Guia Calidad 6-1-2 Puesta a Tierra - Compatibilidad Electromagnetica

Guía de Calidad de la Energía Eléctrica

Puesta a tierra  y Compatibilidad  Electromagnética

6.1.2 

Fundamentos de la Compatibilidad  Electromagnética Electromag nética (EMC)

P   u  e   s   t    a  a  t    i    e   r   r   a  & E  M  C 

Puesta a tierra y Compatibilidad  Electromagnética Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) Prof Dr rer rer nat Wolfgang Langguth Hochschule für Technik und Wirtschaft Mayo 2006

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de la Energía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por la Comisión Europea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Para más información sobre LPQI, visite LPQI,  visite www.lpqi.org www.lpqi.org..

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Puesta a tierra y Compatibilidad Electromagnética Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) Introducción En el pasado, la mayoría de los aparatos utilizados en las instalaciones eléctricas de los edificios convencionales eran cargas lineales (motores de corriente alterna o continua, cargas resistivas, lámparas de filamento, etc.), que generaban ninguna o pocas interferencias entre los diferentes equipos. Actualmente muchas de las cargas utilizadas son no-lineales (motores de corriente alterna accionados por inversores, lámparas de descarga, lámparas de bajo consumo, etc). Estos dispositivos producen un ruido de banda estrecha (debido a que se conmutan a frecuencia fijas superiores a 9 kHz), que puede extenderse por toda la red. Habitualmente este tipo de interferencia conducida se produce en las fuentes de alimentación de modo conmutado (que operan en el rango de 10 kHz a 100 kHz). Al mismo tiempo se puede observar un aumento en el uso de sistemas digitales, tales como equipos informáticos para la gestión de instalaciones técnicas y para sistemas de automatización de procesos industriales, aplicaciones multimedia y para usos comerciales. Por una parte, los sistemas de alimentación de energía se hacen cada vez más potentes, lo cual puede generar interferencias electromagnéticas (EMI); por otra parte las redes digitales están expandiéndose, haciéndose más sensibles, funcionando a velocidades de transferencia de datos cada vez mayores y se utilizan cada vez más para tareas relacionadas con la seguridad. Este desarrollo exige, por tanto, instalaciones eléctricas de alta calidad en todos los edificios en los que la falta de compatibilidad electromagnética pudiera provocar elevados costes o una disminución inaceptable de los niveles de seguridad. Básicamente todos los componentes eléctricos conductores de los edificios y de las instalaciones desempeñan algún papel en la interferencia electromagnética, sea como productores (transmisores de EMI) o como consumidores (receptores de EMI). Además de los conductores eléctricos están las tuberías metálicas, las barras de refuerzo del hormigón, las fachadas de metal y los elementos estructurales de acero, que también pueden formar parte de la instalación en lo que respecta a EMC y trasmitir las interferencias electromagnéticas. Con frecuencia aparecen instalaciones que pueden actuar simultáneamente como productoras y como consumidoras. En general los diversos sistemas pueden comprender: ◆

Líneas de suministro eléctrico.

◆

Dispositivos de medición y control.

◆

Dispositivos de alarma.

◆

Instalaciones informáticas, incluidas las redes.

Una instalación inadecuada, combinada con una instalación TN-C, permite que las señales de ruido se propaguen por todo el edificio y que, incluso, lleguen a afectar a otros edificios situados en las inmediaciones de la instalación. La Comunidad Europea ha tomado conciencia de la creciente importancia que presenta la Compatibilidad Electromagnética. Según la directiva de EMC de la Unión Europea 89/336/EEC (modificada por las directivas 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC y 93/97/EEC), cualquier instalación eléctrica de un edificio debe respetar también las normas internacionales de EMC sobre susceptibilidad y emisión. La persona o personas responsables del diseño, realización técnica y construcción (montaje y edificación) se convierten en ‘fabricantes’ según la directiva y asumen la total responsabilidad sobre el cumplimiento por la instalación de todos los requisitos de esta directiva cuando el edificio sea puesto en servicio. Para incorporar a un edificio una instalación eléctrica, segura en términos de EMC, fiable y económica, es absolutamente necesario llevar a cabo un análisis de EMC y desarrollar un plan de EMC desde la fase inicial de planificación del proyecto. Para ello es necesario que todas las instalaciones eléctricas sean supervisadas  y ejecutadas por personal adiestrado en la EMC. El propósito de este capítulo es proporcionar una visión general y facilitar un conocimiento básico de los principales principios físicos de las interferencias electromagnéticas y ofrecer una introducción a los

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) principios de la atenuación de los efectos perturbadores. De este modo se conseguirán comprender fácilmente las medidas necesarias para conseguir una instalación que satisfaga las normas de la EMC.

Los campos como fuente fundamental de las interferencias electromagnéticas La compatibilidad electromagnética (EMC) describe la capacidad de una máquina, aparato o sistema eléctrico o electrónico de funcionar sin problemas en un entorno electromagnético perturbador sin perjudicar, a su vez, el funcionamiento de otros componentes del sistema. Las fuentes fundamentales de cualquier interferencia electromagnética (EMI) son los campos y corrientes básicos de la electrodinámica. A bajas frecuencias los campos eléctricos y magnéticos actúan independientemente, mientras que a altas frecuencias sólo es de importancia el campo electromagnético que se propaga. En baja, media y alta frecuencia los campos electromagnéticos los generan las corrientes y las cargas eléctricas. En baja frecuencia los campos eléctricos y magnéticos tienen un alcance relativamente corto, ya que su intensidad decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente, por lo que se concentran en las proximidades de las líneas conductoras que transportan alguna corriente o están en tensión. Como en una instalación eléctrica el campo eléctrico es proporcional a la tensión, sólo será suficientemente fuerte para provocar efectos EMI a cierta distancia en las proximidades de las instalaciones de alta tensión. No obstante, en la mayoría de las instalaciones los campos eléctricos no desempeñan un papel importante. Sin embargo, a distancias cortas, como es el caso de cables que discurren juntos por canalizaciones comunes, se debe tener en cuenta el campo eléctrico como posible fuente de EMI. El campo magnético es proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica. En muchos sistemas de suministro de energía las corrientes pueden alcanzar valores bastante elevados, de forma que los campos magnéticos pueden ser fuertes y el riesgo de que se produzcan efectos de EMI es grande. Esto es particularmente previsible en una instalación de tipo TN-C. Debido a la combinación del conductor neutro (N) y el conductor de protección (PE) de la toma de tierra en un conductor PEN, y las consecuentes conexiones a otras partes conductoras del edificio, las corrientes pueden alcanzar cualquier zona de éste y  los campos magnéticos resultantes pueden producir efectos EMI casi en cualquier parte. Dado que parte de la corriente de retorno del neutro fluye por partes metálicas ajenas, la suma de corrientes en la red TNC propiamente dicha está desequilibrada y el campo magnético neto de la red se incrementa en varios órdenes de magnitud. Los terminales informáticos del tipo de tubos de rayos catódicos se perturban fácilmente (parpadeo de la pantalla) por la presencia de campos magnéticos del orden de 1,5 mT. Un campo como éste puede proceder de una línea eléctrica única que transporte una corriente de 10A a 50 Hz y que se encuentre a una distancia de 1.3 metros. Los terminales informáticos de este tipo de tubos de mayores dimensiones (>17 pulgadas) son aún más sensibles a los campos magnéticos externos. Si las corrientes de la línea eléctrica tienen componentes de frecuencia mayores, los campos magnéticos tendrán unos efectos aún más pronunciados.  A altas frecuencias los campos eléctricos y magnéticos se combinan para constituir un campo electromagnético, que viaja por el espacio a la velocidad de la luz. Consecuentemente se pueden producir perturbaciones a distancias mucho mayores. Fuentes típicas de estos campos electromagnéticos son actualmente los emisores de radar, de radio y de TV, los teléfonos móviles, los teléfonos DECT, las redes inalámbricas (WLAN), las conexiones Bluetooth© y las instalaciones industriales que trabajan en el rango de frecuencias de las microondas. Sin embargo, también los cables eléctricos puede actuar como antenas y propagar cualquier señal de alta frecuencia que esté presente en la red de forma intencionada (p. ej. comunicaciones por línea eléctrica) o inadvertida (p. ej. regímenes transitorios rápidos). Para inmunizar las instalaciones eléctricas contra los campos electromagnéticos se debe realizar un cuidadoso estudio, diseño e instalación de las medidas de apantallamiento.

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) Tipos de acoplamientos electromagnéticos Modelo elemental de acoplamiento de EMI Para describir el mecanismo de una interferencia electromagnética lo más fácil es empezar con un modelo muy sencillo. Consiste en una fuente que produce la interferencia, un mecanismo o medio de acoplamiento y el dispositivo perturbado.

Fuente de perturbaciones electromagnéticas (EM)

Mecanismo de acoplamiento

Drenaje de la perturbación EM

Figura 1 - Modelo elemental de acoplamiento de EMI 

Ejemplos de fuentes de perturbaciones son, como se ha mencionado anteriormente, las líneas de los sistemas de distribución eléctrica, las antenas de los sistemas LAN inalámbricos, etc. El acoplamiento se produce a través de la corriente si conductores comunes a diferentes circuitos son afectados por campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos. Los dispositivos perturbadores pueden ser aparatos de cualquier tipo o cualquier parte de la instalación eléctrica. Naturalmente, la interacción electromagnética completa de todas las instalaciones de un edificio o instalación es una combinación muy compleja de estas interacciones elementales. Además, cualquier dispositivo consumidor puede actuar también como fuente de EMI, y viceversa. Durante la fase de planificación de una instalación nueva o remodelada se debe elaborar un cuadro en el que se incluyan todas las fuentes, rutas de acoplamiento y posibles elementos perturbadores. Con la ayuda de este cuadro, se estimará la posible intensidad de las interferencias mutuas para determinar qué perturbaciones EMI pueden producirse y cuáles pueden ser importantes. Sólo sobre la base de un cuadro de interacción de las EMI se pueden planificar desde el inicio aquellas contramedidas que aseguren una puesta en servicio rápida y económica. Se pueden distinguir cuatro tipos diferentes de interferencias electromagnéticas (EMI) elementales: ◆

 Acoplamiento impedante

◆

 Acoplamiento inductivo

◆

 Acoplamiento capacitivo

◆

 Acoplamiento por radiación

Las propiedades físicas básicas de los diferentes métodos de acoplamiento se resumen en la tabla siguiente: Fuente

Dominio de frecuencia

Acoplamiento

Alcance

Receptores

Campo eléctrico

Baja frecuencia

Capacitivo

Corto

Cables de a.t. y b.

Campo magnético

Baja frecuencia

Inductivo

Corto

Cables de a. y b.t.

Campo electromagnético

Alta frecuencia

Por radiación

Largo

Cables de a. y b.t.

Tabla 1 - Propiedades elementales de los tipos de acoplamiento de interferencias electromagnéticas (EMI)

Los fenómenos perturbadores preponderantes en los edificios se deben al acoplamiento inductivo, seguido del capacitivo y del impedante. En general, el acoplamiento por radiación no ha sido importante hasta ahora, ya que las intensidades de los campos EM presentes normalmente están muy por debajo de los valores límite requeridos para las pruebas de susceptibilidad de la directiva de EMC de la UE. No obstante, el uso cada vez más frecuente de dispositivos inalámbricos puede, en el futuro, llegar a producir un aumento de los fenómenos de EMI debidos a esta fuente.

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC)  Acoplamiento por impedancia El acoplamiento galvánico se produce cuando diferentes circuitos utilizan líneas comunes y/o impedancias de acoplamiento. Esto puede suceder, por ejemplo, cuando circuitos diferentes utilizan la misma fuente de tensión. El principio subyacente del acoplamiento por impedancia se puede ver fácilmente en la Figura 2. El circuito I puede formar parte de una red de suministro eléctrico y el circuito II puede ser parte de una red de transferencia de datos. La tensión uc  se superpone a la señal u 2  debido a la impedancia del acoplamiento común  Z c = R c + j ␻ Lc . Para valores pequeños de Z c Ӷ Z i  + Z L viene dada por: Figura 2 - Acoplamiento impedante 

(1) Si la corriente i 1  y/o la impedancia de acoplamiento Z c  son bastante grandes, la tensión superpuesta, uk , puede ser lo suficientemente grande, comparada con la señal u 2 , para perturbar el circuito de datos.   Rc + j ␻L   c  . La impedancia de la línea compartida está formada por las componentes resistiva e inductiva, Z c ( ␻ )= Mientras que la parte resistiva del acoplamiento es del mismo valor para todas las frecuencias (despreciando el efecto pelicular), la parte inductiva es de una importancia creciente con las altas frecuencias. Para explicarlo brevemente nos fijaremos en el modelo siguiente: Figura 3 - Modelo simplificado de un acoplamiento impedante 

Unidad 1

Unidad 2

La tensión perturbadora udist , desarrollada a través de Z c , se superpone a la señal de la unidad 2 y depende de la corriente i(t) y también de su variación con respecto al tiempo di(t)/dt . En un modelo simplificado la tensión perturbadora puede estimarse por medio de: (2) Si escogemos unos parámetros realistas para nuestro modelo: (longitud de la línea l=2 m, autoinductancia Lc =1␮H/m, resistencia Rc =1⍀ , corriente i=1A  y una variación de corriente en el tiempo di/dt=1A/100 ns ), obtenemos las siguientes contribuciones para el acoplamiento galvánico:

(3)

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC)  A altas frecuencias la autoinducción de las líneas desempeña claramente un papel preponderante. Esto sigue siendo cierto incluso si se hubiera tenido en cuenta el aumento de la resistencia aparente de la línea debida al efecto pelicular, que no es despreciable para regímenes transitorios rápidos y señales digitales. De acuerdo con las leyes de Kirchhoff, las señales perturbadoras pueden propagarse por la instalación de todo un edificio e incluso llega a afectar a instalaciones de complejos vecinos. Para reducir al mínimo el acoplamiento galvánico será necesario evitar las conexiones entre sistemas independientes y, en los casos en que sean necesarias, mantener su autoinductancia tan baja como sea posible. Generalmente el desacoplamiento galvánico de circuitos de alimentación eléctrica se puede conseguir más fácilmente cuando se utiliza un esquema TN-S en lugar del esquema TN-C.

 Acoplamiento Inductivo Una corriente externa que varía con el tiempo i 1(t ) genera un campo magnético B(t), que induce una tensión perturbadora udist(t) en un circuito próximo. En un circuito equivalente esto se puede describir como un acoplamiento de ambos circuitos a través de una inductancia de acoplamiento M. La tensión udist (t) genera una corriente común i  2 (t) que, a su vez, genera por sí misma un campo magnético para debilitar el campo externo. La corriente i  2 (t) se superpone a las corrientes del sistema perturbado y puede introducir anomalías en el sistema. El acoplamiento de los campos magnéticos de los diferentes sistemas puede representarse por un circuito equivalente por medio de inductancias mutuas de los circuitos acoplados (Figura 4). a)

b)

Figura 4 - Acoplamiento inductivo a) modelo del campo, b) circuito equivalente 

La relevancia del acoplamiento depende principalmente de tres parámetros: ◆

la intensidad de la corriente perturbadora

◆

la distancia entre la fuente y el receptor

◆

la frecuencia del campo perturbador

La señal perturbadora se hace grande y significativa si: ◆

las corrientes de los circuitos exteriores son grandes

◆

las corrientes de una línea con ida y retorno están desequilibradas (como ocurre en una red TN-C)

◆

los circuitos están muy próximos y cubren un área grande

◆

las señales del circuito externo varían rápidamente en el tiempo y por tanto tienen un contenido de alta frecuencia

Sin embargo, el acoplamiento inductivo también puede ser útil para controlar una perturbación. Si la instalación de bandejas de cables y de cables coaxiales se hace correctamente (es decir, se conectan adecuadamente con conexiones cortas de una baja impedancia incluso a altas frecuencias), esto facilita el

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) apantallamiento de los cables (a través del acoplamiento inductivo) contra campos magnéticos externos, especialmente a altas frecuencias.

Dependencia geométrica del acoplamiento inductivo La sensibilidad de un acoplamiento inductivo con respecto al tipo de red eléctrica y a la geometría de la instalación se puede demostrar por medio del ejemplo siguiente. Las conclusiones son importantes para las instalaciones con compatibilidad EMC. Consideremos dos circuitos, una línea unifilar y una línea bifilar con ida y su retorno, y calculemos la influencia de ambos sistemas sobre un circuito representado por medio de una malla rectangular situado a una distancia r . Se puede calcular exactamente el campo magnético de cada configuración: donde 

(4)

El campo magnético es proporcional a la corriente i(t). Sin embargo, mientras que el campo de la línea unifilar decrece de forma inversamente proporcional a la distancia, el campo de una línea con ida y retorno decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Esto significa una dependencia del acoplamiento inductivo con la distancia radicalmente distinta para cada modelo de red. Este comportamiento del campo magnético y del acoplamiento inductivo por unidad de longitud se muestra en la Figura 6. Se ha escogido una corriente i(t) de 1A y una distancia a = 1,5 mm. a)

b)

Línea de conductor único o incluyendo ida y retorno

Circuito eléctrico perturbado

Flujo magnético

Figura 5 - a) Una línea unifilar y una línea con retorno, como generadoras de un campo magnético, b) un circuito eléctrico receptor de interferencias 

El campo magnético de la línea con ida y retorno equilibrados es dos órdenes de magnitud menor y decae más rápidamente que el de una línea unifilar. Lo mismo puede decirse de la inductancia de acoplamiento. La dependencia de la inductancia de acoplamiento con la superficie del bucle rectangular es bastante similar a la representada en la Figura 6b. Este ejemplo nos proporciona el conocimiento más elemental de algunas “reglas de oro” de una instalación eléctrica con compatibilidad EMC: ◆ ◆

Mantener la superficie de cualquier instalación eléctrica tan pequeña como sea posible.  Alejarse todo lo posible de las líneas con corrientes elevadas.

◆

Separar las líneas de energía de las líneas de datos.

◆

Utilizar sólo redes del tipo TN-S.

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) a)

b)

Línea unifilar Línea unifilar

Línea bifilar con retorno

Línea bifilar con retorno

Figura 6 - a) campo magnético de una línea unifilar y de una línea con retorno b) acoplamiento inductivo por unidad de longitud de un bucle con una línea unifilar o bifilar  con ida y retorno

Sólo los esquemas de distribución TN-S son adecuados para la EMC. En los esquemas TN-C pueden aparecer corrientes desequilibradas, por lo que una red TN-C genera el mismo campo magnético que una línea unifilar que transportara la corriente desequilibrada. Para una misma geometría de la instalación la corriente desequilibrada genera un campo magnético al menos dos órdenes de magnitud mayor que el de una red TN-S.

Dependencia del acoplamiento inductivo con la frecuencia El comportamiento del acoplamiento inductivo respecto a la frecuencia proporciona un valioso conocimiento sobre cómo se puede realizar una instalación eléctrica para conseguir una protección óptima contra las perturbaciones externas de alta frecuencia. Una vez más consideramos un modelo idealizado experimental similar al representado en la Figura 5b. La Figura 7 muestra el circuito equivalente de un pequeño bucle de autoinductancia L 2  y resistencia R 2  que está influida por una línea externa que transporta una corriente i 1(t ) y cuya inductancia de acoplamiento es M .

Figura 7 - Circuito equivalente para un acoplamiento inductivo    j ␻ t,  la función de transferencia Si consideramos corrientes de una frecuencia determinada ␻ , i 1,2  (t) = i 1,2 ( ␻ )e  de la corriente perturbadora i 1 ( ␻ )   y la corriente inducida i  2  ( ␻ )  , se puede calcular exactamente para un modelo sencillo, obteniéndose la función de transferencia de la Ecuación 5:

(5) Para comprender lo que significa esta fórmula en una instalación real, consideremos un bucle cerrado de una longitud l  = 0,3 m y una anchura de ␻  = 0,1 m, situada a una distancia d  = 2 mm de la línea que transporta la corriente perturbadora. Como valor de la resistencia interna tomamos R 2  = 50  ⍀. En este ejemplo se pueden calcular la autoinductancia y la inductancia mutua, que son L 2  = 0.9 ␮H y  M  = 0.2 ␮H.   i 1 ( ␻ )  se muestra en la La magnitud de la corriente perturbadora por unidad de la corriente externa i  2 ( ␻ )/ Figura 8 siguiente.

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC)

␻

Figura 8 - Estudio del caso de la función de transferencia de la corriente 

La corriente perturbadora i  2  aumenta con la corriente externa i 1  y con su frecuencia. A frecuencias bajas aumenta de forma proporcional a ␻ , mientras que a frecuencias altas i 2  alcanza su valor de saturación. Este valor de saturación está limitado por la relación  M/L 2 . Para reducir al mínimo los efectos de la EMI (interferencia magnética), una instalación con compatibilidad EMC deberá reducir al mínimo la inductancia muta M  y aumentar al máximo la autoinductancia L 2  del circuito acoplado. Como las perturbaciones rápidas tienen mayor contenido de altas frecuencias elevadas, generan mayor perturbación. Esto puede verse en la Figura 9, donde se muestra la corriente perturbadora calculada resultante de una corriente de forma de onda trapezoidal, que representa una señal digital. i2(t)

i(t) i1(t)

i2(t)

t F loop( i2 ) =

M R2 R2 + sL2

2

i1 , s = jw , j = -1

t

Figura 9 - Acoplamiento inductivo de unas corrientes trapezoidales, lenta y rápida

En la Figura 9 se puede ver que la corriente perturbadora alcanza más del 10% de la amplitud de la corriente externa lenta y más del 15% de la amplitud de la rápida. Estos elevados valores son consecuencia de los reducidos tiempos de conexión de las señales digitales. Altos valores similares se pueden presentar en cualquier proceso de conmutación electrónica, como en los reguladores de control de ángulo de desfase. La conmutación del regulador se puede representar como el comienzo de la señal trapezoidal. La contribución del resto de la señal de 50 Hz es despreciable. Hasta ahora hemos considerado el bucle cerrado como un receptor de interferencia electromagnética. En este caso deben optimizarse sus propiedades eléctricas para reducir al mínimo la corriente perturbadora i  2 (t). La propiedad de las corrientes inducidas i  2 (t) de generar un campo magnético que debilita el campo externo, también puede utilizarse para apantallar sistemas internos eléctricos o electrónicos sensibles. En este caso los parámetros eléctricos del bucle cerrado se deben escoger de forma que se optimice la corriente que genera el contra-campo i  2 (t) y se reduzca al mínimo el flujo magnético neto a través del bucle cerrado. Ejemplos prácticos de esta aplicación son las pantallas conductoras de cualquier cable apantallado, las

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) bandejas de cables, las almas de los cables no utilizados, etc. El flujo magnético neto a través de la superficie de nuestro bucle cerrado se puede calcular como: (6) Puede observarse que el flujo magnético neto se reduce al mínimo para valores pequeños de R 2 . Las propiedades de apantallamiento de nuestro modelo de bucle de cortocircuito, para diversos valores de R 2  se muestran en la Figura 10. ⌽

bucle

Figura 10 - Eficacia del apantallamiento de un bucle en cortocircuito para distintos valores  de la resistencia R 2 

La eficacia del apantallamiento aumenta drásticamente según disminuye la resistencia del bucle en cortocircuito. Aquí se muestra para valores de R 2  = ϱ, 500, 50, 5 ⍀. De este resultado se deducen importantes reglas para las instalaciones en edificios. Todas las conexiones de los sistemas de apantallamiento, tales como conductos de cables, canales, armarios de cableado, etc., deben ser de baja resistencia a altas frecuencias. Debido al efecto pelicular, la resistencia de un conductor aumenta con la frecuencia de la señal. Por lo tanto, se debe elegir la geometría de los conductores de forma que se reduzca al mínimo su resistencia aparente a altas frecuencias. La geometría de conductor óptima es la de una tira plana, tanto maciza como trenzada, en la que el área de la superficie es grande y el espesor es pequeño. No son los más adecuados los conductores normales de sección circular. Naturalmente un bucle de cortocircuito sólo funciona eficazmente como dispositivo de apantallamiento si la corriente protectora puede fluir y no hay desconexión en el bucle cortocircuitado. Los apantallamientos deben estar conectados a tierra en ambos extremos para permitir el flujo de la corriente de apantallamiento sin interrupciones.

 Acoplamiento capacitivo La variación en el tiempo del campo eléctrico de un sistema externo genera en el sistema perturbado cargas que varían con el tiempo. El flujo del desplazamiento de las corrientes se puede representar con un circuito equivalente a las corrientes parásitas, constituido por condensadores que enlazan los dos sistemas y generan las tensiones perturbadoras.

9

Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) a)

b)

Figura 11 - Acoplamiento capacitivo a) modelo del campo, b) circuito equivalente 

De forma similar al caso del acoplamiento inductivo, el acoplamiento capacitivo se hace mayor si: ◆

Los dos circuitos se encuentran muy próximos.

◆

La diferencia de tensión entre los dos circuitos es grande.

◆

Las señales del circuito externo varían rápidamente en el tiempo y por lo tanto poseen un elevado contenido de alta frecuencia.

Como ejemplo, se pueden considerar los cables del circuito de una fuente de alimentación y del circuito de una red de área local, que están muy próximos y paralelos entre sí en un tramo de 10 metros sobre una bandeja de cables. Si la corriente que circula por el cable de fuerza tiene una forma puramente senoidal a 50 Hz y 230 V, la señal perturbadora en el cable de datos alcanza una amplitud de 10 V, lo cual podría ser aceptable. Sin embargo, si la corriente que circula por el cable de energía tiene componentes de alta frecuencia, generados por cargas no lineales, la señal perturbadora en el cable de datos puede alcanzar una amplitud de más de 90 V, lo cual sí podría provocar un bajo rendimiento y el mal funcionamiento de la red de área local. Si los requisitos del cableado y del apantallamiento se planifican adecuadamente, y la instalación se realiza con cuidado, se pueden evitar este tipo de perturbaciones, o al menos se pueden reducir a un nivel tolerable. Para abordar los aspectos más importantes del acoplamiento capacitivo, consideraremos de nuevo un modelo elemental, que pueda ser resuelto analíticamente. El modelo consiste en dos circuitos que, por simplicidad, utilizan una línea de retorno común. En la figura siguiente se muestra el circuito equivalente del sistema.

Figura 12 - Acoplamiento capacitivo para un modelo de tres líneas 

Las líneas a y c forman parte del sistema externo, las líneas b y c lo son del sistema perturbado. Si consideramos    j ␻t  ,  para este modelo sencillo se puede que las tensiones presentan una frecuencia definida ␻ , u1,2  (t) = u1,2 ( ␻ )e  calcular exactamente la relación entre la tensión perturbadora u1␻  y la tensión acoplada u 2 ␻ :

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC)

(7)

Como valores de los parámetros del modelo tomaremos R 2 =1k ⍀,  C ab= C cb=100 pF , que son valores razonables para cables paralelos de un diámetro de 1 mm, situados a una distancia de 5 mm a lo largo de una longitud de 10 m, y una tensión externa u1= 220 V . En la Figura 13 se muestra el comportamiento de u 2  dependiendo de la frecuencia y de la tensión capacitiva acoplada u1.

Figura 13 - Dependencia de la frecuencia de un acoplamiento capacitivo

El comportamiento de un acoplamiento capacitivo es muy similar al del acoplamiento inductivo. A bajas frecuencias la tensión perturbadora u 2  aumenta linealmente con la frecuencia de la señal perturbadora y  alcanza un valor de saturación a altas frecuencias. De nuevo, las señales perturbadoras rápidas que contienen componentes de alta frecuencia influyen de forma predominante sobre el circuito perturbado. La Figura 14 muestra la tensión acoplada de una onda senoidal de 220 V a 50 Hz y un regulador de control de ángulo de desfase. a)

u1(t) = 220sin(100␲t)*[10-4]

u(t)

u2(t)

t

b)

u(t) u2(t)

u1(t) = 220sin(100␲t)⌰(t-10-5)*[10-2]

t

Figura 14 - Señales capacitivas acopladas para a) una onda senoidal de 50 Hz, b) un regulador de control de ángulo de desfase 

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) La onda senoidal produce una señal perturbadora senoidal con una amplitud de unos 7 mV, que en la mayoría de los casos se puede despreciar. En cambio, el proceso de conmutación del regulador produce un pico de tensión de 110 V. El acoplamiento capacitivo se puede reducir mediante la utilización de cables apantallados. En la figura siguiente se muestra un esquema de un par de cables apantallados.

S1 S2

C13

C34

C24

Figura 15 - Acoplamiento capacitivo de dos cables apantallados 

Las pantallas conductoras S 1  y  S  2  están conectados a un único punto del sistema. La dependencia de la frecuencia de la tensión perturbada u 2  es la misma que se indicaba en la Ecuación 7, pero donde: C ab debe sustituirse por

y C bc  por C 34.

La tensión máxima, que puede acoplarse asciende a , lo cual muestra que una buena conexión capacitiva C 34 entre el conductor y el apantallamiento mejora la eficacia de la pantalla. En la figura siguiente se muestra la eficacia de un cable apantallado frente a un pulso transitorio rápido para varios acoplamientos capacitivos.

Figura 16 - Apantallamiento de un pulso súbito con pantallas de diferente  capacidad interna de acoplamiento

 Acoplamiento por radiación Los campos electromagnéticos viajan por el espacio a la velocidad de la luz c  = 2.998 x 108 m/s  y pueden afectar las instalaciones eléctricas situadas en su proximidad o en lugares alejados de la fuente. Fuentes típicas de campos electromagnéticos son los transmisores de radio o TV, los teléfonos móviles o muchos otros tipos de aplicaciones inalámbricas. Las partes de alta frecuencia de las señales rápidas o de regímenes transitorios rápidos (descargas electrostáticas, sobretensiones, ráfagas de destellos) también pueden provocar la irradiación de campos electromagnéticos por cables o por otras partes conductoras

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) de la instalación eléctrica y pueden causar perturbaciones en los sistemas eléctricos de otras partes del edificio. Si las perturbaciones en la red de suministro eléctrico o de datos contienen componentes de alta frecuencia, otros elementos de la instalación pueden actuar como antenas e irradiar los campos electromagnéticos. El dipolo hertziano puede servir como modelo elemental para estimar la magnitud de estos campos radiados. Todas las partes conductoras de una instalación eléctrica pueden servir como antenas, incluyendo: ◆ ◆ ◆

Cables

f [MHz]

 Aberturas y ranuras de cajas, cubículos, etc. Tiras impresas de regletas

Las aberturas y ranuras de las cajas de los equipos irradian perturbaciones hacia la zona circundante o hacia el interior del recinto, perturbando así a otros objetos del entorno y/o transmitiendo campos electromagnéticos desde el exterior a los sistemas.

␭

[m]

0.1

3000

1

300

10

30

100

3

1000

0.3

Tabla 2 - Algunos valores de  Como ejemplo podemos fijarnos en la descarga electrostática  frecuencias y sus correspondientes  de un cuerpo humano al entrar en contacto con una placa longitudes de onda metálica. El arco de la descarga electrostática no sólo transporta una corriente significativa, sino que también genera un campo electromagnético, que puede alcanzar fácilmente una magnitud de campo de 0,5 - 4 kV a distancias inferiores a 1 m. Estos campos electromagnéticos pueden perturbar un sistema eléctrico que se encuentre en un recinto inadecuado a través de las propiedades de antena de las ranuras.

Los elementos conductores como los cables y las ranuras comienzan a radiar cuando su dimensión lineal supera aproximadamente la mitad de la longitud de onda. La longitud de onda y la frecuencia f de una onda electromagnética están relacionadas entre sí y con la velocidad de la luz a través de la relación: ␭ = c / f . En la Tabla 2 se muestran algunos pares de valores típicos. En la práctica, los armarios no pueden estar completamente cerrados. Aberturas tales como puntos de entrada de cables, ranuras de ventilación y huecos alrededor de las puertas y tapas son inevitables. Estas aberturas reducen el apantallamiento efectivo de cualquier recinto. Se puede conseguir un nivel aceptable de apantallamiento construyendo de forma inteligente los envolventes. La magnitud de las pérdidas debidas a una discontinuidad en el apantallamiento depende principalmente de tres factores: ◆

de la máxima dimensión lineal de la abertura

◆

de la impedancia de la onda

◆

de la frecuencia de la fuente

Para ranuras de una longitud l = λ/2 la eficacia de un apantallamiento viene dada por: (8) La disminución de la longitud de la ranura en un factor 2 aumenta el apantallamiento en 6 dB. La Figura 17 muestra la eficacia de apantallamiento para varias frecuencias según la longitud de la ranura.

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) S [dB]

     e      g      n      a         R

l= 1 cm l= 5 cm l= 10 cm l= 50 cm l= 1 m

f

Figura 17 - Eficacia del apantallamiento de ranuras de distinta longitud en función de la frecuencia

En la práctica de las instalaciones, la longitud máxima de las ranuras debería ser menor que 1/20 de la longitud de onda para garantizar una eficacia de apantallamiento de al menos 20 dB. De la Ecuación 8 o de la Figura 17 se puede obtener la longitud de ranura máxima correspondiente a la eficacia de apantallamiento requerida.

Las Interferencias Electromagnéticas complejas en la práctica En el ámbito de las interferencias electromagnéticas, éstas se presentan como una compleja combinación de todos los tipos de acoplamientos elementales que hemos tratado en los apartados anteriores. Un ejemplo sencillo de un sistema de automatización (Figura 18) muestra que todos los acoplamientos son aplicables simultáneamente a un único sistema en contacto con su entorno. Un sistema individual está integrado en una red de otros sistemas y j untos forman un sistema complejo de interrelaciones mutuas de Interferencias Electromagnéticas. Para garantizar un funcionamiento correcto de todo el conjunto en el proceso de planificación de edificios tanto nuevos como reformados se debe elaborar y evaluar lo que hemos denominado cuadro de compatibilidad electromagnética (EMC). Campos electromagnéticos

Entrada o salida de cables de señalización

Sistema de automatización

Suministro de energía

Bus de cables de datos

Cables de toma de tierra

Figura 18 - Distintas vías de acoplamiento de un sistema de automatización

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) La directiva de Compatibilidad Electromagnética (EMC)  y su aplicación a las instalaciones de edificios Las directivas de la Unión Europea (UE) tienen por objeto asegurar que todos los productos fabricados o comercializados en la UE cumplen normas comunes y pueden ser comercializados en los Estados miembros sin necesidad de aplicar otras normativas adicionales. En el caso de la compatibilidad electromagnética (EMC), la directiva de la Unión Europea 89/336, modificada por las directivas 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC y  93/97/EEC, proporciona unas normas generales que garantizan la compatibilidad electromagnética de cualquier producto, restringiendo su nivel máximo de emisión y fijando la inmunidad mínima que debe presentar a las interferencias electromagnéticas (EMI) externas. El fabricante de cualquier producto transportable debe declarar la conformidad de dicho producto con las normas de la UE. El producto debe estar etiquetado con el distintivo CE para certificar al consumidor que cumple con los normas sobre EMC  y otras directivas. Por lo que respecta a las instalaciones eléctricas no son necesarias la declaración de conformidad y el distintivo CE, aunque sí se debe garantizar el cumplimiento de las normas de las directivas de la UE. Esta tarea corresponde a los responsables del diseño, ingeniería y construcción de las instalaciones eléctricas. Existen varios procedimientos para garantizar y verificar ese cumplimiento. El primero es utilizar módulos cualificados EMC, que serán instalados por personal especializado y adiestrado en las normas EMC. El segundo es emplear los módulos disponibles y después certificar que la instalación cumple las normativas EMC por medio de mediciones efectuadas por un laboratorio de EMC o por un organismo cualificado. En cualquier caso, el encargado del planeamiento del proyecto debe certificar el cumplimiento de las normas sobre EMC de la directivas de la Unión Europea por medio de la documentación correspondiente. Además el “fabricante” de la instalación debe proporcionar instrucciones claras para la operación y mantenimiento de los sistemas, según lo especificado en el Anexo III de la directiva de la UE. Estas instrucciones deben proporcionar información suficiente sobre las condiciones de uso previstas, y sobre la instalación, montaje, ajustes, puesta en servicio, uso y mantenimiento del sistema instalado. En los casos en que fuese necesario se deberán incluir advertencias sobre las limitaciones de uso pertinentes. La forma más segura de garantizar que la instalación eléctrica de un edificio cumple lo dispuesto en la normativa puede ser el cumplimiento de las siguientes reglas: ◆

Tener en cuenta la compatibilidad electromagnética desde el principio, utilizando, si es preciso, los servicios de un experto en EMC.

◆

Emplear solamente módulos y materiales con certificación EMC.

◆

Utilizar personal adiestrado en la normativa EMC para realizar los trabajos de instalación.

◆

Los trabajos de instalación deben ser supervisados por ingenieros expertos en EMC.

Dado que la compatibilidad electromagnética se ha introducido como materia en los cursos de formación hace relativamente poco tiempo, existe necesidad de una mayor formación sobre este tema.

Bibliografía G Durcansky: EMC Correct Design of Apparatus (in German), Francis, 1995. Electromagnetic Compatibility (EMC), Guide to the Application of Directive 89/336/EEC, European Communities 1997.  S Fassbinder: Disturbances of the Power Supply Network by Active and Passive Components (in German), VDE Verlag 2002.  J Goedbloed: Electromagnetic Compatibility (in German), Pflaum Verlag, 1990.  M Grapentin: EMC for the Installation of Buildings (in German), Verlag Technik, 2000. E Habiger: Electromagnetic Compatibility (in German), Hüthig, 1998. B Keiser: Principles of EMC, Artech House, 1987. VP Kodali: Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Press, 1996.

15

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Socios Fundadores* y de Referencia European Copper Institute* (ECI)

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid

LEM Instruments

www.eurocopper.org 

www.etsii.upm.es 

www.lem.com

Fluke Europe

MGE UPS Systems

www.agh.edu.pl 

www.fluke.com

www.mgeups.com

Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC)

Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

www.htw-saarland.de 

www.uni-magdeburg.de 

Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH

Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)

 Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)

www.citcea.upc.edu Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) www.ceiuni.it 

www.miedz.org.pl 

www.pih.be  Copper Benelux* www.copperbenelux.org 

International Union for Electricity Applications (UIE)

Università di Bergamo*  www.unibg.it

www.uie.org  Copper Development Association* (CDA UK)

ISR - Universidade de Coimbra

University of Bath

www.cda.org.uk 

www.isr.uc.pt 

www.bath.ac.uk 

Deutsches Kupferinstitut* (DKI)

Istituto Italiano del Rame* (IIR)

The University of Manchester 

www.kupferinstitut.de 

www.iir.it 

www.manchester.ac.uk 

Engineering Consulting & Design* (ECD)

Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven)

www.ecd.it 

 Wroclaw University of Technology* www.pwr.wroc.pl 

www.kuleuven.ac.be  EPRI Solutions Inc

Laborelec

www.epri.com/eprisolutions 

www.laborelec.com

Consejo Editorial David Chapman (Chief Editor)

CDA UK

[email protected]  

Prof Angelo Baggini

Università di Bergamo

[email protected]

Dr Araceli Hernández Bayo

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid

[email protected]

Prof Ronnie Belmans

UIE

[email protected]

Dr Franco Bua

ECD

[email protected]

Jean-Francois Christin

MGE UPS Systems

[email protected]

Prof Anibal de Almeida

ISR - Universidade de Coimbra

[email protected]

Hans De Keulenaer

ECI

[email protected]

Prof Jan Desmet

Hogeschool West-Vlaanderen

[email protected]

Dr ir Marcel Didden

Laborelec

[email protected]

Dr Johan Driesen

KU Leuven

[email protected]

Stefan Fassbinder

DKI

[email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka

Akademia Gorniczo-Hutnicza

[email protected]

Stephanie Horton

ERA Technology

[email protected]  

Dr Antoni Klajn

Wroclaw University of Technology

[email protected]

Kees Kokee

Fluke Europe BV

[email protected]

Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth

HTW

[email protected]

Prof Henryk Markiewicz

Wroclaw University of Technology

[email protected]

Carlo Masetti

CEI

[email protected]

Mark McGranaghan

EPRI Solutions

[email protected]

Dr Jovica Milanovic

The University of Manchester

[email protected]  

Dr Miles Redfern

University of Bath

[email protected]  

Dr ir Tom Sels

KU Leuven

[email protected]

Prof Dr-Ing Zbigniew Styczynski

Universität Magdeburg

[email protected]

 Andreas Sumper

CITCEA-UPC

[email protected]

Roman Targosz

PCPC

[email protected]

Dr Ahmed Zobaa

Cairo University

[email protected]

 

Hochschule für  Technik und Wirtschaft des Saarlandes University of Applied Sciences

EMC-Laboratory  Hochschule für Technik und Wirtschaft University of Applied Sciences Goebenstrasse. 40 D66 117 Saarbrücken Germany  Tel.: Fax:  Web:

0049 681 5867279 0049 681 5867302 www.htw-saarland.de

Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth

Princesa, 79 28008 Madrid Tel.: 91 544 84 51 Fax: 91 544 88 84 E-mail: [email protected]  Web: www.infocobre.org.es

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel.: Fax: E-mail:  Web:

00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected]  www.eurocopper.org