Navă cargo de 4500 TDW . Atenuarea perturbațiilor electromagnetice din rețeaua de distribuție a energiei electrice a navei. [308494]
ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN" FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ
PROIECT DE DIPLOMĂ
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Șef . lucr. Dr. Ing POPOV Petrică
ABSOLVENT: [anonimizat]
2017
ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN" FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ
TEMA: Navă cargo de 4500 TDW . Atenuarea perturbațiilor electromagnetice din rețeaua de distribuție a energiei electrice a navei.
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Șef . lucr. Dr. Ing POPOV Petrică
ABSOLVENT: [anonimizat]
2017
[anonimizat]-condiție, [anonimizat], ci se impune ca o necesitate obiectivă a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] a miliardelor de tone de mărfuri intrate anual în circuitul schimburilor internaționale.
[anonimizat], au condus la intensificarea transporturilor maritime.
Aceste exigențe au determinat realizarea unor mijloace și sisteme moderne care au revoluționat știința navigației maritime. [anonimizat]-și aducă o [anonimizat] a eficienței lor. [anonimizat] – calculatoarele – cu ajutorul cărora se pot rezolva problemele principale de navigație. [anonimizat] o importanță deosebită pentru conducerea în siguranță a [anonimizat], în condițiile traficului actual.
[anonimizat] o [anonimizat]. Folosirea calculatoarelor nu reduce cu nimic necesitatea pentru navigator de a [anonimizat]. Cargou sau cargobot este denumirea unei nave destinate transportului de mărfuri uscate în vrac sau mărfuri ambalate sau neambalate.
Cargourile care transportă mai multe tipuri de mărfuri se numesc cargouri pentru mărfuri generale.
[anonimizat] 500-30000tdw. [anonimizat]-descărcare, fapt pentru care se recurge la modulizarea lor prin :pachetizare;paletizare;containerizare.
[anonimizat], [anonimizat]:
-[anonimizat];
-[anonimizat];
-[anonimizat];
-[anonimizat];
-[anonimizat], pentru transportat mărfuri în vrac;
-[anonimizat];
-[anonimizat]\ roll-off, pentru transportat vehicule rutiere.
R O M Â N I A
MINISTERUL APĂRĂRII NAȚIONALE ACADEMIA NAVALĂ "Mircea cel Bătrân"
FACULTATEA DE MARINĂ CIVILĂ Anexă la …………………………
APROB
DECAN
AVIZAT
COORDONATOR PROGRAM DE STUDII
FIȘA LUCRĂRII
TEMA nr.
Proiectul de diplomă al absolventului: DUMITRU ALEXANDRU-EMANUEL
Facultății de Marină Civilă, programul de studii universitare de licență
……………………………………………ELECTROMECANICĂ……………………………………………………….
Cu tema proiectului ,, NAVĂ CARGO DE 4500 TDW . ATENUAREA PERTURBAȚIILOR ELECTROMAGNETICE DIN REȚEAUA DE DISTRIBUȚIE A ENERGIEI ELECTRICE A NAVEI."
Detalii asupra temei:
– Capitolul I Introducere
– Capitolul II Caracteristicile tehnice ale navei cargo 4500 tdw
– Capitolul III Sistemul electric al navei. Distribuția energiei electrice la navă
– Capitolul IV Surse de perturbații electromagnetice pe navă
– Capitolul V Metode și soluții de atenuare a perturbațiilor electromagnetice pe navă
– Capitolul VI Exemplu privind perturbarea și tratarea unui dispozitiv electronic utilizat în aparatura de navigație
– Capitolul VII Concluzii
Bibliografie minimală
-SOTIR, A., Interferențe electromagnetice perturbatoare. Baze teoretice, Editura Militară, București, 2005
-MOCANU, C.I., Teoria câmpului electromagnetic, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981
Precizari organizatorice
Coordonatorul științific
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Data primirii proiectului :
Termene de predare pe etape
Locul unde se execută_ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN" CONSTANȚA
COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
Abstract
Economic activity shipping modern can not be limited to measures designed to establish return-condition, moreover, irreducible, but it requires an objective necessity of development of human society in geographical, economic and political concrete world and our era. The prior art touched by civilization, no other means of transport, except for vessels can not provide traffic over the oceans billions of tons of goods entered annually in international trade circuit.
Increase the volume of goods for international trade in the global economy, have led to higher shipping.
These requirements led the development of tools and systems that have revolutionized modern science maritime navigation. Science maritime navigation is thus put on new, having meant to bring a significant contribution to increasing the safety of ships at sea and their efficiency. Lately, on the bridge of commercial ships are introduced new achievements of electronics – computers – with which can solve fundamental problems of navigation. The use of computers ensures precision and speed in solving navigational factors of particular importance for the safe conduct of Ship modern high speed, the current traffic conditions.
Currently the vessel is brought on board a variety of computers, from sophisticated integrated navigation systems to computers for common use. Computer use does not reduce the need for anything navigator to know the theoretical, mathematical and physical properties of various navigational which can be solved in this way.
Cargo ships carrying several types of goods are called for general cargo freighters.
For general cargo freighters are the most common marine transport, with displacement deadweight between 500 … 30000tdw. Due to their general merchandise creates difficulties in loading and unloading operations, for which recourse to them by splitting up:, bark; palletizing; containerisation.
Besides cargo for general cargo, specialized cargo ships meet for the transport of certain categories of goods, as follows:
-timber ships for wood;
-grain ships to grain transported;
-refrigeration ships for perishable goods transported;
-ore ships to ore transport;
-bulk-carrier ships for goods transported in bulk;
– containerships for containerized goods transported;
-roll-on \ roll-off ships for road vehicles.
CUPRINS
CAPITOLUL I
INTRODUCERE
Nesfârșita întindere a mărilor și oceanelor, tainele de nepătruns ale adâncurilor, framântarea continuă a valurilor au trezit dintotdeauna curiozitatea, elanul poetic , dorința oamenilor de a cunoaște , de a folosi bogațiile ascunse ale apelor, de a călătorii spre tărmuri îndepartate, adesea necunoscute.
Avântul economic înregistrat de societatea umană în ultima perioadă a implicat o creștere fără precedent a comerțului mondial, a traficului de materii prime de bază necesare industriei – minereuri, cărbune, petrol -.
La realizarea circulației volumului intens de mărfuri, în vertiginoasa creștere anuală, transportului naval i-a revenit rolul de primă mărire, atât cantitativ cât și ca operativitate, și acesta nu numai pentru că transportul pe apă este mai ieftin, ci, mai ales, ca urmare a diversificării surselor de relații comerciale, înmulțirii numărului de participanți la aceste relații și caracterului tot mai complex al schimburilor comerciale internaționale.
Mările și oceanele lumii formează o punte de legătură trainică, eficientă și necesară între țările lumii; mai mult decât atât, țările continentale își dezvoltă prin mari lucrări artificiale rețeaua de ape naturale în căi navigabile, spre a prelungi transportul pe apă cât mai adânc în interiorul continentelor și, prin canale, până la porțile marilor coloși industriali.
Ca urmare, flotele maritime de transport au cunoscut o creștere vertiginoasă a tonajului global, însoțită de diversificarea tipurilor de nave, de specializarea și perfecționarea tehnico-constructivă, tonaj unitar mărit, creșterea vitezei de marș, introducerea automatizării în funcționarea instalațiilor de bord, îmbunătățirea condițiilor de muncă și de viață la bord, creșterea securității navelor angajate în expediții maritime în orice zone navigabile ale Oceanului Planetar.
Comerțul maritim modern este o activitate economică vastă și complexă, atât ca volum al mărfurilor aflate în trafic naval, cât și ca valoarea materială a acestora, la care se adaugă investițiile uriașe, de înaltă tehnicitate, reprezentate de nave ca mijloc de transport și de porturile moderne ca noduri de transbordare. Din toate aceste aspecte a derivat și s-a creat în timp cadrul specific tehnic, economic și juridic al comerțului, respectiv al transportului maritim.
Aceste măsuri de ordin tehnic, economic și juridic sunt cu atât mai indispensabile cu cât caracteristice în transportul maritim distanțele mari de parcurs, cantitățile de zeci și sute de mii de tone de marfă într-un singur transport, străbaterea la un singur voiaj a mai multor zone climatice, care prin variația condițiilor hidrometeorologice supun atât mărfurile, cât și navele, la solicitări mari de rezistență structurală, pot cauza deplasări ale încărcăturii ca urmare a oscilațiilor navelor, putând conduce la pierderea stabilității de către acestea.
Ca activitate economică, transportul maritim modern nu se poate limita numai la măsuri privind realizarea rentabilității-condiție, de altfel, ireductibilă- ci se impune ca o necesitate obiectivă a dezvoltării societății umane în condițiile geografice, economice și politice concrete ale lumii și epocii noastre. La stadiul tehnic actual atins de civilizație, nici un alt mijloc de transport, cu excepția navelor, nu poate asigura traficul peste mări și oceane a miliardelor de tone de mărfuri intrate anual în circuitul schimburilor internaționale.
„Navigare necesse, vivere no necesse”au spus românii încă de acum două milenii, punând în mod ostentativ necesitatea de a naviga, înaintea vietii.
Necesitatea cunoașterii temeinice a calităților manevriere ale navei ,apare și mai evidentă în prezent , dacă se ține seama de dezvolatrea impetuoasă pe care a luat-o marina comercială în ultimii ani. Am cautat ca lucrarea de fată sa aiba un caracter teoretic si practic.
Chiar dacă exista la dispoziție aparatura și dispozitive moderne, instalate la bordul navelor, iar ca bază teoretică a cunoștințele rezultate din experiența acumulată din generație de generație de marinari, marinăria se invața numai din practică iar manevra navei, prin actualizareaș si transpunerea în practică a bazei teoretice acumulate.
Faptul că, transportul pe apă în general, este mai ieftin și deci mai avantajos decât transportul pe oricare dintre celelalte căi de comunicație, rezidă și din următoarele caracteristici:
Este mijlocul cel mai economic, calculat fie la cost global, fie la tona transportată, dar mai ales la tonă/milă;
Permite transportul mărfurilor aproape în orice zonă a globului, inclusiv în zonele cu ghețuri, fără transbordare pe apă și în condiții din ce în ce mai bune de siguranță;
În anumite împrejurări, poate constitui un mijloc de echilibrare, chiar de îmbunătățire a balanței de plăți a țării respective.
În condițiile dezvoltării economiei mondiale de piață în epoca contemporană și în perspectiva creșterii excepționale a sortimentelor de mărfuri, atât materii prime cât mai ales produse industriale și alimentare de consum, sau investiții tehnice, flotele maritime și fluviale, cât și porturile, au sarcini deosebit de mari, care au impus în ultimul timp realizarea de progrese tehnice constructive spectaculoase, atât în producția de nave, cât și extinderea porturilor maritime și fluviale.
CAPITOLUL II
CARACTERISTICILE TEHNICE ALE NAVEI CARGO DE 4500 T.D.W.
2.1.Descrierea tehnică a navei
Nava este de tip cargou de 4500 tdw fiind prevazută cu două punți continue de la prova la pupa, cu 4 magazii, o singură elice, cu compartimentul mașinilor și amenajările pentru echipaj între cuplul maestru și pupa.
Figura. 2.1 Navă de tip cargo de 4500 tdw FRAKT VIK
Indicativul de apel : 5BKU4
Portul de înscriere: CIPRU
Numarul IMO: 9356579
Destinația navei
Cargoul pentru mărfuri generale este nava maritimă autopropulsată destinată transportului diverselor categorii de mărfuri uscate ambalate sau neambalate. La nevoie, cargoul pentru mărfuri generale se poate utiliza și pentru transportul mărfurilor în vrac.
Dimensiunile principale
Navă tip cargou de 4500 tdw destinată să transporte mărfuri generale, mărfuri în vrac, utilaje, cherestea și containere.
Tabel nr. 2.1 Dimensiuni principale
2.2.Descrierea corpului navei
Acest tip de navă a fost construit în sistemul de osatură combinat și prezintă urmatoarele particularități:
planșeele de fund sunt cu dublu fund în sistem de osatură transversal;
planșeele de bordaj sunt construite în sistem de osatură transversal;
cele doua punți sunt prevăzute cu guri de magazii mari și sunt construite în sistem transversal;
pereții transversali sunt plați și construiți în sistem de osatură vertical;
nu au fost folosiți pereți longitudinali;
în scopul efectuării operațiunilor de încărcare – descărcare, cargoul de mărfuri generale este dotat cu bigi ușoare și macarale navale;
bigile ușoare ridică greutăți ce nu depășesc l00 kN și au o deschidere în afara bordului de cel puțin 2,5m, pentru a putea ajunge la mijloacele de transport de pe cheu. Unghiul mediu de lucru, față de orizontală, este de 30°. Bigile sunt articulate de catarge sau de coloane metalice speciale.
nava este prevăzută cu suprastructuri continue de tip shelter-deck închis sau shelter-deck deschis și razlet (teugă, dunetă, castel).
Descrierea fundului
Nava este prevăzută cu dublu fund între peretele picului pupa și peretele picului prova.
Dublul fund este construit în sistem transversal de osatură și are suport central și suport lateral dispuși la 3-4 intervale. In spațiul dublului fund sunt amenajate tancuri de ulei, combustibil, apă dulce, apă de balast.
Pereții tranversali etanși
Pereții tranversali etanși sunt prevazți în dreptul următoarelor coaste:
– peretele picului pupa la C11;
– peretele pupa al C.M. la C42;
– peretele prova al C.M. la C68.
Pereții transversali etanși care limitează magaziile de mărfuri:
– magazia nr. 4 C68-C84;
– magazia nr. 3 C84-C106;
– magazia nr. 2 C106-C124;
– magazia nr. 1 C124-C158;
– peretele picului prova la C158.
Bordajul
Pe toată lungimea navei bordajul este construt în sistem transversal de osatură. Coastele de la pupa la C11 si de la C158 la prova sunt coaste întărite.
Punțile
Puntea principală este construită în sistemul longitudinal de osatură, iar puntea de tonaj este construită în sistemul transversal de osatură. Pentru puntea principală, vor fi dispuse traverse întărite confecționate din profile T în dreptul coastelor întărite.
Picul prova și picul pupa
Picul prova și picul pupa sunt situate între prova și coasta C158 și respectiv între pupa și coasta C11 și sunt construite în sistemul transversal de osatură. Sunt prevăzute strîngeri de bordaj și platforme găurite.
În picul prova, la puntea principală, este prevăzut în fiecare bord cîte un topogan pentru ancorare.
Suprastructura și coșul de fum
Suprastructura este amplasată deasupra camerei mașinilor, între coastele C42-C68 și este construită în sistemul transveral de osatură.
Pereții interiori ușori sunt executați din table cu montanții.
Coșul de fum are structura asemănătoare cu cea a suprastructurii.
2.3.Descrierea instalațiilor de propulsie
Motorul principal este de tip „Sulzer” construit de „Cegielski” FRD68. Este motor diesel în doi timpi, reversibil.
Tabel 2.2 Caracteristici motor
Consumul zilnic:
Combustibil greu pentru motorul principal pentru o putere de 7200 CP : 29,5t.
Motorină pentru motorul principal pentru o putere de 7200 CP : –
Motorină pentru un motor auxiliar pentru o putere de 360 CP: 1,5t
Motorină pentru un boiler principal la capacitate maximă : 2,4t
Lubrifiant:
Ulei de cilindru pentru motorul principal : 110 kg
Ulei de circulație pentru motorul principal : 120 kg
Lubrifiant pentru un motor auxiliar : 10 kg
Apă tehnică:
In timpul voiajului : 15 kg
In timpul descărcării : 10 kg
Diesel generatoare
Pentru alimentarea cu energie electrică a electromotoarelor instalate pe navă, a rețelei de iluminare și a altor consumatori, sunt instalate patru diesel generatoare :
2 x 200 kw
2 x 320 kw.
2.4.Descrierea instalațiilor și sistemelor auxiliare de la bord
Instalația de încărcare-descărcare
Se compune din 4 posturi de bigi mecanizate cu următoarele caracteristici:
biga 1: LB = 21 m SWL = 12/6
biga 2/3: LB = 23 m SWL = 22/11
biga 4: LB = 20 m SWL = 12/6
Condiții de lucru. Biga nr.1 are un unghi de rotație de 108 în plan principal, iar unghiul vertical minim este de 15 pentru sarcini la cârlig de până la 10 t. Biga nr.2 are un unghi de rotație de 96 în plan principal iar unghiul vertical maxim este de 25 pentru sarcini de până la 10 t. Biga nr.4 are un unghi de rotație de 118 în plan principal, iar unghiul vertical maxim (pentru sarcini la cârlig de 10 t) este de 15, în timp ce unghiul vertical maxim este de 69.
Instalația de ancorare
Instalația de ancorare și legare are rolul de a asigura fixarea navei față de ancoră, respectiv față de cheu. Legătura de fixare (lanț sau pâramă) suportă solicitarea dată de rezultanta forțelor exterioare, care tind să deplaseze nava.
Legătura dintre navă și elementul de fixare (ancora, binta de cheu) se realizează cu ajutorul lanțurilor sau parâmelor, care datorită raportului mic dintre grosime și lungime, precum și flexibilității lor, pot fi considerate fire grele, omogene și flexibile.
Instalația de ancorare are rolul de a asigura legătura dintre navă și fundul apei, în locuri neamenajate. Nava poate staționa în ancoră în bazinele și radele portuare, în marea deschisă sau în zonele cu gheturi. Ea se fixează de fund cu ajutorul ancorei, prin intermediul lanțului de ancoră, care poate fi ridicat la bord de mecanismul de ancorare. Pentru a permite fixarea sigură a navei ancorate și desprinderea ancorei la virare, ancora este construită astfel încat forța de fixare este maximă atunci când asupra ei acționează o forță orizontală (β = 0) și minimă atunci cand este solicitată de o forță verticală (β = 90° ).
Instalația de ancorare trebuie să prezinte siguranță deosebită de funcționare și să permită acționarea mecanică de la distanță.
Conform registrelor de clasificație, dotarea minimală a navelor cu ancore, lanțuri sau parâme de legare se face pe baza unui indicator sintetic, caracteristica de dotare, care ține cont de masa navei și dimensiunile care contribuie la formarea suprafețelor expuse forțelor exterioare.
În Registru Naval Român, cu exceptia macaralelor plutitoare, pentru toate navele, caracteristica de dotare Na, se calculează astfel:
Na = L (B+D) + A [m2]
unde:
L, B, D reprezintă dimensiunile principale ale navei [m]
A – corecția pentru suprastructuri și rufuri, determinată cu formula
A = K ∑l h [m2],
în care l și h sunt lungimile și înaltimile medii ale diferitelor suprastructuri și rufuri.
Instalația de acostare și legare trebuie să asigure apropierea lina a navei de cheu, chiar dacă rezultanta forțelor exterioare acționează defavorabil (curent de apă, vânt de maximum 6 grade Beaufort, lovituri de val); să asigure manevre comode de legare; să mențină constantă tensiunea din parâmele de legare prin reglarea lungimii acestora în condițiile variației de pescaj la încărcare – descărcare și variației de nivel datorită mareelor; să asigure solicitarea în domeniul elastic tuturor elementelor instalației de legare, chiar și atunci când datorită depașirii forțelor de calcul, se produce ruperea parâmelor.
Instalația de balastare-debalastare
Această instalație este de tip centralizat și permite următoarele manevre:
umplerea liberă a tancurilor de balast din dublul fund și a celor din pickuri până la nivelul liniei de plutire;
umplerea cu pompă a tuturor tancurilor de balast;
golirea cu pompă a tuturor tancurilor de balast;
transfer de balast;
golirea liberă a tancurilor laterale superioare.
Balastarea-debalastarea se execută cu 2 pompe electrice centrifugale având Q=250 m3/h.
Instalația de santină
Drenarea lichidelor reziduale din santina navei se execută cu pompa principală de santină (verticală, cu piston), având Q=125 m3/h. La drenarea curentă a compartimentului mașini, a compartimentului cârmei a compartimentului motopompă de incendiu și avarie, a tunelului pentru axul cârmei și a puțului de lanț se utilizează o electropompă orizontală cu piston de Q=50 m3/h.
Instalația de stins incendiul
Ca la majoritatea navelor din flota românească, aici întâlnim 3 categorii de instalații de stins incendii, și anume:
cu apă;
cu bioxid de carbon;
cu aburi.
Instalațiile de stins incendiul trebuie să corespundă următoarelor cerințe principale:
să fie oricand gata de funcționare;
să nu intensifice prin funcționarea lor arderea;
să fie sigure în funcționare și să aibă vitalitate ridicată;
să acționeze asupra focarului de incendiu astfel încât să excludă posibilitatea reaprinderii;
să aibă mijloace de acționare locală și de la distanță, și posibilitați de control;
să nu fie periculoase pentru om;
substanțele stingătoare să nu provoace corodarea instalațiilor și construcțiilor afectate, să nu fie deficitare și să- și mențină proprietățile stingătoare după o depozitare îndelungată.
Presiunea creată de pompele de incendiu trebuie să fie suficientă pentru a asigura funcționarea altor instalații de stins incendiu care consumă apă (de exemplu, pentru pulverizarea apei, pentru stingerea cu spumă, etc.), dacă alimentarea lor este prevăzută de la aceste pompe de incendiu.
Pompa de incendiu de avarie nu este necesară, dacă pompele de incendiu și sursele de energie pentru acționarea lor se găsesc în compartimente diferite, care nu au în comun mai mult de o punte sau un perete, astfel încat la izbucnirea incendiului într-unul din compartimente, pompele dintr-un alt compartiment (sau alte compartimente) vor asigura alimentarea cu apă a magistralei de incendiu.
Pe toate navele, cu excepția celor de pasageri, debitul total al pompelor de incendiu poate să nu depăsească 180 m3/h, dacă asigurarea funcționării concomitent cu a altor instalații consumatoare de apă nu impune un debit mai mare.
Fiecare pompă de incendiu staționară trebuie să asigure debitul a cel puțin două jeturi de apă prin ajutajele țevilor de refulare cu diametrul cel mai mare, adoptat la nava respectivă.
Debitul fiecărei pompe staționare de incendiu cu excepția celei de avarie, va fi de minimum 80 % din debitul total necesar, împărțit la numărul necesar de pompe de incendiu dar nu mai mic de 25 m3/h.
Dacă nava este prevăzută și cu alte instalații de stins incendiu care consumă apă de la pompele staționare de incendiu, atunci debitul acestor pompe trebuie să fie suficient pentru a asigura funcționarea instalației de stins incendiu cu apă cu debitul de cel putin 50 % din cel determinat prin formulă și pentru funcționarea în paralel al altei instalații de stins incendiu care consumă cea mai mare cantitate de apă. In acest caz cantitatea de apă pentru instalația de stins incendiu cu apă trebuie să fie suficientă pentru a asigura consumul de apă pentru cel puțin două jeturi de la ajutajele țevilor de refulare cu diametrul cel mai mare, utilizate la bordul navei, însă nu se vor adopta mai mult de șase jeturi, iar la navele de marfă nu este necesară o cantitate de apă mai mare de 90 m3/h. Totodata, este necesar să se ia în considerare și cresterea posibilă a consumului de apă la fiecare hidrant datorită creșterii presiunii în conducte, necesară pentru funcționarea altor instalații de stins incendiu.
Instalația de stins incendiul cu bioxid de carbon este folosită la stingerea incendiilor de la instalațiile și aparatura de alimentate cu energie electrică, din magazii cu suprafață mică, instalații sau utilaje de mare valoare din compartimentul mașini. Este contraindicată folosirea acestei instalații în cazul incendiilor la cărbuni, sulf și metale. Această instalație este fixă, având centrala amplasată pe puntea principală cu un număr de 137 butelii de bioxid de carbon.
Aburul, ca agent de stingere, este utilizat la bordul navelor maritime, mai ales în compartimentele nesupravegheate și greu accesibile.
Stingerea cu abur se bazează, în special, pe reducerea volumului aerului din spațiul în care are loc arderea. Efectul de stingere al aburului apare ca urmare a reducerii concentrației de oxigen, în zona de ardere, până la limita la care continuarea arderii devine imposibilă.
Pentru ca aburul să aibă eficacitate la stingerea incendiilor, este necesar să se creeze o concentrație de cel puțin 35% din volum. Ca agent de stingere se poate folosi atât aburul saturat, cât și cel supraîncălzit, evident primul fiind cel mai eficient. Aburul ca agent de stingere este indicat să se utilizeze în instalații fixe și semifixe, în special acolo unde există o instalație de producere a aburului ce funcționează permanent.
În prezent, acest sistem de stingere este utilizat pentru:
înăbușirea anumitor incendii de produse gazoase, lichide sau solide prin inundare cu abur, în spații închise, cu volum mai mic de 500 m.c.
limitarea posibilităților de propagare a incendiilor – prin perdele de abur, în special la instalațiile tehnologice care funcționează la temperaturi ridicate.
prevenirea incendiilor sau exploziilor – prin diluarea atmosferei în zonele cu scăpări accidentale de gaze sau lichide inflamabile, în caz de avarie.
Nu este admisă utilizarea aburului ca agent de stingere, când există materiale care în contact cu apa reacționează violent, cum sunt: materiale plastice care se topesc la temperaturi joase, depozitate în cantități mari, instalații electrice sub tensiune sau persoane care nu pot fi evacuate în prealabil din spațiile protejate prin inundare.
Instalația fixă de inundare cu abur la navele maritime se compune din: generator de abur, reductoare de presiune, distribuitoare, manometru, conductă principală de abur, -robinetul conductei principale de abur, rețeaua de distribuție a aburului cu conducte perforate, valve.
Aburul pentru stins incendiul la bordul navelor se creează în instalația caldarinei, la o presiune de cca. 7 – 7.5 Kgf/cmp cu o capacitate de producere 0.8 – 2.5 tone abur/h. Presiunea de 7 Kgf/cmp este redusă cu ajutorul reductoarelor de presiune în funcție de locul unde se folosește.
Din partea superioară a caldarinei aburul este repartizat prin distribuitoare la: tancurile de combustibil, tobele de eșapament; coșul de fum, etc.
Producerea aburului se datorează arderii în focarul caldarinei a combustibililor lichizi existenți pe nave (motorină sau păcură). La navele maritime, de cele mai multe ori, se poate obține abur în timpul marșului îndelungat prin recuperarea energiei termice a gazelor de ardere evacuate din motoarele principale (caldarină recuperatoare) – în acest caz caldarina cu arzător este folosită numai în timpul staționării navelor.
2.5. Capacitățile de amplasare a mărfii și combustibilului
Nava are 4 magazii împărțite în magazii inferioare și superioare (coridoare). Magaziile 2 și 3 au guri duble iar coridoarele sunt despărțite între ele prin pereți transversali etanși.
Magaziile de marfă sunt acoperite fiecare cu câte 6 capace metalice de tip Mac Gregor acționate hidraulic care se deschid în grupuri de câte două capace la capătul dinspre prova și în grupuri de câte 4 la capătul dinspre pupa. Închiderea magaziilor inferioare se realizează tot cu capace metalice acționate hidraulic.
Tabel 2.3 Caracteristici tancuri
2.6.Pregătirea navei pentru încărcare și transport
Pregătirea navei corespunzător transportului ce urmează să-l efectueze contribuie în mare măsură la atestarea bunei stări de navigabilitate a navei, care este o prima condiție în executarea oricarui contract de transport maritim. Pregătirea magaziilor de marfă depinde foarte mult de natura mărfurilor ce urmează a fi încărcate și cuprinde următoarele etape:
1. Curățarea santinelor care asigură îndepărtarea apei rezultate din sudația mărfurilor precum și evacuarea apei din compartiment in caz de infiltrații sau gaura de apă.
2. Măturarea, spălarea și îndepărtarea reziduurilor de la mărfurile transportate anterior.
Măturarea magaziilor se efectuează după fiecare transport și urmăreste îndepărtarea resturilor de marfă, a scurgerilor, a materialelor de separație și amaraj folosite, a resturilor de ambalaj; in unele situații scurgerile de conținut trebuie măturate, reinsăcuite și predate la destinație.
De cele mai multe ori simpla măturare a magaziilor de marfă este o operațiune suficientă pentru ca navă să poată prelua alte mărfuri. Sunt în schimb unele situații când se impune spălarea magaziilor si îndepărtarea mirosurilor mai ales când au fost transportate produse cum ar fi: cărbunele, cimentul, pieile crude, melasă, unele produse chimice.
3. Îndepărtarea mirosurilor. Uscarea magaziilor și îndepartarea mirosurilor se face printr-o ventilație îndelungată a magaziilor.
4. Amenajarea magaziilor corespunzătoare naturii mărfurilor ce urmează a fi încărcate.
Pentru prevenirea contactului mărfurilor cu pereții metalici ai navei aceștia sunt fardați cu scânduri de brad groase de 4-5 cm fixate cu cleme de coastele navei cu dispunere orizontală sau verticală. Fardajul pereților navei permite și o bună circulație a aerului prin spațiul creat între peretii navei și scândurile de lemn. La navele moderne paiolul este metalic și ca urmare el necesită un fardaj corespunzător funcție de natura mărfurilor oferite la încărcare. Fardajul paiolului se realizează cu bracuri, folie de polietilena, hîrtie groasă.
Dacă în magazie se încarcă loturi de marfă diferite sau mărfuri omogene pentru mai mulți destinatari între acestea se efectuează o separare-eficientă care să înlăture orice confuzie. In același timp se vor procura materialele necesare amarajului mărfurilor.
In situatia în care nava este infestată cu rozatoare sau insecte se va proceda la dezinsecția și deratizarea navei.
Descrierea mărfii transportate
Bumbac (cotton) – 0,678 t/m³
Fribră delicată, ambalată în bale presate cu diferite densități, învelite în pânză de iută și încinse cu benzi metalice. Balele de bumbac au dimensiuni variate și în consecință, diferiți factori de stivuire, în funcție de țara exportatoare.
Prezintă pericol de incendiu, motiv pentru care, pe timpul încărcării și descărcării se vor lua măsuri speciale de combatere a incendiului. Mult timp s-a considerat că bumbacul prezintă și pericol de aprindere spontană, dar această părere a fost infirmată, este expus la aces pericol numai bumbacul pătat cu ulei sau grăsimi, din care cauză paiolul magaziilor se va curăța cu multă grijă. Stivuit într-un spațiu limitat se va încălzi si deteriora.
Balele de bumbac umede și cele uscate nu se vor stivui în aceeasi magazie.
Toate balele vor fi examinate cu atenție înainte de încărcare : cele umede, cu învelișul rupt, cu benzi metalice lipsă sau cu mărcile lipsă vor fi refuzate.
In magazie, balele de bumbac vor fi stivuite culcat, în funcție de dimensiunile balelor și de adâncimea magaziei, urmărindu-se umplerea întregului spațiu.
Concluzie
Conducerea și manevra în port a navei solicită din partea comandantului navei și a echipajului o pregătire deosebit de minuțioasă a navei și instalațiilor aferente acesteia, cere o profundă cunoaștere: a navei, echipajului și portului; o atenție deosebită și un deosebit simț al răspunderii. Neștiința, neatenția și nehotărârea pot duce la accidente foarte grave cu urmări nedorite atât asupra navei, dar și a mediului marin sau a construcțiilor portuare.
Figura. 2.2 Schema compartimentarii si dispunerii tancurilor
CAPITOLUL III
SISTEMUL ELECTRIC AL NAVEI. DISTRIBUȚIA ENERGIEI ELECTRICE LA NAVĂ
3.1 Sistemul electric al navei
Generatoarele
În aplicațiile marine generatoarele sunt întotdeauna mașini sincrone. Masinile sincrone sunt excitate de curent continu. Curentul continu poate fi furnizat la rotor de pe un dispozitiv extern prin inele de alunecare (cu perii) sau prin intermediul unui generator de curent alternativ mic pe arborele rotorului (fara perii de excitație). Un regulator de tensiune automat (AVR) controlează curentul de excitație. AVR păstreaza tensiunea în valoarea stabilită, indiferent de schimbările de sarcină, temperatură și frecvență.
Motoarele electrice
În zilele noastre motoarele electrice cel mai des folosite în aplicații marine sunt motoare trifazate asincrone de curent alternativ cu un rotor în (scurtcircuit) colivie de veveriță.
Figura 3.1. Secțiune motor electric asincron
Dispozitive de pornire
Un dispozitiv de pornire este termenul general pentru un echipament care permite conectarea unui consumator la sursa lui principală de alimentare. Dispozitivele de pornire pat fi de asemenea utilizate pentru a limita superior curentul electric al unui consumator la o valoare acceptabilă. O valoare acceptabilă este valoarea care să nu perturbe buna funcționare a sursei de alimentare, ca acest lucru ar deranja, de asemenea, alți consumatori cu privire la această sursă. Limitarea curentului de pornire va limita, de asemenea, cuplul de pornire al motorului electric .Acest lucru poate fi necesar pentru a proteja, de exemplu, o cutie de viteze sau alte dispozitive mecanice.
Pornitoare de linie
Cel mai simplu și mai ieftin mod de a începe o sarcină electrică este direct pe linia de pornire. Timpul de pornire va fi minim, cuplul de pornire va fi maxim, dar căderea de tensiune în timpul pornirii va fi de maxim și pentru alți consumatori. În general, un generator este capabil să furnizeze o supraîncărcare bruscă de 50 la sută din ratingul KVA, rezultând într-o cădere de tensiune la bornele generatorului de mai puțin de 15 la sută. Acest lucru permite pentru o altă cădere de tensiune de 5 la sută în rețeaua de distribuție, în scopul de a rămâne în maximul permis, căderea de tensiune de 20 la sută în timpul de pornire al unui consumator mare. Căderea de tensiune este în mare parte rezultatul capacităților generatorului (și AVR) că factorul de putere al unui motor in pornire este aproape întotdeauna mai puțin de 0,4. Un motor diesel ar trebui să fie capabil să aplice o etapă de încărcare de 20 la suta sau mai mult, fără o coborare in frecvență mai mare de 10 la sută, care ar trebui să fie recuperată în 15 secunde.
Reductoare de tensiune
În unele aplicații un motor nu poate fi conectat direct la linie deoarece curentul de pornire este prea mare. În aceste cazuri trebuie sa reducem tensiunea aplicată motorului, fie prin conectarea de rezistențe în serie cu linia sau prin folosirea unui autotransformator. În reducerea tensiunii, ne amintim cu următorul text.
Figura 3.2. Schemă electrică reductor de tensiune (Divizoare rezistive de curent continuu: a) divizor fix; b) divizor reglabil)
Pornire cu rezistenta primara
Pornirea cu rezistenta primara constă din plasarea a trei rezistoare în serie cu motorul, în amonte. Să presupunem am ales rezistențele, astfel încât tensiunea cu rotorul calat si raza statorului este de 65 la sută din tensiunea totală. Curentul rotorului blocat prin urmare, este de 65 la sută din curentul de pornire normală și cuplul rotorului blocat este 0; 65 2 = 0; 42 sau 42 la suta din cuplul de sarcină completă. Acest lucru înseamnă că motorul trebuie să fie pornit cu o sarcină foarte ușoară. După pornire, când motorul atinge cuplul maxim pentru această tensiune redusă, rezistențele sunt scurtcircuitate și curentul sare la valoarea sa nominală și cuplul maxim va fi disponibil.
Pornirea cu autotransformator
Comparativ cu pornirea cu rezistente, avantajul unei porniri cu autotransformator este că, pentru un anumit cuplu atrage un curent de linie mult mai mic. Dezavantajul este că autotransformatoarele costa mai mult, iar trecerea de la tensiunea redusa la full nu este la fel de buna. Autotransformatoare de obicei au potentiometre pentru a da tensiuni de ieșire de 0,8, 0,65, și de 0,5 ori nominal. Cuplurile primare corespunzătoare sunt, respectiv, 0,64, 0,42 și 0,25 din cuplul de tensiune la pornire. În plus, curenții de pornire pe linia lateral sunt, de asemenea, redusi la 0,64, 0,42 și 0,25 din tensiunea completă a rotorului blocat.
Pornire stea-triunghi
Stea-triunghi este, de asemenea, o modalitate de a reduce tensiunea de pornire. Pornitoarele stea-triunghi au fost o metodă mult folosita pe uscat, costul fiind eficace, dovedit si folosit, disponibil pe scară largă. Această metodă de pornire oferă aceleași rezultate ca un pornitor cu autotransformator avand un procent de 58 la sută. Motivul este că valoarea :
– curentului de pornire va fi redus la 58 la suta.
– cuplu de pornire va fi redus la 0; 58 2 = 0; 33 sau doar 33 la sută
Startere electronice
Starterele electrice pot utiliza dispozitive robuste pentru a controla fluxul și, prin urmare,tensiunea aplicată motorului. Ele pot fi conectate în serie cu tensiunea de linie aplicată motorului, sau pot fi conectate în interiorul buclei delta dintr-un motor conectat delta, controland tensiunea aplicata pentru fiecare înfășurare.
Figura 3.3. Panoul de comandă starter electric
Starterele pot controla una sau mai multe faze ale tensiunii aplicate motorului cu cele mai bune rezultate obținute la comanda celor trei faze. De obicei, tensiunea este controlată de tiristoare, dar în anumite circumstanțe, cu comanda a trei faze, elementele de control pot fi conectate în parallel cu SCR și diode. Un starter electronic continu controleaza aprovizionarea a trei faze cu tensiune pentru motoare în timpul fazei de start. Astfel, motorul este ajustat la sarcina mașinilor. Partea mecanică este accelerata într-un mod blând.
Figura 3.4. Schemă bloc starter
3.2 Sisteme de distribuție a energiei electrice și rețele electrice
La nava aleasă transmiterea energiei electrice de la generatoare la consumatori se
realizează prin sistemul de distribuție. Acest sistem este destinat pentru conectarea,
deconectarea și protecția instalației electrice și rețelei, reglarea și controlul
parametrilor electrici ai surselor de energie electrică și de asemenea pentru
semnalizarea stării aparatelor de conectare precum și a stării circuitelor electrice.
Corespunzător acestor funcții pe care le îndeplinesc sistemele de distribuție a
energiei electrice, acestea conțin bare conductoare pentru distribuție, aparate de
conectare, aparate de protecție, reglare și semnalizare, precum și aparate de măsură.
De regulă, sistemele de distribuție se clasifică după importanță, realizare constructivă și felul curentului.
După importanță, sistemele de distribuție pot fi: tablouri principale de distribuție, tablouri secundare de distribuție, tablouri pentru consumatori individuali, tablouri de control și tablouri speciale.
Tablourile principale de distribuție, TPD, sunt destinate pentru controlul și
comanda funcționării generatoarelor electrice și pentru distribuția energiei electrice
pe navă.
Tablourile de distribuție, TD, (secundare) primesc alimentarea de la TPD și o
distribuie la un grup de consumatori concentrați într-o zonă determinată de pe navă.
Tablourile pentru consumatorii individuali asigură comanda și controlul
funcționării consumatorilor cu o schemă relativ complicată (de exemplu vinciul de
ancoră).
Tablourile de control sunt destinate pentru controlul de la distanță a funcționării generatoarelor, consumatorilor și rețelei.
Tablourile speciale (de exemplu tabloul de legătură cu nodul, TLM) sunt folosite pentru scopuri strict determinate.
După forma constructivă sistemele de distribuție pot fi în execuție protejată, protejată la stropi, protejată la apă sau ermetică. În legătură cu forma constructivă se precizează că în sistemele electroenergetice navale nu sunt admise sistemele de distribuție în execuție deschisă.
După felul curentului sistemele de distribuție se împart în sisteme de distribuție în curent continuu și în curent alternativ.
Consumatorii de energie electrică pot primi alimentarea direct de la TPD sau de la tablouri de distribuție, TD, conectate pe partea de alimentare la TPD.
De regulă, alimentarea directă de la TPD se face pentru consumatorii a căror fun-
cționare asigură mișcarea și comanda navei precum și a consumatorilor de putere mare.
Sistemul de distribuție al energiei electrice poate fi: magistral, radial și mixt. În
figura 3.5. sunt prezentate aceste variante.
În sistemul magistral toți consumatorii primesc alimentarea pe câteva magistrale. Pe fiecare magistrală sunt conectate tablouri de distribuție, TD, sau cutii de conexiuni, CC, de la care se alimentează consumatorii.
Figura 3.5Sisteme de distribuție a energiei electrice:
a) magistral; b) radial; c) mixt
În sistemul radial de distribuție a energiei electrice consumatorii importanți și de putere mare primesc alimentarea direct din TPD pe cabluri separate iar ceilalți consumatori primesc alimentarea de la tablouri secundare de distribuție conectate cu cabluri separate la TPD.
Sistemul mixt reprezintă o combinație a primelor două. O parte din consumatori sunt alimentați în sistemul radial, iar o altă parte după sistemul magistral.
Alegerea unuia sau altuia din sistemele de distribuție a energiei electrice se face
luând în considerare siguranța în alimentarea cu energie electrică și obținerea unei mase minime pentru rețeaua de cabluri.
Sistemul radial realizează o siguranță sporită în alimentarea consumatorilor cu
energie electrică. În acest sistem ieșirea din funcțiune a unui cablu separat nu
întrerupe alimentarea celorlalți. Dezavantajul acestui sistem constă în lungimea mare
a traseelor de cabluri ceea ce duce la mărirea masei cablurilor și a costurilor.
În sistemul magistral se scurtează lungimea traseelor de cabluri și ca urmare
masa de cabluri se micșorează comparativ cu sistemul radial. În schimb, în cazul
acestui sistem, prin deteriorarea unei magistrale o grupă mare de consumatori
rămâne fără alimentare. De asemenea acest sistem exclude posibilitatea comenzii centralizate a alimentării consumatorilor cu energie electrică.
Sistemul mixt ia în considerare atât avantajele cât și dezavantajele sistemelor radial și magistral.
Alegerea unuia sau altuia din sistemele de distribuție depinde de destinația navei, puterea instalației electroenergetice, numărul și dispunerea consumatorilor de energie electrică. În practică, la nave, sistemul radial este folosit frecvent datorită avantajului său privind siguranța alimentării cu energie electrică.
Transmiterea energiei electrice la nave se face pe rețele separate cum ar fi:
– rețeaua de forță alimentează acționările electrice ale mecanismelor sistemelor navale (guvernare, ancorare, incendiu, balast, drenaj, instalația frigorifică și de încălzire, s.a.) și ale mecanismelor auxiliare care asigură funcționarea instalației de putere a navei (pompe, ventilatoare, compresoare);
– rețeaua de iluminat normal asigură iluminatul general în toate încăperile având circuite separate pentru iluminatul interior și exterior, semnalizări și lumini distinctive, circuite de prize;
– rețeaua iluminatului de avarie este alcătuită ca și rețeaua iluminatului normal dar spre deosebire de aceasta este alimentată de la sursa de avarie și asigură iluminatul în locurile prevăzute de registrul de clasificare;
– rețeaua de curenți slabi cuprinde instalațiile de telefoane, sonerii, semnalizări incendiu, telegrafie mașini, axiometre, ș.a.;
– rețeaua stații radio alimentează aparatura de radiocomunicații;
– rețeaua aparatelor electrice de navigație alimentează aparatele de navigație (sonde, lochuri, girocompas, radiogoniometru, ș.a.);
– rețeaua pentru aparate și instalații de cambuză (plite electrice, oale sub presiune, cuptoare electrice, robot de bucătărie, ș.a.)
Numărul rețelelor separate se determină în procesul proiectării și depinde de tipul și destinația navei. În figura 2.6 se prezintă alcătuirea de principiu a rețelelor de forță și iluminat naval.
Pentru realizarea rețelelor electrice se utilizează cabluri electrice special destinate pentru instalarea la nave. Cablurile navale trebuie să fie rezistente la foc, să împiedice propagarea flăcării, să reziste la produse petroliere și în general să respecte prescripțiile registrului de clasificare.
Cablurile navale se execută numai cu conductori multifilari din cupru având suprafața secțiunii cel puțin:
– 1,0mm2 în circuite de comandă și semnalizări
– 0,5mm2 în circuite de măsură și semnalizări pentru cabluri cu minim 4 conductoare.
Figura 3.6 Schema de principiu, unifilară, a unei rețele de forță
Cablurile navale se execută cu izolație din cauciuc sau masă plastică. La început
s-au folosit cabluri cu izolația din cauciuc, ulterior, cauciucul natural fiind un produs
deficitar, s-a trecut la realizarea cablurilor cu izolație din masă plastică. În tabelul 3.1 se prezintă caracteristicile cablurilor navale cu izolație din masă plastică, iar în tabelul 3.2 se dau caracteristicile tehnice pentru conductorii de conexiuni izolați cu masă plastică și utilizați la construcția tablourilor de distribuție.
Cablul naval foarte flexibil izolat cu PVC
Simbol CNYY-F fără ecran de protecție
Simbol CNYYEY-F – cu ecran de protecție sub formă de tresă metalică din sârmă de cupru
Tabel 3.1.
Conducte navale de cupru cu izolație din PVC foarte flexibile, până la 300V
Simbol: MyffN
Tabelul 3.2
3.3 Rețele electrice de iluminat. Prevederile registrului de clasificare
Iluminatul normal
În toate încăperile, locurile și spațiile a căror iluminare este importantă pentru siguranța navigației, comanda mecanismelor și instalațiilor, condiții de locuit și evacuare a pasagerilor și a echipajului, trebuie montate lămpi de iluminat fixe, alimentate de la sursa principală de distribuție.
Pentru a asigura distribuția alimentării iluminatului de la sursă se folosesc
tablouri secundare de distribuție și doze de ramificație. Plecările circuitelor din
tablourile secundare sunt echipate, pentru protecție, cu întrerupătoare automate
bipolare.
Rețeaua de iluminat normal conține circuite separate pentru: iluminatul general,
iluminatul local, prize. În acest fel, la deconectarea unei rețele ca urmare a acțiunii
protecției, de exemplu iluminatul general, rămân în funcțiune iluminatul local și
prizele.
Corpurile de iluminat, instalate în încăperile și spațiile unde este posibilă deteriorarea globurilor, trebuie să fie protejate cu grătare de protecție.
În încăperile sau locurile iluminate cu tuburi fluorescente, în care se află părți vizibile ale mecanismelor în rotație, trebuie să se ia măsuri pentru înlăturarea efectului stroboscopic. O astfel de măsură ar putea fi combinarea iluminatului fluorescent cu iluminatul incandescent.
Încăperile de acumulatoare și alte încăperi cu pericol de explozie se iluminează cu corpuri de iluminat în execuție „antiex”.
Iluminatul coridoarelor, compartimentului mașini, tunelurilor liniilor de axe,
trebuie să fie alimentate prin cel puțin două circuite independente având corpurile de
iluminat astfel dispuse încât să se asigure un iluminat uniform în cazul căderii unui
circuit.
Corpurile de iluminat local în încăperile de locuit precum și prizele de curent trebuie să fie alimentate de la tablou prin circuite separate, altele decât circuitul de alimentare a iluminatului general.
Corpurile de iluminat fixe din magaziile de mărfuri trebuie să fie alimentate de la un tablou de distribuție separat.
În toate circuitele de iluminat trebuie să se utilizeze întrerupătoare bipolare. În încăperile de locuit și de serviciu uscate, se admit întrerupătoare monopolare pentru un curent de maxim 6A.
Pentru iluminatul exterior, se va prevedea un dispozitiv de deconectare centralizat, plasat în timonerie sau alt post de cart permanent.
Iluminatul portativ
Pentru iluminatul portativ se folosesc tensiunile considerate nepericuloase, de 12V curent alternativ și 24V curent continuu.
Prizele pentru iluminatul portativ trebuie să fie instalate cel puțin în următoarele puncte:
– pe punte, în apropierea vinciului de ancoră;
– încăperea girocompasului;
– încăperea convertizoarelor instalației de radio;
– încăperea instalației de cârmă;
– încăperea agregatului de avarie;
– compartimentele de mașini;
– spatele tabloului principal de distribuție;
– tunelul arborelui port-elice;
– timonerie;
– cabina radio;
– zona lochului și a sondei ultrason.
Prizele alimentate cu tensiuni diferite trebuie să fie de construcție diferită care să
excludă posibilitatea de a introduce fișa pentru o anumită tensiune la o tensiune
mai mare.
Iluminatul de avarie
În cazul scoaterii din funcțiune a centralei electrice și dispariția tensiunii la
tabloul principal de distribuție, se cupleaază automat iluminatul de avarie alimentat
de la sursele de avarie (baterie de acumulatoare sau grup diesel-generator de avarie).
Sursele de avarie trebuie să asigure alimentarea concomitentă timp de 18 ore a luminatului de avarie.
Iluminatul de avarie asigură iluminarea pentru:
– toate coridoarle, scările și ieșirile din încăperile de locuit și deserviciu precum și în cabinele lifturilor de pasageri;
– încăperile de mașini și agregate generatoare;
– toate posturile de comandă precum și la tablourile dedistribuție principale și de avarie;
– încăperea diesel-generatorului de avarie;
– timonerie;
– camera hărților și stația radio;
– locurile de păstrare a inventarului de avarie;
– compartimentul cârmei;
– încăperea girocompasului;
– cabinetele medicale;
– felinarele de navigație.
Corpurile de iluminat de la iluminatul principal se pot folosi și pentru iluminatul
de avarie fiind prevăzute în acest caz cu lămpi suplimentare conectate la sursa de avarie. Pe circuitele iluminatului de avarie nu se montează întrerupătoare.
3.4 Protecția sistemelor electroenergetice navale
În procesul exploatării sistemelor electroenergetice navale sunt posibile apariția unor regimuri anormale de lucru.
Pericolul cel mai mare pentru sistemele electroenergetice navale și pentru toate
elementele acționărilor electrice îl reprezintă regimul anormal produs de apariția
curenților de scurtcircuit. În oricare punct al sistemului curentul de scurtcircuit poate
apărea la deteriorarea izolației între conductoarele de curent, ca urmare a
îmbătrânirii ei, sau la avarierea mecanică prin ruperea conductoarelor și conectarea
între ele a conductoarelor de pe faze diferite sau prin acumularea de lichid (apă) în
conductori, ș.a.
Punctul de scurtcircuit este caracterizat prin valoarea nulă a rezistenței. Valoarea
curentului de scurtcircuit este limitată numai de rezistența interioară a sursei și
rezistența conductorilor electrici (bare, cabluri, aparate de conectare). Această valoare poate depăși de sute de ori valoarea nominală a curentului din elementul respectiv.
Sub acțiunea curenților de scurtcircuit apar forțe electrodinamice mari, capabile să
deterioreze aparatul respectiv. Sub acțiunea curentului de scurtcircuit se produce foarte
repede (în decurs de câteva secunde) creșterea temperaturii de încălzire a cablului până
la câteva sute de grade și arderea izolației. Frecvent în punctul de scurtcircuit, în primul
moment, apare arcul electric sub acțiunea căruia se aprind obiectele din apropiere, în
deosebi vaporii produselor petroliere, dând naștere la incendii cu toate consecințele ce
decurg din acestea.
Supratensiunile care apar în funcționarea unor acționări electrice constituie de
asemenea regimuri anormale caracterizate prin creșterea curenților peste limitele normale.
Protecția elementelor sistemului electroenergetic îndeplinește următoarele funcții:
1) la scurtcircuit, prin intermediul siguranțelor fuzibile sau întrerupătoarelor automate, decontează automat elementul deteriorat și astfel se restabilește regimul normal de lucru pentru celelalte elemente ale sistemului
2) la apariția suprasarcinilor protecția acționează prin decontarea temporizată a
instalațiilor care lucrează în suprasarcină sau prin semnalizare optică și acustică
pentru o categorie de consumatori a căror menținere în funcțiune este importantă
pentru siguranța navei (instalația de guvernare, pompa de incendiu de avarie).
Cerințele de bază ale protecției sistemelor electroenergetice navale sunt:
Selectivitatea constă în acțiunea protecției pentru deconectare numai a elementului deteriorat. Prin aceasta se asigură menținerea funcționării normale a celorlalte componente ale sistemului.
Acțiune rapidă – pentru deconectarea elementului avariat. Deconectarea rapidă a scurtcircuitelor asigură: reducerea dimensiunilor avariei la apariția arcului electric și a forțelor electrodinamice, micșorarea timpului de lucru cu tensiune redusă a consumatorilor rămași în funcțiune. Datorită acțiunii rapide a protecției și intrării automate în funcțiune a rezervei de energiei electrică, practic, consumatorii nu sesizează pauza în alimentarea cu energie electrică.
În cazul regimurilor anormale produse de suprasarcini protecția nu trebuie să acționeze rapid, întrucât, pe de o parte, suprasarcina poate fi admisă pe o durată limitată fără a pune în pericol instalația, iar pe de altă parte, este posibil ca suprasarcina apărută să se datoreze unui șoc trecător de scurtă durată. Din aceste motive protecția la suprasarcină prin deconectarea consumatorului acționează cu întârziere de timp.
Sensibilitatea se exprimă prin coeficientul de sensibilitate care reprezintă, de
exemplu pentru protecția care reacționează la curent, raportul între mărimea
curentului de scurtcircuit din zona protejată și curentul la care acționează protecția.
Din acest punct de vedere, protecția trebuie să fie suficient de sensibilă la avarii și
regimuri anormale de funcționare care pot să apară în elementele protejate.
Siguranța în funcțiune. Este foarte important ca protecția să fie permanent gata de funcționare în cazul apariției avariilor și regimurilor anormale de lucru. În acest scop schemele de protecție trebuie să fie simple, aparatura folosită să aibă calități înalte în condiții de exploatare corespunzătoare.
Pentru protecția sistemelor electroenergetice și elementelor lor la scurtcircuit și
suprasarcini se folosesc întrerupătoare automate și siguranțefuzibile. Întrerupătoarele
automate sunt prevăzute cu declanșatoare maximale, adică relee electromagnetice,
termice sau electronice, care la valoarea reglată a curentului de suprasarcină sau a
curentului de scurtcircuit dau impuls de deschidere a contactelor principale,
prevăzute cu dispozitive de stingere a arcului. Siguranțele fuzibile, la valoarea
curentului stabilit pentru acționare, întrerup circuitul prin arderea fuzibilului. Pentru
circuite de puteri mari se folosesc siguranțe speciale cu mare putere de rupere tip
MPR.
3.4.1Protecția rețelei de distribuție a energiei electrice
În rețelele electrice de distribuție pot apare două regimuri anormale de lucru:
scurtcircuitul și suprasarcina. În ambele cazuri cablurile rețelei sunt parcurse de
curenți care depășesc valorile nominale pentru care a fost stabilită secțiunea
cablurilor. Sub acțiunea acestor curenți se scurtează durata de serviciu a cablurilor.
Protecția rețelei de distribuție a energiei electrice, așa cum se prezintă în figura 3.7., se realizează pe secțiuni separate.
Protecția la suprasarcină și scurtcircuite pentru secțiunea de la generator, G , la
tabloul principal de distribuție, TPD, este calculată pentru curentul nominal debitat
de generator și se asigura cu aparatura de protecție a generatorului. Protecțiile pe
secțiunile de rețea între TPD și consumatori precum și între tablourile de distribuție,
TD și consumatori sunt calculate în funcție de curenții nominali ai consumatorilor.
Protecția acestor secțiuni se realizează cu aparatele care protejează consumatorii. Pe
secțiunea dintre TPD și TD cablul este calculat pentru suma consumatorilor
conectați la TD.
Figura 3.7 Protecția la suprasarcină și scurtcircuite pentru secțiunea de la generator
Protecția generatoarelor
În procesul exploatării generatoarelor electrice sunt posibile apariția unor regimuri anormale de lucru. În continuare se prezintă câteva forme de avarii posibile și regimuri anormale:
– scurcircuitarea spirelor înfășurării de excitație prin scurtcircuit între spire sau punerea la masă în două puncte. Efectul este stricarea simetriei câmpului magnetic și producerea vibrațiilor mașini
– avarierea înfășurării induse de pe stator ca urmare a deteriorării izolației acesteia. În acest caz apariția arcului electric conduce la deteriorarea miezului de fier, aprinderea izolației înfășurărilor și declanșarea incendiului în generator
– regimul anormal produs de șocul curentului datorat unor scurtcircuite exterioare
– regimul anormal care apare la trecerea generatorului în regim de motor. Acest regim poate apare la funcționarea în paralel a generatoarelor.
Avariile generatoarelor pot duce la deteriorarea funcționării fără întrerupere a celorlalte părți ale sistemului electroenergetic.
Pentru a asigura funcționarea normală a centralelor electrice navale, generatoarele sunt prevăzute cu următoarele protecții:
a) protecția de curent la scurtcircuite exterioare și suprasarcini
b) protecția de putere inversă
c) protecția diferențială la scurtcircuite interioare
d) protecția de punerea la masă a unei faze. Se asigură prin controlul
permanent al stării izolației
e) automat de stingere a câmpului magnetic.
Protecția la scurtcircuite exterioare și suprasarcini
Curenți mari care apar la scurtcircuite exterioare sunt produși la atingerea între conductorii de pe faze diferite sau între barele TPD ca urmare a deteriorării rezistenței de izolație.
La producerea scurtcircuitului, protecția generatorului trebuie să acționeze rapid
prin deconectarea generatorului. În acest scop întrerupătoarele automate folosite
pentru cuplarea generatoarelor la barele TPD sunt prevăzute cu relee maximale de
protecție.
În figura 3.8 se prezintă schema electrică de principiu a unui întrerupător automat tip OROMAX.
La aplicarea tensiunii de comandă prin contactele închise CB și CF este
alimentat motorul electric, M, de armare a resoartelor. După terminarea armării
resoartelor se deschide contactul CF prin care se întrerupe alimentarea motorului
electric și se închide contactul CF (5-6) prin care se alimentează lampa de semnalizare „Resoarte armate”.
Comanda de cuplare a întrerupătorului se dă prin apăsarea pe butonul I. Este
alimentat electromagnetul de închidere EI (1-2) care efectuează cuplarea întrerupătorului automat. În prezența tensiunii nominale, declanșatorul de tensiune
minimă, DTm, execută prin acționarea unui clichet blocare întrerupătorului în
poziția închis, menținându-se situația și după încetarea apăsării butonului „I”.
Cuplarea întrerupătorului automat este semnalizată de stingerea lămpii LR (lumină roșie) și aprinderea lămpii LV (lumină verde).
Pentru deconectarea voită a întrerupătorului se apasă pe butonul „O ” din circuitul electromagnetului de deschidere, ED. Este alimentat electromagnetul ED care realizează deconectarea întrerupătorului automat. În cazul în care, pe timpul funcționării, deconectarea se face automat ca urmare a acțiunii protecției, se întrerupe circuitul de alimentare al declanșatorului de tensiune minimă, DTm, se înlătură blocarea mecanică și sub acțiunea resoartelor se realizează deconectarea întrerupătorului automat.
Figura 3.8 Schempă electrică întrerupător automat
Declanșatorul de tensiune minimă, DTm, acționează la scăderea tensiunii de
alimentare sub 0,7 Un sau la anularea acesteia. Protecțiile la scurtcircuite și
suprasarcini realizează deconectarea întrerupătorului automat acționând indirect prin
intermediul declanșatorului de tensiune minimă. În caz de scurtcircuite sau
suprasarcini se deschid contactele acestor relee „O” și se întrerupe circuitul de alimentare al declanșatorului de tensiune minimă care realizează deconectarea întrerupătorului automat. Deconectarea automată ca urmare a acțiunii protecției este semnalizată prin comutarea contactelor CDS. Se deschide contactul CSD (1-3), se stinge lampa de semnalizare cu lumină albă și se închide contactul CSD (1-2) care aprinde lampa de semnalizare cu lumină roșie indicând faptul că deconectarea întrerupătorului automat s-a făcut ca urmare a acțiunii protecției.
Suprasarcina generatoarelor se poate produce la apariția uneia sau mai multe din următoarele cauze: pornirea unor motoare asincrone de putere mare, repartiția neuniformă a sarcini între generatoare, decuplarea de la funcționarea în paralel a unui generator, creșterea sarcini cerută de consumatori.
Depășirea curentului nominal, în cazul suprasarcinii, până la de 2 ori valoarea nominală, poate fi suportată un timp limitat fără a pune în pericol generatorul. Protecția la suprasarcină trebuie să acționeze temporizat pentru a evita acțiunea acesteia în cazul unor șocuri de scurtă durată cum ar fi cele create de pornirea unui motor asincron de putere mare.
În cazul apariției suprasarcinii la un generator, deconectarea acestuia de către
protecție ar duce la supraîncărcarea generatoarelor rămase în funcțiune și astfel rând
pe rând sunt deconectate toate generatoarele care funcționează în paralel rezultând în
final scoaterea centralei electrice din funcționare. Pentru a evita o asemenea situație,
temporizarea acțiunii protecției, permite în unele cazuri, intervenția personalului de
serviciu pentru reducerea sarcinii prin deconectarea unor consumatori neesențiali, iar
în alte cazuri, această deconectare se face automat la apariția suprasarcinii.
La funcționarea în paralel a generatoarelor apare posibilitatea treceri unui
generator în regim de motor atunci când tensiunea produsă de acesta este mai mică
decât tensiunea de la barele TPD produsă de celelalte generatoare. Scăderea
tensiunii generatorului și trecerea lui în regim de motor poate fi cauzată de avarii
produse la motorul primar de antrenare (întreruperea alimentării cu combustibil,
deteriorarea cuplajului mecanic dintre motor și generator) sau pe partea electrică
(întreruperea excitației generatorului). În astfel de cazuri, generatorul fiind cuplat în
paralel cu alte generatoare, trece în regim de motor și devine consumator de energie
electrică.Funcționarea generatorului în regim de motor nu este admisă și el trebuie
să fie deconectat pentru a nu încărca generatoarele aflate in funcționare normală În
acest scop generatoarele navale sunt prevăzute cu protecție la putere inversă.
În centralele electrice de curent alternativ protecția la putere inversă se realizează
după mărimea curentului și după faza acestuia comparativ cu faza tensiuni de la bare.
Protecția la putere inversă în centralele electrice de curent continuu acționează în
funcție de mărimea curentului și de sensul acestuia în comparație cu tensiunea de la
bare.
Figura 3.9 Schema de protecție
CAPITOLUL IV
SURSE DE PERTURBAȚII ELECTROMAGNETICE PE NAVĂ
În cazul navei cargo au fost identificate, următoarele surse perturbatoare:
Instalațiile de producere și distribuție a energiei electrice:
generatoare sincrone trifazate de 380V, 50Hz;
cabluri de distribuție a energiei electrice la consumatorii de pe navă;
transformatoare electrice trifazate 380V/220V.
Instalații electrice de acționare:
motoare asincrone, cu puteri până la 100kW.
Convertizoare electrice rotative de (400-500)Hz, pentru alimentarea radarelor, aparatelor de navigație, sistemului de protecție antimagnetică al navei (PAM).
Sistemele de radiocomunicații și telecomunicații:
stațiile de radio pe UUS;
stațiile de radio pe US;
stațiile de radio pentru navigație;
sistemul integrat de telecomunicații.
Sistemele radar:
stația radar pentru descoperire;
stația radar pentru tragere;
Rețele de calculatoare electronice de la bord:
rețeaua de transmitere date la mal;
rețeaua pentru navigație;
rețeaua de transmisiuni;
rețeaua de luptă.
Stațiile de hidrolocație.
Instalațiile de telecomandă:
mașina pas cu pas (pentru acționarea elicelor cu pas variabil);
telecomanda pentru guvernare ( pilot automat).
Ca surse indirecte (secundare) de perturbații electromagnetice se pot menționa:
navele înconjurătoare – la navigația în formație;
radiatorii secundari , respectiv structurile metalice înalte, de pe punți, care reflectă câmpurilor antenelor.
Tabelul 4.1. Sursele de energie și potențialii consumatori de pe navă
Din datele prezentate se pot constata următoarele:
Pe navă există o mare concentrare de aparate, echipamente, instalații și sisteme electromagnetice, cu puteri de la 103kVA la sute de wați, într-un spațiu limitat, ceea ce conduce la valori mari ale densității (volumetrice) de energie electromagnetică.
Gama de frecvențe acoperită de echipamente este foarte largă: 50Hz- 21GHz.
Sunt de așteptat, datorită varietății tipurilor de echipamente, atât perturbații electromagnetice prin conducție (prin fir/ galvanice), cât și prin câmp; în cazul perturbațiilor prin câmp fiind posibilă apariția atât a cuplajelor parazite prin câmp apropiat (la 50 Hz și 400 Hz), cât și prin câmp îndepărtat- în cazul aparaturii (sistemelor)care lucrează la frecvențe medii sau înalte.
4.1. Surse de perturbații electromagnetice și cuplaje perturbatoare. Aspecte generale
În principiu orice echipament electromagnetic poate fi și o sursă de perturbații pentru echipamentele din jurul său sau pentru mediul înconjurător, incluzând aici și factorul uman. Ca urmare clasificarea echipamentelor electronice din acest punct de vedere este dificilă, criteriile de clasificare fiind variate.
Clasificarea prezentată în continuare, privită din punctul de vedere strict al utilizatorului, presupune mai multe criterii în același timp și nu se dorește a fi una exhaustivă.
Principalele surse de PEM sunt:
Comutările din rețelele de alimentare, care determină apariția unor impulsuri de tensiune sau de curent. Se poate exemplifica acest caz prin decuplarea unui transformator electric de la alimentare, cu apariția unor supratensiuni de 3-5 ori mai mari decât tensiunea nominală; în rețeaua de 220V-380V amplitudinea acestor impulsuri putând atinge 2kV, cu durate de ordinul zecilor de nanosecunde.
În aceeași categorie de surse perturbatoare intră și manevrele greșite efectuate în astfel de rețele.
Transformatoarele electrice și bobinele cu miez de fier, funcționând îndeosebi în apropierea saturației.
În cazul unui transformator coaxial, de exemplu, câmpurile magnetice ale înfășurărilor primară și secundară se compensează în mare măsură, principala sursă perturbatoare fiind solenația de mers în gol, unde I0 este curentul de mers în gol, iar W1 – numărul de spire din primar.
Motoarele electrice de curent continuu și alternativ (50Hz, 400Hz, 1000Hz) sunt surse importante de PEM, atât datorită numărului lor, cât și a puterii consumate.
În cazul motoarelor de c.c. se pot semnala atât perturbații prin conducție, datorită contactelor alunecătoare, cât și prin radiație, datorită scânteilor la colector.
Motoarele de curent alternativ, deși nu dispun de colectoare ca cele de c.c. , sunt mai perturbatoare decât acestea din urmă datorită curenților de magnetizare; fenomenul perturbator manifestându-se în special ca regim deformant, respectiv prin circulația armonicilor de curent.
Cablurile și conductoarele produc perturbații electromagnetice în special prin câmp magnetic, sub forma cuplajelor inductive parazite, la joasă frecvență; de asemenea produc perturbații prin câmp de radiații, la frecvențe ridicate.
Dispozitivele electronicii de putere/mutatoarele (dioda de putere, tranzistorul de putere, tiristorul, triacul), utilizate în instalații de redresare, de conversie sau de reglaj, reprezintă surse importante de PEM în rețele, datorită fenomenului de comutație care stă la baza funcționării acestora.
Astfel, armonicele de comutație pot influența buna funcționare a emițătoarelor radio de joasă frecvență, lucrând pe unde lungi.
Spectrul perturbator creat de un convertizor cu mutatoare, utilizat în sistemele de transport, este prezentat în figura 4.1.
Condensatoarele electrice industriale sunt surse de câmp electric perturbator (apropiat / prin inducție), constituind cauze ale cuplajelor electrice perturbatoare (parazite) la joasă frecvență.
Elementele neliniare de circuit sunt surse sau amplificatoare de perturbații, fiind constituite în principal din:
transformatoare și bobine cu miez de fier;
condensatoare industriale (cu pierderi);
cuptoare cu arc electric și echipamente de sudură electrică;
dispozitive ale electronicii de putere (mutatoare);
mașini electrice rotative;
lămpi de iluminat fluorescente.
Aceste echipamente și dispozitive sunt importante surse de regim deformant.
Arcurile electrice, produse de instalații, generează atât perturbații prin conducție, în rețelele de alimentare, sub forma oscilațiilor de tensiune (regimul lor de funcționare fiind cel de scurtcircuit), cât și perturbații prin radiații, de frecvențe ridicate.
Cuptoarele de inducție produc perturbații în general cu frecvențe sub 1MHz.
Legăturile de punere la pământ ale instalațiilor, cu rol de protecție, pot deveni, în același timp, importante surse de perturbații pentru echipamentele electronice. Astfel, un sol puternic poluat cu curenți de scurgere din instalațiile electrice poate aduce, prin aceste legături, semnalele parazite pe masele electronice, cu efecte negative asupra potențialelor acestora (potențiale flotante) și, în final, asupra funcționării întregului echipament.
Descărcările electrice naturale (God Made Noise) (fulgerele – descărcări electrice între nori – și trăsnetele – descărcări electrice între nori și pământ) au efecte perturbatoare intense asupra echipamentelor și instalațiilor electronice, atât prin inducție și radiație, cât și prin conducție, atunci când se produc în apropierea acestora.
Corpul omenesc poate deveni, la rândul său, o puternică sursă perturbatoare pentru componentele electronice sensibile (cum sunt circuitele integrate), datorită încărcării electrostatice. Prin atingerea contactelor metalice ale acestor componente, se produce descărcarea electrostatică, fenomen care poate avea efecte nocive, constând în comutarea greșită, defectarea sau distrugerea componentelor / modulelor respective.
Sistemele de aprindere prin scânteie constituie de asemenea importante surse de perturbații, semnalele parazite produse putând atinge frecvențe deosebit de ridicate; motiv pentru care se iau măsuri speciale de ecranare a conductoarelor de distribuție din componența acestor sisteme.
Aparatura electrocasnică își aduce și ea o contribuție importantă la îmbogățirea spectrului perturbator. De pildă armonica a 5 – a câmpului produs de un cuptor cu microunde (lucrând la 2,45 GHz) poate intra ușor peste gama de frecvențe a recepției prin satelit (12-12,5 GHz).
Calculatoarele electronice, perifericele acestora, rețelele de calculatoare, care au proliferat fără precedent în ultimii ani, în toate domeniile de activitate, au adus în actualitate o problemă de maximă importanță: protecția la perturbații electromagnetice din mediul înconjurător, împreună cu reversul său – cerința de a nu perturba în exploatare alte echipamente electronice.
Aceste echipamente produc frecvent perturbații de frecvențe ridicate (zeci, sute de MHz), cu intensități de câmp ajungând la 2-3 V/m, atât prin conducție cât și prin câmpuri de radiații.
De exemplu armonicile oscilatoarelor cu cuarț din componența unor periferice, care lucrează în gama de frecvență 1-20 MHz, pot ajunge la sute de MHz (fig. 4.2.)
De asemenea sursele de alimentare în comutație ale calculatoarelor electronice, realizate cu tranzistoare de putere (choppere), constituie factori perturbatori importanți pentru rețelele electrice de alimentare, putând transmite în aceste rețele armonici parazite de frecvențe ridicate.
Liniile electrice de înaltă și medie tensiune constituie surse de perturbații intense pentru sistemele electronice aflate în apropiere, îndeosebi prin câmpurile magnetice deosebit de intense pe care le produc, dar și prin străpungeri, conturnări și efecte de descărcare în coroană; în acest caz, gama de frecvență a perturbațiilor emise putând ajunge la câțiva MHz (fig. 4.3.).
Mai mult, prin câmpul magnetic liniile electrice și cablurile de înaltă, medie și joasă tensiune pot produce efecte biologice nocive asupra organismului uman.
O creștere importantă a numărului factorilor perturbatori au adus-o aparatele de radio-comunicații mobile (Talkie-Walkie), atât prin gama de frecvență, cât și prin nivelul câmpului perturbator (fig. 4.4.).
Regimurile tranzitorii ale instalațiilor și echipamentelor electrice cum sunt: aprinderea/stingerea lămpilor electrice cu descărcări în gaze, conectarea/deconectarea transformatoarelor și mașinilor electrice rotative, comutația în circuitele cu mutatoare (dispozitive semiconductoare comandate), comutația motoarelor electrice cu colector, conectarea/ deconectarea rețelelor electrice ș.a., reprezentând, în esență, sarcini inductive și capacitive, constituie cauzele cele mai frecvente ale interferenței, putând produce declanșarea sau bascularea nedorită a circuitelor electronice, scoaterea acestora sau a unor module întregi din funcțiune.
Instalațiile de emisie radio, radar reprezintă, în același timp, surse de semnale perturbatoare pentru echipamentele și sistemele electronice, prin câmpurile de radiații emise în spațiul înconjurător, acoperind practic întreaga gamă de frecvențe radio (spectrul radio : 3kHz-300GHz).
Dispozitivele electronice care funcționează în regim de comutație(de exemplu sursele în comutație ale calculatoarelor).
Descărcările electrostatice ale instalațiilor electrice izolate față de pământ reprezintă surse de perturbații periculoase, îndeosebi pentru componentele sensibile ale echipamentelor electronice, gama de frecvență a semnalelor parazite putând ajunge până la câțiva GHz.
Exploziile nucleare la suprafața solului și în atmosferă constituie surse capabile să producă perturbații deosebit de intense pe o gamă largă de frecvență, putând conduce la defectarea sau distrugerea sistemelor și instalațiilor electronice aflate la distanțe de zeci și sute de km de epicentru.
Tabelul 4.2. Parametri caracteristici unor surse de radiații
În tabelul 4.2. se prezintă, ca exemplu, parametrii caracteristici câmpurilor de radiații perturbatoare în cazul unor surse de perturbații cum sunt: emițătoarele radio, trăsnetele, exploziile nucleare la mare înălțime, supratensiunile și comutațiile (de regim tranzitoriu) din instalațiile și rețelele energetice.
Mediile electromagnetice perturbatoare sunt clasificate, la rândul lor, în funcție de nivelul perturbațiilor.
Astfel standardul IEC 65-4 ierarhizează mediile perturbatoare în mai multe clase:
Clasa1 – nivel foarte redus al perturbațiilor
Exemple:
perturbațiile din rețeaua de alimentare datorită comutărilor (pornirile/opririle) unor aparate;
surse de alimentare cu filtre de rețea;
cabluri ecranate pentru liniile de transmisie;
utilizarea becurilor cu incandescență pentru iluminat;
stațiile de emisie (de radiofrecvență)se află la peste 1km de zona respectivă.
Clasa 2 – nivel redus al perturbațiilor
Exemple :
supratensiune în rețeaua de alimentare;
transmisiuni prin cabluri neecranate;
surse fără filtre de rețea;
comunicații prin radiotelefoane mobile în zonă.
Clasa 3 – nivel de perturbare industrial
Exemple :
nu există separări antiperturbative între circuitele de curenți tari și cele de curenți slabi(comandă);
există sisteme de pământare pentru echipamente și instalații de forță;
există perturbații prin câmp apropiat produse de comutarea și funcționarea motoarelor, transformatoarelor, sarcinilor inductive;
există perturbații prin radiație (max. 150-200Hz) de la comutația dispozitivelor electronice de putere;
există sisteme de emisie de mare putere în vecinătate.
Clasa 4 – nivel înalt de perturbare electromagnetică
Exemple:
medii cu instalații de înaltă tensiune;
laboratoare de încercări;
nave militare (de exemplu puntea etalon).
Clasa X – nivel extrem de perturbat, pentru care nu există norme.
Cuplajul galvanic
Cuplajul galvanic apare atunci când o impedanță este comună pentru două sau mai multe circuite. Există două tipuri de cuplaj galvanic:
cuplaj galvanic între circuite de alimentare, de exemplu consumatori (receptoare) alimentați de la aceeași rețea, figura 4.5, unde reprezintă impedanța de cuplaj;
cuplaj galvanic datorat legării la pământ, numit și cuplaj prin bucla de pământare, figura 4.6.
Cuplajul galvanic între circuitele de alimentare
Dacă două sau mai multe circuite au o impedanță comună, de exemplu un conductor de referință comun, atunci curentul fiecărui circuit provoacă pe impedanța comună Zk o cădere de tensiune care reprezintă, pentru celălalt circuit, o tensiune perturbatoare de mod normal, figura 4.7.a.
Impedanța comună este sinonimă cu impedanța de cuplaj sau impedanța de transfer. Aceasta exprimă dependența dintre un curent imprimat și căderea de tensiune provocată de el într-o impedanță, care la rândul său poate fi interpretată ca o sursă de tensiune pentru un alt circuit.
Decuplarea celor două circuite se poate realiza prin măsura arătată în figura 4.7.b. Ambele circuite sunt cuplate ca și înainte cuplate galvanic, dar nu mai există o impedanță de cuplaj.
Căderea de tensiune produsă se calculează în domeniul timp respectiv frecvență cu:
Măsuri antiperturbative:
reducerea impedanței conductoarelor liniilor de alimentare prin micșorarea lungimii, torsadare, circuite imprimate dublu sau multistrat;
folosirea unei surse de alimentare cu tensiune mai mare și introducerea unui regulator de tensiune pentru fiecare consumator (C);
echiparea unităților funcționale cu “condensatoare de decuplare” pe intrarea de alimentare, dimensionate corespunzător pentru ca, în timpul fenomenelor de comutație, să poată furniza, pentru scurtă durată, curenți mari la variații mici de tensiune;
liniile de alimentare separate până la sursa de alimentare, pentru fiecare consumator;
folosirea de surse de alimentare separate pentru unitățile funcționale care consumă puteri foarte diferite.
Ceea ce s-a arătat până aici, prin exemple, pentru unități funcționale complete, este valabil și în cadrul fiecărei plăci de cablaj imprimat, adică folosirea unui traseu de semnal și unul pentru legare la masă.
Cuplajul galvanic datorat legării la pământ
Pentru a urmări modul de formare al acestui cuplaj este necesar să se definească noțiunile:
tensiune electromotoare echivalentă între două prize de pământ;
impedanță de cuplaj a cablului coaxial.
Tensiunea electromotoare echivalentă între două prize de pământ. În figura 2.8 se arată că, dacă între prizele de pământ P1 și P2 există distanța d se măsoară, cu ajutorul unui voltmetru o tensiune de 0,1V…2,5V între cele două prize.
Diferența de potențial între cele două prize de pământ se atribuie curenților din pământ, prin a căror circulație apare .
Impedanța de cuplaj a cablului coaxial. În multe cazuri conexiunea între un senzor și aparatul de măsurat se realizează prin intermediul unui cablu coaxial (figura 4.9) cu impedanța caracteristică de ordinul 50…75. Cablul coaxial constituie conexiunea optimă deoarece inductivitatea specifică (H/m) este sensibil mai mică decât a unei linii cu două conductoare.
Impedanța de transfer a cablului este dată de relația:
Din punct de vedere teoretic ar trebui ca această impedanță de cuplaj să fie nulă, deoarece inducția magnetică în interiorul unui tub cilindric, parcurs în lung de curent electric, este nulă. Faptul că tensiunea captată U() nu este nulă se datorează execuției imperfecte a tubului cilindric, în speță a cablului coaxial, a cărui secțiune nu este perfect circulară, iar conductorul central nu este așezat centrat.
În cazul plăcuțelor imprimate montate în interiorul unui bloc electronic sau în blocuri diferite, figura 4.10., avem de a face cu o buclă de pământare închisă la ambele capete prin capacități parazite.
Masa schemei, este legată la pământul de protecție într-un singur punct din carcasa aparatului în care funcționează schema, dar pentru frecvențe înalte această legătură este ca și inexistentă datorită efectului inductivităților parazite. Aceste considerații sunt valabile numai în anumite considerații, în cazuri concrete trebuie să se considere următoarele:
pentru L=1/Cp circuitul oscilant serie format inductivitatea L a buclei de pământare și capacitatea parazită Cp, ajunge la rezonanță și în funcție de amortizare, apar curenți mari;
pentru linii de semnal lungi și frecvențe înalte trebuie să se țină cont de impedanțele liniei de ducere și de întoarcere care sunt în serie cu impedanța sursei și a receptorului;
pentru frecvențe la care lungimea de undă este de același ordin de mărime cu lungimea cablului de semnal sau mai mică, nu mai poate fi aplicat calculul cu mărimi complexe în curent alternativ, ci trebuie aplicată teoria liniilor electrice lungi;
pentru liniile de semnal coaxiale și la frecvențe mari, datorită efectului pelicular, curentul perturbator circulă numai la suprafața exterioară a ecranului pelicular.
Măsuri antiperturbative: pentru neutralizarea cuplajului rezultat este necesară izolarea aparatului de măsurat. Curentul datorat tensiunii Ucm este limitat de capacitatea parazită Cp.
Cuplajul inductiv
Cuplajul inductiv respectiv magnetic apare între două sau mai multe bucle conductoare parcurse de curenți. Fluxurile magnetice produse de curenți intersectează și alte bucle conductoare în care induc tensiuni perturbatoare. Efectul inductor al fluxurilor se modelează într-o schemă echivalentă fie printr-o inductivitate mutuală (figura 4.11.a), fie printr-o sursă de tensiune (figura 4.11.b).
Pentru figura 4.11.b) se presupune că numai sistemul 1 perturbă sistemul 2, nu și invers. Cu alte cuvinte, nivelul curentului în sistemul 1 este de câteva ori mai mare decât nivelul curentului din sistemul 2.
Tensiune indusă se calculează cu:
respectiv în domeniul timp:
Inductivitatea mutuală dintre cele două sisteme M12 se obține cu relația:
unde 12 este partea din fluxul magnetic înlănțuit cu curentul I1() care parcurge sistemul 2 și se poate calcula cu formula:
În practică, este foarte important cunoașterea fenomenului, cuplajul magnetic putând exista chiar daca bucla din sistemul 2 nu este închisă galvanic, ci numai printr-o capacitate parazită.
Rezultă că tensiunea perturbatoare este proporțională cu frecvența, viteza de variație a curentului în sistemul 1 și inductivitatea mutuală dintre cele două sisteme, aceste considerații ducându-ne la următoarele măsuri antiperturbative și anume:
micșorarea inductivității mutuale prin porțiuni paralele ale conductoarelor cât mai scurte posibil;
mărirea distanței dintre bucle;
dispunerea perpendiculară a buclelor;
torsadarea conductoarelor în sistemul 2;
ecranarea sistemului 2 (a victimei);
șuntul coaxial, pentru măsurarea curenților cu variații rapide.
Neutralizarea cuplajului magnetic, în cazul șuntului coaxial, constă în aceea că tensiunea de măsurare (proporțională cu curentul măsurat) se extrage cu conductoare într-un volum lipsit de inducție magnetică. Un astfel de șunt este prezentat în secțiune, în figura 4.12.
Cuplajul capacitiv
Cuplajul capacitiv sau electric se datorează existenței capacităților parazite . Ca urmare a diferenței de potențial, se produce, între conductoare, un câmp electric care este modelat în schema echivalentă printr-o capacitate parazită. În figura 4.13.a) este arătat un astfel de cuplaj.
R2 și C2 simulează parametrii sistemului 2 (victima), iar C12 este capacitatea parazită dintre cele două sisteme. Schema echivalentă are în vedere faptul că numai sistemul 1 perturbă sistemul 2 și nu invers. Se folosesc următoarele notații:
Se pot considera următoarele cazuri:
rezistența echivalentă perdinanței este foarte mare, adică R2 și în acest rezultă relația pentru divizorul de tensiune capacitiv;
capacitatea C2 este foarte mică, adică C2 0 și în acest caz tensiunea conductorului 2 rezultă:
Pentru neutralizarea interferenței se recomandă următoarele soluții:
ecranarea conductorului 2, ecran legat la pământ, astfel dispărând condensatorul C2;
în înaltă tensiune, interferența datorată capacităților parazite este neutralizată prin formarea unui divizor de tensiune capacitiv cu capacități mult superioare (două ordine de mărime) față de capacitățile parazite.
Cuplajul prin radiație electromagnetică
Pentru cuplajul inductiv și capacitiv s-a considerat câmpul magnetic ca fiind independent de cel electric. În cazul radiației electromagnetice este necesar a se considera dependența între cele două mărimi vectoriale prin ecuațiile lui Maxwell:
cunoscute ca ecuațiile inițiale, folosite la stabilirea mărimilor E și H în spațiul în care radiază un dipol. Efectul radiației electromagnetice asupra unei linii electrice va fi analizat, în cele ce urmează, fără a mai considera reacția liniei asupra câmpurilor E și H.
La mare distanță de dipolul considerat, care emite radiația electromagnetică, vectorii E și H sunt în fază, decalați în spațiu cu /2 și se deplasează cu viteza . În figura 4.14 se consideră o linie formată din două conductoare 1 și 2 (al doilea conductor este pământul) între care există distanța h. Din această linie se consideră un segment de lungime dx, orientat după coordonata x.
Pentru bucla a, b, c, d, a, teorema a doua a lui Kirchhoff, are forma:
sau
unde L0 este inductivitatea pe unitatea de lungime a liniei.
Teorema întâi a lui Kirchhoff în nodul c se scrie astfel:
unde C0 este capacitatea pe unitatea de lungime a liniei.
Curentul idm este datorat existenței câmpului electric Ez și modifică curentul de deplasare în condensatorul C0dx, datorat existenței tensiunii u(x+dx).
Schema echivalentă a liniei arată ca în figura 4.15:
Din relația 4.15 se obține:
Partea stângă reprezintă efectul, iar partea dreaptă cauza, adică excitațiile de câmp electromagnetic legate între ele cu ajutorul relației.
Tipuri de cuplaj la circuitele imprimate
În cazul circuitelor imprimate cuplajul predominant este cuplajul galvanic, dar în cele mai multe cazuri circuitele imprimate sunt destinate funcționării la frecvențe mari (10MHz10GHz), situație în care nu se pot neglija cuplajele între trasee (linii, piste). Astfel figura 4.16., reprezintă un segment dintr-un circuit imprimat format din liniile 1, 2, izolația 3 și masa 4. Sursa cu tensiunea electromotoare E1 și impedanța internă Zs1 alimentează linia 1, cu impedanța proprie ZL1 și cu impedanța de sarcina Zr1. Sursa cu tensiunea electromotoare E2 și impedanța internă Zs2 alimentează linia 2, cu impedanța proprie ZL2 și cu impedanța de sarcina Zr2.
Schema electrică echivalentă privind modul de inter-influențare între cele două trasee este dată în figura 4.17, în care se disting următoarele tipuri de cuplaje:
cuplajul galvanic prin impedanța Zm datorată închiderii circuitelor prin masa comună;
cuplajul inductiv prin inductivitatea mutuală M, între două linii;
cuplajul capacitiv direct prin capacitatea C12, între cele două trasee;
cuplajul capacitiv indirect prin capacitățile C1m și C2m față de masa comună traseelor.
Măsurile tehnice recomandabile pentru neutralizarea interferenței între cele două trasee sunt:
creșterea distanței d între cele două trasee. În acest mod se diminuează capacitatea C12, impedanța comună Zm și inductanța mutuală M;
scurtarea cât se poate de mult a lungimii L a traseelor conductoare în vederea diminuării capacităților C12, C1m, C2m;
creșterea grosimii g în vederea diminuării capacităților C1m, C2m;
folosirea pe cât posibil a unui traseu de întoarcere cât mai apropiat de traseul de ducere. În acest mod se elimină în mare măsură cuplajul inductiv, cu efect nesemnificativ asupra cuplajului capacitiv. De asemenea, în acest mod, tensiunea indusă de un câmp magnetic variabil extern, în bucla formată de sursă-linie-receptor-masă, este minimă.
4.2. Perturbații prin câmp apropiat și câmp îndepărtat
Cuplaje perturbatoare prin câmpuri apropiate (de inducție)
O altă categorie de cuplaje electromagnetice perturbatoare sunt cele prin câmp, caz în care legătura electrică prin conducție/galvanică între perturbator și perturbat este inexistentă.
În funcție de modul în care este îndeplinită condiția mai mare sau mai mic decât 1, cuplajele prin câmp se împart în:
cuplaje prin câmp apropiat sau câmp de inducție – când , respectiv ;
cuplaje prin câmp îndepărtat sau câmp de radiații – când , respectiv,
unde r reprezintă distanța dintre perturbator și perturbat (susceptor/victimă), iar λ – lungimea de undă a câmpului perturbator .
La rândul lor, cuplajele prin câmp apropiat, numite și cuplaje prin inducție, se împart în:
cuplaje inductive;
cuplaje capacitive.
David Morgan împarte câmpul apropiat în:
– câmp apropiat propriu-zis (reactiv), care înconjoară antena la distanța , numit reactive near-field;
– câmp apropiat radiant (Fresnel), care înconjoară antena la distanța , pentru , numit radiating near-field.
În cele două relații, D reprezintă dimensiunea maximă a deschiderii antenei.
În zona distanței predomină câmpul apropiat reactiv, iar în cea a distanței – câmpul apropiat radiant.
Impedanțele câmpului electric apropiat, , și a câmpului magnetic apropiat, , sunt calculate cu relațiile:
, unde reprezintă distanța față de sursă, în multipli de .
Cuplaje perturbatoare prin câmpuri îndepărtate (de radiații)
Condiția de realizare a unui cuplaj prin câmp îndepărtat este, așa după cum s-a arătat în cap. 2.4, r>> λ /2π, unde r este distanța dintre perturbator și perturbat, iar λ – lungimea de undă a câmpului perturbator. Caracteristic în acest caz este fenomenul de propagare a câmpului sub formă de unde (plane).
În cele ce urmează se vor analiza, pe rând, radiatorul de tip dipol electric și cel de tip dipol magnetic, punând în evidență componentele câmpului electromagnetic în zona îndepărtată (în realitate, cele două tipuri de radiatoare pun în evidență componentele câmpului atât în zona apropiată, cât și în cea îndepărtată).
Limita dintre câmpul apropiat și câmpul depărtat
Înțelegerea originii invers liniare, pătratice sau cubice a intensității câmpului de distanță se poate obține prin luarea în considerare a dipolului elementar , care are lungimea h și este excitat de un curent uniform sinusoidal de forma:
Soluția ecuației lui Maxwell pentru acest element de antenă duce la componentele pentru câmpurile magnetic și electric prezentate în relațiile (4.18), (4.19), (4.20).
Ecuația (4.19) pentru câmpul electric radial r are numai doi termeni în 1/r2 și 1/r3. Aceasta înseamnă că Er scade rapid cu distanța de la elementul oscilant și, deci, este important numai aproape de acesta. Termenul 1/r3 poate fi identificat cu câmpul calculat pentru un dipol electromagnetic.
Ecuația (4.18) pentru câmpul electromagnetic azimutal prezintă o dependență de 1/r și 1/r2. În apropierea elementului de curent, termenul 1/r2 domină și acesta este în fază cu curentul de excitație I. Acesta poate fi identificat ca inducție magnetică obișnuită obținută din legea lui Ampere.
Ecuația (4.20) pentru câmpul E al axei de elevație conține termeni în 1/r, 1/r2 și 1/r3. Termenii cu ordinul cel mai mare domină în apropierea sursei și sunt identificați drept câmpuri de inducție ale dipolului, cu termenul 1/r fiind câmpul de radiație care estre dominant la distanțe mari de sursă.
Aceste ecuații arată ca în apropierea sursei caracteristicile câmpului sunt diferite față de cale pentru câmpul dintr-o poziție depărtată față de elementul radiant. Componentele câmpului de radiație E și H sunt în fază ortogonale în spațiu și raportul dintre E și H reprezintă impedanța de undă în spațiul liber Z0.
Regiune în are domină termenii cu ordine mai mari este cunoscută drept câmp apropiat și cea în care domină termenii 1/r este denumit câmp depărtat. Examinarea ecuațiilor (4.18) la (4.20) va arăta că termenii 1/r2 sunt de aceeași mărime ca termenii 1/r la distanța /2 și, uneori, aceasta este denumită limita/granița dintre câmpul apropiat și cel depărtat. O analiză mai cuprinzătoare a trecerii de la câmpul apropiat la cel depărtat este prezentată de Yaghjian și acesta clasifică distanțele limitelor după cum se arată în fig.2.18.
Soluția pentru componentele de câmp pentru dipolul scurt:
unde: Er – câmpul electric radial;
E – câmp electric de elevație;
H – câmp magnetic azimutal;
r – distanța de la elementul de curent;
I0 – curentul în element;
h – lungimea elementului;
Z0 – impedanța mediului înconjurător;
– permitivitatea mediului înconjurător;
– permeabilitatea mediului înconjurător;
– constanta de propagare a mediului;
– pulsația curentului I.
Pentru a ajuta la clarificarea ecuațiilor (4.18), (4.19) și (4.20) se observă următoarele relații:
unde f este frecvența în Hz,
unde: – lungimea de undă;
c – viteza de propagare a undei electromagnetice;
Balanis afirmă că regiunea reactivă a câmpului apropiat este definită ca regiune a câmpului din imediata apropiere a antenei, în care domină câmpul reactiv și se consideră că există de la o distanță:
El definește regiunea radiantă a câmpului apropiat (Fresnel) ca regiunea dintre câmpul reactiv apropiat și câmpul radiant depărtat, în care domină câmpurile de radiație și unde distribuția câmpului unghiular este dependentă de distanța de la antenă. Limita interioară este considerată ca cea din ecuația (4.27) și limita exterioară este la:
Pentru D>>. Regiunea câmpului depărtat poate fi definită ca acea regiune a câmpului unei antene, unde distribuția câmpului unghiular este, în esență, independentă de distanța de la antenă. Dincolo de limita câmpului depărtat definită de ecuația (4.28), distribuția unghiulară nu este total independentă de distanță, dar diferențele sunt semnificative numai la unghiuri care corespund primului punct zero(nul) din figură. În figura 4.19. sunt descrise diagramele la diferite distanțe de la o antenă parabolică.
Cunoașterea limitei câmp apropiat-câmp depărtat pentru antenele folosite în măsurătorile C.E.M. este foarte importantă. Măsurători la nivel “cutie” sau “subsistem” sunt efectuate în apropierea echipamentului testat.
Figura 4.20. prezintă un grafic al distanței în metri a limitei câmp apropiat-câmp depărtat, în funcție de frecvență, pe baza regulii simple /2. Pentru domeniul predominant militar, măsurătorile emisiei radiate și susceptibilității la 1 m față de echipament este valabilă numai până la o frecvență de 50 MHz.
Diagramele calculate ale radiației antenei paraboloide pentru diferite distanțe de la antenă.
Formula /2 dă valori pentru limita câmpului depărtat de numai câțiva cm la frecvențe de peste 1GHz. Toate măsurătorile de microunde pot fi efectuate automat în câmpul depărtat cu o distanță de testare de numai 1m. În practică nu este cazul pentru că antenele folosite în regim de microunde sunt, de regulă cu apertură mare, cu posibilitatea utilizării reflectorilor parabolici. Pentru astfel de antene, limita câmp apropiat-câmp depărtat se definește prin:
De obicei, adițional nu este luat în calcul, dar este inclus aici pentru a acoperi situația în care dimensiunea maximă a aperturii D din fig.4.16. este mai mică decât o lungime de undă. Distanța Rayleigh până la câmpul depărtat ar trebui să se măsoare corespunzător de la limita exterioară a câmpurilor reactive din jurul antenei.
Folosind ecuația (4.28) pentru exemplul unei antene “farfurie” cu diametrul de 50cm care lucrează la 10 GHz, câmpul depărtat este la 17m de farfurie și, astfel, toate măsurătorile CEM obișnuite la această frecvență vor fi foarte mult în câmpul depărtat, rezultând rezultate care vor fi cel puțin dificil de interpretat și nesigure.
CAPITOLUL V
METODE ȘI SOLUȚII DE ATENUARE A PERTURBAȚIILOR
ELECTROMAGNETICE PE NAVĂ
5.1. Ecranarea antiperturbativă
Ecranarea reprezintă una din căile principale de asigurare a Compatibilității ElectroMagnetice (CEM) în cazul echipamentelor și aparatelor electronice.
Efectul de ecran constă în inducerea de sarcini electrice sau de curenți electrici (de către câmpurile electromagnetice produse de surse externe sau interne ecranelor metalice), al căror câmp se opune câmpului inductor, atenuându-l pe acesta într-o măsură oarecare.
Ecranarea se poate realiza: la sursă, la receptor, mixt.
Problemele esențiale ale ecranării sunt:
I. modul de calcul, realizare și evaluare a calității ecranului;
II. modul în care se leagă ecranul la circuit, inclusiv la circuitul de masă.
Metode de calcul ale ecranării
A) Metoda rezolvării ecuației lui Helmholtz prin separarea variabilelor
Această metodă este aplicabilă geometriilor separabile. Există unsprezece sisteme de coordonate triortogonale în care ecuația lui Helmholtz este separabilă (geometrii Wiener – Hopf): cartezian, cilindric circular, sferic, cilindric eliptic, elipsoidal etc.
Metoda este complicată dar precisă și are avantajul că oferă concluzii generale asupra ecranării.
În cadrul acestei metode, funcționarea ecranului se poate explica astfel: câmpul incident (componenta câmp magnetic , de exemplu) induce în ecran curenți turbionari care, la rândul lor, produc un câmp , numit și câmp de reacție (), de sens opus câmpului perturbator (fig.5.1).
În spațiul protejat câmpul este diminuat ().
B) Metoda impedanțelor.
Se bazează pe analogia dintre propagarea unei unde plane în spațiu și a undelor de tensiune și curent într-o linie de transmisie. Metoda este riguroasă numai în cazul unui ecran tip foaie plană conductoare de dimensiuni infinite. Totuși ea permite obținerea unor rezultate practice bune și chiar generalizarea problemei ecranării, fără a se lua în calcul geometria ecranului (fig.5.2).
C) Metodele integrale.
Servesc pentru calculul unor ecrane de forme diferite și presupun rezolvarea ecuațiilor integrale ale câmpului. Aceste metode prezintă dificultăți tehnice mari și de aceea sunt puțin utilizate în practică.
Notă. Atât în cadrul metodei separării variabilelor, cât și a metodelor integrale, se utilizează frecvent metodele numerice de calcul (metoda diferențelor finite, metoda elementului finit).
Caracterizarea efectului de ecranare
Se notează cu:
– câmpul în absența ecranului sau câmpul incident la ecran, la mare distanță de acesta;
– câmpul din spațiul protejat de ecran.
Se definește efectul ecranului prin reducerea câmpului magnetic și/sau electric și se notează cu ajutorul mărimii complexe adimensionale, numită “factor de ecranare” F (sau Q):
Obs.1: F este o mărime complexă din cauza defazajului care apare între Hi și He la trecerea prin ecran a câmpului (considerat cu variație armonică).
Obs.2: În cazul undei plane, raportul E/H este constant și egal cu Z0 (în câmp îndepărtat), astfel încât factorul de ecranare se poate calcula și cu relația:
datorită proporționalității mărimilor câmp electric – câmp magnetic.
În cazul câmpului apropiat, efectele de ecranare pentru câmpul electric și magnetic sunt diferite și se calculează separat. În practică, efectul ecranului se apreciază în [dB] cu ajutorul mărimii numite “atenuarea ecranului”- a:
Obs: În cazul metodei impedanțelor, pentru atenuare se va folosi adeseori notația “S” în locul lui “a” (shielding, în limba engleză). Utilizarea atenuării în [dB] permite ca atenuările produse de diferite ecrane să fie sumate:
unde:
S[dB] – atenuarea totală a câmpului electric și/sau magnetic prin metoda impedanțelor;
A[dB] – atenuarea câmpului electric și/sau magnetic datorită absorbției (pierderile prin absorbție);
R[dB] – atenuarea câmpului electric și/sau magnetic datorită reflexiei (pierderile prin reflexie);
B[dB] – factor de corecție datorită reflexiilor multiple în cazul ecranelor subțiri.
Se pun în evidență cele trei mecanisme ale ecranării: absorbția, reflexia și reflexiile multiple.
Mărimile F, Q, respectiv a, S depind de:
frecvență;
geometria ecranului;
materialul ecranului;
locul unde este măsurat câmpul;
tipul de câmp ce trebuie atenuat;
direcția de incidență a câmpului;
polarizarea câmpului.
Ecuațiile de propagare a câmpului electromagnetic
Fie un mediu izotrop, omogen ca structură fizică, imobil, nepolarizat, fără proprietăți ereditare, liniar și fără sarcini electrice. Ecuațiile lui Maxwell au forma:
Fie o variație armonică a câmpului electromagnetic:
În continuare se va subînțelege că mărimile respective sunt și fazori (în complex), astfel că vom renunța la sublinieri.
Ecuațiile (5.8) devin în complex:
Relațiile (5.9) sunt valabile atât în spațiul lipsit de sarcini cât și în metale, cum este cazul ecranării. Ca urmare, aplicând operatorul rotor relației (1.13) și ținând cont că:
Ecuațiile (5.15) reprezintă ecuațiile de propagare a câmpului în complex, funcție de frecvență, într-un mediu , , . Se notează cu constanta de propagare:
se poate separa într-o parte reală și una imaginară:
unde:
– constanta de atenuare;
, (0, k0) – constanta de fază (numărul de undă).
Ca urmare, ecuația de propagare, numită și ecuația lui Helmholtz, devine:
Rezolvarea problemelor de ecranare constă în rezolvarea ecuației vectoriale a lui Helmholtz în exteriorul, interiorul și peretele ecranului, în condițiile limită date, și în determinarea factorului de ecranare și a atenuării în aceste condiții.
Obs: Ecuația are o infinitate de soluții și apar dificultăți la determinarea constantelor de integrare. În aceste condiții, numai un mic număr de probleme poate fi rezolvat analitic, prin separarea variabilelor, cu ajutorul unor condiții la limită adecvate. Pentru ușurarea rezolvării se recurge la metode numerice.
Deoarece 0 = 1/36109 F/m, 0 = 410-7 H/m, iar în metale = 105108 S/m, la toate frecvențele de interes se poate aproxima în peretele ecranului:
ceea ce înseamnă că în metale (materiale bune conducătoare) se poate neglija curentul de deplasare în raport cu cel de conducție. Ca urmare, se poate aproxima:
La creșterea frecvenței, datorită efectului pelicular, repartiția densității de curent în conductor nu mai este uniformă. Distanța în interiorul conductorului la care câmpul aplicat la suprafață scade de “e” ori (e=2,71… este baza logaritmilor naturali), se numește adâncime de pătrundere și se notează cu :
rezultă:
În mediu dielectric (aer) = 0 (mediu fără pierderi):
Notând (k0 – număr de undă), ecuațiile undelor devin în spațiul liber:
Obs: Dacă se neglijează în mediul dielectric și curentul de deplasare, rezultă = 0. Această aproximație se face la frecvențe joase (f 30 MHz, 10 m ), respectiv în regim cvasistaționar (regim lipsit de propagare). Ecuațiile devin: ; .
În regim nestaționar (înaltă frecvență) nu se mai poate neglija curentul de deplasare și va fi dată de relația (5.23).
Notă: La obținerea ecuațiilor undelor s-a presupus, în mod implicit, că sursa de câmp electromagnetic este amplasată la infinit. În cazul undelor plane omogene (uniforme) – unde produse teoretic de surse infinite – planele de fază constante sunt și plane de amplitudine constantă. Sursele de câmp au însă dimensiuni finite. Totuși, la distanță mare de sursă, o mică porțiune a frontului de undă poate fi considerată plană. Astfel de unde pot exista numai în medii infinite și omogene, fiind produse de surse plasate la infinit. Undele plane uniforme sunt un caz particular de unde plane, fiind unde de tip TEM.
Ecranarea câmpurilor statice
Ecranarea câmpurilor electrostatice
La introducerea unei sfere goale conductoare într-un câmp electrostatic, asupra sarcinilor electrice libere din materialul ecranului acționează forța electrostatică F = qE care provoacă o redistribuire a acestora. Redistribuirea se încheie când componenta tangențială a lui F la suprafața ecranului devine nulă, liniile de câmp electric devenind normale la suprafață.
Datorită anulării componentei , nu mai există nici un motiv de deplasare a sarcinilor electrice la suprafața ecranului.
Câmpul sarcinilor redistribuite și câmpul exterior perturbator se anulează reciproc în orice punct din interiorul sferei – efect de ecran (electrostatic). Acest efect apare la orice corp conductor gol, indiferent de forma sa. Pentru astfel de ecrane fără îmbinări, atenuarea este:
Obs.1: Acest efect este caracteristic deci ecranelor tip “cușcă Faraday”
Obs.2: Atenuarea aE are valoare finită în cazul unor câmpuri electrice perturbatoare rapid variabile în timp.
Ca urmare:
în interiorul ecranului, “n”= componenta normală (rezultanta dintre Ee și câmpul sarcinilor din ecran);
în exteriorul ecranului, s = densitatea specifică de sarcină De asemenea, conform celor arătate mai înainte:
Notă: Și învelișurile dielectrice posedă un anumit efect de ecranare față de câmpurile electrostatice (pe baza efectului de permitivitate dielectrică). La fel cum un flux magnetic “este condus” printr-un circuit magnetic de permeabilitate ridicată și fluxul electric “este condus” printr-un dielectric de permitivitate ridicată (fig.5.3).
Datorită refracției liniilor de câmp la suprafața de frontieră dintre cele două medii, fluxul electric va trece mai ales prin peretele sferei, în cazul unui raport mare între grosimea peretelui d și diametrul sferei D.
Factorul de ecranare (Kaden) este:
Se obține o atenuare importantă numai pentru rd >> D, deci pentru pereți groși și materiale cu r ridicată. În caz contrar: aE ln1 0.
La suprafața de separație (frontieră) sunt valabile pentru ecranele electrostatice dielectrice relațiile:
Câmpurile magnetostatice
Câmpurile magnetostatice pot fi ecranate prin învelișuri feromagnetice cu r ridicată și pereți groși. În acest caz, fluxul magnetic va circula cu precădere prin pereți, datorită refracției liniilor de câmp la suprafața de separație dintre cele două medii.
Atenuarea este în acest caz (Kaden):
Condițiile de frontieră, în lipsa unei pânze de curent pe suprafața ecranului, sunt:
Ecranarea câmpurilor cvasistaționare
Câmpuri electrice cvasistaționare
Ecranarea se produce ca la câmpurile electrostatice, prin redistribuirea sarcinilor electrice. În practică (datorită variației lente în timp) se poate considera și pentru aceste câmpuri că a = . Sunt valabile aceleași condiții de frontieră ca pentru câmpul electrostatic, respectiv magnetostatic.
Ecranele reale prezintă de obicei îmbinări (la carcase – îmbinările dintre panouri). Dacă pereții nu sunt legați electric unul de altul, aceștia iau potențiale corespunzătoare locului din câmp unde se găsesc, iar ecranul este ineficient.
Este deci necesar ca în cazul ecranelor electrostatice elementele de ecranare să fie legate electric între ele cel puțin într-un punct (fig.5.4).
În aceste condiții rămâne nerezolvată doar problema penetrării capacitive prin interstiții (apare capacitatea interstițiului).
În cazul unor capacități mari ale interstițiilor (etanșări de tip labirint) se pot obține diminuări importante ale perturbațiilor.
La frecvențe mari, interstițiile trebuie adeseori prevăzute cu contacte în scopul asigurării unor căi de curent cât mai scurte pentru curenții rezultați din diferența potențialelor.
Un ecran metalic închis pe toate părțile nu are nevoie de nici o punere la pământ pentru ca în interiorul lui să nu existe câmp (situație teoretică).
Obs: În cazul paravanelor de ecranare metalice, care produc un efect “de umbrire”, se impune existența unei împământări (el este mai degrabă un by-pass galvanic (spre pământ) decât un ecran propriu-zis).
Câmpuri magnetice cvasistaționare
În cazul unui câmp magnetic variabil în timp se induc tensiuni electromotoare în pereții ecranului și datorită conductivității acestuia vor apare curenți induși, al căror câmp se va suprapune (compune) cu câmpul inductor (câmpul indus este un “câmp de reacție”). Ca urmare, în interiorul ecranului se obține un câmp mult mai slab.
Nu este suficient a se realiza câteva legături de echipotențializare, trebuind ca îmbinările să fie șuntate pe toată lungimea lor (fig.1.5).
Evitarea interstițiilor este de asemenea importantă (reduce curenții induși).
Atenuarea crește cu valoarea curenților induși, respectiv cu conductivitatea ecranului. Odată cu creșterea frecvenței, atenuarea tinde spre infinit și utilizarea metalelor neferomagnetice este mai avantajoasă, cu precizarea că aceste materiale nu au efect de ecranare pentru câmpurile magnetostatice (f = 0), care nu induc curenți.
Obs: Dacă însă ecranul este supus și unor câmpuri de radiații (unde electromagnetice), atenuarea devine finită deoarece trebuie luat în calcul și câmpul magnetic al curenților de deplasare.
Condițiile pe frontiera de separație dintre cele două medii (ecran – spațiu liber) sunt date de relațiile:
În cazul unui conductor perfect ( ) și frecvență infinită (f ), factorul de atenuare al ecranului pentru câmpuri tangențiale tinde la infinit:
unde Ht2 = Js este o densitate de curent de suprafață (A/m2) în dielectricul imediat înconjurător ecranului (datorită efectului pelicular al curenților induși);
Ht1 = 0 este câmpul magnetic tangențial materialul ecranului.
Concluzii:
a) În cazul câmpurilor electrice cvasistaționare, efectul de ecranare se poate considera practic total (a ).
b) În cazul câmpurilor magnetice cvasistaționare, practic ecranarea este finită și se calculează de la caz la caz, funcție de: frecvență, grosimea ecranului, conductivitate, permeabilitate, geometria ecranului.
Ecranarea câmpurilor nestaționare (unde electromagnetice)
La creșterea frecvenței, regimul cvasistaționar nu mai este valabil deoarece apar curenții de deplasare al căror câmp magnetic nu mai poate fi neglijat. În acest caz, ecranele se află în câmpurile depărtate ale surselor, în care câmpul electric și cel magnetic sunt cuplate prin impedanța de undă a mediului.
Dacă în câmpurile magnetice alternative cvasistaționare apare numai câmp magnetic de reacție, aici apare și un câmp electric de reacție. Ecranul devine el însuși un emițător de unde electromagnetice după următorul mecanism:
câmpul electric solenoidal al undei incidente produce curenți în pereții ecranului, care dau naștere unui câmp magnetic de reacție HR
câmpul magnetic de reacție produce, prin inducție, un câmp solenoidal ER
care împreună cu HR formează unda electromagnetică reflectată (ER, HR).
În regim stabilizat, câmpul din spațiul exterior ecranului este format din suprapunerea undelor:
iar în peretele ecranului câmpul incident și cel reflectat se compensează reciproc
Obs: Pentru calculul eficacității ecranului în interiorul și în afara materialului ecranului trebuie rezolvate ecuațiile undelor, pentru diferite tipuri de ecrane. Condițiile de frontieră pentru componentele vectorilor E și H sunt aceleași ca la câmpurile cvasistaționare.
Concluzii:
I. Câmpuri statice
a) Câmpul electrostatic se ecranează ușor cu ajutorul unei carcase metalice, legate sau nu la pământ. Legarea la pământ se recomandă pentru protecția personalului la atingerea ecranelor, precum și în cazul ecranelor plane de tip paravan. De asemenea, ecranele cu pereți groși din materiale cu permitivitate ridicată posedă un anumit efect de ecranare față de aceste câmpuri (materiale dielectrice).
b) Câmpurile magnetostatice pot fi ecranate prin învelișuri feromagnetice cu permeabilitate magnetică ridicată, având pereți groși (ecranul de cupru al cablurilor coaxiale nu are efect de ecranare asupra câmpurilor magnetostatice).
II. Câmpuri de joasă frecvență
a) Câmpul electric se ecranează ușor, reflexia fiind principalul mecanism de atenuare (Zs mică, diferența mare, neadaptare mare, reflexie importantă).
b) Câmpul magnetic se ecranează greu prin reflexie (Zs mică, mică, diferența mică, adaptare bună, reflexie nesemnificativă). În schimb, câmpul magnetic se atenuează prin absorbție la aceste frecvențe, absorbția devenind principalul mecanism de atenuare în acest caz.
III. Câmpuri de înaltă frecvență
a) Câmpul electric se atenuează slab prin reflexie, iar ecranarea scade cu creșterea frecvenței (scade, Zs crește, neadaptarea scade, reflexia scade în intensitate).Așadar, un câmp electric se ecranează greu la frecvențe ridicate.
b) Câmpul magnetic se atenuează bine prin reflexie cu creșterea frecvenței (crește rapid cu frecvența, Zs crește mai încet, neadaptarea crește, reflexiile devin importante). La mecanismul atenuării se adaugă în acest caz și absorbția, mai redusă la frecvențe ridicate.
Notă: La construcția ecranelor pentru frecvențe ridicate se pot utiliza materiale neferoase (Cu, Al, Ag) cu grosimi mici (sau sub formă de pelicule subțiri aplicate pe suporturi dielectrice).
Spre deosebire de ecranul electric (pentru câmp electric), ecranul magnetic influențează câmpul perturbator, câmpurile induse opunându-se și slăbind câmpurile inductoare.
Materiale pentru ecrane. Construcția ecranelor
Din cele arătate, rezultă că pentru ecrane se folosesc materiale capabile să creeze câmpuri de reacție prin inducție (conductivitate suficient de mare) sau prin influență (în cazul câmpului electrostatic). De asemenea, se utilizează materiale feromagnetice de permeabilitate ridicată (permaloy, mumetal ș.a.) și uneori dielectrici de permitivitate ridicată.
Cel mai des se utilizează ecranele din materiale neferoase și materiale feromagnetice.
În fig.5.6 se prezintă variația factorului de atenuare a două ecrane din Fe și Cu de aceeași grosime.
Sub 100 KHz, adâncimea de pătrundere este mai mare decât grosimea ecranului d0, astfel că materialul cu conductivitate mai mare va avea un factor de atenuare mai mare prin reflexie (efectul de reducere a ecranului, care se comportă ca o spiră în scurtcircuit, producând o reacție importantă).
Peste 200 KHz adâncimea de pătrundere devine mai mică decât grosimea ecranului, astfel că permeabilitatea devine importantă și atenuarea fierului (prin absorbție) o depășește pe cea a cuprului.
Obs: La frecvențe foarte mici (nereprezentate în figură), apare un nou punct de intersecție și eficacitatea fierului o depășește din nou pe cea a cuprului. Astfel, chiar la f = 0 ecranul din fier are o oarecare eficacitate, în timp ce ecranul din cupru nu are nici un efect asupra câmpurilor magnetostatice.
Ecranele din oțel inoxidabil prezintă o atenuare mai mică față de cele din cupru sau fier, datorită rezistivității mari și a proprietăților paramagnetice (r = 1).
În cazul folosirii ecranelor dielectrice (pentru E) sau feromagnetice (pentru H), trebuie să se țină cont de dependența mărimilor r și r de frecvență și de efectul neliniar al saturației , care apare la intensități mari de câmp. Pentru evitarea saturației se folosesc ecrane multiple, în special la ecranarea câmpurilor magnetice. Astfel, materialele cu r redusă și liniaritate într-un domeniu larg sunt plasate spre sursa de perturbații (în exterior), iar la cele magnetice, cu efect de ecranare ridicat, spre interior, respectiv într-un câmp deja atenuat într-o oarecare măsură (fig.5.7).
Efecte reduse de ecranare prezintă și împletiturile metalice, cum sunt armăturile din fier beton ale clădirilor.
Materialele plastice metalizate și cele conductoare utilizate tot mai mult la construcția carcaselor în locul celor metalice, asigură și funcțiuni de ecranare. Materialele conductoare cu conductivitate intrinsecă (intrinsic conductivity) sunt în stadiu de cercetare.
Materialele plastice conductoare actuale conțin adaosuri de materiale conductoare (negru de fum, pulberi metalice) iar carcasele din material plastic sunt prevăzute în interior cu un strat conductor obținut prin metalizare, în scop de ecranare.
Ferestrele ecranate ale carcaselor sau incintelor se realizează prin depuneri metalice transparente pe sticlă, asigurând o ecranare importantă numai în cazul câmpurilor electrice cvasistaționare. O eficiență mai mare, în special la frecvențe mari, o au țesăturile din fir metalic, transparente (rezistența mare a căii de curent creează căi de scurgere a sarcinilor electrostatice).
La frecvențe înalte, efectul de ecranare al carcaselor este mai puțin dependent de tipul materialului folosit decât de construcția ecranelor și de condițiile funcționale (dacă se ecranează o clădire (carcasă) deja existentă, dacă trebuie realizată o cabină autoportantă, dacă există condiții de coroziune etc.).
După cum s-a arătat, atenuarea unui ecran dintr-un anumit material variază cu frecvența sursei de câmp. În fig.5.8. este prezentată variația atenuării cu frecvența în cazul unui ecran de cupru. reprezintă atenuările prin reflexie pentru câmpul electric și cel magnetic, iar SR – atenuarea prin reflexie pentru undele plane.
Atenuarea ecranelor depinde de forma acestora, de dimensiunile lor, de poziția relativă a unui ecran față de direcția liniilor de câmp, de fantele (deschiderile) de îmbinare și răcire ale carcaselor ecranate sau ale camerelor ecranate, de tipul îmbinărilor elementelor de ecran.
Dependența atenuării totale de grosimea și forma ecranelor poate fi văzută în expresiile atenuării în cazul ecranelor închise:
La joasă frecvență (d << ):
La înaltă frecvență (d >> ):
Atenuarea depinde de dimensiunile ecranului prin a și D, crescând cu creșterea acestora. De asemenea, atenuarea depinde de forma ecranului prin factorul de formă “m”.
Valorile lui m sunt:
pentru un ecran paralelipipedic: m = 1;
pentru un ecran cilindric: m = 2;
pentru un ecran sferic: m = 3.
Rezultă că cea mai bună atenuare o prezintă incinta paralelipipedică și cea mai slabă, incinta sferică.
Este importantă, așa cum am mai arătat, poziția câmpului în raport cu ecranul. De exemplu, cazul ecranului cilindric la joasă frecvență (fig.5.10).
Dacă f 0 (câmp magnetostatic) ecranul din fig.5.10.a va avea atenuarea nulă (A 0), deci este ineficient.
În cazul b, al unui câmp magnetic perpendicular pe generatoarea cilindrului, dacă f, respectiv 0, atenuarea devine:
Obs: Explicația fizică constă în faptul că liniile de câmp se închid prin pereții metalici, ecranul devenind un concentrator pentru liniile de câmp; astfel, interiorul va fi protejat de acțiunea câmpului magnetic.
Îmbinările ecranelor electromagnetice
Incintele ecranate de mari dimensiuni și cele modularizate prezintă îmbinări și interstiții în care curenții din ecran întâmpină, transversal pe direcția îmbinării, o rezistență electrică mare. Ca urmare, efectul de ecran în cazul câmpului electromagnetic scade.
Dacă îmbinările se fac prin sudură sau lipire, executate corect, eficacitatea ecranării poate să nu fie afectată. Nu același lucru se întâmplă în cazul interstițiilor ușilor, ferestrelor sau a îmbinărilor dintre panourile ecranelor, acestea trebuind a fi prevăzute cu elemente de etanșare electromagnetică (contacte electrice) pe toată lungimea lor.
Printre tipurile de etanșare (materiale de etanșare) se pot exemplifica:
reglete elastice de contact (finger stock);
elastomeri conductori (cu particule de Ag, fibre matalice);
țesături din sârmă;
etanșări electromagnetice integrate la locurile de îmbinare a panourilor (molded-in-place seals).
La alegerea etanșărilor se au în vedere:
capacitatea de a șunta un interstițiu printr-o rezistență ohmică redusă, uniform repartizată și cu o grosime mică;
elasticitate pe termen lung;
rezistența la coroziune etc.
Îmbinări corecte și incorecte ale panourilor ecranelor sunt prezentate în fig.5.11.
Străpungeri și deschideri în ecrane
În panourile carcaselor și incintelor ecranate se practică în mod curent străpungeri și deschideri în scopul:
scoaterii axelor potențiometrelor sau comutatoarelor;
introducerii cablurilor de alimentare și semnal;
supravegherii proceselor;
ventilației.
Perforările panourilor pentru axele de acționare ale potențiometrelor sau ale comutatoarelor executate din material izolant pot fi etanșate la frecvențe înalte, prin tuburi metalice.
Sub „frecvența de tăiere”, tubul se comportă ca un ghid de undă care funcționează sub această frecvență, având atenuarea (Kaden):
unde frecvența de tăiere este:
Dacă axul este metalic, el va fi prevăzut cu contacte elastice tip multicontact sau un alt tip de bucșe de etanșare conductoare.
Pentru frecvențe înalte (peste 1 GHz) se construiesc ferestre de ecranare tip fagure prin așezarea unui număr mare de tuburi sub formă de matrice (fig.5.12).
Acestea înlocuiesc cu succes ecranele cu ferestre mari din sticlă metalizată (de exemplu la dulapurile cu echipamente electronice), al căror efect de ecranare la înaltă frecvență este limitată (atenuare sensibilă numai pentru câmpurile electrice cvasistaționare). Ecranele fagure elimină acest neajuns în cazul acestor ferestre.
În cazul perforațiilor pentru ventilație, apare un cuplaj al perforațiilor prin găuri (small aperture coupling).
Atenuarea depinde de gradul de perforare:
respectiv de raportul dintre suma suprafețelor tuturor perforațiilor și aria totală.
Perforațiile mici și numeroase sunt mult mai eficiente decât cele mari și în număr mic.
Filtre și legături la pământ
Un ecran este eficient când toate conductoarele (de alimentare cu energie electrică, de comandă, de transfer de informații) care intră și ies din incinta ecranată, sunt prevăzute cu filtre. Eficacitatea ecranului poate fi anulată dacă un singur conductor pătrunde în spațiul ecranat fără a avea filtru, iar aici acționează ca o antenă.
Dispunerea cablurilor de alimentare și de semnal ecranate, precum și a celor de împământare, se face într-o singură zonă, foarte aproape unele de altele, pentru a evita formarea curenților de egalizare în peretele ecranului care produc în interior câmpuri magnetice perturbatoare. În aceeași zonă se montează și filtrele de rețea.
Obs: Pentru asigurarea unei legături de rezistență mică a ecranelor cablurilor și a împământării incintei, peretele ecranului va fi prevăzut cu o placă masivă de cupru (fig.5.13).
Deși un ecran închis nu are nevoie de legătură la pământ pentru a-și îndeplini funcția de ecranare (aceasta putând chiar reduce efectul de ecranare prin falsificarea câmpului de reacție compensator produs prin influrnță sau inducție), în practică, din motive de securitate, toate carcasele ecranate și incintele ecranate sunt legate la conductorul de protecție (PE).
5.2. Filtrarea antiperturbativă
Clasificarea filtrelor
Filtrele, pasive sau active, fac parte din categoria elementelor pentru antiparazitare și sunt montate fie în imediata vecinătate a sursei de perturbații, pentru micșorarea emisiilor perturbatoare, de exemplu filtre de antiparazitare, fie în imediata vecinătate a receptorului, de exemplu, filtre de protecție împotriva perturbațiilor.
Filtrele atenuează transmiterea perturbațiilor electromagnetice (PEM) prin conducție. Ele au rolul de a separa, pe cât posibil, componentele spectrale ale semnalului util de componentele spectrale ale PEM. Printr-o alegere corespunzătoare a frecvențelor de tăiere ( în engleză: cut off frequency) și a pantei flancurilor funcțiilor de transfer ale filtrelor se obține o atenuare selectivă a perturbațiilor fără o influență importantă a semnalului util.
Clasificarea filtrelor:
din punct de vedere al caracteristicii de frecvență:
filtru trece-jos (fig.5.14. a);
filtru trece-sus (fig. 5.1.4. b);
filtru trece-bandă (fig. 5.1.4. c);
filtru oprește-bandă (fig. 5.1.4. d).
din punct de vedere al dispunerii în circuit / rol:
filtru de semnal;
filtru de rețea.
din punct de vedere al principiului de realizare:
filtre prin reflexie (prin neadaptarea impedanței de intrare a filtrului la impedanța rețelei);
filtre prin atenuare (datorită jocului valorilor impedanțelor în special odată cu modificarea modului acestora cu frecvența);
filtre prin absorbție (cu elemente absorbante de exemplu miezuri din ferită cu pierderi mari ce transformă energia perturbativă în energie calorică).
În compatibilitatea electromagnetică (CEM) un rol important îl ocupă:
filtrele trece-jos pentru că, în general, perturbațiile electromagnetice (PEM) au o frecvență mult mai mare decât semnalul util sau decât frecvența rețelei:
filtrele prin absorbție deoarece evită emisia energiei perturbative, conduse pe trasee, în sistem.
Caracteristica de atenuare a filtrului
Un filtru de rețea este livrat cu o schemă de principiu în care nu sunt date elementele parazite (fig.5.15). Din această cauză atenuarea ideală a filtrului determinată fără a ține cont de elementele parazite ale filtrului este diferită de caracteristica reală trasată și în funcție de componentele parazite ale filtrului (fig.5.16).
Schema de principiu a filtrului (fig.5.15.a) este extinsă în fig.5.15.b cu componentele parazite Lp ale condensatorului, Cp ale bobinei și capacitatea parazită a carcasei metalice a filtrului. Sursa de perturbații și susceptorul sunt reprezentate în scheme de generatorul {Ug, Zg} și aparatul de măsură {Um, Zm}.
Rezistențele de pierderi au fost omise. Banda de trecere a filtrului este limitată de frecvența de rezonanță a L și C. La frecvențe mai mari, se așteaptă ca atenuarea A a unui filtru LC să crească în funcție de pătratul frecvenței. În figura 5.16. aceasta este caracteristica “ideală”, adică cu o pantă de 40 dB/decadă. Peste o anumită frecvență atenuarea reală a filtrului poate fi împărțită în trei părți care sunt separate de vârfurile de rezonanță:
vârful la f1 determinat de circuitul oscilant derivație format din L și Cp (bobina are o reactanță mare);
vârful la f2 determinat de circuitul oscilant serie format din C și Lp (condensatorul are o reactanță mică).
Nivelul vârfurilor este determinat de Zp și Zm.
În zona I: f < f1 – curba practică din figura 5.16. are forma așteptată.
În zona II, f1 < f < f2, factorul de atenuare este mai mult sau mai puțin constant și este determinat de divizorul capacitiv C – Cp când f1 < f2 și de divizorul inductiv L – Lp dacă frecvența de rezonanță a circuitului oscilant serie este mai mică decât frecvența de rezonanță a circuitului oscilant derivație.
În zona III, f > f2, factorul de atenuare scade cu frecvența. Aceasta este determinată de filtrul format din Cp, Lp , filtru de frecvență înaltă, deși filtrul ideal este de frecvență joasă. Zona III nu este mereu specificată de toți fabricanții, dar nu este cu siguranță o proprietate esențială a filtrului.
La utilizarea filtrului trebuie să permitem toleranțe pentru cuplarea în circuit în special cuplarea capacitivă care poate afecta Cp. De aceea filtrul se montează, de obicei, într-o carcasă metalică astfel încât Cp să fie definit și constant. La filtru poate exista prevăzut un cuplaj inductiv între intrare și ieșire.
Pentru a elimina cuplajul parazit între intrare și ieșire, filtrul se construiește din secțiuni, în special când sunt necesare valori mari ale factorului de atenuare la frecvențe înalte. Secțiunile sunt așezate în compartimente metalice și sunt cuplate prin condensatoare de trecere (fig.5.17.). Capacul se montează fără sudură pe cutia filtrului și pe pereții despărțitori.
Fiecare secțiune se comportă ca filtrul prezentat în figura 5.15.. Frecvențele f1, f2, f3 ale secțiunilor se aleg astfel încât filtrul rezultat să asigure o atenuare suficientă pe o bandă de frecvențe foarte largă.
Pentru a obține o inductanță suficient de mare bobina este realizată pe un miez cu r 1. La filtrele de rețea interesează și valoarea de vârf a curentului, deoarece sarcina filtrului este și de a reduce această valoare de vârf (apare în momentul comutației tiristoarelor). Valoarea maximă a inductanței bobinei depinde de căderea maximă de tensiune pe bobină la frecvența rețelei. Valoarea maximă a capacităților condensatoarelor dintre conductorul de referință sau conductorul de fază și pământare poate fi limitată prin cerințe de siguranță sau de circuitul de pierderi la pământ. Aceste limite afectează proiectarea unui filtru de rețea compact cu valori mari ale factorului de atenuare.
Când un fabricant specifică o caracteristică de atenuare fără să menționeze metoda de măsurare folosită, acea caracteristică este determinată astfel:
nu există curent de rețea, incluzând posibilitatea efectelor de saturație datorate acelui curent;
atenuarea CM și NM se măsoară separat; conversia modului (de la semnalele CM la semnalele NM și invers) nu se verifică ;
nivelul semnalului este redus (tensiunea de intrare este mai mică de 1V) așa că nu apar fenomene neliniare ca urmare a efectelor de saturație;
Rg = Rm = 50;
atenuarea specifică este definită astfel:
unde U1 și U2 sunt date în figura 5.18. (U1 măsurată fără filtru, U2 măsurată cu filtru); se observă că A depinde de Rg și Rm.
Este important să se cunoască dinainte modul în care s-a măsurat filtrul. Când un filtru are mai multe intrări-ieșiri este bine din punct de vedere practic să se verifice dacă atenuarea dintre perechile intrare-ieșire depinde de sarcinile (conexiunile) celorlalte perechi intrare-ieșire.
Construcția bobinelor de filtrare
Bobinele își găsesc utilizarea în cazul în care impedanța internă de înaltă frecvență a unei surse este prea mică pentru ca singură cu condensatoarele montate conform paragrafului anterior să asigure o divizare de tensiune suficientă, respectiv un efect de reducere a perturbațiilor. Această situație este valabilă în special pentru perturbații nesimetrice la care capacitățile condensatoarelor Y nu trebuie să depășească o anumită valoare. Acțiunea de antiparazitare creată de o bobină este cu atât mai bună cu cât capacitatea sa proprie este mai mică. La curenți mici, capacitatea proprie a înfășurărilor poate fi redusă prin bobinaj în galeți multistrat, iar la curenți mari, prin bobinarea pe muchie a unei platbenzi de cupru, figura 5.19.
Bobinele au în mod obișnuit un miez din material feromagnetic. Creșterea de inductivitate obținută în acest mod are un efect pozitiv asupra acțiunii de antiparazitare numai în situația în care miezul nu este premagnetizat până la saturație datorită curentului de lucru. De aceea o măsurare a atenuării de inserție la curenți mici este de regulă puțin realistă. Scăderea permeabilității cu creșterea curentului de sarcină este mai puternică la bobinele fără întrefier decât la cele cu întrefier (miez tip bară) sau cu miez din pulbere de fier. Dacă o bobină servește numai pentru atenuarea perturbaiilor de mod comun, se dovedește foarte avantajoasă construcția cu compensare de curent, figura 5.20.
La același sens de înfășurare, fluxurile magnetice datorate curentului de lucru ale celor două înfășurări identice se compensează aproape complet, astfel încât premagnetizarea datorită curentului de lucru este neglijabilă.
În locul bobinelor convenționale cu număr relativ mare de spire, la frecvențe peste 1MHz își găsesc adeseori utilizare inele (perle) de ferită care se introduc pe conductoare (n = 1) sau miezuri magnetice toroidale prin care se înfășoară conductoarele de măsură.
Schema echivalentă a unui conductor care trece printr-un inel de ferită constă din legarea în paralel a unei bobine ideale cu un rezistor de pierderi. Rezistența conductorului este în acest caz neglijabilă, deoarece pierderile în fier la frecvențe ridicate și un număr mic de spire depășesc pierderile ohmice cu un ordin de mărime (pierderile prin curenți turbionari sunt proporționale cu f2, iar pierderile prin histerezis, cu f). Sensul fizic este conservat deoarece, la f=0, inductivitatea scurtcircuitează practic rezistența de pierderi, ceea ce corespunde lipsei pierderilor în fier în curent continuu, figura 5.21.
Rezistența de pierderi capătă valori importante la frecvențe înalte (>l MHz).
Conectarea filtrului în circuit
Dacă un filtru se montează la întâmplare se pot face următoarele greșeli:
conectarea incorectă (prea departe) între masa filtrului și pământarea sau masa echipamentului;
se permite cuplajul capacitiv și inductiv între intrarea și ieșirea filtrului;
prinderea carcasei filtrului de metal vopsit sau aluminiu anodizat;
folosirea unui cablu neecranat lung între filtru și circuitul care trebuie protejat de filtru;
introducerea cablului “poluat” / perturbat la filtru și a cablului “curat” / neperturbat de la filtru în același mănunchi de cabluri.
În figura 5.22. este prezentat modul de utilizare a unui filtru de rețea monofazat. Sursa de perturbații {Up, Zp} este reprezentată de către rețeaua de alimentare iar ZL reprezintă impedanța echipamentului. Din considerații de emisie sursa de perturbații și echipamentul își schimbă locurile. Punctul 4 este punctul de referință al echipamentului.
Când conexiunile 5-3, 5-4 și 3-4 sunt lungi și nu s-a considerat posibilitatea cuplajului parazit, trebuie să se accepte faptul că aceste conexiuni se pot comporta ca surse de perturbații suplimentare cu impedanța internă (1H / m) notate Ui , Zi, . Circuitul echivalent din figura 5.22.b demonstrează că nu se poate obține atenuarea necesară. Soluția este: împiedicarea apariției surselor (impedanțelor) nedorite printr-o dispunere corespunzătoare a filtrului în circuit / rețea. De reținut că nu este necesar să se determine sursele de perturbații și impedanțele pentru a vedea că poate să apară o problemă.
Când impedanțele Zi, sunt suficient de mici, trei puncte de referință importante coincid, adică punctul 5, RP al sursei de perturbații, punctul 3, RP pentru măsurarea caracteristicii de atenuare și punctul 4, RP al echipamentului. La frecvențe mari poate să existe cuplaj capacitiv sau inductiv în special între buclele care sunt conectate la filtru.
Valori mari ale factorului de atenuare A, peste 50 dB la frecvențe peste 1 MHz pot fi obținute numai prin ecranarea echipamentului și instalarea filtrului astfel încât intrarea și ieșirea să nu se “vadă“ din punct de vedere electric (fig.5.23.a și fig.5.23.b). Figurile 5.23.c și 5.23.d ilustrează unele greșeli care se fac des. Săgețile din aceste scheme indică cuplajul parazit.
La instalarea filtrului conform figurii 5.23.a sau cu un condensator de alimentare ca în figura 5.19., nu se obține atenuarea așteptată. Cauza o constituie rezistențele de contact mari și fisurile / spațiile dintre carcasa filtrului și ecranul metalic al echipamentului care apar atunci când carcasa metalică este vopsită înainte de montarea filtrului sau când aluminiul de ecranare este mai întâi anodizat.
Cablurile lungi de la ieșirea filtrului (legătura cu echipamentul) determină, nu numai apariția de impedanțe nedorite ci și de antene de recepție a câmpurilor electromagnetice, ducând la perturbarea circuitelor protejate.
Cablurile nefiltrate (perturbate) și cablurile filtrate (neperturbate) nu pot fi instalate în același mănunchi de cabluri deoarece există posibilitatea perturbării cablului neperturbat.
Un filtru poate rejecta perturbațiile dar poate să și determine perturbații. Un exemplu este prezentat în figura 5.24. Două circuite ce aparțin la două echipamente sunt conectate prin filtrele lor la pământare și interconectate între ele printr-un singur cablu. Între cele două circuite / echipamente apare o buclă de pământare caracterizată de sursa UCM. Pentru a vedea dacă bucla de pământare creează probleme într-o situație practică, se va realiza montajul din figura 5.24. și se va simula UCM cu o sondă de curent prins în jurul cablului de pământare. A doua sondă de curent , conectată la un instrument de măsură, va fi prinsă în jurul cablului de semnal pentru a stabili cât curent este injectat în bucla de pământare.
Dacă sunt mai multe cabluri de conexiune între cele două echipamente, trebuie să se măsoare curentul de CM total. Dacă echipamentele sunt analogice se va utiliza ca generator un generator de unde sinusoidale iar dacă echipamentele sunt digitale se va utiliza un generator de impulsuri.
Pe piață sunt filtre care au în serie cu conductorul de pământare o bobină cu o reactanță mică la frecvența tensiunii de rețea, asigurând protecția din punct de vedere al atingerii. Sunt și bobine de pământare ca piese separate. Scopul bobinei este de a realiza o impedanță mare a buclei de pământare. La frecvențe medii bobina va reuși întreruperea buclei de pământare, dar la frecvențe înalte capacitatea parazită a bobinei (inclusiv cea datorată instalației) și cea dintre echipament și mediu vor scurtcircuita inductorul.
În continuare se va prezenta un experiment care se referă la problema discutată cu ajutorul figurii 5.22. Figura 5.25. prezintă schema măsurării atenuării unui filtru CLC de tip monofazat. Atenuarea măsurată în acest caz depinde puternic de modul de instalare / conectare a filtrului. Pentru curba 1 lungimea conexiunii dintre punctul de referință al filtrului (masa, pământarea) și punctul de referință (masa, pământarea) al generatorului de semnal și al analizorului de spectru este l = 50 cm. Pentru curba 2 lungimea conexiunii este l = 5 cm. Curba 3 reprezintă caracteristica de atenuare specificată de fabricant. Se vede clar efectul mare al lungimii de referință. Reducerea lungimii nu produce o atenuare peste 50 dB.
Filtre pentru perturbații de mod comun. Filtre pentru perturbații de mod normal
Topologia unui filtru depinde esențial de natura perturbației. După cum se știe în cazul perturbațiilor care se propagă prin conducție, se face distincție între tensiuni perturbatoare simetrice și nesimetrice. Primele apar între conductorii de ducere și întoarcere ai traseelor de alimentare sau de semnal, ultimele între conductorii respectivi și un conductor de referință, în majoritatea cazurilor acesta fiind conductorul de protecție.
În mod similar există două tipuri de curenți perturbatori, curenți perturbatori de mod comun și de mod normal. Pentru fiecare, proprietățile filtrelor trebuie să fie specificate separat. Vom trata mai întâi schema echivalentă a unei surse de perturbații cu surse de tensiune pentru tensiunile perturbatoare simetrică și nesimetrică, de exemplu motorul cu colector al unui aspirator de praf, figura 5.26.
Tensiunea perturbatoare simetrică se obține ca diferență a tensiunilor perturbatoare nesimetrice, așa cum rezultă din aplicarea teoremei a doua a lui Kirchhof pe ochiul reprezentat în figura 5.26.
respectiv
Schema echivalentă permite să se înțeleagă cum pot fi scurtcircuitate, pentru frecvențe înalte, cele trei surse de tensiuni perturbatoare, prin condensatoarele de antiparazitare montate între conductoarele L1, N, PE, figura 5.27.a.
La impedanțe interne mici ale surselor, antiparazitarea numai cu condensatoare conduce la valori de capacități excesiv de mari. Pentru evitarea acestei situații, impedanțele surselor sunt mărite artificial prin montarea în serie a unor bobine, figura 5.27.b.
În funcție de tipul perturbației, se vor prevedea condensatoare numai între conductoarele de ducere și întoarcere, între ambele conductoare și pământul de protecție sau pe ambele căi.
Conform standardelor, condensatoarele pentru filtre utilizate în curenți tari se împart în condensatoare de tipul X și de tipul Y. Primele se montează între conductoarele active (de ducere și de întoarcere) ale circuitelor de alimentare și pot să aibă capacități oricât de mari. Referitor la solicitările dielectrice datorate fenomenelor tranzitorii din rețelele de joasă tensiune, respectiv supratensiunilor de deconectare specifice aparatelor utilizate, se deosebesc condensatoare de tip X1 (valori de vârf > 1,2 kV) și de tip X2 (valori de vârf < 1,2 kV).
Condensatoarele de tip Y sunt conectate între conductoarele de alimentare și conductorul de protecție PE. Ele șuntează izolația electrică a unui aparat. Prin aceste condensatoare circulă, la funcționarea normală a unui aparat, un curent alternativ denumit curent de scurgere (în engleză: leakage current) care nu trebuie să fie periculos pentru om în cazul când conductorul de protecție al unei rețele lipsește (sau este întrerupt).
În funcție de tipul aparatului, se admit curenți de scurgere între 0,75mA și maxim 3,5 mA, care corespund la o valoare limită superioară a capacității de câteva mii de pF. Dacă filtrarea cere valori de capacități mai mari, trebuie luate măsuri de protecție suplimentare, de exemplu întreruptoare de protecție împotriva tensiunilor periculoase, conform standardelor. Pe lângă o valoare limitată a capacității, condensatoarele de tip Y prezintă o siguranță în funcționare ridicată, electrică și mecanică (la scurtcircuit) datorită alegerii corespunzătoare a dielectricului și a soluției lor constructive. În mod obișnuit se evită valorile mari de capacități pe căile Y prin conectarea în serie a unor bobine cu compensare de curent.
Filtre active
Filtrele active sunt destinate eliminării semnalelor de interferență pe linii utilizare pentru transmiterea semnalului util. Acest semnal este de tip tensiune de mică amplitudine (mV…V). Caracteristic structurii unui filtru activ este amplificatorul operațional, care are rolul funcțional de transformator de impedanță și de amplificator. Într-adevăr, impedanța de intrare într-un amplificator operațional este de ordinul 109 și, ca urmare, aceasta este impedanța terminală a circuitului din amonte. Semnalul util este transferat mai departe de către amplificator. Efectul de filtraj rezultă din modul de realizare al reacției și tipului componentelor pasive alese.
În figura 5.28. se prezintă schema electrică a unui amplificator operațional, folosit ca transformator de impedanță, cu factorul de rejecție:
și cu amplificarea (inversul factorului de reacție):
Din relația (5.45) se constată că, pentru R2 = 0, amplificarea A = 1, iar amplificatorul funcționează ca repetor în tensiune.
În figura 5.29. este prezentată schema electrică de principiu a filtrului activ realizat dintr-o rețea R – C și un amplificator operațional. Cum impedanța de intrare a amplificatorului operațional este foarte mare (109 ), se poate considera că rețeaua RC are sarcină nulă. Construirea filtrului activ de tip Butterworth se bazează pe compararea caracteristicii de frecvență cu caracteristica de frecvență normată.
Funcția de transfer este a sistemului RC din amonte și are expresia
iar caracteristica de frecvență corespunzătoare are forma:
Prin identificarea coeficienților la numitor se obține capacitatea condensatorului în funcție de frecvența de tăiere.
Semnalul filtrat are amplitudinea Uf = uZA. O schemă similară este prezentată în figura 5.30. Caracteristica de frecvență corespunzătoare este dată de relația:
În figura 5.31. este prezentată schema de principiu a unui filtru de ordinul 2 cu transformator de impedanță și cu caracteristica de frecvență:
unde P = j/t.
Notă: Filtrele active sunt realizate sub formă de cipuri care includ funcțiuni multiple de filtraj: trece-jos, trece-sus, trece-bandă ș.a.
Frecvențele de rezonanță ale filtrelor
Utilizarea simultană a componentelor reactive (bobine și condensatoare) într-un filtru dă naștere la un sistem oscilant care în apropierea frecvenței proprii de rezonanță poate duce la atenuare negativă adică la o amplificare de inserție. În același timp se pot produce fenomene de rezonanță datorită combinării dintre reactanțele proprii ale emițătoarelor și receptoarelor și componentele reactive ale filtrelor. Aceste probleme pot fi soluționate prin deplasarea rezonanțelor proprii într-un domeniu de frecvență fără probleme (filtre în cascadă) sau prin amortizarea rezonanțelor cu ajutorul unor rezistoare respectiv prin utilizarea unor bobine și condensatoare cu pierderi mărite. Pe lângă frecvențele derezonanță rezultate din conectarea componentelor reactive, fiecare componentă în parte posedă frecvențe proprii individuale rezultate din prezența elementelor reactive parazite.
Bobinele acționează ca inductivități numai sub frecvența lor proprie fL, peste această frecvență fL sunt șuntate de capacitățile parazite între spire Cp. Acest efect poate fi contracarat, între anumite limite, printr-o construcție care să asigure capacități parazite cât mai mici. În același mod, condensatoarele acționează ca niște capacități numai sub frecvența lor proprie fC, iar peste fC, curentul va fi limitat de inductivitățile parazite ale conductoarelor de legătură și ale armăturilor (fig.5.32.).
Inductivitatea parazită la condensatoarele bobinate cu contact frontal (în engleză: extended foil) se datorează conexiunilor. Acest lucru obligă utilizatorul să folosească conductoare de legătură cât mai scurte pentru ca frecvența proprie să fie cât mai ridicată. Acest principiu este valabil nu numai pentru montarea condensatoarelor de filtraj, ci și pentru filtrele LC complete. În ambele cazuri, legarea la masă respectiv la conductorul de protecție trebuie să prezinte o inductivitate cât mai redusă. La condensatoarele de trecere și la componentele SMD (în engleză: Surface-Mount Devices) această cerință nu se aplică, întrucât frecvența lor proprie este determinată numai de construcția internă a acestora.
CAPITOLUL VI
EXEMPLU PRIVIND PERTURBAREA ȘI TRATAREA UNUI DISPOZITIV ELECTRONIC UTILIZAT ÎN APARATURA DE NAVIGAȚIE
În scopul evidențierii efectelor perturbațiilor electromagnetice asupra echipamentelor electronice de la bordul navelor și a procedurilor antiperturbative, a fost ales ca obiect de studiu convertorul analog numeric, parte componentă a blocului de selecție a țintelor mobile din cadrul echipamentelor de radiolocație digitale.
6.1. Schema funcțională a blocului de selecție a țintelor mobile
Unul dintre avantajele blocurilor (schemelor) digitale de selecție a țintelor mobile îl reprezintă, posibilitatea acestora de memorare digitală a semnalului ecou. Schema funcțională a acestui bloc este prezentată în figura 6.1.
La intrarea detectoarelor de fază se aplică semnalul ecou (țintă) de la ieșirea amplificatoarelor de frecvență intermediară. Oscilatorul local (OL), circuitul defazor (π/2) și operatoarele de produs () formează un demodulator liniar. După eșantionare semnalele ecou se aplică convertoarelor analog/digitale pentru transformarea acestora în semnale digitale în vederea memorării. Memorarea semnalelor se realizează într-un registru de deplasare (sunt echipamente care utilizează memorii RAM) și se realizează numai pentru o perioadă de repetiție. Convertorul analog/digital este de viteză ridicată pentru a asigura transferul optim al informației. Semnalele digitale de la ieșirea etajului de decizie () sunt aplicate unui convertor digital/analogic pentru transformare în vederea transmiterii și afișării la indicator.
6.2. Schema electrică a convertorului analog/digital
Schema electrică a convertorului analog – digital analizat este prezentată în figura 6.2. Convertorul este realizat din patru amplificatoare operaționale de tip LM 318 și două circuite MMC 4069 (șase inversoare CMOS). Această schemă de convertor derivă din convertorul analog / digital realizat numai cu inversoare CMOS (ce exploatează proprietatea circuitelor CMOS de a furniza la ieșire semnale cu nivele logice pentru curenți de sarcină mici). Pentru mărirea rezoluției s-a utilizat un circuit de comparare (realizat pe un amplificator operațional) în serie cu un inversor CMOS.
Cuvântul binar rezultă după , unde tp este timpul de propagare pe o linie, iar n este numărul de biți pe care se face conversia.
6.3. Analiza efectelor perturbațiilor prin conducție asupra conexiunilor la masa electronică ale convertorului analog / digital studiat
Simularea efectelor perturbațiilor prin conducție asupra conexiunilor la masa electronică (de referință)
Circuitul electronic, pentru analiza perturbațiilor transmise prin masa electronică între sursa de alimentare a amplificatoarelor operaționale VS1-VS2 și sursa de alimentare a circuitelor integrate VS5, este prezentat în figura 6.3.
Pentru evidențierea influențelor perturbațiilor pe legătura la masă a convertorului analog/digital s-a utilizat programul de modelare și simulare a circuitelor electrice TINA Design Suite (Anexa. 1).
În vederea realizării unei bucle perturbative, pentru studierea efectelor perturbațiilor prin conducție asupra conexiunilor la masa electronică a surselor de alimentare ale circuitelor analogice (amplificatoare operaționale) și circuitelor digitale (inversoare de tip CMOS), în schema electrică de simulare, se utilizează un condensator de 10F. Rolul acestui condensator este de a crea o cale de reactanță foarte mică pentru curentul alternativ perturbator. Valorile reactanței condensatorului sunt de 3,18510-5 pentru frecvența de 500 Hz și 7,910-6 pentru frecvența de 2000 Hz.
Testele sunt prezentate în tabelul 6.1. Alegerea semnalelor perturbatoare pentru testare, a amplitudinilor și frecvențelor acestora s-a realizat având în vedere următoarele considerații:
obținerea semnalului, frecvență și formă:
se simulează introducerea unor surse fictive de semnal sinusoidal sau impuls dreptunghiular având amplitudini și frecvențe diferite
amplitudinea a fost stabilită astfel:
în funcție de valoarea curentului consumat de la sursa de alimentare de diferitele circuite digitale și impedanța traseelor de cablaj (funcție de grosimea și lățimea acestora) (tabelele 6.2 și 6.3);
asigurând conformitatea cu procedurile de testare a compatibilității electromagnetice pentru echipamentele electronice și electrice navale prevăzute de STPM 40513-97:
imunitatea la perturbații a circuitelor digitale.
Tabelul 6.1: Parametrii semnalelor pentru testare
Tabelul 6.2: Parametrii energetici ai diverselor tipuri de circuite digitale, în regim dinamic.
Tabelul 6.3: Impedanța unor trasee de cablaj
Pentru comparație vor fi prezentate rezultatele testelor circuitelor neperturbate și perturbate.
Vp = 0,5V / 100 Hz, sinusoidal
Concluzii:
impulsurile s-au defazat față de cele neperturbate, cu 0.4 ms;
impulsurile dreptunghiulare s-au transformat în impulsuri trapezoidale ce au durate ale frontului anterior și posterior de 0.3 ms;
a crescut durata impulsurilor cu aproximativ 0.2 – 0.3 ms;
Vp = 0,5V / 500 Hz, impulsuri
Concluzii:
impulsurile B0, B1 și B2 sunt defazate față cele neperturbate cu 0.2 ms;
impulsul B3 nu este defazat față de impulsul B3 neperturbat;
impulsurile dreptunghiulare s-au transformat în impulsuri trapezoidale la care:
B0 și B3: tfa = 0.1ms, tfp = 0.2ms;
B1 și B2: tfa = 0.2ms, tfp = 0.2ms;
nu a crescut durata impulsurilor;
Vp = 0,5V / 2000 Hz, impulsuri
Concluzii:
impulsurile nu și-au modificat semnificativ duratele fronturilor anterior și posterior;
În urma simulărilor s-au constatat următoarele aspecte generale:
circuitele cele mai susceptibile la perturbațiile transmise prin masa electronică sunt circuitele digitale;
biții cei mai afectați de perturbații sunt B1, B2 și B3;
perturbarea circuitelor constă în creșterea duratei fronturilor anterior și posterior ale impulsurilor, reducerea duratei impulsurilor și apariția de impulsuri parazite cu durate foarte mici și pante ale fronturilor anterior și posterior mari.
Proceduri antiperturbative
Pentru protecția la perturbații a circuitelor digitale a fost simulată introducerea unor condensatoare de decuplare pe intrarea inversoarelor.
Introducerea unui condensator de decuplare pe linia B0
Concluzii:
capacitatea condensatorului de decuplare este de 1nF (Anexa. 2);
s-au redus duratele fronturilor anterior și posterior ale bit-ului B1.
b) Introducerea condensatoarelor de decuplare pe liniile B0 și B1
Concluzii:
s-a utilizat un condensator de decuplare cu o capacitate de1 nF;
forma de undă a bit-ului B1 a fost readusă la cea inițială;
au fost îmbunătățite formele de undă ale biților B2 și B3.
Introducerea condensatoarelor de decuplare pe liniile B0, B1 și B2
Concluzii:
s-a utilizat un condensator de decuplare cu o capacitate de1 nF;
forma de undă a bit-ului B2 a fost readusă la cea inițială;
au fost îmbunătățite forma de undă a bit-ului B3.
Introducerea condensatoarelor de decuplare pe liniile B0, B1, B2 și B3
Concluzii:
s-a utilizat un condensator de decuplare cu o capacitate de1 nF;
forma de undă a bit-ului B3 a fost readusă la cea inițială.
Calculul factorului de distorsiune
Calculul factorului de distorsiune oferă posibilitatea unei analize cantitative a influenței perturbațiilor injectate pe legăturile la masă a circuitului analizat în subcapitolul anterior.
Unul din avantajele utilizării programului de simulare TINA Design Suite este acela că permite descompunerea semnalului util, de la ieșirea convertorului, în serie Fourier, pentru un număr impus de armonici (în cazul de față 9 armonici) ale căror valori intră în calculul coeficientului de distorsiune, pe baza formulei cunoscute:
S-a calculat, cu ajutorul unui algoritm de calcul realizat în Delphi (Anexa. 3), valoarea coeficientului de distorsiune al semnalului util de la ieșirea convertorului neperturbat. A rezultat kdn=0,45; s-au calculat apoi coeficienții de distorsiune ai semnalului în urma injectării unor perturbații, de diferite amplitudini și frecvențe, pe circuitele de masă.
Astfel, s-au obținut următoarele rezultate:
Coeficientul de distorsiune al semnalului util este kdu=0,45.
Pentru 100 Hz, 0.5V, sinusoidal, kdp=0,65; abaterea coeficientului de distorsiune este de 31%.
Pentru 500 Hz, 0.5V, sinusoidal, kdp=0,47; abaterea coeficientului de distorsiune este de 8.8%.
Pentru 500Hz, 0.5V,impulsuri dreptunghiulare, kdp=0,56; abaterea medie relativă de la semnalul util este de 21%.
Pentru 2000 Hz,0.5V, impulsuri dreptunghiulare, kdp=0,48; abaterea de la semnalul util este de 8%.
Se observă că un semnal perturbator cu frecvență egală sau apropiată de frecvența semnalului util perturbă cel mai puternic circuitul electronic studiat; cu cât ne depărtăm cu frecvența semnalului perturbator de frecvența semnalului util, cu atât valoarea abaterii relative medii scade, deci și contribuția semnalului perturbator scade.
S-a calculat, în continuare, coeficientul de distorsiune al semnalului obținut în urma filtrării, corespunzător bit-ului B3 din componența semnalului de ieșire. Din analiza celor doi coeficienți – neperturbat (Kdp= 0.44793) și perturbat filtrat (Kdp= 0.44808) – se poate vedea că abaterea distorsiunii semnalului filtrat este de 0.043%. Se poate aprecia astfel că metoda folosită ca măsură antiperturbativă pentru circuitul analizat este cea mai avantajoasă, semnalul la ieșire fiind foarte puțin distorsionat.
În concluzie filtrul ales pentru protecția antiperturbativă a circuitului este eficient în procent de 99.957%.
CONCLUZII
Aparatura de navigație modernă este în cea mai mare parte electrică și electronică, iar buna funcționare a acesteia, respectiv funcționarea neperturbată electromagnetic asigură siguranța navigației totodată având un puternic impact și asupra rezultatelor unei misiuni, în cazul navelor militare.
Alegerea temei proiectului s-a făcut pe criterii practice, în sensul că, problemele tratate se regăsesc în practica navală.
Analiza teoretică a folosit cele mai noi tehnici utilizate în CEM pentru identificarea interferențelor perturbatoare, a efectelor acestora asupra obiectivului analizei (aparatul / modulul perturbat), precum și pentru identificarea soluțiilor antiperturbative (de protecție).
La identificarea soluțiilor antiperturbative s-a ținut cont de standardele STANAG și Convenția SOLAS.
Majoritatea măsurilor antiperturbative aplicate în vederea protecției susceptorului de perturbațiile ce îl afectează este utilă și în vederea protejării mediului electromagnetic împotriva radiațiilor pe care le emite respectivul susceptor.
Prezența componentelor distribuite, proprii, oricărui conductor sau oricărei componente constituie una dintre principalele căi de interinfluențare a semnalului.
Adiacent pot fi enumerate:
perturbațiile provenite prin intermediul rețelei de alimentare;
perturbații cuplate galvanic, cele mai pregnante situații fiind constituite de cuplarea pe traseele de conectare cu pământul de protecție ca și influențele de CM (tensiunea de mod comun);
perturbații cuplate capacitiv;
perturbații cuplate inductiv, cele de joasă frecvență fiind în general cel mai dificil de supresat;
perturbații cuplate prin câmpuri electromagnetice, privind de exemplu cuplarea câmp – semnale din trasee de transmitere a informației.
În urma analizei influenței perturbative a echipamentelor de radiolocație / navigație se poate stabili că pentru o bună funcționare în cadrul unei misiuni, trebuie făcut inițial un test de compatibilitate electromagnetice între participanți.
Procedeele antiperturbative, de ecranare, sunt diferențiate de următorii factori:
aplicarea ecranului la emisie sau la recepție (de exemplu, la ecranarea traseelor tensiunii rețelei se folosește conectarea ecranului la ambele extremități);
tipul câmpului – magnetic, electric, electromagnetic, sau, în special, mixt în raport cu care se dorește realizarea atenuării și, în legătură cu acestea, relația dintre distanța de la perturbator la susceptor și valoarea /2 a frecvenței perturbatoare;
frecvența perturbatoare;
tipul de recepție (diferențial sau cu o singură intrare).
În compatibilitatea electromagnetică (CEM), în practica filtrării, un rol important il ocupă:
filtrele trece-jos pentru că, în general, perturbațiile electromagnetice (PEM) au o frecvență mult mai mare decât semnalul util sau decât frecvența rețelei;
filtrele prin absorbție deoarece evită emisia energiei perturbative, conduse pe trasee, în sistem.
În cadrul dispozitivului electronic studiat, convertorul analogic/digital, ca parte componentă a blocului de selecție a țintelor mobile, analiza cantitativă a influenței perturbațiilor injectate pe legăturile la masă a circuitului este data de calculul factorului de distorsiune.
Cu ajutorul unui algoritm realizat în Delphi, s-au calculat valoarea coeficientului de distorsiune al semnalului util de la ieșirea convertorului neperturbat și apoi coeficienții de distorsiune ai semnalului în urma injectării unor perturbații, de diferite amplitudini și frecvențe, pe circuitele de masă.
Se poate observa că un semnal perturbator cu frecvență egală sau apropiată de frecvența semnalului util perturbă cel mai puternic circuitul electronic studiat; cu cât ne depărtăm cu frecvența semnalului perturbator de frecvența semnalului util, cu atât valoarea abaterii relative medii scade, deci și contribuția semnalului perturbator scade.
S-a calculat, în continuare, coeficientul de distorsiune al semnalului obținut în urma filtrării, iar din analiza celor doi coeficienți – neperturbat (Kdp= 0.44793) și perturbat filtrat (Kdp= 0.44808) – se poate vedea că abaterea distorsiunii semnalului filtrat este de 0.043%. Se poate aprecia astfel că metoda folosită ca măsură antiperturbativă pentru circuitul analizat este cea mai avantajoasă, semnalul la ieșire fiind foarte puțin distorsionat.
Așadar, filtrul ales pentru protecția antiperturbativă a circuitului studiat este eficient în procent de 99.957%.
Documentarea pentru realizarea proiectului s-a bazat pe o listă de lucrări de specialitate, indicate în bibliografia finală.
Apreciez că lucrarea poate constitui un model de proiect pentru dezvoltarea unor probleme similare pentru alte echipamente de navigație, care pot fi perturbate electromagnetic, cu efecte pozitive asupra conducerii, siguranței navei și echipajului precum și a rezultatelor misiunilor.
Pentru simulare și analiză s-au folosit medii de programare precum TINA Design Suite și DELPHI, primul permițând observarea influențelor acestor perturbații, respectiv al doilea oferind o analiză a acestor influențe prin calculul coeficientului de distorsiune al semnalului de ieșire.
BIBLIOGRAFIE
A) CĂRȚI ȘI MONOGRAFII TEHNICE
BERINDEI T. ș.a. Intocmirea și analiza bilanțurilor energetice în industrie, București: Editura Tehnică, București, 1976, Vol. I și II
BUZBUCHI N., MANEA, L., Motoare navale. Procese și caracteristici, București: Editura Didactică și Pedagocică, 1996, Vol.1
Bocănete P. Ghid de perfecționare profesională în termoenergetică, București: Editura Tehnică, 1989
CARABOGDAN GH. Instalații termice industriale, vol. I și II, București: Editura Tehnică, 1982;
POPA B. Termotehnica, agregate și instalații termice. Culegere de probleme pentru energeticieni, București: Editura Tehnică, 1979
Leonăchescu N. Termotehnica, București: Editura Didactică și Pedagocică, 1981
MAIER V. – Mecanica și construcția navei, București: Tehnică, 1987, Vol. Iși II
MANEA A., Motoare termice.Procese.Mootoare.Poluare. București, Editura: Matrix Rom, 2004
MARNESCU M. Termodinamica tehnică, București: Editura Matrix Rom, 2004
PRUIU A. ș.a. – Manualul ofițerului mecanic maritim, București: Editura Tehnică, 1991
PRUIU A. – Instalații energetice navale, Constanța: Ed. Leda & Muntenia,2000
RADCENCO V. Termodinamica tehnică și mașini termice.Procese irersibile, București: Editura Tehnica, 1977
SOTIR, A., Interferențe electromagnetice perturbatoare. Baze teoretice, Editura Militară, București, 2005
SOTIR, A., MOȘOIU, T., Compatibilitate Electromagnetică, Editura Militară, București, 1997
SCHWAB, J.A., Compatibilitate Electromagnetică, Editura Tehnică, București, 1996
GOEDBLOED, J.J., Electromagnetic Compatibility, Philips Research Laboratories, Eindhoven, 1992 (tradusă în limba Engleză de Tom Holmes)
MINCU, C., GRUIA, T., Compatibilitatea sistemelor radioelectronice, Editura Olimp, București, 1999
HORTOPAN, G., Principii și tehnici de Compatibilitate Electromagnetică, Editura Tehnică, București, 1998
MOCANU, C.I., Teoria câmpului electromagnetic, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981
SĂNDULESCU, G., Protecția la perturbații în electronică industrială și automatizări, Editura Tehnică, București, 1985
Cataloage, cărți, manuale de prezentare și utilizare pentru aparate, echipamente și sisteme de navigație
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Navă cargo de 4500 TDW . Atenuarea perturbațiilor electromagnetice din rețeaua de distribuție a energiei electrice a navei. [308494] (ID: 308494)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.