenta
computacional amigável para determinação da EMI conduzida de modo diferencial,
executada em ambiente PC, com algoritmo otimizado, com tempo de execução
relativamente pequeno se levarmos em conta os cálculos envolvidos, capaz de analisar o
nível de interferência gerado por um determinado produto antes que este seja enviado a
um laboratório credenciado, útil tanto na indústria como na pesquisa, implicando na
economia de tempo e dinheiro, para novos projetos, aperfeiçoamento e busca de
qualidade. Está ferramenta é capaz de capturar dados obtidos através de osciloscópio
digital ou processar dados obtidos em simulações executados pelo próprio programa,
fornecendo uma saída gráfica dos resultados obtidos, ou seja dos níveis de EMI
16
conduzida, (em dB/µV), segundo a norma internacional IEC CISPR 16 [6]. O resultado
obtido é equivalente ao de um ensaio de EMI Conduzida, considerando que esse
resultado será indicativo e associado a ele teremos um grau de incerteza.
Para um melhor entendimento da lógica de funcionamento, a ferramenta
computacional será apresentada em módulos básicos, cujo esquema está apresentado na
Figura 2 e que representam etapas bem definidas na execução do programa.
INICIALIZAÇÃO
SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS
PRÉ-REGULADORES DE
FATOR DE POTÊNCIA
AQUISIÇÃO DE
DADOS EXTERNOS
CÁLCULO DOS
COEFICIENTES DE FOURIER
CÁLCULO DA TENSÃO
INTERFERENTE
SIMULAÇÃO DO EQUIPAMENTO
DE MEDIÇÃO (RECEPTOR DE EMI)
Figura 2 – Módulos básicos do software.
Os módulos básicos são:
a) Aquisição de dados – etapa onde os dados da forma de onda da corrente de entrada
de um equipamento são adquiridos com o auxílio de uma ponteira de corrente e um
osciloscópio digital, sendo armazenados em um vetor de pontos;
b) Cálculo dos coeficientes de Fourier – nesta etapa são calculados os coeficientes An
e Bn da corrente de entrada, a partir do vetor que contém os dados adquiridos. Os
coeficientes são obtidos através do método numérico da Transformada Rápida de
Fourier (FFT) e armazenados em dois outros vetores;
c) Cálculo da tensão interferente – neste bloco os coeficientes de Fourier da corrente
de entrada são utilizados para a determinação da tensão interferente que esta
17
corrente irá gerar na Rede Artificial. Esta tensão sofre a ação de um filtro com
largura de banda também especificada pela norma CISPR 16-1, cujos valores estão
indicados na Tabela 1. A tensão interferente é obtida aplicando-se a Transformada
Rápida Inversa de Fourier (IFFT) nos coeficientes filtrados;
BANDAS DO ESPECTRO
A
B
CeD
FREQÜÊNCIA INICIAL
9 kHz
0,15 MHz
30 MHz
FREQÜÊNCIA FINAL
150kHz
30 MHz
1 GHz
LARGURA DE BANDA
220 Hz
9 kHz
120 kHz
Tabela 1 – Especificação para o filtro da tensão interferente.
d) Simulação do equipamento medição (Receptor de EMI) – nesta etapa, a tensão
interferente é aplicada em uma rotina que simula um circuito demodulador, cuja
função é extrair a envoltória da tensão interferente para uma determinada
freqüência. Após esta etapa, a tensão demodulada é aplicada nas rotinas que
simulam os circuitos detector e indicador do valor da interferência em dB/µV;
e) Simulação de circuitos pré-reguladores de fator de potência (PFP) – esta parte do
programa tem como função simular algumas topologias clássicas de conversores
operando como PFP [5]. A simulação dos conversores: Redutor, Elevador, Sepic e
Zeta, [5], foi incorporada ao programa para possibilitar o estudo de seus
comportamentos frente a EMI conduzida, antes da construção de um protótipo. Esta
rotina possibilita variar alguns parâmetros do conversor, conforme a necessidade do
projeto a ser desenvolvido e fornecendo os coeficientes de Fourier, que serão
necessários para a simulação da EMI conduzida pela rotina principal.
Além da ferramenta computacional, que é o tópico principal deste trabalho,
também são ressaltados aspectos importantes da EMC, como histórico, definições, as
principais normas pertinentes, os itens que estão ligados ao trabalho e ainda a origem da
marcação CE. Serão mostrados procedimentos de ensaio, de acordo com a norma
internacional IEC CISPR 16-1[6], bem como a execução prática de um ensaio de EMI
conduzida em um laboratório com a descrição dos principais equipamentos envolvidos.
Entre as amostras ensaiadas no laboratório estão conversores que são simulados
no programa como circuitos Pré-reguladores de Fator de Potência (PFP’s), utilizando a
18
mesma configuração, isto é, com a mesma tensão de entrada, mesma potência e mesma
freqüência de operação do conversor. Ao final os resultados práticos são confrontados
com os resultados obtidos com o programa desenvolvido e também com resultados de
ensaios realizados em laboratório, utilizando equipamentos especificados pelo critérios
da Norma CISPR 16-1, comprovando a validade da ferramenta proposta para a
realização de ensaios de pré-análise para conformidade de um produto.
19
2
2.1
COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA.
Introdução.
Para melhor situar o objetivo deste trabalho dentro do universo científico e
tecnológico, este capítulo apresenta pontos relevantes da EMC, um breve histórico da
EMI, a certificação de produtos, aspectos da normalização, a marcação CE, marcas de
conformidade, termos básicos, definições e ainda, na Figura 3 está um organograma
que mostra o resumo das categorias básicas da EMC, ressaltando a emissão conduzida
como ponto principal deste trabalho. Estes pontos são expostos de forma objetiva e
sintetizada, procurando facilitar a interação com o assunto tratado, dando enfoque a
EMI conduzida e concluindo com as principais Normas envolvidas, além dos limites de
interferência exigidos pelas Normas mais expressivas em vigor no momento.
COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA
EMISSÃO
CONDUZIDA
SUSCEPTIBILIDADE
IRRADIADA
HARMÔNICOS
CONDUZIDA
FLUTUAÇOES DE TENSÃO
ELETROSTÁTICA
IRRADIADA
RADIO-INTEFERÊNCIA
Figura 3 – Categorias básicas da EMC.
2.2
Aspectos gerais
Em um ambiente doméstico, quando um eletrodoméstico interfere em outro,
como uma batedeira gerando chuvisco no televisor ou o mau contato em um interruptor
provocando interferência no rádio, temos exemplos bastante comuns de EMC. Por
20
definição [2], a EMC é a característica que equipamentos, dispositivos ou sistemas
possuem de não interferirem ou serem interferidos, quando localizados em um
determinado ambiente. Um ambiente pode ser um equipamento, uma sala, uma fábrica,
uma região ou território. Na Figura 4 está um exemplo de compatibilidade entre dois
microcomputadores, onde estão indicadas tanto a interferência conduzida que pode
haver através do cabo de alimentação como a interferência irradiada que pode se
propagar por ondas eletromagnéticas.
Quando há um problema de EMC em um ambiente, caracterizado pela
degradação no funcionamento de um equipamento, dizemos que o equipamento está
sendo interferido, ou está sob a ação de uma EMI. Podemos com toda certeza dizer que
um ou mais de um equipamentos neste ambiente, não atende aos requisitos apresentados
pelas normas pertinentes em relação a EMI.
A EMI é um problema sério e uma forma crescente de poluição ambiental. Seus
efeitos podem ser pequenos, como um ruído perturbador em um receptor de rádio,
citado no início do capítulo, ou como um risco de acidente com uma aeronave ao ser
interferida quando em procedimento de aterrissagem, ou ainda o risco de falha de
equipamentos de sustentação de vida que mantém um paciente vivo durante uma
cirurgia.
Emissão
Imunidade
Interferência
Irradiada
Interferência
Conduzida
Figura 4 - Compatibilidade entre dois micro computadores.
21
2.3
Histórico da EMI.
A origem da EMI [14] está ligada ao final da Segunda guerra mundial, mais
precisamente nas explosões das duas bombas nucleares no Japão. Após as explosões as
comunicações de rádio nas regiões próximas ficaram interrompidas por várias horas
devido a EMI. Até então, este efeito não havia sido observado em uma escala tão
grande. Alguns anos depois, fabricantes de equipamentos eletro-eletrônicos e cientistas
trabalharam na pesquisa dos efeitos da EMI no funcionamento de equipamentos de
natureza elétrica. Eles descobriram que a EMI pode afetar o funcionamento de
equipamentos eletro-eletrônicos, dependendo apenas da intensidade da interferência e
da imunidade do aparelho a ela.
Em 1970, devido a necessidade da criação de um órgão fiscalizador que
controla-se as emissões eletromagnéticas, surgiu a FCC nos Estados Unidos, sendo um
dos primeiros órgãos criado com esse objetivo.
Em 1971 e 1972, no auge da guerra do Vietnã, os Estados Unidos montaram
potentes transmissores de rádio, cujo sinal modulado era apenas ruído, com a finalidade
de impedir a comunicação do inimigo via transmissões de rádio.
No início da década de 1980, o ônibus espacial Colúmbia entrava em órbita para
instalar um satélite de comunicação, que em caso de guerra, bombardearão o território
inimigo com EMI, impedindo as suas comunicações.
Em 1989, a Comunidade Européia (CE) deu o primeiro passo para o
reconhecimento da necessidade de medidas relativas a EMC, adotando, uma diretiva
para harmonizar as leis dos estados membros com relação a EMC, através da Comissão
Européia [1].
Em 1994, a União Européia (UE) e a Associação Européia de Livre Comércio
(AELC) juntaram-se para criar a Área Econômica Européia (AEE)
A UE efetiva em janeiro de 1996, o uso da marcação CE, para a livre
comercialização de produtos nos países que integram a Área Econômica Européia. O
objetivo da implantação de tal marcação, que deve ser estampada nos produtos, foi
qualificar e identificar produtos que atendam as exigências das normas ou diretivas
quanto emissão e imunidade eletromagnética além dos requisitos essenciais para a
segurança dos usuários [3].
Em 2000, o INMETRO implantou no Brasil um cronograma de certificações
compulsórias [3] para garantir a segurança dos produtos comercializados no país.
22
2.4
A marcação CE.
É importante inicialmente ressaltar que a marcação CE é apenas um símbolo e
não deve ser associada a nenhuma sigla, mesmo que na sua origem francesa signifique
Comunidade Européia.
A marcação CE estampada em um produto indica que o fabricante declarou
publicamente que está atendendo as normas ou diretivas pertinentes. Ao fazer isto, o
fabricante está responsabilizando-se a responder judicialmente quando esta declaração
não for verdadeira, isto é, quando o seu produto não atender ao que foi declarado. Em
outras palavras, a marcação CE representa o antigo “Fio de bigode”. A marcação CE
está apresentada na Figura 5.
Quando um produto possui a marcação CE, as autoridades competentes dos
países membros da AEE assumem que todos os requisitos essenciais das normas ou
diretivas aplicáveis foram atendidos. Caso tenha sido publicada uma diretiva ou norma
aplicável ao produto e este não apresentar a marcação CE, sua comercialização é
interditada.
Figura 5 – A marcação CE.
Embora a marcação CE permita a entrada de um produto no mercado europeu,
ela não garante a qualidade deste produto, mas apenas os requisitos essenciais de
segurança em relação ao usuário. A qualidade de um produto só pode ser garantida se
este possuir uma marca de conformidade emitida por órgão legalmente capacitado para
tal ato. No Brasil o órgão que controla a certificação é o Instituto Nacional de
23
Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO), através do Sistema
Brasileiro de Certificação (SBC).
2.5
Certificação.
Certificação é o procedimento pelo qual um organismo certificador, também
chamado de terceira parte, dá uma garantia escrita de que um produto ou sistema está
em conformidade com requisitos especificados, após serem feitos ensaios exigidos pelas
normas pertinentes em um laboratório credenciado para tal finalidade. Esta garantia é
fornecida através de uma marca registrada, que indica que um produto ou sistema
cumpre as exigências de uma norma específica ou diretiva.
A seguir, na Figura 6, podemos observar a etiqueta de um produto com algumas
marcas de conformidade, como por exemplo a marca dos Estados Unidos (UL), a marca
do Canadá (CSA), a marca da Alemanha (VDE) e a marca CE, entre outras. Além das
marcas de conformidade, também está indicado a norma que o produto atende, a norma
internacional IEC 60950 [9], cujo escopo é a segurança de equipamentos ligados à
tecnologia de informação, ou seja, qualquer equipamento que é utilizado para
processamento de informações, como por exemplo: microcomputador, impressora, fax ,
copiadora e outros equipamentos conectados aos que foram citados.
Figura 6 – Marcas de conformidade.
24
2.6
A normalização.
A normalização é o processo de estabelecer e aplicar regras a fim de abordar
ordenadamente uma atividade específica, com a participação de todos os interessados,
levando em conta as condições funcionais e as exigências de segurança. Seus objetivos
são apresentados a seguir:
a) Proporcionar uma maior troca de informações entre clientes e fornecedores,
com vistas a garantir a confiabilidade nas relações comerciais;
b) Padronizar para haver uma compatibilidade entre produtos;
c) Garantir os direitos do consumidor através da garantia da qualidade;
d) Garantir a segurança do usuário através da conformidade com as Normas;
e) Eliminar barreiras comerciais com adoção de critérios únicos.
Os principais órgãos responsáveis pela normalização são:
a) A nível internacional, a Organização Internacional de Normalização (ISO),
a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), entre outras;
b) A nível regional, estão o Comitê Mercosul de Normalização CMN, a
comissão Pan-americana de Normas Técnicas (COPANT), o Comitê
Europeu de Normalização (CEN), entre outros;
c) A nível nacional, estão a Associação Brasileira de Normas Técnicas
(ABNT), o Instituto Argentino de Normalização (IRAM), o Instituto de
Normalização Nacional Americano (ANSI), o Instituto de Normalização
Britânico (BSI), entre outros;
d) A nível de empresa, estão as normas da Ford, General Motors, Fiat, entre
outras.
2.7
Órgãos regulamentadores.
Os órgãos regulamentadores tem como função controlar a aplicação das normas
pertinentes em uma determinada área de abrangência ou país. Cabe a estes órgãos
publicar portarias, nas quais estão definidas as regras de fiscalização e controle das
marcas ostentadas nos produtos. Um resumo apresentando os principais órgãos pode ser
visto na Tabela 2.
25
Na Figura 7 estão apresentados as principais faixas do espectro em relação a
interferência irradiada e na Figura 8 em relação a interferência conduzida, identificando
os órgãos regulamentadores.
EMI IRRADIADA
FCC
(30MHz-40GHz)
EN e CISPR
(9kHz-1GHz)
VCCI
(30MHz-1GHz)
Normas militares
(30 Hz-40 GHz)
10-100Hz
0,1-1kHz
1-10kHz
10-100kHz 0,1-1MHz
1-10MHz 10-100MHz 0,1-1GHz
1-10GHz 10-100GHz
Figura 7 – Faixas de cobertura regulamentadas para EMI irradiada.
EMI CONDUZIDA
FCC
(450kHz-30MHz)
EN e CISPR
(9kHz-30MHz)
VCCI
(150kHz-30MHz)
Normas militares
(30 Hz-10 MHz)
10-100Hz
0,1-1kHz
1-10kHz
10-100kHz
0,1-1MHz
1-10MHz
10-100MHz
Figura 8 – Faixas de cobertura regulamentadas para EMI conduzida.
26
REGIÃO DE
SIGLA
SIGNIFICADO
CENELEC
Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica
Comunidade Européia
VCCI
Conselho de Controle Voluntário para Interferência
Japão
VDE
União Eletrotécnica Alemã
Alemanha
FCC
Comissão Federal de Comunicações
Estados Unidos
CISPR
Comitê Internacional Especial de Perturbações
Abrangência
Radioelétricas
Internacional
ABRANGÊNCIA
Tabela 2 – Órgãos regulamentadores.
2.8
Definições.
Os termos e definições sobre EMC podem ser divididos em três grupos, os quais
serão apresentados a seguir, sendo considerados de fundamental importância para a
interpretação com melhor entendimento, principalmente quando o objetivo for
aplicações
práticas
ligadas
ao
desenvolvimento
e
avaliação
de
sistemas
eletromagneticamente compatíveis [2].
2.8.1
Termos básicos.
O primeiro grupo é formado por termos básicos, que são:
a) Meio Eletromagnético – é a totalidade de fenômenos eletromagnéticos
existentes em um dado local;
b) Distúrbio Eletromagnético – é qualquer fenômeno eletromagnético que pode
degradar a performance de um dispositivo, equipamento ou sistema;
c) Interferência eletromagnética (EMI)– é a degradação na performance de um
dispositivo,
equipamento
ou
sistema
causada
por
distúrbios
eletromagnéticos;
d) Compatibilidade eletromagnética (EMC) – é a característica apresentada por
um equipamento ou sistema, de operar satisfatoriamente em um meio
eletromagnético sem ser interferido e sem introduzir indesejáveis distúrbios
neste ambiente;
27
e) Emissão (eletromagnética) – é o fenômeno pelo qual a energia
eletromagnética emana de uma fonte;
f) Degradação (de performance) – é uma falha indesejável na performance
operacional de um dispositivo, equipamento ou sistema;
g) Rádio Interferência – é a degradação na recepção de um sinal recebido,
causado por um distúrbio eletromagnético que tem componentes dentro do
espectro de rádio-freqüência;
h) Imunidade (a um distúrbio) – é a característica de um dispositivo,
equipamento ou sistema de operar sem degradação na presença de um
distúrbio eletromagnético;
i) Susceptibilidade (eletromagnética) – é a falta de proteção de um dispositivo,
equipamento ou sistema para operar sem degradação, na presença de um
distúrbio eletromagnético. É o oposto de imunidade;
2.8.2
Termos combinados.
O segundo grupo é formado por termos combinados que são:
a) Nível de emissão (de uma fonte de distúrbio) – é o nível de um dado
distúrbio eletromagnético emitido por um dispositivo, equipamento ou
sistema, medido através de algum método;
b) Limite de emissão (de uma fonte de distúrbio) – é o nível máximo de
emissão admissível para um dispositivo, equipamento ou sistema;
c) Nível de imunidade – é o nível de um dado distúrbio eletromagnético,
incidente de alguma forma em um dispositivo, equipamento ou sistema, sem
ocorrer nenhum grau de degradação no funcionamento;
d) Limite de imunidade – é o nível mínimo de imunidade requerido para um
dispositivo, equipamento ou sistema;
2.8.3
Termos interrelacionados.
O terceiro grupo é formado por termos interrelacionados que são:
a) Margem de emissão – é a razão entre o nível de compatibilidade
eletromagnética e o limite de emissão;
28
b) Margem de imunidade – é a razão entre o limite de imunidade e o nível de
compatibilidade eletromagnética;
c) Margem de compatibilidade (eletromagnética) – é a razão entre o limite de
imunidade e o limite de emissão.
2.8.4
Relação entre nível de emissão e imunidade.
A Figura 9 apresenta a combinação de níveis de emissão e imunidade e seus
limites associados como função de uma variável independente, como por exemplo a
freqüência. Os níveis apresentados são apenas ilustrativos [2], e servem para
caracterizar que o nível de emissão de um equipamento deve ser sempre mais baixo do
que o limite máximo permitido e o seu nível de imunidade de ser sempre mais alto que
o limite mínimo de imunidade requerido.
Nível
de
distúrbio
Nível de imunidade
Limite de imunidade
Margem de projeto do equipamento
Limite de emissão
Nível de emissão
Variável independente
Figura 9 – Limites e níveis de emissão e imunidade.
Na seqüência, a Figura 10 apresenta o nível de compatibilidade que está
localizado entre os limites de emissão e imunidade da Figura 9. A linha pontilhada
indica um possível nível de emissão e imunidade. O nível de compatibilidade está
29
indicado pela linha que está entre os limites de emissão e imunidade. Estes limites
indicam os extremos da margem de compatibilidade.
Na margem de compatibilidade não são aceitos que os valores obtidos invadam
esta área, tanto para os níveis de emissão, quanto para os níveis de imunidade de um
equipamento sob ensaio, isto é, equipamento que esteja sendo avaliado em relação a
uma norma.
Nível
de
distúrbio
Nível de imunidade
Limite de imunidade
Margem de imunidade
Nível de
compatibilidade
Margem de
compatibilidade
Margem de emissão
Limite de emissão
Nível de emissão
Variável independente
Figura 10 – Nível de compatibilidade.
2.9
Interferências eletromagnéticas.
As Emissões eletromagnéticas são interferências causadas por um equipamento,
dispositivo ou sistema, as quais são divididas em dois tipos, de acordo com o meio de
propagação:
a) interferências irradiadas;
b) interferências conduzidas.
As interferências irradiadas são as que se propagam através de campos
eletromagnéticos, enquanto as interferências conduzidas propagam-se por cabos de
alimentação ou por interligações físicas entre equipamentos, dispositivos ou sistemas.
30
Para exemplificar as interferências irradiadas, temos os harmônicos gerados por uma
emissora de rádio, os quais causam interferência em outras emissoras de rádio. No caso
das interferências conduzidas, podemos citar os distúrbios gerados por um equipamento
de potência acionado por tiristores.
A EMI conduzida é o ponto principal deste trabalho, portanto será dada uma
ênfase maior neste assunto, principalmente quanto às normas envolvidas.
2.10 Susceptibilidade eletromagnética.
A susceptibilidade eletromagnética é a falta de proteção contra EMI, apresentada
por um determinado equipamento, quando submetido a um ambiente que apresenta
fenômenos eletromagnéticos, tais como:
a) Interferências irradiadas;
b) Interferências conduzidas;
c) Interferências eletrostáticas.
2.11 A EMC e a Eletrônica de Potência.
Nos últimos anos, a EMC tornou-se um tópico muito importante no campo da
Eletrônica de Potência. Os problemas causados pela interferência de ruídos
eletromagnéticos atingem um espectro de freqüências muito grande, o qual pode ir
desde alguns ciclos da rede de alimentação até às freqüências de comunicações
extremamente altas.
Como atualmente a maioria dos equipamentos eletro-eletrônicos utilizam
conversores, CA-CC ou CC-CC, o estudo da EMI na Eletrônica de Potência é
plenamente justificável e necessário. As interferências eletromagnéticas geradas por um
conversor, podem comprometer o funcionamento de outros equipamentos que estiverem
conectados à rede de alimentação ou outro meio de propagação.
Do ponto de vista da Eletrônica de Potência, a Emissão conduzida é de grande
relevância, podendo interferir diretamente na qualidade de energia e consequentemente
em outros equipamentos que estão conectados a mesma rede de alimentação.
A influência da EMI injetada na rede de alimentação CA por conversores de
potência, como por exemplo fontes chaveadas, deve ser levada em consideração. Isto
31
porque os conversores devem atender às normas e regulamentações internacionais de
EMI, as quais limitam a geração de ruído conduzido e irradiado.
As emissões conduzidas por estes equipamentos ocupam uma faixa que vai de
20kHz, um pouco acima da faixa audível, até próximo a 30MHz, dependendo da
freqüência do conversor e da tecnologia utilizada. Os circuitos conversores da maioria
das fontes de alimentação dos equipamentos domésticos, comerciais e industriais
trabalham em freqüências fixas entre 20kHz e 150kHz, embora hajam casos em que
estes circuitos trabalham em freqüências mais baixas. Nas
freqüências mais altas
operam conversores especiais que utilizam tecnologias mais avançadas especialmente
concebidas para reduzir as perdas de comutação. Na Tabela 3 estão apresentados alguns
exemplos de conversores utilizados comercialmente, com freqüências de operações e
funções respectivamente.
EQUIPAMENTO
FREQÜÊNCIA
FUNÇÃO
Fonte chaveada
20 – 100 kHz
Suprir energia à carga
Reator eletrônico
20 – 50 kHz
Alimentar lâmpada de descarga
UPS
2 – 20 kHz
Fornecimento de energia ininterrupta
Inversores
2 – 20 kHz
Acionamento de máquinas elétricas
Tabela 3 – Exemplos de aplicações de conversores de potência.
Um outro ponto muito importante tem sido a redução do tempo de
desenvolvimento de novos produtos, pois hoje o tempo de vida de um produto no
mercado é muito curto, principalmente devido a rápida evolução tecnológica. Tendo isto
em mente, é importante minimizar os problemas causados pela EMI, porque o principal
problema no desenvolvimento de um novo produto, não é somente o teste e reteste em
Laboratório credenciado para atender os limites de EMI. Certamente isto pode ser caro
com o custo de um Laboratório chegando a quase U$ 1500 por dia. Mas este custo pode
se tornar insignificante quando comparado com o impacto do atraso da entrada de um
produto no mercado [12].
Assim, desde a fase inicial do desenvolvimento de um produto, deve-se utilizar a
tecnologia mais adequada para o projeto e assim minimizar as interferências, levando
em conta os limites máximos estabelecidos pelas Normas para cada tipo de produto. As
tecnologias existentes no âmbito internacional, possibilitam o desenvolvimento de bons
32
projetos, mas não existem receitas prontas, isto é, cada equipamento tem a sua
peculiaridade e nem sempre a tecnologia utilizada em um equipamento funciona em
outro com os mesmos resultados, exigindo desde pequenos ajustes em bobinas até a
escolha de outro tipo de conversor mais adequado.
Para ilustrar o que foi exposto sobre a utilização e aplicação de novas
tecnologias, na Figura 11 está o circuito de um reator eletrônico para lâmpadas
fluorescentes com correção de fator de potência [11]. O circuito além apresentar uma
baixa distorção harmônica para a rede, também fornece uma tensão quase senoidal para
a carga, neste caso, a lâmpada fluorescente.
Figura 11 – Reator eletrônico com corrente quase senoidal e alto fator de potência.
2.12 Principais normas sobre EMC
Nesta parte do trabalho, veremos as principais normas internacionais existentes
sobre o assunto em questão, ou seja EMC, além dos limites apresentados para a EMI
pelas normas mais relevantes e os principais órgãos regulamentadores e suas faixas de
abrangência. Na seqüência será dada uma atenção especial à norma IEC CISPR 16-1,
que especifica os principais requisitos para os equipamentos que devem ser utilizados
nos ensaios de EMI.
As principais normas, cujo o escopo está relacionado com o assunto tratado
estão apresentados a seguir:
33
IEC 61.000-1-1
Aplicação e interpretação de termos e definições
consideradas básicos para a EMC.
IEC 61.000-6-3
– Recomendações para a emissão de equipamentos elétricos
e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais,
comerciais e indústrias de pequeno porte.
IEC 60.555-2
– Distúrbios
em
sistemas
elétricos
causados
por
equipamentos eletrodomésticos e similares (Harmônicos)
IEC 61.000-3-2
– Harmônicos de corrente.
IEC 61.000-3-3
– Flutuações de tensão e flicker.
NBR CISPR 11
– Norma brasileira harmonizada com a norma CISPR 11 –
Equipamentos eletromédicos.
IEC CISPR 12
– Veículos, barcos e equipamentos que utilizam faíscas
como meio ignição.
IEC CISPR 13
– Equipamentos de som, televisores e receptores de rádio.
IEC CISPR 14
– Ferramentas elétricas operados a motor utilizadas em
ambiente doméstico.
IEC CISPR 15
– Dispositivos utilizados em iluminação e similares.
IEC CISPR 16-1 – Métodos e especificação de equipamentos para medição
de perturbações radioelétricas e imunidade
Parte 1 – Equipamentos de medição.
IEC CISPR 16-2 – Métodos e especificação de equipamentos para medição
de perturbações radioelétricas e imunidade
Parte 2 – Métodos de medição.
ANSI C63.12
– Limites
para
Compatibilidade
Eletromagnética
–
Recomendação Prática.
NBR 12304
– Limites e métodos de medição de radioperturbação em
equipamento para tecnologia da informação.
VDE 0871
– Métodos de medidas e limites máximos para EMI geradas
por equipamentos industriais, científicos e eletromédicos.
A norma IEC 61.000-6-3 é genérica e apresenta as recomendações para a
emissão de equipamentos elétricos e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais,
comerciais e indústrias de pequeno porte, para os quais não exista norma dedicada ao
equipamento ou família de equipamentos. Equipamentos emissores de energia
34
eletromagnética utilizados em rádio-comunicações estão excluídos desta norma. Ela
apresenta recomendações para a faixa de 0Hz até 400GHz, mas só deve ser aplicada
quando não houver Norma específica.
A ANSI C63.12 tem como propósito é propor limites para referência, que podem
ser aplicados de modo geral. Os limites apresentados são recomendações, não sendo
específicos, podendo ser ajustados para determinadas circunstâncias.
A IEC CISPR 16-1 apresenta as características e a performance necessárias aos
equipamentos destinados para medição de perturbações radioelétricas. Todas as outras
normas sobre EMC são referenciadas à norma IEC CISPR 16-1, pois o método de
ensaio e os equipamentos de medida a serem utilizados devem ter características que
possibilitem garantir a repetibilidade de um determinado ensaio em diferentes lugares,
preservando-se as condições básicas necessárias para sua realização.
2.12.1 Limites para EMI estabelecidos nas principais normas.
Conforme já foi falado anteriormente, as Normas CISPR 16-1 [6] e CISPR 16-2
[7], apresentam apenas as especificações e parâmetros dos equipamentos de medição, o
método de ensaio, disposição dos equipamentos e amostras de ensaio e a área de
ensaio. No entanto, estas Normas não trazem limites para a avaliação de conformidade.
Quando é necessário avaliar uma amostra em relação a EMI, deve-se recorrer a Norma
específica que apresenta os limites para o equipamento.
As Normas que apresentam os limites para EMI, embora estes limites sejam
bastante próximos, variam de acordo com a aplicação ou o ambiente de utilização. Na
Figura 12, estão apresentados os limites de EMI de acordo com a Norma Alemã VDE
0871, identificando a sua utilização em equipamentos de acordo com a classe destes. A
diferença entre os limites de interferência dos equipamentos de classe A e classe B estão
bem caracterizados na figura citada no presente parágrafo.
Os equipamentos de classe A são de uso mais restrito, utilizam-se de uma
distância de proteção de 30m, aplicados em áreas industriais, onde suas interferências
não comprometem o desempenho de outros equipamentos. Os equipamentos de classe
B são de uso menos restrito, com uma distância de proteção de 10m, aplicáveis a
equipamentos de uso doméstico. Como o uso de equipamentos de classe B é cada vez
maior e o seu espaço físico é dividido com outros equipamentos, a interferência gerada
por eles tem que ser bem mais limitada.
35
100
90
80
91
79
69.5
70
60
66
dB
µV
57.5
50
Valor limite
Classes A
60
54
48
Valor limite
classe B
40
30
0.01
0.15
0.5 1
10
30 MHz
Figura 12 – Limites para as interferências conduzidas pela VDE 0871.
Os limites da Norma FCC 15, estão na Figura 13. Nota-se que os limites
exigidos iniciam em 450kHz estendendo-se até 30MHz. As classes A e B também
possuem limites distintos.
100
dB
µV
90
Valor limite
classe A
80
70
70
60
Valor limite
classe B
50
60
48
40
30
0.01
0.1
0.45 1 1.6
10
30 MHz
Figura 13 – Limites para as interferências conduzidas pela FCC 15.
36
Para os equipamentos ligados à área médica, os limites de EMI, bem como os
ensaios aplicáveis estão contidos na Norma NBR IEC CISPR 11 [10] , os quais podem
ser observados na Figura 14. Também existe distinção entre as classes A e B. Como
exemplo de equipamentos de classe B estão os que fazem parte de uma Unidade de
Tratamento Intensivo (UTI) e Centro Cirúrgico.
100
90
Valor limite
79
80
Quase-pico (classe A)
70
dB
µV
60
66
56
73
60
Quase-pico (classe B)
50
40
30
0.9
0.15
0.5
5 10 30 MHz
Figura 14 – Limites da NBR IEC CISPR 11 para EMI conduzida.
A Norma CISPR 14 [15] apresenta limites para os valores de quase-pico e valor
eficaz, cujos limites estão na Figura 15. O equipamento primeiramente pode ser
avaliado quanto ao limite de quase-pico, se atender está conforme, caso contrário deve
ser avaliado quanto ao valor eficaz, sendo obrigatório atender a este limite. Esta Norma
também especifica limites para EMI quando um equipamento é conectado a outro que
atuará como carga.
Um exemplo de aplicação da Norma CISPR 14 é o Sistema de Alimentação
Ininterrupta (SAI ou UPS), cuja saída supri um outro equipamento e deve fornecer
energia à carga com baixo nível de interferência, isto é, dentro dos limites que estão
apresentados na Figura 16. Além disso este equipamento deve atender aos requisitos da
Norma IEC CISPR 22 [16] no lado em que vai conectado a rede de alimentação, por ser
um equipamento que é classificado como de tecnologia de informação [9].
37
100
90
80
Valor limite
70
60
dB
µV
66
Quase-pico
56
59
60
46
50
50
Eficaz
40
30
0.9
0.15
5 10 30 MHz
0.5
Figura 15 – Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de alimentação.
100
90
Valor limite
80
80
70
70
60
Quase-pico
dB
µV
74
64
Eficaz
50
40
30
0.9
0.15
0.5
5 10 30 MHz
Figura 16 – Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de carga.
38
A Norma IEC CISPR 22 [16], apresenta os limites para os equipamentos
identificados como sendo de Tecnologia de Informação, ou seja, equipamentos que são
utilizados em transações comerciais, planejamento e desenvolvimento. Como exemplo
podemos citar alguns equipamentos bastante conhecidos:
–
Microcomputadores;
–
Impressoras;
–
Caixas eletrônicos;
–
Máquinas copiadores;
–
Telefones;
–
Aparelhos de fax.
Os equipamentos que direta ou indiretamente estão associados aos que foram
citados, também são enquadrados nesta Norma.
Na Figura 17 estão apresentados os limites para a Norma IEC CISPR 22, os
quais são os mesmos estabelecidos para a Norma IEC CISPR 11, cujos limites foram
apresentados na Figura 14.
100
90
80
Quase-pico (classe A)
70
60
Valor limite
79
dB
µV
66
56
73
60
Quase-pico (classe B)
50
40
30
0.9
0.15
0.5
5 10 30 MHz
Figura 17 – Limites da IEC CISPR 22 para a EMI conduzida.
39
2.13 Resumo.
Neste capítulo o assunto principal tratado foi a EMC. Inicialmente foram
apresentados os aspectos gerais com objetivo de situar o leitor com relação ao problema
da EMC dentro de um contexto familiar ao nosso convívio. Na seqüência, um histórico
com fatos cronológicos a respeito da EMI que culmina com o advento da Certificação
de produtos e o seu reconhecimento através das marcas de conformidade, graças ao
empenho da Comunidade Européia e seguido por outras nações, não esquecendo que os
Estados Unidos e a Alemanha já estavam neste caminho de forma voluntária através do
FCC e da VDE respectivamente.
O grande beneficiado com a normalização e a certificação foi o consumidor,
embora os fabricantes que buscaram a certificação também saíram ganhando pelo fato
de oferecerem um produto melhor que o da concorrência, visto que o consumidor
passou a se tornar exigente.
Finalizando este capítulo, estão as principais normas sobre EMC, termos e
definições e os limites que devem ser atendidos numa avaliação de conformidade, para
os principais produtos de consumo no campo eletro-eletrônico.
40
3
3.1
ENSAIOS.
Introdução.
Para a execução de um ensaio previsto em Norma técnica é necessário a
utilização de um procedimento padrão, onde são transcritos os pontos da norma que
serão aplicados em um ensaio específico, já que as Normas geralmente abrangem
diversos ensaios e diversas situações. Como exemplo, pode-se citar a Norma IECCISPR 16-1 [6], que trata tanto de ensaios de emissão como de imunidade, além de
apresentar a especificação do Receptor de EMI e da Rede Artificial. A partir desta
Norma cria-se um procedimento para medir a emissão de um equipamento e outro
procedimento para avaliar a susceptibilidade, cujas situações são diferentes. Assim o
principal objetivo de um procedimento, além de ajudar a garantir a repetibilidade de um
ensaio, é facilitar o trabalho do operador que terá como preocupação apenas seguir os
passos que foram previamente interpretados da Norma.
Neste capítulo serão apresentados: os equipamentos necessários para realização
de um ensaio de EMI conduzida, as especificações para estes equipamentos, o ambiente
de ensaio e a disposição dos equipamentos. Estes pontos norteiam este trabalho e são
necessários para um procedimento de ensaio de EMI conduzida, e a conseqüente
validação do trabalho.
3.2
Os equipamentos de medida.
A especificação dos equipamentos de medida depende da freqüência de
operação. Cada faixa de freqüência deve ser analisada atendendo à características
específicas. As faixas de freqüência que devem ser cobertas por um equipamento de
medidas estão divididas conforme a Tabela 4. No caso das interferências conduzidas, as
principais Normas específicas exigem apenas as faixas A e B, ou seja, de 9kHz a
30MHz.
Os principais equipamentos para a realização de um ensaio de EMI conduzida
estão enumerados a seguir. Na seqüência serão apresentadas as especificações básicas
que os equipamentos devem atender.
–
Receptor de EMI para medição de quase-pico;
–
Rede Artificial (LISN – Line Impedance Stabilization Network);
41
–
Microcomputador;
–
Outros dispositivos, como: mesa, cabos, plano de referência aterrado, etc.
FAIXA
FREQÜÊNCIA
A
9 a 150 kHz
B
0.15 a 30 MHz
C
30 a 300 MHz
D
300 a 1000 MHz
Tabela 4 – Faixas de freqüências.
3.2.1
Receptor para medição de quase-pico.
Para cada uma das faixas citadas na Tabela 4, os receptores de quase-pico devem
atender as seguintes especificações:
Faixas de freqüência
Características
A
B
CeD
LARGURA DE BANDA
220 Hz
9 kHz
120 kHz
Constante de tempo de carga (τ1)
45 ms
1 ms
1 ms
Constante de tempo de descarga (τ2)
500 ms
160 ms
550 ms
Constante de tempo mecânica (τm)
160 ms
160 ms
100 ms
Tabela 5 – Especificações do receptor de quase-pico pela IEC CISPR 16-1.
3.2.2
Rede Artificial.
A Rede Artificial é necessária para que o sinal interferente seja aplicado a uma
impedância conhecida nos terminais de alimentação do equipamento sob teste, isolar o
circuito de ensaio das interferências provindas da rede de alimentação e acoplar a tensão
interferente ao receptor.
Na Rede Artificial, a impedância medida entre o terra e cada terminal do
equipamento sob teste, deve manter-se invariável, independente da carga que está
42
conectada em seus terminais, inclusive um curto-circuito, com o receptor de medida
conectado ou uma resistência equivalente.
Numa Rede Artificial há três terminais: o terminal principal para ligação ao
sistema de alimentação (fonte), o terminal de equipamento para conexão ao
equipamento em ensaio e o terminal de saída de distúrbios para conexão ao
equipamento de medição (Receptor de EMI).
Fase da rede
de alimentação
C2
L2
L1
250 µH
50 µH
C1
4 µF
R2
T
Neutro da rede
de alimentação
250 nF
C3
8 µF
R1
10 Ω
Ao equipamento
em ensaio
R3
1 kΩ
5Ω
R2
R1
R3
10 Ω
5Ω
1 kΩ
C1
C2
4 µF
Receptor de
EMI
R4
50 Ω
8 µF
C3
250 µH
L2
50 µH
250 nF
L1
Ao equipamento
em ensaio
Figura 18 – Esquema de uma Rede Artificial.
Na Figura 18 está representado um esquema de uma Rede Artificial de acordo
com a norma CISPR 16-1 [6], onde também são fornecidas especificações mais
detalhadas para a sua construção, como por exemplo a montagem do indutor de 50 µH,
que não é nada trivial, uma vez que o mesmo deve ser um indutor de 50 µH para
freqüências entre 9 kHz e 30 MHz o que torna-se difícil de obter devido às
capacitâncias parasitas e ao efeito pelicular. Como se sabe um indutor pode ser
modelado pelo circuito equivalente da Figura 19. Assim a medida que a freqüência
aumenta, aumenta os valores da resistência parasita (Rp) e da capacitância parasita (Cp)
tornam-se significativos.
43
Cp
Rp
L
Figura 19 – Circuito equivalente de um indutor.
A última versão da Norma recomenda valores como o diâmetro do núcleo, o
espaçamento entre as espiras, o número de espiras, o diâmetro do condutor e os
resistores que devem ser colocados entre determinadas espiras para evitar ressonâncias
internas no indutor. Se estas recomendações não forem seguidas, provavelmente a rede
não atenderá aos parâmetros especificados pela Norma.
3.2.3
Microcomputador.
Atualmente com a grande demanda de ensaios de EMC em um laboratório, faz-
se necessário que o sistema de medição seja automatizado. Os equipamentos de
medição podem ser comandados por software, facilitando a aquisição de dados e a
alteração automática das configurações das faixas de freqüências a serem ensaiadas,
bem como o controle do tempo de amostragem. Utilizando o microcomputador, o
operador deverá apenas conectar o equipamento a ser ensaiado conforme as exigências
da Norma e executar um software devidamente validado, que siga os passos exigidos
pela norma. Finalmente é só esperar o relatório de ensaio, que pode ser gerado
automaticamente.
3.2.4
Instrumentos auxiliares importantes.
Além dos equipamentos e instrumentos de medição citados, outros instrumentos
auxiliares também são necessários. Estes instrumentos são:
–
Voltímetro – Utilizado para monitorar a tensão de alimentação, que é
utilizada para suprir o equipamento em ensaio;
44
–
Termômetro – Serve para monitorar a temperatura no ambiente de ensaio;
Estes instrumentos são muito importantes para que seja possível repetir um
ensaio o mais fielmente possível, quando houver dúvida, ou contestação por partes
interessadas.
3.2.5
Dispositivos auxiliares.
Não somente os equipamentos de medição são necessários para a realização de
um ensaio. Os dispositivos auxiliares para a montagem do ensaio também são
importantes e estão descritos a seguir:
–
Uma sala onde o nível de ruído no ambiente seja no mínimo 6 dB abaixo dos
limites estabelecidos pelas normas aplicáveis aos equipamentos que serão
ensaiados;
–
Mesa de material não condutivo com 80 cm de altura com área suficiente
para a configuração do ensaio;
–
Um plano de referência de terra, com características condutivas e dimensões
mínimas de 2 m por 2 m;
–
Cabos adequados para conexão entre equipamentos;
–
Condutor sólido em forma de chapa, cuja relação entre o comprimento e a
largura é no máximo de 5 para 1, para conexão entre a Rede Artificial e o
plano de referência. Como exemplo, se a parte traseira da Rede Artificial
ficar a 40 cm do plano de referência de terra, tal condutor deverá ter uma
largura mínima de 8 cm;
–
Filtro opcional para rede de alimentação com elevado nível de ruído.
–
Variador de tensão para executar o ensaio dentro das faixas de tensões
especificadas pelo fabricante.
3.3
Configuração do sistema de ensaio para medição de emissões conduzidas.
Para medição de EMI conduzida o equipamento em ensaio é conectado à rede de
alimentação através da Rede Artificial. O terminal da Rede Artificial destinado para
saída de distúrbios é conectado ao equipamento medição (Receptor de EMI). Na Figura
20 está um esquema básico das conexões que são necessárias entre os equipamentos. No
45
caso de equipamentos com alimentação trifásica são utilizadas mais de uma Rede
Artificial, uma para cada fase e enquanto o equipamento de medição está conectado em
uma das redes artificiais, terminações de 50Ω são conectadas nas saídas das outras
redes.
Fonte
de
Alimentação
F
Rede
Artificial
N
Receptor
de
EMI
F N
Equipamento
em ensaio
Figura 20 – Esquema básico de conexões dos equipamentos de ensaio.
L1
L2
L3
N
Filtro
Filtro
Filtro
Filtro
Rede
Artificial
Rede
Artificial
Rede
Artificial
Carga
de 50Ω
Carga
de 50Ω
Rede
Artificial
Carga
de 50Ω
80 cm
30 a 40 cm
Equipamento em ensaio
Figura 21 – Configuração de ensaio.
46
Receptor
de
EMI
Analisando a Figura 21, observa-se de forma esquemática os pontos citados no
parágrafo anterior, com exceção dos filtros colocados entre a rede de alimentação e a
Rede Artificial. Tais filtros são opcionais, devendo ser utilizado quando o nível de ruído
nos terminais da rede alimentação possam interferir nas medições. Uma forma de
verificar esta interferência é fazer uma medição com o equipamento sob ensaio
desligado, mas conectado a rede. Se os níveis não estiverem de acordo com as
exigências da norma CISPR 16-2 [7], então será necessário o uso dos filtros.
3.4
Disposição do equipamento em ensaio.
Dispondo-se das condições necessárias, tais como: equipamentos, dispositivos
auxiliares e ambiente adequado, cujas especificações já foram apresentadas nos itens
anteriores, faz-se necessário organizar a área de ensaio, juntamente com a amostra que
será testada, respeitando as condições especificadas pela Norma IEC CISPR 16-2 [7].
Uma descrição detalhada da montagem do ensaio está apresentada nos seguintes
itens:
–
Inicialmente o plano de referência de terra deve estar na posição vertical, a
40 cm atrás da mesa especificada anteriormente;
–
Se a mesa for relativamente grande o plano de referência de terra pode ser
encostado na parte posterior da mesa;
–
O equipamento a ser ensaiado é colocado sobre a mesa de forma que sua
traseira fique a 40 cm do plano de referência;
–
Todas as outras superfícies do equipamento a ser ensaiado devem estar no
mínimo a 80 cm de distância de outros equipamentos ou aparelhos com
superfícies metálicas;
–
Se os cabos utilizados para interconexões possuírem um comprimento maior
que 80 cm, devem então serem dobrados em forma de serpentina, com elos
com comprimento entre 30 e 40 cm, sem cruzar o cabo.
–
O cabo de conexão entre o equipamento a ser ensaiado e a Rede Artificial
deve ser mantido a no mínimo 40 cm do plano de referência de terra;
–
A conexão entre a saída da Rede Artificial e o equipamento de medição
(receptor de EMI) deve ser feita por um cabo blindado;
–
Conectar a Rede Artificial ao variador de tensão;
47
Na seqüência, a Figura 22 ilustra uma montagem de ensaio sugerida pela Norma.
Tal montagem é indicada para um equipamento que independente de ser aterrado ou não
e que em uso normal é utilizado sobre uma mesa.
Superfície Condutora
Equipamento em
ensaio
Receptor
40
cm
LISN
80 cm
80
cm
Figura 22 – Configuração de um sistema de ensaio.
Para outros tipos de equipamentos que normalmente não são utilizados sobre
uma mesa, a configuração do ensaio sofre algumas alterações, tais como a altura da
mesa e a posição do plano de referência de terra.
Executando-se a configuração descrita e possuindo os equipamentos indicados
devidamente calibrados, basta saber operar o medidor e avaliar os resultados para
conseguir realizar o ensaio corretamente.
3.5
Validação e execução.
Após a conclusão da montagem descrita no item anterior, segue-se os seguintes
passos para a execução do ensaio:
–
Ajustar a tensão do variador para obter a tensão nominal na entrada do
equipamento em ensaio;
48
–
Anotar os dados relativos a temperatura do ambiente de ensaio e a tensão que
foi ajustada no variador de tensão;
–
Manter o equipamento em ensaio desligado, e realizar a medição do ruído
existente no ambiente de ensaio;
–
Se a medição for 20dBµ inferior ao limite estabelecido pela Norma
pertinente ao equipamento em ensaio, então o ensaio pode ser conduzido
sem problemas;
–
Se valor do ruído interferente máximo presente no ambiente de ensaio for
6dBµ menor que o valor limite estabelecido, o valor deverá ser anotado e o
ensaio prosseguido;
–
Mas se o ruído ambiente for superior aos limites citados nos dois itens
anteriores, então o ensaio deve ser abortado e deverão ser tomadas medidas
para minimizar o ruído, como por exemplo a inserção de um filtro entre a
fonte de alimentação e a rede artificial;
–
Assim o equipamento em ensaio é ligado as medições iniciadas, respeitando
as especificações de cada faixa de freqüência;
–
O período de amostragem é de no mínimo 15 segundos, ou seja,
aproximadamente 900 períodos da freqüência de rede, sendo esta 60 Hz;
–
Os dados obtidos devem ser devidamente registrados.
–
O ensaio é repetido com a tensão de alimentação igual a 0,9 e 1,1 vezes a
tensão nominal para determinar o pior caso, isto é, o maior valor da
interferência gerada pelo equipamento em ensaio.
–
O ensaio deve ser repetido para os limites inferior e superior de alimentação
do equipamento em ensaio.
49
3.6
Resumo.
As informações fornecidas neste capítulo são suficientes para a montagem de um
laboratório para ensaios de adequação de um produto, mais especificamente para
ensaios de EMI conduzida, que é o tema principal deste trabalho. Inicialmente foram
apresentadas as faixas de freqüência, frisando que para EMI conduzida os ensaios
limitam-se as faixas A e B. Na seqüência foram citados os principais equipamentos e as
especificações que eles devem atender, fechando com disposição destes em um
ambiente de ensaio e uma seqüência de passos para a sua execução. Com os resultados
obtidos é possível avaliar a qualidade do produto quanto aos ensaios de EMI conduzida.
Se os resultados forem muito próximos aos limites, é importante que o fabricante
trabalhe no projeto para dar um pouco de folga, já que os componentes utilizados
possuem tolerâncias que podem afetar o resultado final do ensaio.
Para a certificação deste produto é necessário um Laboratório Credenciado por
órgão reconhecido internacionalmente, que atenda os critérios de sistema da qualidade e
possua equipamentos rastreados aos padrões internacionais de medidas.
50
4
4.1
FERRAMENTA ALTERNATIVA PARA ENSAIO DE EMI CONDUZIDA
Introdução
Nos capítulos anteriores foram apresentadas informações sobre EMC, enfocando
os caminhos que um produto deve percorrer para estar em conformidade com uma
Norma pertinente, não só buscando de forma expontânea a garantia da qualidade mas
atendendo às necessidades de um mercado cada vez mais exigente.
Neste capítulo serão descritos todos os passos dados para a obtenção de uma
ferramenta original alternativa para medição de EMI proposta por este trabalho, os
equipamentos que fazem parte do sistema de medição de EMI serão tratados a nível de
software e o seu modelamento matemático será obtido.
4.2
A simulação dos equipamentos de medição.
Os principais equipamentos necessários para a execução de um ensaio de EMI
conduzida são a Rede Artificial e o Receptor de EMI, os quais foram apresentados no
capítulo anterior e cujos modelos serão apresentadas na seqüência deste capítulo.
A obtenção de modelos matemáticos que descrevam fielmente o comportamento
do Receptor de EMI são fundamentais para a simulação destes equipamentos, pois
descrevem suas características físicas. Assim, estes equipamentos serão analisados a
partir de suas funções dentro do sistema de medição das interferências conduzidas.
Quando um modelo é aplicado para representar um determinado sistema,
existem dois pontos principais a serem considerados:
–
A necessidade dos resultados obtidos aproximarem-se de um sistema ideal;
–
O tempo de simulação que é dispensado para a obtenção dos resultados.
Se o modelo aplicado for muito inflexível, o tempo de simulação de um sistema
pode ser inviável. Por isso é importante que os modelos sejam simples, mas respeitando
a necessidade de um resultado tão preciso quanto possível. Assim, o que norteia um
bom modelo é o comprometimento entre o que é necessário e o que pode ser feito para
que se obtenha um resultado satisfatório no menor tempo possível.
Na seqüência serão apresentados os diferentes blocos que compõem o sistema de
medição bem como os modelos adotados para sua representação:
51
4.2.1
–
Rede Artificial;
–
Receptor de EMI.
Circuito e modelo da Rede Artificial
Na Figura 18 foi apresentado o esquema de uma Rede Artificial, o qual foi
sugerido pela Norma CISPR 16-1 [6]. No esquema desta figura está incluído um filtro
que foi citado no capítulo anterior.
Para obter o modelo da Rede Artificial, parte-se do esquema fornecido pela
Norma, porém sem o filtro. O filtro não será levado em consideração, uma vez que as
suas funções principais são de fazer com que a EMI gerada pelo equipamento em ensaio
seja desviada para a Rede Artificial e bloquear as componentes de alta freqüência
provindas da rede alimentação, deixando passar a componente de 60 Hz. Na Figura 23
está o esquema da Rede Artificial sem o filtro.
Ao fase da rede
de alimentação
ou filtro
50 µH
Ao equipamento
em ensaio
250 nF
8 µF
T
Ao neutro da rede
de alimentação
ou filtro
5Ω
1 kΩ
5Ω
1 kΩ
8 µF
50 µH
Conector para
o Receptor
de EMI
Conector para
a terminação
de 50Ω
250 nF
Ao equipamento
em ensaio
Figura 23 – Esquema da Rede Artificial sem filtro.
O Receptor de EMI e a terminação são trocados de posição dependendo se a
medição é efetuada na fase ou no neutro da rede de alimentação. Na prática a Rede
Artificial pode possuir uma chave que comuta o Receptor de EMI da fase para o neutro
52
e vice-versa, mas nada impede que se troque de posição o cabo de conexão que interliga
a Rede Artificial com o Receptor de EMI.
As cargas determinadas pelas impedâncias da terminação e do Receptor de EMI,
são representadas pelos resistores de 50 Ω. Acima de 9 kHz, os capacitores podem ser
representados por um curto-circuito, conforme mostrado na Figura 24.
O esquema pode ser simplificado para o circuito da Figura 25, pelo fato de que:
–
O objetivo é analisar a interferência gerada por um equipamento em ensaio;
–
A Rede Artificial é simétrica em relação ao terra;
–
A medição é realizada em um lado da Rede Artificial de cada vez.
Ao fase da rede
de alimentação
ou filtro
Ao equipamento
em ensaio
L1 50 µH
C1
R1
T
C1
Ao neutro da rede
de alimentação
ou filtro
C2
8 µF
5Ω
250 nF
R3
R5
1 kΩ
50Ω
5Ω
1 kΩ
8 µF
C2
50Ω
Impedância do
Receptor
de EMI
Impedância
da
terminação
250 nF
Ao equipamento
em ensaio
L1 50 µH
Figura 24 – Esquema da rede com simplificação dos capacitores.
Fase ou
Neutro
L1
C1
C2
Ao
equipamento
em ensaio
R1
R3
R5
Terra
Figura 25 – Rede Artificial com um lado apenas.
53
A associação entre os resistores R3 e R5 é representada pelo resistor R2. O valor
do resistor R2 se fosse calculado ficaria aproximadamente 5 % inferior. Na prática, os
valores dos componentes deste circuito estão estabelecidos na Norma CISPR 16-1 [6],
já considerando as características que os componentes assumem no circuito da Rede
Artificial, cujos valores nominais são:
L1 = 50 µH
R1 = 5 Ω
R2 = 50 Ω
Desta forma, o circuito simplificado fica equivalente ao da Figura 26.
L1
R1
Ig(t)
R2
Figura 26 – Rede Artificial simplificada.
Finalmente na Figura 27 está o circuito simplificado que representa a Rede
Artificial. Neste circuito, quando circula a componente de alta freqüência da corrente de
entrada do equipamento em ensaio (corrente interferente Igint(t)), obtém-se a tensão
interferente (Uint(t)) nos terminais de saída da Rede Artificial. A corrente (Igint(t))
representa a corrente que circula nos terminais de alimentação do equipamento em
ensaio, a qual está didaticamente ilustrada na Figura 28. A tensão (Uint(t)) será tratada
no item que é dedicado ao Receptor de EMI, neste capítulo.
Aplicando-se as leis básicas de circuitos elétricos ao circuito da Rede Artificial
apresentado na Figura 27, obtém-se a seguinte equação diferencial:
dIg
R 
L dU int 
+ 1 + 1 U int = L int + R1 Ig int
R2 dt
dt
 R2 
54
(1)
A equação (1) foi apresentada originalmente por Albach [4] e detalhada por Dos
Reis [5] para descrever o comportamento da Rede Artificial.
Igint (t)
L1
R2
Uint(t)
R1
Figura 27 – Circuito equivalente da Rede Artificial.
I(A)
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
0,00
1,60
3,20
4,80
6,40
8,00
9,60
11,20
12,80
14,40
16,00
t(ms)
Figura 28 – Forma de onda didática da corrente de entrada de um equipamento.
4.2.2
Receptor de EMI.
O receptor de EMI é o equipamento fundamental para os ensaios de avaliação da
interferência eletromagnética gerada por um determinado equipamento. Sua
característica mais importante é ser capaz de selecionar determinadas freqüências com
uma largura de banda que atenda às especificações da Tabela 5.
55
Nesta etapa serão descritos as principais características da ferramenta proposta
neste trabalho, onde uma amostra da corrente de entrada de um equipamento é
processada para obter-se a interferência conduzida gerada pelo equipamento em ensaio.
O método utilizado como ferramenta para este trabalho está fundamentado nos
trabalhos de Albach [4] e Dos Reis [5], nos quais são apresentadas as características
fundamentais que os equipamentos de medição devem possuir, segundo a Norma
CISPR 16-1[6] .
O Receptor de EMI é composto de quatro circuitos bem distintos, os quais serão
descritos neste tópico. Estas etapas estão interligadas de forma consecutiva, conforme
seqüência apresentada a seguir:
–
Filtro de entrada;
–
Circuito demodulador;
–
Detector de quase-pico;
–
Indicador eletromecânico do nível de interferência.
4.2.2.1 Filtro de entrada.
A tensão interferente (Uint(t)), obtida através dos terminais de saída da Rede
Artificial, é aplicada ao Receptor de EMI, onde é filtrada com um filtro de largura de
banda adequada para cada faixa de freqüências, de acordo com a Tabela 5. Neste
trabalho serão utilizados os valores das faixas de freqüências A e B, cujas larguras de
banda de 220 Hz e 9000 Hz são correspondentes às faixas de freqüências de 9 kHz a
150 kHz e de 150 kHz a 1000 kHz respectivamente.
Para um melhor entendimento do processo de funcionamento do filtro de
entrada, seu estudo será apresentado na seguinte seqüência de tópicos:
–
O processo de medição de EMI conduzida é fundamentado na análise da
corrente de entrada do equipamento ensaiado, pois é a corrente que revela o
comportamento do equipamento como carga do sistema de alimentação,
possibilitando avaliar o nível de interferência que introduz na rede elétrica;
–
A corrente em função do tempo, definida como (Igint(t)), é decomposta em
uma soma finita de termos, utilizando-se a série de Fourier [18], que serão
56
limitados pela máxima freqüência desejada para análise. Desta forma, para
analisar a corrente de um equipamento nas freqüências inferiores a 150 kHz
será necessário obter os termos da série de Fourier até o harmônico de
número 2.500, ou seja:
n=
f max 150kHz
=
= 2.500
f red
60 Hz
sendo, n o número do harmônico múltiplo inteiro da freqüência de rede ( fred )
e fmax a freqüência máxima a ser analisada.
–
Através da decomposição do sinal no domínio do tempo, em série de
Fourier, obtém-se o sinal no domínio freqüência (Figura 29);
A
f
t
Domínio
do tempo
Domínio
freqüência
Figura 29 – Representação de um sinal nos domínios do tempo e freqüência.
–
A decomposição da corrente (Igint(t)) em termos da série de Fourier pode ser
expressada pela seguinte expressão:
∞
nπ
nπ 

Ig int (t) = a o + ∑  a n cos
t + bn sen
t
2 n=1 
τ
τ 
Onde,
ω τ =π
ω = 2 π f red
57
(2)
sendo ω a freqüência angular da rede de alimentação em radianos por
segundo e τ o intervalo de tempo de um semi período da rede;
–
Os coeficientes an e bn podem ser calculados de acordo com as expressões:
τ
an =
2 I
∑ Ig (t) cos nωt dt
τ i=1 ∫o int
bn =
2 I
∑ Ig (t) sen nωt dt
τ i=1 ∫o int
(3)
τ
(4)
Onde, I representa o i-ésimo período de comutação de alta freqüência contido
em um semi-período da freqüência de rede, ou seja:
I=
–
fs
2 f red
A corrente de entrada é decomposta em termos da série de Fourier para
tornar possível a seleção dos harmônicos de cada faixa de freqüência e assim
recompor o sinal interferente (Uint(t)), além da correlação entre a tensão
interferente (Uint(t)) e a corrente (Igint(t)), simulando a Rede Artificial.
–
Para o estudo do método, considera-se que a corrente de entrada dos
equipamentos que serão ensaiados possuem simetria de onda. Assim, a
corrente de entrada genérica pode ser descrita conforme a equação (5), pois
ao assume o valor zero;
∞
I g int (t) = ∑ ( a n cos nωt + bn sen nωt )
n =1
–
(5)
Como a tensão interferente (Uint(t)) e a corrente (Igint(t)) são correlacionadas
pela equação diferencial que representa a Rede Artificial, apresentada na
equação (1), a tensão (Uint(t)) pode ser representada pela série de Fourier da
equação (6);
∞
U int (t) = ∑ ( c n cos nωt + d n sen nωt )
n =1
58
(6)
–
Os valores dos coeficientes cn e dn [4,5] são obtidos da equação (1) e estão
apresentados nas seguintes equações:
cn =
dn=
1
x3
1
x3
( x2 a n + x1 b n )
(7)
(- x1 a n + x2 bn )
(8)
Onde:
x 1 = nω L
x2 =
2
x1 +  1 + R 1 

R1 
R2
R2 

2
 x1  
R1 
x3 =   +  1 + 
R2 
 R2  
–
2
Aplicando-se as equações (7) e (8) na equação (6) obtém-se a tensão
interferente (Uint(t)) simulando a Rede Artificial;
–
Finalmente, para obter a tensão interferente (Uint(t)) para uma determinada
freqüência (fo), que é múltiplo inteiro da freqüência de rede, é necessário
selecionar a faixa de freqüência a ser medida, aplicando-se um filtro cuja
banda passante é especificada pela Norma IEC CISPR 16, como pode ser
visto na Tabela 5;
–
Assim, a série de Fourier que representa a tensão interferente (Uint(t)) em
uma freqüência (fo) está descrita na equação (9);
U int (t) =
no+h -1
∑ (c
n
cos nωt + d n sen nωt
n= no - h+1
–
)
(9)
Quando a freqüência a ser medida for inferior a 150 kHz (faixa de 9 kHz a
150 kHz), o valor de h é igual a 2 e para um valor de freqüência igual ou
maior que 150 kHz (faixa de 150 kHz a 1MHZ), o valor de h será igual a 90;
–
Para exemplificar, considerando a freqüência a ser medida igual a 12.000
Hz, obtida pelo produto entre o harmônico de ordem 200 e freqüência de
rede igual a 60 Hz, aplicando-se a largura de banda da faixa A da Tabela 5,
59
ou seja 220 Hz, a tensão interferente (Uint(t)) será recomposta pelos
harmônicos que estão na faixa de freqüências entre 11.890 Hz e 12.110 Hz,
ou seja 12.000 Hz ±110Hz, ilustrada na Figura 30;
Janela com largura
de banda de 220 Hz
Amplitude
Harmônico
n = 202
(202 x 60 Hz)
220 Hz
11820
11880
11940
12000
12060
12120
Freqüência
(Hz)
Figura 30 – Exemplo de seleção de harmônicos.
–
O processo descrito no item anterior é aplicado sobre toda a faixa de
freqüência que será analisada, deslocando-se como se fosse uma janela
centralizada sobre o harmônico da freqüência em questão. Os harmônicos
selecionados são utilizados na recomposição da tensão interferente filtrada
para a largura de banda especificada. A tensão interferente será aplicada ao
circuito demodulador, cuja descrição será apresentada em item destinado a
explanação deste circuito;
–
A janela citada no item anterior é deslocada, por convenção para a direita,
avançando para o harmônico de ordem n + h, ou seja:
n + h = 200 + 2 = 202
–
Como a janela avança um harmônico para a direita, obviamente deve rejeitar
o harmônico do extremo esquerdo, passando por todos os harmônicos em
ordem crescente e obtendo a tensão interferente na largura de banda filtrada
de forma seletiva ao longo de toda a faixa.
60
4.2.2.2 Circuito demodulador.
Este circuito é responsável pela demodulação de baixa freqüência da tensão
interferente (Uint(t)), em uma determinada freqüência fo. A função deste circuito é
extrair a envoltória da tensão interferente, que foi obtida do filtro de entrada para uma
determinada freqüência na faixa analisada . Na Figura 31 está apresentado o circuito
simplificado do demodulador, cujo funcionamento será descrito na seqüência, bem
como a apresentação de suas equações.
R1D
D
Uint (t)
CD
R2D
UCD(t)
UD(t)
Figura 31 – Circuito demodulador.
O circuito demodulador possui duas etapas distintas de funcionamento que
dependem diretamente do diodo D, as quais são:
–
Quando a tensão interferente Uint(t) é maior que a tensão sobre o capacitor
UCD(t), o diodo D conduz, carregando o capacitor CD com a tensão Uint(t).
–
Quando a tensão interferente Uint(t) é menor que a tensão UCD(t), o diodo D
fica bloqueado e o capacitor CD descarrega-se através dos resistores R1D e
R2D.
A tensão de saída UD(t) será a tensão sobre o resistor R2D, obtida através do
divisor resistivo formado por R1D e R2D, nas duas etapas apresentadas. Esta tensão será
aplicada a circuito Detector de Quasi-pico, que será apresentado no próximo item.
61
Das etapas descritas resultam as seguintes equações para UD(t):

R 2D
p/ U int (t) > U CD (t)
U int (t)

R
1D + R 2D

U D (t) = 

t -t
R 2D
- o

U CD ( t o ) e τ D p/ U int (t) < U CD (t)
 R1D + R 2D
(10)
Onde to representa o intervalo de tempo no qual a tensão interferente Uint(t) é menor
que a tensão UCD(t) no capacitor CD e τD = (R1D + R2D).CD. Para uma demodulação
conveniente, o valor atribuído para τD é igual a um milisegundo.
4.2.2.3 Detector de quase-pico.
Após a tensão interferente Uint(t) ser filtrada e demodulada, deve passar através
do circuito detector de quase-pico, cuja versão simplificada está apresentada na Figura
32. Este circuito atende satisfatoriamente às necessidades deste trabalho.
D
UD (t)
R1W
R2W
CW
UW(t)
Figura 32 – Detector de quase-pico.
O detector de quase-pico avalia sinais de acordo com a sua taxa de repetição,
sendo uma forma de medir o fator de perturbação destes sinais.
O funcionamento do circuito do detector de quase-pico está detalhado nos
seguintes itens:
62
–
O sinal de saída do demodulador UD(t) é aplicado a entrada do detector de
quase-pico;
–
Quando tensão UD(t) é maior que a tensão de saída do circuito Detector de
Quasi-pico UW(t), o diodo D conduz, mas se a tensão UD(t) é menor, o diodo
D não conduz e o capacitor CW descarrega-se pelo resistor R2W;
–
Nos intervalos de condução e bloqueio do diodo D, a tensão de saída UW(t) é
descrita pela seguinte equação diferencial:
 d U w (t) 1
1 1
+ U w (t) =  -  U D (t)

dt
τ1
τ1 τ 2 



 dU (t) 1
w

+ U w (t) = 0 p/ U D (t) < U w (t)
dt
τ2

p/ U D (t) > U w (t)
(11)
sendo a constantes de tempo de carga:
τ1=
R1w × R 2w
Cw
R1w + R 2w
(12)
e a constantes de tempo de descarga:
τ 2 = R 2w C w
(13)
–
Os valores das constantes τ1 e τ2 encontram-se na Tabela 5;
–
Utiliza-se solução numérica para obter a tensão de saída UW(t) por ser mais
simples e aplicável para a simulação;
–
Assim, substituindo-se as derivadas por pequenos incrementos discretos na
equação (11), obtém-se:
 ∆ U w (t) 1
1 1
+ U w (t) =  -  U D (t)

∆t
τ1
τ1 τ 2 



 ∆ U (t) 1
w

+ U w (t) = 0
∆
t
τ2

Como ∆Uw(t) = Uw(t + ∆t) - Uw(t); tem-se:
63
(14)

 ∆t 
1 1
 U w (t + ∆t ) =  1 -  U w (t) +  -  U D ∆t p/ U D (t) > U w (t)
 τ1 
τ1 τ 2 




 U w (t + ∆t) =  1 - ∆t  U w
p/ U D (t) < U w (t)



 τ2 
–
(15)
Se a tensão interferente Uint(t) não possui nenhum tipo de modulação, seu
envelope será uma tensão contínua e o receptor de EMI indicará o valor
eficaz da tensão Uint(t). Desta forma deve ser satisfeita a condição:
1
R 2D ×
R 2W
=
2
R1D + R 2D R1W + R 2W
∴
(16)
R 2D = 1  1 + τ 1 


2  τ 2 -τ1 
R1D + R 2D
4.2.2.4 Indicador eletromecânico do nível de interferência
Atualmente os receptores de EMI comerciais empregam tecnologia digital, com
recursos avançados e apresentação sofisticada dos resultados. No entanto, as
especificações técnicas que os receptores devem atender, tais como largura de banda e
constantes de tempo, continuam as mesmas que eram utilizadas para avaliar o grau de
perturbações nas comunicações militares, em uma época em que os recursos
tecnológicos não deixavam outra opção.
Como pode ser visto na Figura 33, a saída do indicador eletromecânico do valor
de quase-pico normalmente apresenta uma tensão contínua com um determinado ripple.
O valor tomado para a tensão UW(t) é o valor médio, dado pela seguinte
expressão:
U=
1
τm
τm
∫U
w
(t) dt
o
Onde τm é dado na Tabela 5.
64
(16)
Valor
de
pico
Resposta do
detector de
Quase-pico
Valor médio
do detector
de quase-pico
t
Figura 33 – Resposta de um indicador de quase-pico.
4.3
Meios para obter os dados para simulação.
Nos itens anteriores foram apresentados os circuitos que compõem um sistema
de medição de EMI conduzida. A partir deste ponto será descrito como a ferramenta
proposta neste trabalho simula o sistema completo de medição de EMI (Receptor de
EMI e Rede Artificial).
Os passos que serão seguidos para a apresentação desta ferramenta, serão
semelhantes aos que foram utilizados na apresentação dos circuitos que compõem o
sistema de medição, isto é, na seqüência natural de utilização.
Como para a operação da ferramenta proposta por este trabalho são necessários
os dados referentes ao sinal interferente, é necessário obter uma amostra da corrente de
entrada do equipamento a partir da qual a EMI conduzida será avaliada.
4.3.1
Os dados para simulação.
Os dados para processamento no software podem ser obtidos por captura da
forma de onda real através de um osciloscópio digital e uma ponteira sensora de
corrente. Além desta forma de obter dados, foi acrescentada ao software a possibilidade
de simular a corrente de entrada dos principais conversores utilizados como préreguladores de fator de potência utilizando a metodologia de projeto descrita por Albach
[4] e Dos Reis [5].
65
Estes circuitos simulam a corrente de entrada com base em dados que são
fornecidos pelo usuário, como a tensão de entrada e a potência do conversor.
4.3.2
Ensaio para aquisição de dados reais da corrente em um equipamento.
Os dados de um equipamento submetido a um ensaio de EMI conduzida através
da ferramenta proposta devem ser obtidos com o auxílio de uma ponteira de corrente
juntamente com um osciloscópio digital. Os dados da corrente de um período deverão
ser gravados em disco flexível, opção comum nos atuais osciloscópios digitais.
Os dados gravados no disquete devem estar em formato de planilha, para que
possam ser recuperados pelo software, que reconhece os dados automaticamente.
Na prática a captura dos dados é executada através do ensaio que é realizado da
seguinte forma:
–
Inicialmente os condutores de entrada do equipamento devem estar
acessíveis, isto é, deve ser possível conectar a ponteira de corrente em
qualquer um dos dois condutores de forma independente;
–
Recomenda-se construir um dispositivo de adaptação que separe os
condutores, obedecendo a padronização internacional de cores para a
isolação dos condutores em equipamentos, citada por exemplo na Norma
IEC 60601-1[8] e na Norma IEC 60950[9]. Esta padronização está resumida
na Tabela 6;
CONDUTOR COR UTILIZADA NA ISOLAÇÃO DE CONDUTORES
Terra
Verde ou verde e amarelo
Neutro
Azul
Fase
Qualquer outra cor exceto as cores azul, verde ou verde e amarelo
Tabela 6 – Padronização de cores para isolação de condutores em equipamentos.
–
Coloca-se a ponteira de corrente em um dos condutores de alimentação e no
osciloscópio;
–
O equipamento em ensaio deve ser posicionado na situação mais próxima do
modo normal de utilização;
66
–
Ajustar o osciloscópio para enquadrar um período da freqüência de rede de
alimentação, ou seja 60Hz;
–
A amostra de corrente é congelada e transferida para um disco flexível num
arquivo de pontos em formato de tabela;
–
Desta forma os dados reais de um ensaio estarão prontos para serem
processados através da ferramenta proposta.
4.3.3
Dados obtidos através de simulação.
Como já foi citado anteriormente, outra forma de obter-se os dados relativos a
corrente de entrada seria por simulação dos conversores utilizados como préreguladores de fator de potência.
Estes circuitos simulam a corrente de entrada com base em dados que são
fornecidos pelo usuário, como a tensão de entrada, tensão de saída, freqüência de
operação e a potência do conversor.
A grande vantagem de poder simular os conversores está no fato de possibilitar o
estudo do comportamento destes circuitos frente a EMI conduzida, antes da construção
de um protótipo.
Os conversores fornecidos no software como opções de simulação de dados para
avaliação da EMI conduzida são topologias clássicas operando como PFP [5]. Estas
topologias são:
–
Elevador;
–
Redutor;
–
Sepic;
–
Zeta;
–
Redutor-elevador.
Para demonstrar o processo de simulação da corrente de entrada dos
conversores, os componentes que compõem o circuito, de forma geral serão
considerados como ideais.
O estudo será feito com o conversor Elevador, cujo circuito está apresentado na
Figura 34. Na seqüência serão apresentadas as etapas de funcionamento pertinentes a
este circuito, que possibilitarão o equacionamento da corrente de entrada.
67
A primeira etapa de funcionamento inicia-se quando o transistor entra em
condução e a corrente ig (t) cresce linearmente.
Nesta etapa o diodo D está bloqueado e a tensão sobre o diodo é a própria tensão
de saída (V) e a corrente de entrada é descrita pela equação (17).
v g (t) = L
d i g (t)
dt
∴
i g (t) =
v g (t) (t - t 1i )
+ i g ( t 1i )
L
(17)
Onde, t1i é o instante de tempo inicial.
Ig
Id
L
+
D
+
+
Vg
C
Ve
-
R
V
-
-
Figura 34 – Conversor Elevador.
A Segunda etapa de funcionamento inicia quando o transistor entra em bloqueio
e o diodo D é diretamente polarizado.
Nesta etapa a tensão sobre o transistor é igual a tensão de saída e a corrente
sobre o diodo é igual a corrente de entrada ig (t) que é representada pela equação (18).
i g (t) = i d (t) =
( v g (t) - V )
(t - t 2i ) + i g ( t 2i )
L
Onde, t2i caracteriza o instante de tempo onde o transistor é bloqueado.
68
(18)
Como a corrente ig (t2i) representa a corrente no instante em que o transistor é
bloqueado, então substituindo-se a equação (17) na equação (18), a corrente na segunda
etapa de funcionamento do conversor fica:
i g (t) = i d (t) =
( v g (t) - V )
v g (t) ( t 2i - t 1i )
(t - t 2i ) +
+ i g ( t 1i )
L
L
(19)
A terceira e última etapa inicia quando o diodo D entra em bloqueio, ocorrendo
quando a corrente id(t) se anula, caracterizando o modo de condução descontínuo que
pode ser observado na Figura 35, bem as etapas descritas anteriormente.
i
i
g
g
máx
t cond
t bloq
T
Figura 35 – Etapas da corrente em um período de alta freqüência.
Com as etapas de funcionamento bem caracterizadas, é possível obter os
coeficientes an e bn., e conhecer o espectro harmônico da corrente de entrada ig (t).
Aplicando as equações das etapas do conversor na equação (3) obtém-se an, que está
apresentado na equação (20) e aplicando as mesmas equações da corrente do conversor
na equação (4) obtém-se bn, que está apresentado na equação (21).
69
2
an =
nωτ


V
v g ( t 1i )
(
)
+
( t 3i - t 1i ) + ( t 2i - t 3i )
i
t
g
1i

L
L


I
∑ ( sen nω t
3i
i=1
 v g ( t 1i ) - V 
- i g ( t 1i ) sen nω t 1i + 
 cos nω t 3i
 nω L 
-
bn =
V
v g ( t 1i )
cos nω t 1i +
cos nω t 2i )
nω L
nω L
2
nωτ
I
∑ ( - cos nω t
3i
i=1


V
v g ( t 1i )
 i g ( t 1i ) + L ( t 3i - t 1i ) + L ( t 2i - t 3i ) 


 v g ( t 1i ) - V 
+ i g ( t 1i ) cos nω t 1i + 
 sen nω t 3i
 nωL 
-
(20)
(21)
V
v g ( t 1i )
sen nω t 1i +
sen nω t 2i )
nωL
nωL
Nas equações (20) e (21), observa-se que a variável L é fundamental para que
seja possível obter os harmônicos. O valor de L depende do modo de condução que será
utilizado, assim para o modo de condução contínua do Conversor Elevador será
utilizada a equação (22).
L=
2
VgT
2 Pδmx
(22)
Onde: Vg é a tensão de entrada;
T é o período de comutação em alta freqüência;
P é a potência do conversor;
δmáx, mostrado na equação (23), é a relação entre o ripple de corrente (∆i) e a corrente
média de entrada (igmed(t)), que é obtida através da equação (24):
 ∆i 

δ max = 

(t)
i
 g med 
i g med (t) =
1
T
(23)
t 4i
∫i
g
t 1i
70
(t) dt
(24)
Para garantir a operação do Conversor Elevador em modo contínuo, (δmáx) deverá ser
inferior a dois:
(25)
δ má x < 2
Os demais conversores básicos como o Redutor que está na Figura 36, o Zeta na Figura
37, o Sepic na Figura 38 e conversor Redutor-elevador na Figura 39, foram bem
detalhados por Dos Reis [5], seguindo basicamente o mesmo princípio apresentado para
obter-se o espectro harmônico para o conversor Elevador.
Ig
L
+
Id
+
Vg
+
C
D
Ve
R
V
-
-
-
Figura 36- Conversor Redutor.
+
+
Ig
L2
C1
Id
Vg
Ve
D
L1
-
C2
+
R
V
-
-
Figura 37 – Conversor Zeta.
71
Ig
+
+
Id
L1
C1
D
+
Vg
R
C2
L2
Ve
V
-
-
-
Figura 38 – Conversor Sepic.
Id
Ig
+
D
-
+
Vg
C
Ve
R
L
-
V
+
-
Figura 39 – Conversor Redutor-elevador
4.4
O funcionamento do software.
O software foi desenvolvido na linguagem de programação Pascal, com auxílio
da Ferramenta de Desenvolvimento Delphi Enterprise e bibliografia específica [20],
para possibilitar a construção da ferramenta proposta de forma mais amigável.
72
O software inicializa com uma tela geral que pode ser vista na Figura 40, onde o
usuário possui dois caminhos a seguir para simular a EMI conduzida:
–
Importar dados externos, isto é, os dados obtidos através de um osciloscópio,
cujo procedimento foi citado anteriormente;
–
Escolher um dos conversores disponibilizados pela ferramenta.
Quando o usuário opta por simular um dos conversores apresentados, basta
seleciona-lo clicando na aba do menu de fichas.
Ao selecionar o conversor, a janela apresenta campos com valores sugeridos,
que poderão ser alterados pelo usuário, dentro de faixas pré-estabelecidas. Além de
poder alterar e fornecer os dados de entrada e de saída para o conversor desejado, o
usuário pode escolher a freqüência e o modo de condução em que o conversor operará.
Os valores dos campos que forem alterados ou aceitos serão processados quando
for clicado no ícone “OK”, apresentando uma outra tela com a configuração e os valores
que o programa utilizará. Esta segunda tela é de confirmação, apresentada na Figura 41,
a qual possibilita ao usuário retornar quando algum dos dados visualizados não estiver
correto, basta clicar no ícone “Retornar” e corrigi-lo.
Figura 40 – Tela principal do software.
73
Se o usuário estiver de acordo com a configuração basta clicar no ícone
“Calcular harmônicos”. Neste ponto o programa calcula os harmônicos da corrente de
entrada do conversor selecionado, utilizando as equações pertinentes ao conversor, cujo
processo para obtenção foi apresentado anteriormente através do conversor Elevador.
Figura 41 – Tela de confirmação de configuração.
Após alguns segundos de processamento, que dependem da velocidade do
microcomputador utilizado, o usuário poderá visualizar a forma de onda da corrente
simulada, escolhendo na aba “f(t)” do menu de fichas.
Quando o programa sinalizar a conclusão do cálculo dos harmônicos, os dados
estarão prontos para serem simulados. O usuário deverá mover o mouse para o menu
superior e clicar no item “Simular” , escolher a opção “EMI” e na seqüência selecionar
entre a banda A ou banda B. Se for escolhida a opção “Banda B”, o usuário deverá optar
pela “Faixa 1” ou pela “Faixa 2”. Ver detalhe na Figura 42.
As bandas e faixas estão melhor explicadas na seqüência:
–
A “Banda A” é a opção para o cálculo da EMI Conduzida na faixa de
freqüências que inicia em 9 kHz e estende-se até 150 kHz;
74
–
A “Banda B” é a opção para o cálculo da EMI Conduzida cuja faixa de
freqüências inicia em 150 kHz e estende-se até 1000 kHz;
–
A “Faixa 1” é a opção para o cálculo da EMI Conduzida em uma subdivisão
da “Banda B”, abrangendo a faixa de freqüências que inicia em 150 kHz e
estende-se até 500 kHz;
–
A “Faixa 2” é a opção para o cálculo da EMI Conduzida em uma subdivisão
da “Banda B”, abrangendo a faixa de freqüências que inicia em 500 kHz e
estende-se até 1000 kHz;
Figura 42 – Detalhe das opções para simulação da EMI Conduzida.
Se o usuário desejar obter o resultado das três faixas de freqüência em uma única
janela, basta selecionar as faixas na seqüência, isto é, acionar o processamento da
segunda faixa após o término do processamento da primeira faixa e acionar a terceira
faixa após o término da segunda faixa.
Após a escolha da faixa de freqüência desejada pelo usuário, confirmado com
um clique sobre ela, o programa inicia o processamento da EMI Conduzida, exibindo o
gráfico a medida que a interferência é calculada, Figura 43.
Observa-se que na tela de apresentação gráfica aparecem três figuras, das quais,
uma representa a EMI Conduzida gerada pelo equipamento em ensaio e as outras duas
representam o limite de interferência permitido pela Norma Alemã VDE 0871, para
equipamentos de classe A e B.
75
Figura 43 – Tela gráfica com o resultado da EMI Conduzida.
O processamento da EMI Conduzida é uma das etapas mais importantes do
programa, cuja descrição com partes das rotinas e subrotinas está apresentada nos
próximos itens:
–
Quando a rotina principal do programa recebe o comando de processar a
EMI Conduzida, uma subrotina é acionada para tal processamento;
–
A subrotina responsável pelo cálculo da EMI Conduzida é apresentada a
seguir:
...
: Subrotina para calcular EMI
Procedure Calcula_emi;
Conduzida;
: Início da subrotina;
Begin
Inicializar_Var;
: Inicializa variáveis;
While
: Laço principal;
(Num_armonico <= Num_arm_max)
: Condição para executar o
processamento;
do
begin
: Início;
76
Calcula_UN;
: Calcula tensão interferente;
Calculo_Final;
: Simula interface de saída;
Num_armonico := Num_armonico + incremento;
: Fim do laço principal;
end;
end;
–
Incrementa harmônico;
: Fim da subrotina.
Após a inicialização das variáveis, a subrotina que calcula a EMI Conduzida
aciona o cálculo da tensão interferente;
–
A subrotina “Calcula_UN”, primeiramente seleciona o harmônico de
referência.
–
A partir do harmônico de referência, são escolhidos os outros harmônicos
filtrados de acordo com especificação da largura de banda indicada na
Tabela 1.
–
Os coeficientes X1, X2 e X3 são utilizados para simular a Rede Artificial, os
quais são multiplicados com os harmônicos e então colocados nos vetores
“UN_Real[ki]” e “UN_Imag[ki] “ ;
–
Estes dois vetores contém apenas os coeficientes que correspondem aos
harmônicos em estudo, dois quais será extraída a tensão interferente, através
da transformada inversa de Fourier “ifft(Amostras, UN_Real, UN_Imag,
Itt_Out, Imag_Out)”;
–
O subrotina utilizada para execução da Transformada de Fourier,
transformada direta e inversa, é de domínio público, obtida na Rede Mundial
de Computadores, no endereço: http://www.intersrv.com/~dcross/fft.html;
...
Procedure Calcula_UN;
: Calcula tensão interferente;
Begin
: Início;
m := 1;
ki := Trunc(Num_armonico-Ko);
: Referência para harmônico;
While (m <= (2*ko)) do
: Simulação da rede artificial;
Begin
X1 := ki*WLN;
X2 := (ki*ki*WLN2R)+RDR;
X3 := (ki*ki*WLN2R2)+DRR2;
77
: Variável para transformada
UN_Real[ki] :=(X2/X3)*An[ki]+
rápida inversa de Fourier;
(X1/X3)*Bn[ki];
UN_Imag[ki] := -(X1/X3)*An[ki]+
(X2/X3)*Bn[ki];
: Variável para transformada
rápida inversa de Fourier;
ki := ki + 1;
m := m + 1;
end;
m := 1;
: Chamada para a subrotina
ifft(Amostras, UN_Real, UN_Imag,
da Transformada inversa
Itt_Out, Imag_Out);
rápida de Fourier;
While (i <= (amostras-1)) do
Begin
: Tensão interferente filtrada;
UN[i] := Itt_Out[i];
Calcula_Demodulador;
Simulação do demodulador
Calcula_incremento;
Incremento de tempo;
i := i + 1;
: Simula medidor de quase-
Calcula_quase-pico;
pico;
end;
end;
–
A tensão interferente armazenada no vetor “UN[i]” é aplicada ponto a ponto
na subrotina que simula o circuito demodulador, “Calcula_Demodulador” e
no circuito medidor de quase-pico “Calcula_quase-pico”, onde é acumulado
o somatório da tensão “UW” na variável “integral” ;
...
Procedure Calcula_Demodulador;
: Simula
begin
o
demodulador.
UD := UDk * Exp(-((TT-tk)/TALd));
if(UN[i] >= UCD)then
begin
UD := R12D * UN[i];
UDk := UD;
tk := TT;
78
circuito
end
else
begin
UD := R12D * UCD;
UDk := UD;
tk := TT;
end;
UCD := UD/R12D;
end;
–
Após todos os pontos do vetor da tensão interferente serem processados, o
software passa para a subrotina “Calculo_Final”, onde o valor da
interferência é obtido em dB/µV.
...
: Calcula o incremento de
Procedure Calcula_Incremento;
tempo utilizado.
begin
dT := (1.0/Varial1.Fr_fft)/amostras;
TT := TT + dT;
end;
...
Procedure Calcula_quase-pico;
: Simula o circuito medidor
begin
de quase-pico;
UWA := UW;
UW := ((dT*((1.0/TAL1)- (1.0/TAL2)))*UD)+
(UWA*(1.0-(dT/TAL1)));
UWI := UW;
if (UD < UWA) Then
UW := UWA * (1-(dt/TAL2));
if (UD < UWI) Then
UW := UWA * (1-(dt/TAL2));
Integral := Integral + UW;
: Armazena
end;
tensão UW;
79
somatório
da
...
: Calcula a tensão interferente
Procedure Calculo_Final;
begin
em db/µV.
Fq[j]:= Num_armonico * Fr_fft;
Integral := Fr_fft * dT * Integral;
: Integra a tensão interferente.
dB[j] :=20 * log10(Integral*1000000.0);
: Transforma em db/µV.
j := j + 1;
end;
–
Quando a subrotina “Calculo_Final” é concluída, significa que um
harmônico selecionado foi processado;
–
No menu de configurações, a variável “erro” pode ser ajustada para uma
menor ou maior aproximação do valor real da simulação, além de possibilitar
o aumento do incremento do número dos harmônicos, possibilitando uma
simulação de menor precisão e mais rápida;
–
O tempo de processamento depende da variável “erro”, pois se a precisão
desejada for muito grande, o número de iterações que serão realizadas nas
rotinas que simulam os circuitos demodulador e o detector de quase-pico
serão muitas;
–
A subrotina “Calcula_UN” incrementa a variável “Num_armonico”,
deslocando a janela do filtro em mais um harmônico;
–
O processo é repetido até que a variável “Num_armonico” seja igual ao
número máximo de harmônicos desejados;
–
4.5
O resultado da simulação é apresentado a medida que é calculado.
Resumo.
Neste capítulo foram apresentados os equipamentos e circuitos que fazem parte
do sistema de medição de EMI Conduzida A Rede Artificial e o Receptor de EMI foram
tratados a nível de modelamento matemático com detalhamento dos circuitos e atapas,
levando em conta os aspectos necessários para o processo de simulação.
Após o estudo dos modelos foram apresentados os meios para a obtenção dos
dados necessários para a simulação e o funcionamento da ferramenta proposta por este
trabalho.
80
5
5.1
COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DA FERRAMENTA PROPOSTA.
Introdução.
Este capítulo é dedicado a comprovação experimental da ferramenta
desenvolvida para a realização de ensaios de EMI Conduzida de baixo custo, destinados
para a pré-conformidade.
Os ensaios práticos para a comprovação da ferramenta proposta foram realizados
no LABELO (Laboratório Especializado em Eletro-eletrônica), pertencente a PUCRS,
credenciado pelo INMETRO para calibração de instrumentos de medição e para ensaios
em equipamentos eletro-eletrônicos. O LABELO possui ambiente com temperatura e
umidade controladas e os instrumentos rastreados aos padrões do INMETRO.
Os resultados obtidos com a ferramenta proposta serão comparados com os
resultados de ensaios executados em um sistema montado de acordo com a Norma
CISPR 16-2 [7], com equipamentos especificados pela Norma CISPR 16-1 [6].
O processo de validação da ferramenta proposta será composto pelas seguintes
etapas:
–
Levantamento da interferência básica do local de ensaio;
–
Comparação de resultados de um sinal conhecido;
–
Comprovação através de ensaio de um Conversor Elevador;
Para possibilitar a comprovação, além de dispor do Analisador de Espectro do
LABELO, foi necessário construir uma Rede Artificial, que é uma aportação deste
trabalho. A construção desta Rede Artificial será apresentada detalhadamente no final
deste capítulo, juntamente os resultados de sua validação.
5.2
Levantamento da interferência básica do local de ensaio.
Antes de iniciar o ensaio em uma amostra, deve-se verificar o nível de ruído no
local de ensaio. Esta verificação é feita com auxílio do Analisador de Espectro, que esta
apresentado na Figura 44, da Rede Artificial, cujo construção esta detalhada no final
deste capítulo e de uma carga resistiva com potência aproximadamente igual a do
equipamento que será ensaiado. Neste trabalho foi utilizada uma lâmpada para
verificação. Nos resultados da Figura 45, pode-se observar que o ambiente possui
interferência, cujo valor mais alto está em torno de 55 dB/µV, mas está abaixo dos
81
valores permitidos pela Norma. Tal interferência está na faixa de freqüências mais
baixas, provenientes de harmônicos de baixa freqüência presentes no sistema da rede de
alimentação. Este resultado indica que é possível realizar ensaios neste local.
Figura 44 – Analisador de Espectro para ensaios de EMC.
Figura 45 – Validação do ambiente de ensaio.
82
5.3
Comparação de resultados de um sinal conhecido.
Após a validação do ambiente de ensaio, cujo processo foi apresentado no item
anterior, são iniciados os ensaios de validação da ferramenta desenvolvida neste
trabalho.
Inicialmente um gerador sinais com uma freqüência em torno de 21 kHz foi
conectado à Rede Artificial que já estava devidamente conectada ao Analisador de
Espectro (específico para ensaios de EMC). Neste caso a Rede Artificial funcionou
como carga do gerador de sinais e o resultado obtido no Analisador de Espectro está na
Figura 46. O espectro de freqüências analisado foi limitado entre 9 kHz e 45 kHz. As
configurações do detetor de EMI do Analisador de Espectro e disposição da Rede
Artificial foram mantidas como se fossem para um ensaio de EMI conduzida normal.
Figura 46 – Medição de um sinal conhecido com um medidor de EMI.
Após a realização da medição com o Analisador de Espectro, o sinal do gerador
foi capturado com o auxílio do osciloscópio e transferido para a ferramenta proposta,
onde o sinal obtido foi simulado nas condições e configurações necessárias para um
83
ensaio de pré-conformidade. O resultado obtido na simulação está apresentado na
Figura 47 e a comparação entre os resultados apresentados na Tabela 7 comprovam a
equivalência entre Analisador de Espectro e a ferramenta proposta.
Figura 47 – Medição de um sinal conhecido com a ferramenta proposta.
MÉTODO
RESULTADO
NORMA
FERRAMENTA PROPOSTA
76,8 dB/µV
77 dB/µV
Tabela 7 – Comparação entre Analisador de Espectro e a Ferramenta proposta.
5.4
5.4.1
Comprovação através de ensaio de um Conversor Elevador.
Ensaio no Laboratório.
Utilizando o processo de ensaio descrito anteriormente para validação do
ambiente, a lâmpada de ensaio foi substituída por uma montagem didática de um
Conversor Elevador. O Conversor Elevador, cuja montagem pode ser vista na Figura
84
48, foi alimentado pela Rede Artificial, cuja saída foi ligada ao Analisador de Espectro e
que foi configurado para analisar a faixa de freqüências entre 9 kHz e 150 kHz, de
acordo com os dados da Tabela 4 e da Tabela 5 (especificações estabelecidas pela
Norma CISPR 16-1 [6]).
Figura 48 – Conversor elevador e ponteira de corrente.
O resultado do ensaio realizado no Conversor Elevador está na Figura 49.
Figura 49 – Ensaio do Conversor Elevador.
85
5.4.2
Ensaio utilizando a ferramenta proposta.
Após o término do ensaio com os equipamentos exigidos pela Norma IEC
CISPR 16-1, o Conversor Elevador foi ligado nas mesmas condições e com o auxílio da
ponteira de corrente ligada ao osciloscópio. Foi obtida uma amostra da corrente de
entrada do Conversor em ensaio. A amostra de corrente foi simulada na ferramenta
proposta e o resultado obtido para a EMI conduzida está apresentado na Figura 50.
Figura 50 – EMI obtida na ferramenta proposta para o Conversor Elevador.
5.4.3
Simulação do Conversor Elevador através da ferramenta proposta.
A corrente de entrada do Conversor Elevador também foi simulada em módulo
específico acrescentado à ferramenta para torná-la, não somente útil para a realização de
ensaios, mas também para a realização de projetos.
Os resultados da EMI Conduzida gerada pelo Conversor simulado estão
apresentados na Figura 51.
86
Figura 51 – EMI obtida a partir da corrente Conversor Elevador simulado.
5.4.4
Comparação entre os resultados obtidos.
A comprovação experimental da ferramenta proposta mais uma vez fica
evidente, principalmente se for observado a comparação estabelecida na Tabela 8 para
os resultados obtidos.
INTERFERÊNCIA CONDUZIDA GERADA POR UM
CONVERSOR ELEVADOR (dB/µ
µV)
FREQÜÊNCIA
(kHz)
MÉTODO DA
FERRAMENTA
SIMULAÇÃO DO
NORMA
PROPOSTA
CONVERSOR
30
115,2
113,2
113,9
60
116,4
115,5
113,3
90
111,6
111,2
110,6
120
109,3
109,3
105,4
150
-
103,4
95,8
Tabela 8 – EMI Real e obtida por simulação para Conversor Elevador.
87
5.5
Construção de uma Rede Artificial.
A Rede Artificial, cuja construção será apresentada, é do tipo simétrica
comutável, isto é, o usuário poderá utiliza-la para realiza medições tanto na fase como
no neutro, apenas trocando de posição uma chave. O exemplo apresentado possui como
principal característica uma impedância de 50 Ω em paralelo com um indutor de 50 µH
associado em série com uma resistência de 5 Ω.
O esquema desta Rede Artificial foi apresentado na Figura 18 do capítulo 3,
onde foi mostrado suas características e aplicação. Os componentes necessários para a
construção da Rede Artificial estão listados na Tabela 9.
COMPONENTE
VALOR
R1
5Ω
R2
10 Ω
R3
1 000 Ω
R4
50 Ω
R5
50 Ω (impedância de entrada do instrumento de medição)
C1
8 µF
C2
4 µF
C3
0,25 µF
L1
50 µF
L2
250 µF
Tabela 9 – Lista de componentes para a Rede Artificial.
A impedância da Rede Artificial é definida pelos componentes: L1, C1, R1, R4 e
R5. E os componentes L2, C2 e R2 provém isolação de espúrios da rede de alimentação,
sendo opcional, quando rede de alimentação do local de medição for adequada.
Para os capacitores de maior valor foram adquiridos capacitores para corrente
alternada utilizados em motores, atendendo as necessidades com baixo custo.
88
5.5.1
A construção do indutor.
O indutor L1 consiste de uma bobina com 35 espiras, formando uma única
camada com fio esmaltado, cujo diâmetro é de 6 mm. O passo da bobina é de 8 mm,
enrolado em um núcleo de material isolante com 130mm ou 5 polegadas.
O diâmetro do fio é de dimensão considerável para minimizar a componente
resistiva do indutor. Entretanto, na bobina construída foi utilizado um fio com 4 mm de
diâmetro, pois a corrente dos equipamentos que serão ensaiados é inferior a 5 A.
O núcleo foi construído com cano de PVC comercial de 150 mm com um
comprimento de 280 mm. A redução do diâmetro foi conseguida com um corte
longitudinal, retirando uma faixa de 63 mm. Internamente foi colocado um tubo de PVC
de 75 mm de diâmetro e o espaço entre o cano externo e o interno foi preenchido com
poliuretano expandido para dar rigidez mecânica, Figura 52.
Figura 52 – Detalhe da montagem do indutor L1.
O controle do passo do enrolamento do indutor foi feito colocando-se uma
“linha de pesca” de aproximadamente 4 mm de diâmetro entre cada espira.
89
Para suprimir ressonâncias internas no indutor, resistores de 430 Ω ± 10 % são
conectados entre as espiras: 4 e 8, 12 e 16, 20 e 24, 26 e 32 conforme Figura 53 e
detalhe na Figura 54.
Figura 53 – Esquema de colocação dos resistores no indutor.
Figura 54 – Detalhe da colocação dos resistores.
Para o conseguir o resistor de 430 Ω, que não é comercial, foram associados em
paralelo 1 resistor de 470 Ω com 1 resistor de 4700 Ω.
A fixação dos resistores à bobina foi feita raspando-se o esmalte do fio nas
espiras indicadas pelo esquema da Figura 53. Após a soldagem foi aplicado cola térmica
para fornecer estabilidade mecânica destes componentes.
90
5.5.2
O gabinete.
O indutor e os outros componentes da Rede Artificial devem ser montados em
um gabinete metálico. Quando for necessário, a base e laterais pode ser perfuradas para
permitir a dissipação de calor. As dimensões sugeridas pela Norma são 360 x 300 x 180
mm, Figura 55. Na prática foi utilizado um gabinete de microcomputador, com
dimensões de 380 x 320 x 180 mm, mostrado na Figura 56.
Conector para o
equipamento de medição
Tomada de alimentação para
o equipamento em ensaio
Figura 55 – Gabinete sugerido pela Norma.
Figura 56 – Rede Artificial montada em gabinete de microcomputador.
91
5.5.3
A validação da Rede Artificial.
A Norma determina que a Rede Artificial tenha uma impedância com
comportamento equivalente ao apresentado na Figura 57, com uma tolerância de ±20 %.
A tolerância máxima é de ± 20 %
Impedância
Rede Artificial
50 µH
50 Ω
5Ω
Impedância do
circuito equivalente
50 Ω // ( 50µH + 5Ω )
Fre.
kHz
Imp.
Ω
10
5,4
20
7,3
80
21
150
33
300
43
800
49
10000
50
Freqüência em MHz
Figura 57 – Impedância da Rede Artificial de acordo com a Norma.
A validação da Rede Artificial montada, foi realizada com o auxílio de um
gerador de sinais e um instrumento de medição de nível de sinais, além de uma
terminação padrão de 50 Ω. O esquema da validação está na Figura 58.
Gerador
de sinais
Terminação
de 50 ohms
Rede
Artificial
Medidor
de
sinais
Figura 58 – Esquema de montagem da validação da Rede Artificial.
92
Para executar a validação o gerador de sinais foi ajustado para a freqüência de 9
kHz e foi medida a atenuação causada pela Rede Artificial. O processo foi repetido para
outras freqüências, avaliando-se a faixa de freqüência em que o equipamento será
utilizado. Com os resultados obtidos foi montado o gráfico da Figura 59.
VALIDAÇÃO DA REDE ARTIFICIAL
70
60
Norma
Fase
Neutro
Zmin
Zmax
Ohms
50
40
30
20
10
0
10
1 00
FR E QÜ Ê N C IA ( kHz )
1 000
Figura 59 – Comprovação da Rede Artificial construída.
Os resultados obtidos para a Rede Artificial, demonstram que a impedância está
fora dos valores especificados pela Norma para as freqüências inferiores a 20 kHz. Estes
resultados não inviabilizam a sua utilização, pois os equipamentos que serão ensaiados
operam em freqüências superiores a 20 kHz, onde a Rede Artificial atende
perfeitamente bem.
5.6
Resumo.
O principal ponto deste capítulo foi a comprovação prática da ferramenta
proposta, realizada por meio de comparação direta entre os resultados obtidos para a
EMI em um ensaio real e a EMI obtida por simulação dos equipamentos de ensaio
(Receptor de EMI e Rede Artificial).
Para que o ensaio real pudesse ser realizado foi necessário a construção da Rede
Artificial, cujos detalhes estão minuciosamente apresentados no final deste capítulo,
93
bem como a sua validação, para o qual foram utilizados equipamentos calibrados pelo
INMETRO.
Os resultados foram apresentados graficamente e em tabela para comparação
dos valores. Tais resultados reforçam as comprovações feitas por Albach [4] e por Dos
Reis [5] e indiscutivelmente demonstram a viabilidade da ferramenta para ensaios de
pré-conformidade.
94
6
6.1
CONCLUSÕES DO TRABALHO.
Introdução.
A coexistência de todos os tipos de equipamentos de telecomunicações, que
utilizam o espectro eletromagnético para transportar informações, criou um problema
conhecido como Compatibilidade Eletromagnética (EMC), cuja solução de tal problema
resulta em um compromisso, onde os serviços de telecomunicações devem tolerar um
certo grau de interferência. Porém as emissões interferentes geradas por diversor
equipamentos, não podem ultrapassar um certo nível, envolvendo assim medidas para
limitar ou suprimir a energia interferente.
A necessidade de encontrar uma solução que ponderasse entre um nível de
interferência tolerável e um custo praticável, deu origem a várias Normas que
estabeleceram níveis toleráveis de EMI nas últimas décadas. Tais Normas foram
elaboradas por comissões, como o Comitê Internacional Especialista em Perturbações
Radioelétricas (CISPR).
As soluções encontradas para os serviços de telecomunicações também se
encaixam aos equipamentos eletrônicos, os quais são mais susceptíveis às interferências
externas, bem como também interferem em um determinado meio.
O fenômeno da EMC cresce cada vez mais, tanto pela invasão de produtos
eletrônicos na vida diária, como devido a diminuição da imunidade dos equipamentos
modernos que utilizam gabinetes plásticos e microprocessadores.
Quanto aos aparelhos eletrônicos, além de susceptíveis, também são potenciais
geradores de EMI, principalmente EMI conduzida, cujo meio de propagação é dá-se
através da rede elétrica.
A Comunidade Européia deu o primeiro passo para o reconhecimento da
necessidade de medidas relativas a EMC e ao mesmo tempo eliminar as barreiras
protecionistas para o comércio através de uma diretiva em 1989.
Quando um produto precisa atender às exigências de uma Norma ou Diretiva no
que se refere a EMC, terá que ser levado a um laboratório para executar os ensaios, que
são de alto custo e existem poucos laboratórios capacitados. Se o produto não estiver
conforme, os ensaios terão que ser repetidos, após adequações para atender a Norma.
Pelo fato de os ensaios terem que ser repetidos inúmeras vezes, já que o processo
de adequação é baseado na tentativa e erro e ainda devido ao elevado custo de
95
montagem de um laboratório de ensaios de EMC, justifica-se plenamente o
desenvolvimento da ferramenta apresentada neste trabalho.
6.2
As Normas.
Dentre as principais Normas citadas no segundo capítulo deste trabalho estão:
–
a Norma IEC/CISPR 16-1 que especifica os equipamentos de medição que
devem ser utilizados nos ensaios;
–
a Norma IEC/CISPR 16-2 na qual estão os métodos de ensaio para EMC;
–
a Norma IEC/CISPR 11 que trata de limites e métodos de medição para
distúrbios eletromagnéticos em equipamentos eletromédicos;
–
e muitas outras Normas que apresentam limites específicos para
determinados equipamentos de acordo com a aplicação e o ambiente de
utilização.
Atualmente as Normas do Comitê CISPR são referências para Normas que são
harmonizadas por outros países.
6.3
A ferramenta proposta.
A ferramenta computacional desenvolvida no presente trabalho permite a
determinação da EMI conduzida de modo diferencial, de forma simples e a um custo
muito reduzido, executada em ambiente PC, amigável, com algoritmo otimizado, com
tempo de execução relativamente pequeno se levarmos em conta os cálculos envolvidos,
capaz de analisar o desempenho relativo a EMI gerada por um produto antes que este
seja enviado a um laboratório credenciado, útil tanto na indústria como na pesquisa,
implicando na economia de tempo e dinheiro, para projetos, aperfeiçoamento e busca de
qualidade. Está ferramenta é capaz de capturar dados obtidos através de osciloscópio
digital ou processar dados obtidos em simulações executados pelo próprio programa,
fornecendo uma saída gráfica dos resultados obtidos, ou seja dos níveis de EMI
conduzida, (em dB/µV), segundo a norma internacional IEC CISPR 16 [6]. O resultado
obtido é equivalente ao de um ensaio de EMI Conduzida, considerando que esse
resultado será indicativo e associado a ele teremos um grau de incerteza.
96
O modelo proposto por Albach [4] para simular os instrumentos de medida
especificados pela norma CISPR 16 [6], apresenta as características essenciais que os
equipamentos devem possuir.
Este modelo foi uma das ferramentas utilizadas neste trabalho, juntamente com a
FFT. Assim podemos resumir o medidor de EMI nas seguintes etapas:
– Tratamento da corrente de entrada utilizando a FFT para obter o espectro
deste sinal no domínio freqüência;
– Determinação da tensão interferente para cada banda a partir do espectro de
freqüências;
– Demodulação da tensão interferente;
– Circuito Detector de quase-pico aplicado na tensão interferente demodulada.
Os resultados da Tabela 8, demonstram claramente a viabilidade da ferramenta
para ensaios de EMI conduzida destinado para pré-conformidade.
6.4
Limitações.
A principal limitação da ferramenta proposta está na aquisição de dados através
do osciloscópio, pois estes só armazenam blocos de dados com 10.000 pontos
6.5
6.5.1
Sugestões para outros trabalhos.
Susceptibilidade.
Construir uma fonte geradora de interferências, que podem ser obtidas a partir de
níveis de distúrbios pré-determinados com o auxílio da FFT inversa e um conversor
D/A, com o objetivo de avaliar a susceptibilidade de equipamentos às interferências
conduzidas.
6.5.2
Analisador de espectro de baixo custo.
Construir um dispositivo para aquisição de dados, com taxa de amostragem
compatível com as necessidades de análise de sinais desejados e tempo de amostragem
mais longos, isto é, superiores a 10.000 pontos.
97
7
[1]
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
WILLIAMS, TIM., EMC for product designers. 2 ed. Great Britain : Newnes,
1996.
[2]
IEC 61000-1-1,
Electromagnetic compatibility (EMC) – Application and
interpretation of fundamental definitions and terms, 1 ed., Apr. 1992.
[3]
REDE METROLÓGICA RS, Certificação de produtos: guia prático. 1 ed.
Porto Alegre, Metrópole, 2000.
[4]
ALBACH, M., “Conducted Interference Voltage of ac-dc converters”, IEEE
Power Electronics Specialist Conference, pp. 203 - 212, 1986.
[5]
DOS REIS, F. S., 1995, Estudio y Criterios de Minimizacion y Evaluacion de
las
Interferencias Eletromagneticas conducidas en los convertidores ca –
cc. Tese de D.Sc., Universidade Politécnica de Madri, Espanha.
[6]
IEC CISPR 16-1,
Specification for radio disturbance and immunity
measuring apparatus and methods – Part 1: Radio disturbance and
immunity measuring apparatus, 2 ed., Oct.1999.
[7]
IEC CISPR 16-2,
Specification for radio disturbance and immunity
measuring apparatus and methods – Part 2: Methods of measurement of
disturbances and immunity, 1.1 ed., Aug.1999.
[8]
NBR IEC 601-1, Segurança de aparelhos eletromédicos – Parte 1, 1 ed, 1995.
[9]
IEC 60950, Safety for apparatus of information tecnology
[10] NBR-IEC/CISPR 11, Limites e métodos de medição de características de
perturbação
eletromagnética
em
radiofreqüência
de
equipamentos
industriais, científicos e médicos, 1 ed, Ago.1995.
[11] DOS REIS, F. S., BACCO, A., MAGNUS, E. F., et al., “Reator eletrônico para
lâmpadas fluorecentes com corrente quase senoidal e alto fator de potência”, VI
Congreso Internacional de Ingenieria Electronica, Electrica y de Sistemas INTERCON 99, pp 156-159, AGOSTO 16 - 20, 1999 Lima-Peru.
[12] DOS REIS, F. S., SEBASTIÁN, J. and UCEDA, J., 1995, “Determination of
Power Factor Preregulators Conducted EMI“, EPE 95, pp. 259-264, 1995.
[13] Ataide, M. V. and Pomílio, J. A.: "Single-phase Shunt Active Filter: Output Filter
and Control Loop Design Procedures Considering EMC Standarts": COPEB 97,
pp. 676-681.
98
[14] Capelli,
A.,
2000,
“EMI–Electromagnetic
Interference”,
Revista
Saber
Eletrônica, n. 333 (Out), pp. 10-14.
[15] IEC CISPR 14, Limits and methods of measurement of radio disturbance
characteristics of electric motor-operated and thermal appliances for
household and similar purpouses, electric tools and electric apparatus, 3 ed amendment 1, Aug.1996.
[16] IEC CISPR 22, Limits and methods of measurement of radio interference
characteristics of information technology equipment, amendment 1, Aug.2000.
[17] CARLSON, A. BRUCE. Communication Systems. Tokio : McGraw-Hill, 1975.
[18] SCHWARTZ, MISCHA. Transmissão de Informação, Modulação e Ruído. 2
ed. Rio de Janeiro : Guanabara Dois, 1979.
[19] HAMMING, R. W., Numerical Methods for Scientists and Engeneers, 2 ed,
New York : Dover, 1986.
[20] SWAN, TOM, Delphi 4: bíblia do programador; tradução Adriana Kramer . –
São Paulo : Berkeley Brasil, 1999.
99
ANEXO 1
SíMBOLOS
an
Coeficiente da série de Fourier.
bn
Coeficiente da série de Fourier.
Cp
Capacitância parasita.
β
Grau de descontinuidade.
δ
Ripple relativo.
∆i
Ripple de corrente.
δmáx
Valor máximo de δ.
f
Freqüência de comutação.
fmáx
Freqüência máxima de operação.
fmín
Freqüência mínima de operação.
fo
Freqüência de medição.
fred
Freqüência da rede de alimentação.
i
Corrente de saída.
id
Corrente no diodo.
ig
Corrente de entrada.
Ig int
Corrente interferente.
ig máx
Corrente máxima de entrada.
ig med
Valor médio da corrente de entrada em um período de
comutação.
n
Ordem dos harmônicos.
nT
Relação de transformação entre o secundário e o primário
do transformador.
ω
Oscilação da rede.
P
Potência do conversor.
P
Potência do conversor.
Pnom
Potência nominal.
R
Resistência de carga.
Rp
Resistência parasita.
t
Tempo.
T
Período de comutação.
100
Tbloq
Tempo em que o transistor está bloqueado.
τ
Período da rede de alimentação.
tcond
Tempo de condução do transistor.
Uint
Tensão interferente.
Unom
EMI nominal em volts.
V
Tensão de saída.
vc
Tensão no capacitor C.
vd
Tensão no diodo.
ve
Tensão de entrada.
Vg
Valor máximo da tensão de entrada.
vg
Tensão de entrada.
Vg nom
Tensão máxima de entrada nominal.
101