Kompatybilność
elektromagnetyczna
Jarosław Bartłomiejczyk
131605
Wydział EEIA
sem. IX
Bibliografia
Semtrak 2006 XII Ogólnopolska Konferencja
Naukowa Trakcji Elektrycznej, materiały
konferencyjne.
www.wikipedia.org
www.infobus.pl
www.ptkigk.com.pl
www.inforail.pl
www.pkp-cargo.pl
http://zoise.wel.wat.edu.pl
zbiory własne
Spis treści
Budowa aparatury i metodyka pomiaru zaburzeń
radioelektrycznych przewodzonych i promieniowanych& & .4
-Budowa urządzeń pomiarowych& & .& & & & ......& & & .5
-Metodyka pomiaru emisyjności zaburzeń
elektromagnetycznych& & & & & & & & & & & & & & ..11
Pomiary i analiza pól magnetycznych emitowanych przez
pojazdy trakcyjne& & & & & & & & & & & & & & & & & & ..12
- Pomiary pól w pojazdach trakcyjnych& & & & & & & & & ...14
- Wnioski& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ...19
- Zakłócenia radioelektryczne emitowane na zewnątrz
pojazdu trakcyjnego& & & & & & & & & & & & & & & & & ..20
- Uwagi& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & ..23
żðZagadnienia kompatybilnoÅ›ci elektromagnetycznej podczas
eksploatacji prÄ…dnic synchronicznych w pojazdach& & & & .24
Budowa aparatury i metodyka pomiaru
zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych i
promieniowanych
Zaburzenia radioelektryczne są w większości przypadków produktem ubocznym pracy urządzeń elektrycznych i
elektronicznych, wytwarzanym w sposób niezamierzony podczas realizacji podstawowej funkcji urządzenia.
Wytwarzane są w obwodach elektrycznych L, C, w których ma miejsce gwałtowne zmiany płynącego prądu.
Rys.2 Rozdzielacz sygnału antenowego [www.wikipedia.org]
Rys.1 Obwody rezonansowe [www.wikipedia.org]
Budowa urządzeń pomiarowych
Wszystkie pomiary wielkości charakteryzujących poziom zaburzeń radioelektrycznych sprowadzają się do
pomiaru napięcia zaburzeń na wejściu miernika lub analizatora widma.
Proporcjonalne przetwarzanie innych wielkości (np. natężenie pola zaburzeń radioelektrycznych w otoczeniu
lokomotywy) na napięcie wejściowe miernika jest realizowane przez odpowiednie anteny pomiarowe,
dostosowane do danego zakresu pomiarowego.
Miernik poziomu zakłóceń, będąc odbiornikiem pomiarowym,
charakteryzuje się następującymi parametrami:
- czułość
- selektywność
- zakres częstotliwości
- zakres mierzonych napięć
- oporność wejściowa
Podstawowe właściwości miernika zakłóceń charakteryzuje jego
reakcja na następujące wymuszenia:
- sinusoidalne (fala ciągła) o określonej amplitudzie,
- impulsowe (ciąg impulsów o określonej amplitudzie,
czasie trwania i częstotliwości powtarzania),
- szumowe ( o rozkładzie normalnym prawdopodobieństwa amplitud).
Miernik zakłóceń można uważać za połączenie trzech członów:
- selektywnego
- detekcyjnego
- wskaz
nika
Rys.3 uproszczony układ blokowy miernika zakłóceń [Semtrak 2006]
Bardzo istotną cecha miernika zakłóceń, która odróżnia go od zwykłych
odbiorników pomiarowych, jest wartościowanie zaburzeń elektromagnetycznych
impulsowych o różnej częstotliwości powtarzania impulsów.
Wartościowanie zaburzeń zależy od następujących właściwości:
- szerokości pasma przenoszonego przez obwody poprzedzające detektor,
(człon selektywny)
- rezerwy liniowości wzmacniaczy członu selektywnego,
- stałych czasowych detektora i wskaz
nika w układzie
woltomierza quasi-szczytowego,
Rys.4. Schemat blokowy typowego miernika zakłóceń radioelektrycznych [Semtrak 2006]
Na rysunku pokazano charakterystykę zależności napięcia wyjściowego
od napięcia wejściowego, która ilustruje sposób określenia zapasu liniowej
pracy wzmacniacza w. cz. członu selektywnego.
Rys.5. Zależności napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego,
Ilustrująca rezerwę liniowości wzmacniacza w.cz. członu selektywnego [Semtrak 2006]
Mierniki zakłóceń radioelektrycznych, budowane bardzo często jako odbiorniki
pomiarowe mają cały zakres pomiarowy od 10kHz do 1GHz podzielony na cztery
podzakresy. W tablicy poniżej zestawione są te parametry dla poszczególnych
zakresów pomiarowych.
Tablica 1. Główne parametry mierników zakłóceń według zaleceń CISPR [Semtrak 2006]
Metodyka pomiaru emisyjności zaburzeń radioelektrycznych
W przypadku miernictwa emisji zaburzeń radioelektrycznych stosowana metoda
pomiarowa jest metodą bezpośredniego odczytu, ponieważ wzorce nie biorą udziału
w procesie pomiarowym. Charakterystyczną cechą pomiarów metodą bezpośredniego
odczytu jest umożliwienie szybkich, ale mało dokładnych pomiarów. Pomiar napięcia
Zaburzeń polega na odczycie bezpośrednim z miernika zakłóceń, który dołączony
jest do sieci sztucznej, lub w sporadycznych przypadkach do sondy pomiarowej.
Pomiar natężenia pola polega na odczycie poziomu napięcia na wejściu miernika i
Uwzględnienia współczynnika kalibracji anteny pomiarowej.
Rys.6. Schemat blokowy układu pomiarowego do pomiaru zaburzeń radioelektrycznych w pokładowej sieci zasilania pojazdów szynowych oraz obiektach stacjonarnych [Semtrak 2006]
Pomiary i analiza pól magnetycznych
emitowanych przez pojazdy trakcyjne
Fot. 1. Elektryczny zespół trakcyjny kolei niemieckich
[ze zbiorów własnych]
Pojazdy trakcji elektrycznej z racji zasady swojego funkcjonowania stale znajdują się w obszarze występowania
pól magnetycznych wywoływanych prądami płynącymi w sieci górnej oraz powrotnej. W samych pojazdach,
a w szczególności w lokomotywach i wagonach zespołów trakcyjnych z układami sterowania napędów głównych,
Również znajdują się obwody elektryczne silnoprądowe mogące być z
ródłem powstawania pól magnetycznych.
Właściwości fizyczne pola magnetycznego oraz organizmu człowieka są takie, że pole to może wnikać
do wewnątrz ciała ludzkiego. Poniżej przedstawiono niektóre przykłady skutków z tym związanych.
- Przemieszczenia poruszających się ładunków elektrycznych jako wynik działania siły Lorentza i efektu Halla.
Może to spowodować zakłócenia przebiegu informacji w żywym ustroju.
- Oddziaływanie zakłócające na wszczepione do organizmu urządzenia wspomagające pracę niektórych
ważnych organów (np. rozruszniki serca, stenty).
- Woda, która jest głównym składnikiem naszego ustroju poddana działaniu zewnętrznego pola magnetycznego
zmienia swoje własności fizyczne w zależności od parametrów tego pola. Ulega zmianie również pH
i zdolność zwilżania.
Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez pojazd trakcyjny
Pomiary pól w pojazdach trakcyjnych
Przeprowadzono pomiary wartości indukcji magnetycznej w kabinach maszynistów i w
pomieszczeniu pasażerskim zespoły trakcyjnego o mocy 2MW, z napędem falownikowym
Oraz w lokomotywie dwusystemowej o mocy 4,4MW z napędem falownikowym.
Celem było sprawdzenie, czy występujące pola magnetyczne stałe i zmienne nie stanowią
ewentualnego zagrożenia dla zdrowia motorniczego i pasażerów znajdujących się na pokładzie
badanego pojazdu.
Fot.2.Elektryczny zespół trakcyjny o mocy 2MW [www.infobus.pl] Fot.3.Lokomotywa dwusystemowa o mocy 4,4MW [www.ptkigk.co.pl]
We wszystkich pomieszczeniach zespołu trakcyjnego, składającego się z członów oznaczonych literami A, B, C, D,
Pomiary były przeprowadzane w różnych miejscach i na różnych wysokościach względem podłogi.
Człon A Człon B Człon C Człon D
Rys.7. Zestawienie EZT podczas badań [ze zbiorów własnych]
W pomieszczeniach pasażerskich pomiary wykonane były dla członu C i D. W członie C pola magnetyczne w czasie
rozruchu pojazdu wynosiły:
Fot.4.5.6. Poszczególne wysokości na jakich
zostały wykonane pomiary [www.inforail.pl]
-Na siedzeniu B(AC)=0,03µT, B(DC)=0,06mT
- na wysokoÅ›ci 1m B(AC)=0,08 µT, B(DC)=0,08mT
-Na wysokoÅ›ci 1,8m B(AC)=0,07 µT, B(DC)=0,07mT
Jeśli chodzi o pomiary, bardzie interesujący był człon D, ze względu na zlokalizowane w nim urządzenia silnoprądowe
obwodu głównego oraz silniki trakcyjne w wózku. Przeprowadzono pomiary na siedzeniu pasażerskim, zlokalizowanym
najbliżej wejścia do kabiny maszynisty.
-Na wysokoÅ›ci oparcia gÅ‚owy B(AC)=20,1µT, B(DC)=0,05mT.
Fot.7. Siedzenia zlokalizowane
W pozostałych miejscach członu D pola magnetyczne
najbliżej kabiny maszynisty
[www.inforail.pl]
były nieznacznie mniejsze.
Fot.8. Korytarz łączący przedział pasażerski z kabiną maszynisty [www.inforail.pl]
Pomiary w korytarzyku, łączącym przedział pasażerski z kabiną maszynisty (człon D), wykonane w czasie rozruchu
bezpośrednio przy ścianie za którą znajdują się dławiki silnoprądowe, wykazały przekroczenie zakresu pomiarowego
PrzyrzÄ…du Bell (B(AC)>51,1µT). Czas trwania przekroczenia wynosiÅ‚ tylko kilka sekund. Poza tym, korytarzyku w
normalnych warunkach eksploatacji nie powinni znajdować się ani pasażerowie, ani maszynista.
W lokomotywie pola mierzone były w kabinach maszynistów na poziomie pulpitu sterowniczego, na siedzeniu
i na podłodze. W czasie postoju lokomotywy, bez poboru prądu z sieci jezdnej, na pulpicie maszynisty w kabinie nr 1,
Wartość indukcji pola zmiennego AC wynosiÅ‚a maksymalnie 0,23µT a pola staÅ‚ego DC 0,11mT. Zmierzone w tych
samych okolicznoÅ›ciach, w korytarzyku pole magnetyczne osiÄ…gaÅ‚o nastÄ™pujÄ…ce wartoÅ›ci: BAC=0,45µT, BDC=0,4mT.
W czasie rozruchu oraz jazdy z poborem prądu wartości indukcji magnetycznej pól stałych i zmiennych mierzone
w kabinach maszynistów nieznacznie wzrastaÅ‚y, BDC=0,12mT, BAC=0,3µT.
Fot.9. Pulpit sterowniczy badanej lokomotywy [www.ptkigk.com.pl]
Zauważalnie większe wartości indukcji magnetycznej pojawiały się w różnych częściach korytarza, przy czym większe
wartości pola magnetycznego DC pojawiały się na poziomie głowy, natomiast zdecydowanie mniejsze na poziomie podłogi.
Pola magnetyczne AC w korytarzyku najwiÄ™ksze wartoÅ›ci osiÄ…gaÅ‚y na poziomie podÅ‚ogi (ponad 50µT), a najmniejsze przy
suficie (ok. 20µT).
DC
AC
Fot.10. Korytarzyk Å‚Ä…czÄ…cy kabiny lokomotywy [www.inforail.pl]
Wnioski
Zmierzone i zaobserwowane w czasie pomiarów pola magnetyczne nie stanowią zagrożenia dla
ludzi w świetle obowiązującego rozporządzenia. Ze względu na wyższe wartości pól magnetycznych
w korytarzyku należy ograniczać czas przebywania w nim w czasie pracy lokomotywy.
Zakłócenia radioelektryczne emitowane na zewnątrz pojazdu
trakcyjnego
Dla określenia poziomów emisji zakłóceń pochodzących od pojazdów trakcyjnych wykonano pomiary
dla lokomotywy prądu stałego o mocy 3MW z rozruchem oporowym, oraz dla zespołu trakcyjnego o mocy 2MW
z napędem falownikowym. W zakresie częstotliwości 9kHz do 30MHz dokonano pomiaru składowej
magnetycznej pola zakłóceń za pomocą szerokopasmowej anteny ramowej podłączonej do analizatora
widma.
10m
Rys.7. Rozmieszczenie anten pomiarowych [wg. W. ZajÄ…c  Semtrak 2006 ]
3m
1m
Na rysunkach przedstawiono wyniki pomiarów dla badanej lokomotywy. Wyniki te dotyczą próby w ruchu powolnym
wraz z zaznaczonym poziomem dopuszczalnym. Brak na rysunku naniesionego poziomu dopuszczalnego oznacza,
że przebiega on powyżej zakresu przedstawionego na rysunkach. Skala podana jest w dBµA/m.
Zmierzone poziomy nie przekraczają wartości dopuszczalnych , jedynie na rys. 12 poziom zbliża się do wartości
dopuszczalnej i wynosi ok.. 1050kHz i 850kHz.
Fot.11. Lokomotywa o mocy 3MW[www.pkp-cargo.pl]
Rys.8-13. Semtrak 2006
Rys.10. Jazda- 150kHz-1.15Mhz Rys.13. Jazda-20Mhz-30Mhz
Podobne pomiary przeprowadzono dla zespołu trakcyjnego o mocy 2MW z napędem falownikowym. na rys. 14-19
przedstawiono wyniki dla próby w ruchu powolnym (jazda), z zaznaczonym poziomem dopuszczalnym. Dla tego pojazdu
otrzymane duże wartoÅ›ci natężenia pola magnetycznego wynoszÄ… 795µA/m dla czÄ™stotliwoÅ›ci ok. 15kHz (rys.14) i
125µA/m dla czÄ™stotliwoÅ›ci ok.. 950kHz (rys.16).
Fot.12. EZT o mocy 2MW [www.inforail.pl]
Rys.14-19 Semtrak 2006
Rys.16. Jazda-150kHz-1.15Mhz Rys.19. Jazda- 20Mhz-30Mhz
Uwagi końcowe
Zaprezentowane wyniki pomiarów dotyczą tylko konkretnych przypadków, nie należy ich uogólniać na inne typy
nieprzrbadanych pojazdów. Wyniki te wskazują, iż nie występują zagrożenia dla pasażerów i obsługi
wewnątrz pojazdów trakcji elektrycznej powodowane polami magnetycznymi.
Pomiary składowej magnetycznej pola zakłóceń radioelektrycznych przeprowadzone dla dwóch pojazdów nie
wykazują przekroczeń dopuszczalnych poziomów, poza przypadkami, w których tzw.  tło zawierało wysoki
poziom zakłóceń. wynika z tego, że ich z
ródłem nie był pojazd trakcyjny (rys.15 i rys.18).
Zagadnienia kompatybilności
elektromagnetycznej podczas eksploatacji
prÄ…dnic synchronicznych w pojazdach
Prądnice synchroniczne większej i dużej mocy są coraz powszechniej stosowane w lokomotywach spalinowo-
elektrycznych zastępując prądnice prądu stałego. W tego typu lokomotywach z prądnic synchronicznych
zasilane są, poprzez prostowniki, silniki trakcyjne prądu stałego lub poprzez układy przekształtnikowe,
silniki prÄ…du przemiennego, przede wszystkim silniki indukcyjne. W pojazdach trakcyjnych podobnie jak w
obiektach pływających, prądnice synchroniczne pracują autonomicznie. Prądnica taka zasila odbiorniki
przyłączone bezpośrednio do jej zacisków wyjściowych bez pośrednictwa sieci elektroenergetycznej.
Rys.20. Model prÄ…dnicy synchronicznej [http://zoise.wel.wat.edu.pl]
Istotne parametry zaliczane przez obowiązujący system normalizacyjny do kompatybilności elektromagnetycznej:
-odchylenia od wartości znamionowej napięcia i częstotliwości
- asymetria trójfazowego układu napięć i prądów
- zawartość harmonicznych w napięciach i prądach
- zaburzenia elektromagnetyczne
W praktyce eksploatacyjne pojazdów trakcyjnych wymienione parametry dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej
są istotne nie tylko w odniesieniu do prądnic synchronicznych ale również do wszystkich urządzeń elektrycznych
zasilanych napięciem stałym lub przemiennym.
W prądnicach synchronicznych małej mocy, zwłaszcza w prądnicach wagonowych napędzanych z osi wagonu,
prędkość obrotowa wirnika jest nie tylko duża, ale zmienia się w szerokim zakresie. Prądnice tego typu konstruowane
są z dużą ilością wydatnych biegunów, zatem częstotliwość indukowanej siły elektromotorycznej jest nie tylko znaczna,
bo niekiedy przekracza nawet 1500Hz, ale zmienia się w szerokim zakresie, takim jak zmienia się prędkość wirowania
wirnika. Z tego powodu prądnice te są obciążane prądem stałym, który umożliwia niebranie pod uwagę zmian częstotliwości.
Charakterystyki napięcia zespołu prądotwórczego zależą głównie od konstrukcji prądnicy oraz od własności oraz od
własności automatycznego regulatora napięcia.
Graniczne wartości eksploatacyjne zależą od klasy wymagań zespołu prądotwórczego. Spadek częstotliwości dla zespołu:
-G1 nie powinie przekraczać 8%
- G2- 5%
- G3- 3%
- G4- spadek powinien być przedmiotem uzgodnienia między producentem a zamawiającym.
Fot.13. Zespół prądotwórczy lokomotywy SM48 [ze zbiorów własnych]
W normie PN-EN 60349-1: 2004 nie występuje pojęcie zmienności napięcia prądnic. Zamiast tego wymaga się
sprawdzania, czy podstawowe charakterystyki różnego rodzaju maszyn, wyznaczone podczas określonych prób,
są zgodne z charakterystykami obliczeniowymi. Dopuszczalne odchylenia tych wartości nie powinny przekraczać 5%.
W ostatnich latach do systemu normalizacyjnego dotyczącego maszyn elektrycznych i systemów zasilania
wprowadzono wiele wymagań obejmujących szeroko rozumianą problematykę kompatybilności elektromagnetycznej.
Jest zatem potrzeba rozpowszechniania nowych postanowień przepisów, a niekiedy nawet interpretowanie
poszczególnych dyskusyjnych szczegółów.
Dziękuję za uwagę