Ing. Mihai Stocec YO3AYX

1. Introducere

Dacă în articolul precedent am prezentat natura zgomotului electric de conducţie în reţeaua publică de curent alternativ, în articolul de faţă voi prezenta, într-o forma condensată, modalităţile de filtrare a acestui zgomot şi exemple practice de realizare a filtrelor.

Aşa cum am specificat în articolul precedent, studiul se concentrează asupra zgomotului electric ce se manifestă în reţeaua electrică locală, acolo unde funcţionează  echipamentele radioamatorilor.

2. Descrierea reţelei care este supusă analizei

Am făcut o analiză asupra reţelei electrice din locaţia mea, unde funcţionează şi staţia radio, cu scopul de a detecta sursele de zgomot electric intern şi extern şi de a instala filtre pentru reducerea acestuia.

In urma multiplelor experimentări, am ajuns la concluzia că interferenţele în instalaţia transceiver-ului se produc prin procese de conducţie pe două căi, şi anume:

·         Prin curenţii care circulă pe firele de alimentare, în comun şi mod diferenţial

·         Prin curenţii care circulă pe exteriorul fiderului de antenă aşa cum s-a explicat în articolul anterior

Curenţii de interferenţă care circulă pe firele de alimentare provin de la consumatori cu tehnologie de comutaţie cuplaţi pe reţeaua locală, pe de o parte, şi, consumatori sau generatori aflaţi la distanţă.

Am făcut inventarul consumatorilor care produc zgomot electric datorită tehnologiei de comutaţie utilizată, astfel încât nu am luat în consideraţie consumatorii cu încălzire directă. In Tabelul 1 este prezentat acest inventar.

Tab. 1

3. Despre natura paraziţilor şi circulaţia acestora în reţeaua electrică

Aşa cum am prezentat în articolul precedent, prin reţeaua electrică circulă două tipuri de curenţi dăunători:

·         Curenţi de mod comun produşi de tensiuni parazite induse în ambele fire de alimentare cu acelaşi sens de circulaţieFig. 1

·         Curenţi de mod diferenţial produşi de tensiuni parazite induse în ambele fire de alimentare cu sensuri opuse de circulaţie     Fig. 2

Tema pe care o are de rezolvat inginerul de sistem este de a absorbi aceşti paraziţi prin metode electrice de filtrare.

4. Metode de măsură a interferenţelor de conducţie

Proiectarea filtrelor începe cu măsurarea parametrilor reţelei de curent din amplasament şi care are ca scop determinarea nivelului perturbaţiilor şi compoziţia spectrală a acestora.

Măsurarea acestor curenţi necesită acceptarea unui model electric al liniei de alimentare astfel încât să se poată utiliza pentru analiza reţelei programe de simulare gen SPICE, MICROCAP, Qucs. Măsurători îndelungate făcute de institute specializate în tehnica curenţilor tari şi care au fost traduse în standarde, propun următoarea abordare:

·         Linia de curent de 230Vca se poate asimila cu o linie de transmisiune simterică, tip 2 fire răsucite, în cazul curenţilor de mod  diferenţial

·         Conductor aflat deasupra solului în cazul curenţilor de mod comun

·         Pe traseul liniei se manifestă pierderi cauzate de efectul pelicular, de diverşi consumatori amplasaţi aleatoriu de-a lungul liniei şi pierderi ohmice în conductori

·         Sursele de perturbaţii sunt amplasate aleatoriu de-a lungul liniei şi cu frecvenţe începând de la dublul 50 Hz până la 100 MHz

Pentru o determinare exactă a parametrilor de reţea aceştia trebuie măsuraţi cu platforme adecvate şi raportaţi la reţeaua măsurată. Această metodă este exactă dar nu este adecvată pentru amplasamentele radioamatorilor (necesită aparatură de laborator şi platforme de măsură mai scumpe). Pentru uzul radioamatorilor sunt adecvate platforme de măsură simple şi bazate pe măsurători tipice. Literatura de specialitate este bogată pe acest domeniu iar unele platforme au fost adoptate chiar ca referinţă pentru testări de serie.

Am ales pentru platforma de măsură cea specificată de standardul MIL-STD-461F, uşor de realizat, şi care acoperă spectrul de analiză în două zone:

·         CE101 emisii de conducţie pe firele de alimentare gama 30 Hz – 10 KHz. Valorile limită admisibile sunt specificate în planşa din Fig. 3

·         CE102 emisii de conducţie pe firele de alimentare gama 10 KHz – 10 MHz. Valorile limită admisibile sunt specificate în planşa din Fig.4

Fig. 3 Nivel limita interferente de conductie echipament la 220V ca. Frecvenţe joase

Fig. 4 Nivel limita interferente de conductie echipament la 220V ca. Frecvenţe medii şi înalte

Graficele 3 şi 4 sunt folosite pentru dimensionarea filtrelor de atenuare a interferenţelor. Mai este necesară informaţia referitoare la nivelul real al interferenţelor care se manifestă pe reţea.

Pentru măsurarea interferenţelor în gama 30 Hz – 10 KHz, standardul STD-MIL-461F secţiunea CE101, recomandă platforma care este prezentată în Fig.5

Fig.5

Această platformă măsoară curenţii prin firele de alimentare şi utilizează pentru aceasta bucle de curent. Buclele de curent sunt mai greu derealizat şi calibrat, mai ales că  trebuie să funcţioneze pe trei decade de frecvenţe. O soluţie alternativă este măsurarea tensiunii diferenţiale cu platforma din Fig.6 şi scalarea graficului Fig.3 din dBµA în dBµV cu formula următoare, valabilă pentru Z=50Ω:

(1)   dBµV = dBµA + 34

Pentru măsurarea interferenţelor în gama 10 KHz – 10 MHz, am folosit platforma recomandată de standardul STD-MIL-461F secţiunea CE102-1, şi care este prezentată în Fig.6

Fig. 6

Cele două platforme de măsură sunt recomandate de mai mulţi experimentatori şi laboratoare de măsură a interferenţelor. Ambele platforme sunt utilizate atât pentru analiza curenţilor diferenţiali cât şi pentru curenţii de mod comun.

In ceea ce priveşte raportarea rezultatelor măsurate la valori limită specificate de publicaţiile de profil, se constată că nu există un standard sau o recomandare care să fie utilizabilă pentru toate situaţiile reale. Fiecare realitate necesită un nivel perturbator specific acelei realităţi. Consider că cerinţele dintr-o locaţie de radioamator sunt mai exigente faţă de altele şi, după mai multă documentare, cred că se apropie de cerinţele standardelor militare (cel puţin în ceea ce priveşte nivelul admisibil al perturbaţiilor la intrarea receptorului).

Am folosit o singură platformă de măsură, cea prezentată în Fig.6 motivat de faptul că platforma pentru frecvenţe joase necesită bucle de curent calibrate şi care să funcţioneze pe trei decade.

Pe de altă parte, platforma necesită un analizor de spectru care să acopere şi fundamentala reţelei, 50 Hz. Am avut la dispoziţie în laborator un analizor analogic foarte precis, care acoperă 10 Hz – 40 KHz, şi cu care am ridicat în puncte spectrul de frecvenţe în această gamă. Pentru frecvenţele ridicate am folosit analizorul TinySA. Gama lipsă 50 KHz – 100 KHz am extrapolat-o din măsurătorile facute.

De asemenea, a fost necesar să compensez caracteristica de frecvenţă a platformei la frecvenţe medii şi joase pentru a avea uniformitate a valorilor măsurate în toată gama de interes 10 Hz – 10 MHz.

Caracteristica de frecvenţă a platformei este prezentată în Fig. 7.

Ambele platforme de măsură asigură o izolare a aparatelor de măsură faţă de tensiunea de alimentare de 230Vca dar asigură pe de altă parte alimentarea echipamentului supus analizei.

5 Procesare măsurători de interferenţe

In Fig.8 este prezentată anvelopa spectrului de zgomot la frecvenţe joase şi medii, 100 Hz – 100 KHz,  iar în Fig. 9 la frecvenţe medii şi înalte, 100 KHz – 10 MHz

Analizănd valorile numerice şi grafice, rezultă următoarele date de proiectare:

·         interferenţele se manifestă cu precădere în gama frecvenţelor joase şi medii

·         nivelul acestora depăşeşte valorile limită admisibile recomandate de standarde şi sunt necesare acţiuni de absorbţie a excesului

·         in gama frecvenţelor 100 KHz – 10 MHz nivelul interferenţelor este sub cel recomandat de standard şi ca atare nu este necesară o atenuare a interferenţelor dar se manifestă prezenţa emiţătorului de la Tâncăbeşti pe 865 KHz

Nota

Trebuie reţinut faptul că interferenţele manifestate prin aceste măsurători au ca sursă reţeaua electrică externă de amplasament. Este posibil ca, sursele de interferenţe din amplasament să necesite o altă abordare şi alte filtre.

Fig. 8

Fig. 9 Zgomot diferenţial de conducţie în gama 100 KHz – 10 MHz

Fig.10

Fig. 11

Este trasată pe acest grafic alura unui filtru trece-jos care reduce nivelul de zgomot sub cel admis de standard.

6. Elemente de filtrare pe reţeaua electrică

Atât interferenţele de mod comun cât şi cele de mod difrenţial necesită filtre care să elimine energia acestora. Filtrele sunt de tip trece jos dar modul de inserare pe firele de alimentare diferă.

O reprezentare generală de inserare a filtrelor este în Fig. 12

Fig.12

Filtrul de mod comun se inserează pe ambele fire, astfel încât curenţii au acelaşi sens faţă de împământare. Filtrul diferenţial se inserează doar pe unul din firele de alimentare, într-o arhitectură nesimetrică sau pe ambele într-un montaj simetric.

Fig. 13

Pentru proiectarea filtrelor trebuie determinată impedanţa caracteristică a liniei de alimentare care poate fi asimilată cu o linie de transmisiune. Valori tipice au fost preluate din cartea EMI Filter Design de Richard Lee Ozenbaugh, ediţia a 2-a.

Datele de proiectare ale acestor filtre  sunt afectate de anumite limitări care reduc din aria de acoperire a regiunilor din spectru cu o atenuare necesară. O parte din limitări sunt următoarele:

·         Suma capacităţilor celor două filtre, care se conectează la carcasă(masă) trebuie să fie mai mică decât o valoare care ar produce un curent de scurgere de 3.5 mAef(5 mAv). Această condiţie este impusă din considerente de securitate a personalului care atinge cu mâna carcasa metalică a filtrului.

·         Filtrul diferenţial trebuie să lase să treaca 10-15 armonici ale frecvenţei reţelei adică frecvenţa de tăiere să fie în zona  500 – 750 Hz. Condiţia este necesară pentru anumite echipamente pentru că o parte din energia electrică consumată se află în această zonă.

·         Filtrul de mod comun trebuie să încarce cât mai puţin bateria de condensatoare care se conectează la carcasă pentru a nu depăşi curentul de scurgere

·         Inductoarele filtrului diferenţial trebuie să suporte un flux magnetic corespunzător curentului maxim care parcurge o linie de curent. Materialul magnetic şi forma se aleg corespunzător puterii disipate şi frecvenţei de tăiere.

Am aplicat aceste constrângeri şi au rezultat următoarele condiţii preliminare:

·         C_total < 48.5 nF la U=230 V_ef şi I<3.5 mA_ef

·         865 KHz frecvenţa post UM în apropiere

·         C_{mod comun} ≤ 4.4 nF

·         L_{mod comun} = 10 mH

·         Curentul maxim pe linie = 2A_ef

Filtru pentru mod diferenţial

Analizînd graficul din Fig.13, se constată că până la frecvenţe de 150 KHz, impedanţa liniei de curent este în gama 4 – 25 Ω. Am proiectat un filtru trece-jos, cu intrare serie, pentru a funcţiona ca filtru diferenţial, şi care să respecte cerinţele de mai sus. Făcând mai multe încercări am ajuns la următoarea configuraţie:

Fig.14

Filtru pentru mod comun

Acest tip de filtru are rolul de a împiedica circulaţia curenţilor pe firul de împământare. O soluţie pentru această problemă este realizarea unui inductor cu ambele fire de linie, bobinate în acelaşi sens. Descărcarea curenţilor se face la firul de împământare. Valoarea inductorului poate fi oricăt de mare dar, nu trebuie exagerat din motive de spaţiu. O valoare tipică pentru acest inductor este 10 mH.

O arhitectură tipică pentru filtrul de mod comun este cea din Fig. 15

Fig. 15

Cumulând rezultatele până în acest punct se poate prezenta schema electrică a unui filtru combinat care se poate monta la reţeaua elecrică înainte de consumator, conform Fig.16.

Fig.16

5. Măsurători

Pentru a verifica rezultatele ansambluli de filtru asupra atenuării interferenţelor, am folosit următoarea platformă de măsură, Fig. 17:

Pe graficul din Fig. 18 sunt figurate, comparativ, măsurătorile nivelului de perturbaţii pe reţea, cu şi fără filtru de atenuare. Măsurătorile au fost efectuate numai asupra zgomotului diferenţial.

Fig. 18

5. Concluzii

Se observă, din analiza măsurătorilor, efectul benefic al filtrului de mod diferenţial asupra atenuării interferenţelor. Având în vedere că producerea interferenţelor, şi propagarea pe linii electrice până la locul contaminat, reprezintă un proces aleatoriu, dimensionarea unui sistem eficient de atenuare nu este posibil prin calcule punctuale şi, de aceea se recurge la modalităţi de proiectare din domeniul proceselor stocastice. Se au în vedere limite minime, maxime, medii liniare şi pătratice, care se manifestă la locul de recepţie şi se stabileşte o lege de comportament şi evoluţie a procesului.

Funcţie de situaţie, aşa cum am mai spus se adoptă o soluţie adecvată.

Putem concluziona următoarele:

·         Receptorul unui transceiver trebuie privit ca un echipament perturbat şi asupra căruia trebuie aplicate măsuri de diminuare a zgomotelor de pe reţeaua electrică

·         Toate conexiunile la nivelul receptorului trebuie privite ca linii electrice de propagare a interferenţelor şi aplicate măsuri corespunzătoare

·         Soluţii unice nu există şi de aceea recomand celor interesaţi să efectueze măsurătorile schiţate în articol şi să aplice măsuri descrise în bibliografie

Acest articol a fost scris cu intenţia de a aduce în atenţia radioamatorilor importanţa interferenţelor la locul de recepţie şi necesitatea de a lua măsuri pentru diminuarea acestuia. Problematica nu este simplă dar, pentru radioamatorii pasionaţi reprezintă un domeniu de real interes pe care merită să îl abordeze.

7. Instrumente de lucru

Programe de calcul

·         MicroCap-12. Analiza de circuit cu model de simulare SPICE

·         Visio 2021. Program de desen tehnic

·         MS Office Word 2021. Program de editare text

Aparate de măsură

·         Nano VNA V2 Plus. Voltmetru vectorial 50 KHz - 3 GHz

·         Osciloscop Tektronix 2246 100 MHz

·         Voltmetru selectiv HP3581C 0-40 KHz

8. Bibliografie

1)      EMI Standards Applications & Limits EN55011 • EN55022 • EN55015 • EN55032

2)      MIL-STD-461G REQUIREMENTS FOR THE CONTROL OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE CHARACTERISTICS OF SUBSYSTEMS AND EQUIPMENT

3)      IEEE Std 100-1996 The IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms

4)      IEC 60601-1 Medical (Body Float – B category)

5)      IEEE-STD299-2006 Standard Method for Measuring the Effectivness of Electromagnetic Shielding Enclosures

6)      DARCOM-P706-410 / 1977 Engineering Design Handbook

7)      Electromagnetic Compatibility Engineering – Henry W. Ott - 2009

8)      EMI Filter Design – Second Edition, Richard Lee Ozenbaugh

9)      IEEE Standard for Methods of Measurement of Radio-Frequency Power-Line Interference Filter in the Range of 100 Hz to 10 GHz

februarie-martie 2025

Ing. Mihai Stocec YO3AYX

Articol aparut la 14-4-2025

1127