PREVERJANJE SKLADNOSTIBATERIJSKEGA POLNILNIKA SSTANDARDOM CISPR 14

(1)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

TIM KOLMANKO KAPITAN

PREVERJANJE SKLADNOSTI BATERIJSKEGA POLNILNIKA S

STANDARDOM CISPR 14

Diplomsko delo

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika

Mentor: izr. prof. dr. Gaber Begeš

Ljubljana, 2021

(2)

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko

Tim Kolmanko Kapitan

Preverjanje skladnosti baterijskega polnilnika s standardom CISPR 14

Diplomsko delo

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika

Mentor: izr. prof. dr. Gaber Begeš

Ljubljana, 2021

(3)

(4)

3

Zahvala

Zahvala gre mentorju izr. prof. dr. Gabru Begešu za vzbuditev zanimanja za tematiko diplomske naloge ter pomoč pri njenem pisanju. Zahvaljujem se tudi svojemu mentorju v podjetju SIQ, Žigu Selanu, ter vsem ostalim zaposlenim na mojem oddelku, za pomoč in razlago pri nejasnostih.

(5)

4 Seznam uporabljenih simbolov

Kazalo

Zahvala ... 3

Kazalo ... 4

Kazalo slik ... 5

Kazalo tabel ... 6

Povzetek ... 9

Abstract ... 10

1 Uvod ... 11

2 Naprava ... 13

3.Standard CISPR 14:2015 ... 15

4.Med preskušanjem uporabljena oprema ... 16

5.Emisijski testi ... 23

5.1. Prevodne emisije ... 23

5.2. Sevalne emisije... 27

5.3. Harmonski tokovi ... 30

5.4. Nihajne napetosti in utripi ... 34

6.Imunostni testi ... 38

6.1. Elektrostatična razelektritev ... 38

6.2. Imunost na sevano polje ... 41

6.3. Odpornost na hitre prehodne pojave ... 45

6.4. Odpornost na električni udar... 50

6.5. Odpornost na vsiljene tokove ... 53

6.6. Padci, prekinitve in variacije napetosti ... 56

Sklepne ugotovitve ... 63

Zaključek ... 66

Priloge ... 67

Priloga 1: Rezultati prevodnih emisij ... 67

Priloga 2: Rezultati sevalnih emisij ... 72

Priloga 3: Rezultati harmonskih tokov ... 77

Priloga 4: Rezultati nihajnih napetosti ... 80

Priloga 5: Rezultati elektrostatične razelektritve ... 82

Priloga 6: Rezultati imunosti na sevano polje ... 83

Priloga 7: Rezultati odpornosti na hitre pojave ... 83

(6)

Seznam uporabljenih simbolov 5

Priloga 8: Rezultati odpornosti na električne udare ... 84

Priloga 9: Rezultati odpornosti na vsiljene tokove ... 84

Priloga 10: Rezultati padcev, prekinitev in variacij napetosti ... 85

Literatura ... 86

Kazalo slik

Slika 1: Svetovni trg osebne elektronike po izdelkih, 2012-2020 (v milijonih enot) ... 11

Slika 2: Pomožna vezava za merjenje toka, napetosti in vezavo variabilnega upora ... 14

Slika 3: Posplošena shema elektrostatične pištole ... 18

Slika 4: Oblika pulza prenapetostnega generatorja ... 20

Slika 5: Oblika pulza prenapetostnega generatorja ... 20

Slika 6: Transformator z odcepi ... 22

Slika 7:Sklopno razklopno vezje ... 22

Slika 8: Limite za prevodne emisije ... 24

Slika 9: Postavitvena shema za prevodne emisije ... 25

Slika 10: Postavitev za prevodne emisije ... 25

Slika 11: Limite za sevalne emisije ... 27

Slika 12: Postavitvena shema za sevalne emisije ... 28

Slika 13: Postavitev za sevalne emisije ... 29

Slika 14: Grafični prikaz limit harmonskih tokov ... 31

Slika 15: Shema postavitve za harmonske tokove ... 32

Slika 16: Postavitev za harmonske tokove ... 33

Slika 17: Vizualni prikaz limit ... 35

Slika 18: Shema postavitve za nihajne napetosti in utripe ... 36

Slika 19:Postavitev za nihajne napetosti in utripe ... 36

Slika 20: Shema postavitve elektrostatične razelektritve ... 40

Slika 21: Postavitev za elektrostatične razelektritve ... 40

Slika 22: Shema postavitve za imunost na sevano polje ... 43

Slika 23: Postavitev za imunost na sevano polje ... 44

Slika 24: Shema postavitve za odpornost na hitre prehodne pojave ... 47

Slika 25: Postavitev za odpornost na hitre prehodne pojave ... 48

Slika 26: Prikaz oblike pulza ter snopa pulzov ... 49

Slika 27: Shema postavitve za odpornost na električni udar ... 51

Slika 28: Postavitev za odpornost na električni udar ... 52

Slika 29: Shema postavitve za odpornost na vsiljene tokove ... 54

Slika 30: Postavitev za odpornost na vsiljene tokove ... 55

Slika 31: Prikaz napetostne variacije ... 56

Slika 32: Prikaz napetostne prekinitve ... 57

(7)

6 Seznam uporabljenih simbolov

Slika 33: Prikaz napetostnega padca ... 57

Slika 34: Shema postavitve za napetostne padce, variacije in prekinitve ... 59

Slika 35: Postavitev za napetostne padce, variacije in prekinitve ... 60

Slika 36: Rezultati meritve pri načinu delovanja 2 ... 67

Kazalo tabel

Tabela 1: Specifikacije naprave in pomožne naprave ... 13

Tabela 2: Način delovanja naprave ... 14

Tabela 3: Specifikacije generatorja hitrih prehodnih pojavov ... 16

Tabela 4: Specifikacije pištole za elektrostatično razelektritev ... 18

Tabela 5: Specifikacije prekinitvenega generatorja ... 19

Tabela 6: Specifikacije prenapetostnega generatorja ... 20

Tabela 7: Limite prevodnih emisij ... 23

Tabela 8: Limite sevalnih emisij ... 27

Tabela 9: Limite harmonskih tokov za razred A ... 31

Tabela 10: Testni nivoji za elektrostatično razelektritev ... 38

Tabela 11: Nivoji sevanega polja ... 42

Tabela 12: Nivoji hitrih prehodnih pojavov ... 46

Tabela 13: Nivoji električnih udarov ... 50

Tabela 14: Nivoji vsiljenih tokov ... 53

Tabela 15: Nivoji za padce in variacije napetosti ... 58

Tabela 16: Nivoji za napetostne prekinitve ... 58

(8)

7

Seznam uporabljenih simbolov

Simbol/kratica Slovenski pomen Angleški pomen

EUT Naprava pod testom Equipment under test

EMI Elektromagnetne motnje Electromagnetic interference EMC Elektromagnetna skladnost Electromagnetic compatibility

RF Radio frekvenca Radio frequency

ISN Impedančno stabilizacijsko

omrežje Impendance stabilization network EMS Sistem upravljanja z energijo Energy managment system VCP Navpična sklopna plošča Vertical coupling plate HCP Horizontalna sklopna plošča Horizontal coupling plate CDN Sklopno-razklopno omrežje Coupling-decoupling network

SAC Pol odbojna komora Semi-anechoic chamber

LISN Linijsko impedančno

stabilizacijsko omrežje

Line impendance stabilization network

CMAD Sofazno absorpcijska naprava Common-mode absorption device ESD Elektrostatična razelektritev Electrostatic discharge

(9)

(10)

9

Povzetek

Pri razvoju novega električnega izdelka se proizvajalci vedno srečajo s standardi elektromagnetne skladnosti, bolj natančno z družino standardov CISPR. Gospodinjski aparati ter hišne naprave na splošno imajo zelo stroge predpise, saj se te nahajajo v neposredni bližini uporabnikov kot tudi drugih električnih naprav enakega ter drugačnega tipa, in je zato pomembno, da so te naprave varne in ne invazivne. Dobro testirane in s standardi skladne naprave pripomorejo k boljšemu delovanju naprav, manjšim obremenitvam javnih močnostnih omrežij, boljši uporabniški izkušnji in posledično tudi k večjem zadovoljstvu kupca.

V tej diplomski nalogi je na primeru polnilnika baterij prikazan potek preverjanja elektromagnetne skladnosti po standardu CISPR 14. Prikazan je pregled standarda CISPR 14 in vseh standardov elektromagnetne skladnosti, na katere se ta sklicuje. Vsem standardom je podan opis pojava, na katerega se nanaša, in posledično sam razlog za obstoj tega standarda.

Bolj podrobno so prikazane tudi zahteve in mejne vrednosti standardov, kot tudi postavitve naprav. Vsakemu standardu je podan tudi prikaz praktične izvedbe ter rezultatov le tega na primeru polnilnika baterij, ki je vse teste opravil uspešno. Ti testi se nanašajo na meritve elektromagnetnih emisij, torej prevodne in sevalne emisije, harmonske tokove ter nihajne napetosti in utripe, ter meritve elektromagnetnih imunosti, torej imunost na elektrostatično razelektritev, sevane elektromagnetne motnje, hitre prehodne pojave, napetostne udare, prevodne motnje ter padce, prekinitve in variacije napetosti. Ob samih standardih pa so podani tudi opisi naprav, ki se jih potrebuje za samo izvedbo meritev.

Ključne besede: standard CISPR 14, polnilnik baterij, elektromagnetne emisije, elektromagnetna imunost, prevodne in sevalne emisije, harmonski tokovi, nihajne napetosti in utripi, elektrostatična razelektritev, sevane elektromagnetne motnje, hitri prehodni pojavi, napetostni udari, prevodne motnje, padci, prekinitve in variacije napetosti.

(11)

10 Abstract

Abstract

When developing a new electrical product, the manufacturers always encounter electromagnetic compliance standards, more specifically the CISPR family of standards.

Household appliances and devices have very strict regulations and requirements, as these are located in the immediate vicinity of users as well as other electrical appliances and devices, therefore it is important that they are safe and non-invasive. Well tested and standard compliant devices contribute to better device operation, lower public network emissions, a better user experience, and, consequently, greater customer satisfaction.

This thesis includes electromagnetic compliance testing on a battery charger according to CISPR 14. This thesis includes an overview of the standard CISPR 14 and all the electromagnetic standards to which it refers. All the standards are given a description of the phenomenon to which they refer and, consequently, the very reason for the standards existence. The requirements and limits of the standards, as well as the required layouts of the devices, are also shown in more detail. The practical implementation of the standards and their results are shown in the case of a battery charger, which passed all the tests successfully. These tests include measurements of electromagnetic emissions, such as conducted and radiated emissions, harmonic currents, voltage fluctuations and flicker, as well as measurements of electromagnetic immunity, ie electrostatic discharge, electromagnetic immunity, electrical fast transients, surge, conducted RF immunity, voltage dips, interruptions and variations. In addition to the standards themselves, there are also descriptions of the devices needed to perform the measurements.

Key words: CISPR 14 standard, battery charger, electromagnetic emissions, electromagnetic immunity, conducted and radiated emissions, harmonic currents, voltage fluctuations and flicker, electrostatic discharge, electromagnetic immunity, electrical fast transients, surge, conducted RF immunity, voltage dips, interruptions and variations.

(12)

Prevodne emisije 11

1 Uvod

Polnilnik baterij je naprava, ki se uporablja za prenos električne energije v baterijo. Nekatere polnilnike baterij je potrebno ročno odklopiti od napajanja, nekateri pa se lahko izklopijo avtomatsko z uporabo časovnikov. Dandanes se na trgu pojavlja vedno več kompaktnih in prenosnih naprav, kot je prikazano na sliki 1, ki za delovanje potrebujejo baterijo in posledično tudi polnilnik, z vedno večjim povpraševanjem po električnih vozilih pa se trg za polnilnike baterij še toliko bolj veča in razvija.

V preteklih letih je bilo na trgu opaziti več trendov, kot je miniaturizacija, zaradi katerih so polnilniki baterij postali bolj kompaktni, zmogljivejši in hitrejši. Poleg tega so polnilniki pridobili različne funkcije, ki optimizirajo polnjenje in podaljšajo življenjsko dobo baterij. Vsi ti napredki, funkcije in vedno bolj razširjena uporaba pa so prinesli obilo novih problemov v svetu elektromagnetike. V ta namen se je pojavila obilica standardov, s katerimi morajo biti tako polnilniki baterij kot tudi vse ostale električne naprave skladne, preden lahko preidejo na trg. Glavni standard, ki pokriva zahteve električnih naprav za gospodinjsko in osebno rabo, je CISPR 14.

Leta 1993 je firma Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR; ang. International Special Committee on Radio Interference), ki je del firme International Electrotehnical Commission (IEC), izdala prvo edicijo standarda CISPR 14, kateri je pokrival indukcijske in sevalne motnje naprav, katerih glavne funkcije je izvajal elektromotor. Leta 1996 se je v dveh delih izdala nova edicija, ki pa je pokrivala tudi električne naprave za domačo rabo, iluminacijo, orodja, regulatorje, medicinske naprave, električne igrače, kinematografske aparate, kot so na primer projektorji, ter polnilnike baterij. V tem standardu sta se tudi prvič pojavila standarda EN 55014-1 in EN 55014-2, v katerem so zajeti vsi standardi in preskusi, s katerimi morajo biti domače naprave skladne.

Razlog za nastanek standarda je bil hiter napredek ter dostopnost elektronskih naprav, kar je v ne reguliranem svetu začelo povzročati probleme. Povečana prisotnost elektronskih naprav vseh tipov brez posebnih regulacij je zelo obremenila javna električna omrežja, implementacija bolj dostopne brezžične komunikacije pa je javni prostor onesnažila z valovanji različnih frekvenc in amplitud. Zahteve standardov v CISPR 14 so omejile in še vedno omejujejo razširjenost, amplitudo ter destruktivno moč motenj in valovanj.

Slika 1: Svetovni trg osebne elektronike po izdelkih, 2012-2020 (v milijonih enot)

(13)

12 1 Uvod

Skozi leta se je standard razvijal s tehnologijo, spreminjal limite ter zahtevane specifikacije, frekvenčna območja ter aplikabilne naprave. Diplomska naloga se nanaša na izdajo iz leta 2015. Čeprav se počasi uvajajo nove izdaje standardov, ki jih zajema CISPR 14, se proizvajalci trenutno še vedno soočajo z zahtevami in limitami standardov, navedenih v ediciji CISPR 14:2015. Ta standard se deli na dela CISPR 14-1 in CISPR 14-2, pri čem CISPR 14-1 zajema standarde, ki pokrivajo elektromagnetne emisije, katere pa se najpogosteje pojavijo v oblikah prevodnih emisij, sevalnih emisij, harmonskih tokov ter nihajnih napetosti in utripov. Vse te emisije pripomorejo k veliko slabši kvaliteti električne energije (ang. Power quality) in morajo zato biti strogo regulirane. CISPR 14-2 pa zajema standarde, ki pokrivajo elektromagnetno imunost. To je imunost na pojave elektromagnetnih emisij, kot tudi imunost na naključne vsakodnevne pojave, kot so statična elektrika ter udari strel. Te standardi preprečujejo nepravilno delovanje naprav zaradi vzrokov izven nadzora uporabnika.

Cilj tega diplomskega dela je preverjanje elektromagnetne skladnosti polnilnika baterij z izvedbo standardnih testov, kar pa zavzema pravilno izbiro merilnih naprav ter generatorjev, ustrezno testno postavitev, pravilno nastavitev programske opreme, generiranje testnega poročila in ustrezno odločitev o uspešnosti opravljenih testov.

Zaradi poslovnih skrivnosti v diplomskem delu niso prikazane posebne zahteve proizvajalca. Prav tako je naprava na slikah prekrita.

(14)

2 Naprava

Kot že prej omenjeno, je naprava baterijski polnilnik. Na prvi pogled dokaj preprosta naprava, zna predstavljati kar obilico problemov, saj ima sama po sebi zelo omejene indikatorje, ki bi lahko opozorili o morebitni napaki. Prav tako pa ima baterijski polnilnik pomožno opremo, in sicer baterijo. Specifikacije obeh so navedene v tabeli 1.

Specifikacije

Tabela 1: Specifikacije naprave in pomožne naprave

Za pravilno izvedbo poskusov je pomembno, v katerem načinu delovanja polnilnika se poskus izvaja. Načini delovanja so odvisni od napolnjenosti baterije, saj polnilnik pri različnih nivojih napolnjenosti baterije troši različne napetosti in tokove. Načini delovanja so prikazani v tabeli 2.

Polnilnik (Glavna naprava)

Dolžina glavnega vodnika 1,5 m

Dovedeno napajanje (AC) 230 V/50 Hz/2150 mA

Odvedeno napajanje (DC) 36 V/6 A

Vodniki L, N

Svetilni indikator Svetilna dioda x1

materiali Plastika, guma

Baterija (Pomožna oprema)

Dolžina vodnika 1,2 m

Dovedeno napajanje (DC+) 36 V/6 A

Odvedeno napajanje (DC-) 13,5 V/2,5 A

Električna energija 750 Wh

Vodniki L, N

Svetilni indikator Svetilne diode, x5

Gumbi Gumb za prižig, x1

Materiali Plastika, guma

(15)

14 2 Naprava

Načini delovanja

številka Način delovanja

1 Maksimalno breme (Variabilni upor vezan vzporedno z baterijo) (ang. Max load) 2 Polnjenje prazne baterije (ang. Charging empty battery)

3 Polnjene delno polne baterije (ang. Charging partially charged battery) 4 Polnjenje skoraj polne baterije (ang. Charging almost fully charged battery) 5 Polnjenje polne baterije (ang. Charging fully charged battery)

6 Čakanje na baterijo (ang. Waiting for battery) Tabela 2: Način delovanja naprave

Dodatne spremembe naprave

Za izvedbo testov pri načinu delovanja 1 ter spremljanju napetosti in toka na napravi sem na vodniku med baterijo in polnilcem vgradil dodatno vezje.

To vezje je vsebovalo obvodni upor znane upornosti, preko katerega sem z pomočjo Ohmovega zakona meril tako napetost kot tudi tok. Na strani baterije sem zvezal pomožna vodnika za priklop na variabilni upor, s katerim sem zagotovil način delovanja 1.

Slika 2: Pomožna vezava za merjenje toka, napetosti in vezavo variabilnega upora

(16)

3. Standard CISPR 14:2015

CISPR 14 obravnava elektromagnetno odpornost ter elektromagnetne emisije naprav v območju od 0 Hz do 400 GHz. Sem spadajo naprave za gospodinjske namene, električna orodja, električne igrače in podobni aparati, ki porabljajo elektriko, katerih nazivna napetost ne presega 250 V za enofazne in 480 V za večfazne. Aparati lahko vsebujejo motorje, grelne elemente, električno vezje ali kombinacijo teh. Napajajo se lahko preko omrežja, transformatorja, akumulatorja ali preko drugega vira električne energije.

Standard se ne uporablja za opremo, namenjeno za osvetlitev, zahtevne industrijske aparate, naprave, ki so namenjene za stalne dele električne napeljave v stavbah (npr.

Varovalke, odklopniki, stikala), radijske in televizijske sprejemnike, zvočno in video opremo, elektronska glasbila, ki niso igrače, osebne računalnike, radijske sprejemno-oddajne enote, aparate, zasnovane izključno za uporabo v vozilih in sisteme za nadzor dojenčkov [26].

Standard CISPR 14 vsebuje dva podsklopa, in sicer:

CISPR 14-1, kateri vsebuje zahteve za elektromagnetne emisije po sledečih standardih:

- EN 55014-1: Prevodne emisije (ang. Conducted emissions) - EN 55014-1: Sevalne emisije (ang. Radiated emissions) - EN 61000-3-2: Harmonski tokovi (ang. Harmonics current)

- EN 61000-3-3: Nihajne napetosti in utripi (ang. Voltage fluctuation and flicker) Podsklop CISPR 14-2 pa vsebuje zahteve za elektromagnetno imunost po standardih:

- EN 61000-4-2: Elektrostatična razelektritev (ang. Electrostatic discharge)

- EN 61000-4-3: Odpornost na sevane elektromagnetne motnje (ang. Electromagnetic immunity)

- EN 61000-4-4: Hitri prehodni pojavi (ang. Electrical fast transient / Burst) - EN 61000-4-5: Odpornost na napetostni udar (ang. Surge immunity)

- EN 61000-4-6: Odpornost na prevodne motnje (ang. Conducted RF immunity) - EN 61000-4-11: Padci, prekinitve in variacije napetosti (ang. Voltage dips,

interruptions and variations)

Podrobnejše zahteve so predstavljene v nadaljnjih poglavjih.

(17)

16 Med preskušanjem uporabljena oprema

4. Med preskušanjem uporabljena oprema

Atenuator

Atenuator je naprava, ki zmanjša amplitudo signala brez deformacije oblike.

Funkcionalno deluje kot ojačevalnik z ojačenjem manjšim od 1 in je sestavljen samo iz uporov v formaciji napetostnih delilnikov [27].

Feritni voziček

Feritni vozički so pasivni elementi, ki absorbirajo visokofrekvenčne motnje. Deluje na principu Faradayevega zakona, in sicer ob prisotnosti visokofrekvenčnih motenj generira nasproti delujoče elektromagnetno sevanje, ki izniči originalne motnje [28].

Generator elektromagnetnih motenj

Generator elektromagnetnih motenj, ki je zmožen doseči zahtevano frekvenčno območje testa, ima amplitudno modulacijo z 1 kHz sinusom ter globino 80%. Generator mora imeti možnost nastavitve frekvenčnega koraka ter čas med njim.

Generator hitrih prehodnih pojavov

Generator hitrih prehodnih pojavov, ki je zmožen na izhod, pri obremenitvi 1000 Ω, dati vsaj 0,24 kV do 3,6 kV, ter pri obremenitvi 50 Ω vsaj 0,125 kV do 2 kV. Generator mora prav tako biti odporen na kratkostične pojave in imeti sledeče specifikacije [8]:

polariteta pozitivna/negativna

Kondenzator za filtriranje DC

napetosti (10 ± 2) nF

Obratovalna frekvenca (5 kHz ali 100 kHz) ±20%

Odvisnost od napajalne frekvence asinhronska

Trajanje prehodnega pojava (15 ± 3) ms pri 5 kHz

(0,75 ± 0,15) ms pri 100 kHz

Čas enega cikla (300 ± 60) ms

Oblika pulza pri 50 Ω obremenitvi

Čas vzpona (5 ± 1,5) ns Širina pulza (50 ± 15) ns

Maksimalna amplituda (0,25, 0,5, 1, 2, 4) kV ± 10%

Oblika pulza pri 1000 Ω obremenitvi

Čas vzpona (5 ± 1,5) ns Širina pulza (50 -15/+100) ns

Maksimalna amplituda (0,25, 0,5, 1, 2, 4) kV ± 10%

Tabela 3: Specifikacije generatorja hitrih prehodnih pojavov

(18)

Impedančno stabilizacijsko omrežje

Impedančno stabilizacijsko omrežje, ang. Line impedance stabilization network oziroma LISN, je električna naprava, ki med meritvijo zagotavlja stabilno in enako sofazno impedanco za priključke merjene naprave. Tega se uporablja za zagotovitev ponovljivosti meritev, saj se impedance napajalnih omrežij razlikujejo, kar lahko posledično pripelje do različnih rezultatov [29].

Log-periodična antena

Log-periodična antena je sestavljena iz serije dipolov naraščajoče dolžine, ki so medsebojno razmaknjeni za interval logaritmične funkcije frekvence. Razmerje med dolžinami dveh sosednjih dipolov je vedno enak, kar pomeni, da ima vsak dipol določeno frekvenčno območje, pri katerem je vzbujan. Antena mora pokrivati zahtevano frekvenčno območje testa, v mojem primeru ta pokriva frekvenčno območje od 30 MHz do 6 GHz [30 - 31].

Merilnik harmonikov

Merilnik oziroma analizator harmonikov je naprava, ki se uporablja za merjenje frekvenc, amplitud, različne faze in komponente ne sinusnih valovanj, primarno pa se uporablja za preverjanje harmonskih tokov v električnih sistemih. Analizator pomeri amplitudo vseh harmonskih tokov od drugega do štiridesetega [32].

Merilnik nihajnih napetosti

Merilnik nihajnih napetosti, ang. Flickermeter, je naprava, ki meri amplitudo nihaja zaradi napetostne variacije. Maksimalna frekvenčna in modulacijska toleranca mora biti

±0,5 % ali manj. Merilnik mora biti sposoben izvajati meritev v amplitudnem območju od 60 V do 690 V ter pri frekvencah 50 Hz in 60 Hz. Splošno mora biti skladen z dodatnimi zahtevami standarda EN 61000-4-15 [11].

(19)

Pištola za elektrostatično razelektritev

Pištola za elektrostatično razelektritev, ang. Electrostatic discharge gun ali krajše ESD gun /pištola, je ročni generator statične elektrike, ki mora biti skladen z naslednjimi zahtevami [6]:

Napetost za kontaktno razelektritev Vsaj (1 kV do 8 kV) ±5 % Napetost za zračno razelektritev Vsaj (2 kV do 15 kV) ±5 %

Polariteta napetosti Pozitivna in negativna

Čas držanja naboja ≥5 s

Parametri oblike toka

nivo Napetost (kV)

Prvi vrh toka po razelektritvi

±15 % (A)

Čas vzpona (±25 %)

(ns)

Tok (±30 %) pri 30 ns

(A)

Tok (±30 %) pri 60 ns

(A)

1 2 7,5 0,8 4 2

2 4 15 0,8 8 4

3 6 22,5 0,8 12 6

4 8 30 0,8 15 8

Čas vzpona je čas med 10 % in 90 % vrednosti prvega vrha toka

Tabela 4: Specifikacije pištole za elektrostatično razelektritev Generator naj bi bil zmožen generirati vsaj 20 pulzov na sekundo.

Slika 3 prikazuje splošno vezje elektrostatične pištole.

Slika 3: Posplošena shema elektrostatične pištole

(20)

Vertikalna sklopna plošča

Vertikalna sklopna plošča, ang. Vertical coupling plane, krajše VCP, je kovinska (aluminijasta ali bakrena) plošča dimenzije 0,5 m x 0,5 m in debeline vsaj 0,25 mm. Ta je vgrajena v neprevodni podstavek (po navadi lesen), ki ima take dimenzije, da lahko napravo postavimo 10 cm od plošče. Plošča mora vsebovati ozemljitveni vodnik z dvema 470 kΩ uporoma (ang. Bleeder resistors).

Horizontalna sklopna plošča

Horizontalna sklopna plošča, ang. Horizontal coupling plane, krajše HCP, je kovinska (aluminijasta ali bakrena) plošča dimenzije 1,6 m x 0,8 m in debeline vsaj 0,25 mm. Plošča mora vsebovati ozemljitveni vodnik z dvema 470 kΩ uporoma.

Pol odbojna soba z vrtljivo ploščadjo

Pol odbojna soba, ang. Semi-anechoic chamber ali krajše SAC, je soba, obdana z feritnimi in penastimi absorberji, kateri preprečujejo odboje radio frekvenc in izolirajo sobo pred uhajanjem motenj v zunanji svet. Ta soba mora biti dovolj velika, da se vanjo postavi testna naprava in od nje zagotovi zadostna oddaljenost antene.

Prekinitveni generator

Prekinitveni generator, ang. Power fail generator, je generator, s katerim se generira napetostne padce, variacije in prekinitve. Generator mora biti skladen s sledečimi pogoji [15]:

Sprememba napetosti na izhodu generatorja 100 % izhodna napetost, 0 A do 16 A 80 % izhodna napetost, 0 A do 20 A 70 % izhodna napetost, 0 A do 23 A 40 % izhodna napetost, 0 A do 40 A

Manj kot 5 % napetosti naprave Manj kot 5 % napetosti naprave Manj kot 5 % napetosti naprave Manj kot 5 % napetosti naprave

Zmožnost izhodnega toka

16 A na fazo pri predpisani napetosti.

Generator mora biti zmožen 20 A pri 80 % predpisane napetosti za 5 s, 23 A pri 70 % in 40 A pri 40 % za 3 s.

Čas vzpona in padca pri 100 Ω obremenitvi Med 1 µs in 5 µs

Fazni zamik 0° do 360°

Fazno razmerje padcev in prekinitev s

frekvenco omrežja Manj kot ±10°

Generatorski nadzor ničelnega prečkanja ±10°

Tabela 5: Specifikacije prekinitvenega generatorja

(21)

Prenapetostni generator

Prenapetostni generator je generator, ki na napravi trenutno povzroči prenapetost od 0,5 kV do 4 kV. Skladen mora biti s sledečimi specifikacijami [9]:

Čas dosega maksimalne napetosti pri odprto zančni vezavi 1,2 µs Čas dosega maksimalne napetosti pri kratkostični vezavi 8 µs Čas trajanja prenapetosti pri odprto zančni vezavi 50 µs Čas trajanja prenapetosti pri kratkostični vezavi 20 µs

polariteta Pozitivna in negativna

Fazni zamik Med (0° in 360°) ±10°,

relativno napajalne frekvence

Hitrost pulzov 1 na minuto ali več

Tabela 6: Specifikacije prenapetostnega generatorja

Slika 4 prikazuje zahtevano obliko pulza po standardu IEC 61000-4-11, ki jo mora prenapetostni generator doseči.

Slika 5: Oblika pulza prenapetostnega generatorja Slika 4: Oblika pulza prenapetostnega generatorja

(22)

Posplošena shema prenapetostnega generatorja je prikazana na sliki 5. Seveda pa je v realnosti vezje veliko bolj kompleksno.

Radio frekvenčni generator

Radio frekvenčni generator, ang. Radio frequency generator, krajše RF generator je generator, zmožen generiranja frekvenc v zahtevanem frekvenčnem območju testa. Zahtevana je tudi zmožnost amplitudne modulacije z 1 kHz sinusom in globino 80 %, kot tudi nastavitev frekvenčnega koraka in časa med njim [10].

Sofazno absorpcijske klešče

Sofazno absorpcijske klešče, ang. Common-mode absorption device, krajše CMAD, so klešče, sestavljene iz 40 feritnih obročkov, in se uporabljajo za slabljenje motenj zunanjih vplivov v frekvenčnem področju od 30 MHz do 200 MHz [35]. Te se med testom namesti okoli glavnega napajalnega vodnika.

Sprejemnik elektromagnetnih motenj

Sprejemnik elektromagnetnih motenj, ang. Electromagnetic interference reciever, krajše EMI, je sprejemnik, zmožen sprejemanja frekvenc v zahtevanem območju testa.

Stabilni napetostni vir

Stabilni napetostni vir je vir, ki je ločen od standardnega napajalnega omrežja, in s tem izloča omrežne motnje. Zagotavlja stabilno napajalno napetost in frekvenco z manj kot 1 % napako.

Talni absorber

Talni absorberji so penaste piramide višine okoli 0,5 m. Narejeni so iz mešanice polipropilena ter ogljika, in s svojo piramidasto obliko zagotavljajo maksimalno število internih odbojev, kateri zmanjšajo amplitudo signala. [34, 36].

Slika 5: Posplošeno vezje prenapetostnega generatorja

(23)

Transformator z odcepi

Transformator z odcepi, ang. Tapped transformer, je transformator z odcepi na sekundarnem navitju. Transformator ima na sekundarnem navitju tri odcepe, s katerimi zagotovimo 40 %, 70 % ali 80 % napajalne napetosti [37].

Sklopno razklopno vezje

Sklopno razklopno vezje, ang. Coupling-decoupling network, krajše CDN, je vezje, s katerim se loči napajalno omrežje od testnega, da se tega ne onesnažuje z namerno generiranimi motnjami [38].

Slika 6: Transformator z odcepi

Slika 7:Sklopno razklopno vezje

(24)

5. Emisijski testi

Emisijski testi ugotavljajo, koliko električna naprava onesnažuje javna napajalna omrežja s prevodnimi motnjami, ter koliko onesnažuje okolje okoli sebe z visoko frekvenčnimi izsevanimi motnjami. V tem poglavju so prikazani pojavi, zahteve standardov in izvedba emisijskih preskusov, kot so prevodne in sevalne emisije, harmonski tokovi, nihajne napetosti in utripi.

5.1. Prevodne emisije

Opis pojava

Električne naprave zaradi nelinearnih elementov, oddajnikov ter stikal v javna napajalna omrežja oddajajo emisije, ki se delijo na:

- Trajne emisije, povzročitelji katerih so po navadi manjši nelinearni elementi, in imajo manjšo amplitudo, so počasnejše in dolgotrajne [39].

- Prekinitvene emisije, katere po navadi povzročijo stikala ter preklopi večjih bremen, se pojavijo v obliki ozkih špic s frekvenčnim območjem 150 kHz – 30 MHz [40].

Ti pojavi pripomorejo k poslabšanju kakovosti električne energije, kar posledično omeji oziroma poslabša napravam na enakem omrežju generiranje, širjenje in sprejemanje električne energije. Vse to pripomore k slabšem delovanju naprav, kot na primer zmanjšanje svetlosti svetil, poslabšanje učinkovitosti grelnih elementov v gospodinjskih napravah in podobno [41].

Zahteve standarda

Prevodne emisije pokriva standard EN 55014-1:2015, po katerem pa se baterijski polnilnik testira v frekvenčnem območju od 150 kHz do 30 MHz, in sicer s sledečimi limitami

Frekvenčno

območje Limite razred B Limite razred A

(MHz) (dBµV) kvazi- vrh

(dBµV) povprečno

(dBµV) kvazi- vrh

(dBµV) povprečno

0,150 do 0,5

Linearno padanje z logaritmom frekvence od 66

do 56

do 46

do 73

do 60

0,5 do 5 56 46 73 60

5 do 30 60 50 73 60

Tabela 7: Limite prevodnih emisij

(25)

24 Emisijski testi

Naprave se delijo v dva razreda:

- Naprave, ki so namenjene za komercialno, industrijsko ali poslovno rabo, spadajo v razred A.

- Naprave, ki so namenjene za domačo uporabo, spadajo v razred B.

Posledično baterijski polnilnik spada v razred B.

Potrebna oprema

Za izvedbo testa je potrebna sledeča oprema:

- Neprevodna miza višine vsaj 0,8 m (npr. Leseni voziček).

- Referenčna ozemljitvena plošča vsaj 2 m x 2 m (v mojem primeru ozemljen laboratorij).

- Impedančno stabilizacijsko omrežje - Sprejemnik elektromagnetnih motenj

- Računalnik s programsko opremo EMC32 (za izvedbo ni nujno, ampak zelo olajša in pohitri delo)

Zahtevana postavitev

Postavitev sem izvedel po zahtevah standarda, torej sem baterijski polnilnik postavil na leseni voziček tako, da je bil ta oddaljen 0,4 m od stene ter 0,8 m od vseh ostalih prevodnih površin in naprav. Po standardu je zahtevano, da je kabel med napravo in impedančnim stabilizacijskim omrežjem čim krajši, zato sem tega skrajšal iz 1,5 m na 1 m in ga priklopil v impedančno stabilizacijsko omrežje, katero mora prav tako biti 0,4 m od stene. Tega sem nato povezal na sprejemnik elektromagnetnih motenj, kateri pa je bil povezan na računalnik.

Slika 8: Limite za prevodne emisije

(26)

Slika 9: Postavitvena shema za prevodne emisije

Slika 10: Postavitev za prevodne emisije Izvedba testa

Po postavitvi sem na računalniku zagnal programsko opremo EMC32, v kateri sem nastavil sledeče parametre:

- V orodni vrstici sem s pritiskom na gumb »Device list...« odprl okno, v katerem sem izbral uporabljeno impedančno stabilizacijsko omrežje (ENV216) in uporabljen sprejemnik elektromagnetnih motenj (ESR7).

(27)

- Z dvojnim klikom na napravo se odpre okno z nastavitvami, kjer sem za frekvenčno območje impedančnega stabilizacijskega omrežja nastavil vrednost od 150 kHz do 30 MHz.

- Na levem robu glavne strani se v mapi »All files« -> »system« -> »test templates« -

> »EMI auto test« nahajajo v naprej pripravljeni standardni testi. Z desnim klikom sem kliknil na »EMI auto test 150 k-30 MHz, class B« ter izbral »Make new copy«.

- Z dvojnim klikom na kopijo standarda se odpre okno, v katerem sem nastavil frekvenčno območje na 150 kHz do 30 MHz ter čas meritve 10 minut.

- Test se zažene z desnim klikom na kopijo testa in pritiskom na »New test direct«, kar odpre pripravljeno merilno okno, kjer se lahko pred začetkom meritve ponovno pregleda nastavljene parametre.

Meritev poteka v dveh delih:

- V prvem delu meritev traja 10 minut in meri celotno frekvenčno območje. Po končani meritvi program avtomatsko izbere med šest in osem frekvenc, pri katerih so motnje največje.

- V drugem delu program izvaja daljšo meritev na zgoraj izbranimi frekvencami, saj tako preveri, ali je motnja trajajoča ali prekinitvena.

Meritev sem izvedel petkrat, in sicer pri načinih delovanja 2-6. Med meritvijo sem preko obvodnega upora spremljal tudi tok in napetost, s čim sem zagotovil, da se je celotna meritev izvajala na določenem načinu delovanja (Prehod načina delovanja zaradi polnjenja baterije je bil viden s padcem toka in naraščanjem napetosti)

Rezultati

Po končani meritvi sem rezultate shranil v PDF datoteko. V datoteki je prikazan ime naprave in proizvajalca, stanje delovanja, graf meritve ter tabela rezultatov.

Pri pregledu rezultatov meritev je razvidno, da pri nobenem načinu delovanja vrednosti ne presegajo podanih limit. Še več, meritve kvazi-vrha ne presegajo niti limite za povprečno meritev, kar kaže, da polnilnik povzroča zelo malo prevodnih emisij in je posledično tudi brez težav opravil test.

Rezultati prevodnih emisij so podani v prilogi 1.

(28)

Sevalne emisije 27

5.2. Sevalne emisije

Opis pojava

Električne naprave zaradi nelinearnih elementov, oddajnikov ter stikal oddajajo emisije.

Ko frekvence teh emisij presežejo 30 MHz, se po večini širijo kot sevanje [2].

Te emisije predstavljajo kar velik problem, saj pri teh frekvencah obratujejo brezžične komunikacije, kot so FM radio, TV signal, GPS, Wi-Fi, Bluetooth in podobno [42].

Sevalne emisije pokriva standard EN 55014-1:2015, po katerem se baterijski polnilnik testira v frekvenčnem območju od 30 MHz do 1 GHz, in sicer s sledečimi limitami

Frekvenčno območje Razred A (10m) Razred B (3m) (MHz) (dBµV/m) kvazi-vrh (dBµV/m) kvazi-vrh

30 do 230 40 30

230 do 1000 47 37

Tabela 8: Limite sevalnih emisij

Slika 11: Limite za sevalne emisije

(29)

Naprave se delijo v dva razreda:

- Naprave, ki so namenjene za komercialno, industrijsko ali poslovno rabo, spadajo v razred A.

- Naprave, ki so namenjene za domačo uporabo, spadajo v razred B.

Posledično baterijski polnilnik spada v razred B.

Potrebna oprema

- Pol odbojna soba z vrtljivo ploščadjo - Log-periodična antena

- Sofazno absorpcijske klešče - Neprevodna miza višine 0,8 m - Sprejemnik elektromagnetnih motenj

Postavitev sem izvedel po zahtevah standarda, torej sem baterijski polnilnik postavil na rob neprevodne mize, katera se nahaja na vrtljivi ploščadi. Napajalni vodnik sem speljal navpično proti tlom, skozi sofazno absorpcijske klešče, ter v napajanje. Baterijo sem prav tako postavil na rob mize, in sicer 0,3 m od polnilca. Vodnik med njima sem zvil v pentljo velikosti 0,3 m do 0,4 m. Okoli celotne postavitve sem si zamislil navidezni krog, katerega premer je bil okoli 0,7 m. Polmer tega kroga (0,35 m) sem prištel oddaljenosti antene, katera mora biti ves čas od naprave minimalno 3 m (torej od mize oddaljena 3,35 m). Anteno sem povezal na sprejemnik elektromagnetnih motenj, tega pa na računalnik.

Slika 12: Postavitvena shema za sevalne emisije

(30)

Sevalne emisije 29

Slika 13: Postavitev za sevalne emisije Izvedba testa

- V orodni vrstici se s pritiskom na gumb »Device list...« odpre okno, v katerem sem izbral uporabljen sprejemnik elektromagnetnih motenj (ESU8), vrtljivo ploščad ter anteno (HL562E).

- Na levem robu glavne strani se s klikom na »all files« -> »hardware setups« -> »EMI radiated« -> »RE_30M-1G« odpre okno, v katerem se vidi izbrana oprema ter njene nastavitve.

- Na levem robu glavne strani se s klikom na »test templates« -> »EMI scan« -> »IT TEAM« odprejo v naprej pripravljeni standardi. Z desnim klikom na datoteko »EMI scan PREAMP 20dB UP TO 1G PK_INPUT2« se odpre okno z nastavitvami, v katerem sem izbral prej nastavljen »hardware setup«, nastavil frekvenčno območje (start 30 MHz, stop 1 GHz) ter označil opciji »QUASIPEAK« in »CLEARWRITE«.

- Test se zažene z desnim klikom na prej izbrani test in izbiro »New test direct«.

Meritev poteka v treh delih:

- V prvem delu se išče orientacija z največ emisij. Vrtljiva ploščad se vrti s konstantno hitrostjo 5°/s, med čim sprejemnik elektromagnetnih motenj naredi prelet čez celotno frekvenčno območje vsakih 5 ms. Po celotni rotaciji ploščadi se antena dvigne za 0,1 m, in meritev se ponovi. Celoten cikel se je ponavljal, dokler antena ni dosegla višine 2 m, saj je amplituda motenj z višino padala. Celoten cikel se ponovi še z drugo polariteto antene. V območju najslabše meritve se pomeri še okolica ±20° (s korakom 1°) in višina antene ±0,1 m (s korakom 1 cm). S tem zagotovimo, da se test izvaja pri orientaciji z največ emisij.

(31)

- V drugem delu se izmed meritev prvega dela izbere najslabšo, in se pri enaki orientaciji izvede daljša meritev. Pred meritvijo je v programu potrebno v »hardware setup« nastaviti opciji »MaxPeak« in »MaxHold«., kateri shranita frekvence, pri katerih je največ emisij.

- V tretjem delu se iz daljše meritve izbere okoli 10 frekvenc, pri katerih so motnje največje. Na teh frekvencah se izvede daljša meritev (okoli 1 s na frekvenco).

Meritev sem izvedel petkrat, in sicer pri načinih delovanja 2-6. Med meritvijo sem preko zunanjega močnostnega generatorja spremljal tudi tok in napetost, s čim sem zagotovil, da se je celotna meritev izvajala na določenem načinu delovanja (Prehod načina delovanja zaradi polnjenja baterije je bil viden s padcem toka in naraščanjem napetosti) Rezultati

Po končani meritvi sem rezultate shranil v PDF datoteko. V datoteki je prikazan ime naprave in proizvajalca, stanje delovanja, graf meritve in tabela rezultatov.

Pri pregledu rezultatov meritev je razvidno, da pri nobenem načinu delovanja vrednosti ne presegajo podanih limit oziroma tej niso niti blizu, saj je razlika več kot 13 dB. Ta nam da vedeti, da naprava oddaja zelo malo sevalnih emisij in je posledično brez problemov opravila test.

Rezultati sevalnih emisij so prikazani v prilogi 2.

5.3. Harmonski tokovi

Opis pojava

Električne naprave vsebujejo vedno več nelinearnih elementov, ki v vezja vnašajo različne frekvenčne motnje. Posledično vezja naprav vlečejo tokove z drugačno valovno obliko od omrežne [12]. Ti tokovi imajo frekvenco, ki je večkratnik omrežne (npr. Javno omrežje ima frekvenco 50 Hz, drugi harmonik je 100 Hz, tretji 150 Hz in tako dalje) [43-44].

Harmonski tokovi so največji povzročitelj slabšanja kakovosti električne energije in pripomorejo k prekomernem segrevanju naprav in vodnikov in posledično večjim izgubam, zmanjšanju oziroma popačenju navora motorjev, poslabšanju delovanja generatorjev ter k nepravilnimi zagoni naprav.

(32)

Harmonski tokovi 31

Harmonske tokove obravnava standard EN 61000-3-2, po katerem se naprave testira do 40 harmonika po sledečih limitah

Harmonski večkratnik Maksimalen dovoljen harmonski tok

n A

Lihi harmoniki

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15 ≤ n ≤ 39 0,15 ¹⁵

𝑛

Sodi harmoniki

2 1,08

4 0,43

6 0,30

8 ≤ n ≤ 40 0,23 ⁸

𝑛

Tabela 9: Limite harmonskih tokov za razred A

Naprave se delijo v štiri razrede:

- Hišne naprave, polnilniki, pečice, avdio oprema in sesalci spadajo v razred A - Ročna orodja in varilni aparati, ki niso za profesionalno uporabo, spadajo v razred B - Luči spadajo v razred C

Slika 14: Grafični prikaz limit harmonskih tokov

(33)

- Računalniki, televizorji, hladilniki in zamrzovalniki spadajo v razred D Posledično baterijski polnilnik spada v razred A.

Potrebna oprema

- Stabilni napetostni vir - Merilnik harmonskih tokov

- Računalnik s programsko opremo net.control.

Standard ne zahteva posebne postavitve, zaželeno pa je, da je vodnik čim krajši, zato sem tega skrajšal. Zaradi dobre prakse sem polnilnik in baterijo postavil na leseni voziček višine 0,8 m in med njima zagotovil 0,1 m razdalje. Polnilnik sem povezal direktno v merilnik harmonskih tokov, tega pa v računalnik.

Slika 15: Shema postavitve za harmonske tokove

(34)

Harmonski tokovi 33

Slika 16: Postavitev za harmonske tokove Izvedba testa

Po postavitvi sem na računalniku zagnal programsko opremo net.control, v kateri sem nastavil sledeče parametre:

- Ob zagonu programa se odpre okno »Setup EUT power«, v katerem sem nastavil napetost 230 V in frekvenco 50 Hz. Po nastavitvi sem nastavi »power output« na

»ON« in pritisnil »SET«.

- S pritiskom na ikono »Harmonics (IEC)« in nato »open standard tests« -> »industry«

-> »IEC« -> »basics« -> »IEC 61000-3-2« se odpre mapa z različnimi izdajami standarda. Izbere se najnovejšo podprto izdajo, zato sem izbral »edition 4« ->

»library 230V/50Hz« -> »Class A«.

- Odpre se okno, v katerem sem nastavil »measure time« na 120 s ter »aplication of limits« na 150 % (ta limita pomeni, koliko maksimalna motnja lahko presega povprečno).

Meritev sem izvedel pri največji obremenitvi, torej način delovanja 1, saj se s tem zagotovi, da je polnilnik skozi celotno meritev maksimalno obremenjen, posledično naj bi pri tem načinu delovanja povzročal največ emisij.

(35)

Rezultati

Pri pregledu rezultatov meritev lahko opazimo, da je pri polnilniku največji problem deveti harmonik, kateri je dosegel kar 90 % dovoljene vrednosti. Ker pa te in vseh ostalih ni prekoračil, je ta test uspešno opravil.

Rezultati harmonskih tokov so prikazani v prilogi 3.

5.4. Nihajne napetosti in utripi

Opis pojava

Priklopi oziroma vklopi naprav povzročijo majhno nihanje napetosti, ki pa lahko povzroči nezaželeno utripanje ali brlenje svetil na enakem omrežju, kot so na primer žarnice ter zasloni.

Te motnje lahko povzročijo iritacijo uporabnika ali pa celo povzročijo hujše probleme kot na primer epileptični napad [45].

Nihajne napetosti in utripe pokriva standard EN 61000-3-3, kateri pa zahteva, da je naprava skladna s sledečimi pogoji:

- Pri priklopu, zagonu ali spremembi stanja, naprava ne sme povzročiti napetostne spremembe večje od 3,3 % za več kot D_t = 500 ms.

- V ustaljenem stanju 𝑑_𝑐 (ang. Steady state) naprava ne sme povzročati napetostne spremembe večje od 3,3 %.

- Največja relativna sprememba napetosti 𝑑_𝑚𝑎𝑥, ki jo naprava sme povzročiti, ne sme presegati 4 %.

Pojavi so tudi grafično prikazani na sliki 17.

(36)

Nihajne napetosti in utripi 35

𝑈(𝑡) − 𝑂𝑠𝑛𝑜𝑣𝑛𝑎 𝑛𝑎𝑝𝑒𝑡𝑜𝑠𝑡 𝑈_𝑛− 𝑆𝑝𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑗𝑒𝑛𝑎 𝑛𝑎𝑝𝑒𝑡𝑜𝑠𝑡

𝑑_𝑐− 𝑁𝑎𝑝𝑒𝑡𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎 𝑠𝑝𝑟𝑒𝑚𝑒𝑚𝑏𝑎 𝑣 𝑢𝑠𝑡𝑎𝑙𝑗𝑒𝑛𝑒𝑚 𝑠𝑡𝑎𝑛𝑗𝑢 𝑑_𝑚𝑎𝑥− 𝑁𝑎𝑗𝑣𝑒č𝑗𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑛𝑎 𝑠𝑝𝑟𝑒𝑚𝑒𝑚𝑏𝑎 𝑛𝑎𝑝𝑒𝑡𝑜𝑠𝑡𝑖 𝑑(𝑡) − 𝐾𝑎𝑟𝑎𝑘𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑘𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑛𝑒 𝑛𝑎𝑝𝑒𝑡𝑜𝑠𝑡𝑛𝑒 𝑠𝑝𝑟𝑒𝑚𝑒𝑚𝑏𝑒

Naprave se delijo v štiri razrede:

- Hišne naprave, polnilniki, pečice, audio oprema in sesalci spadajo v razred A - Ročna orodja in varilni aparati, ki niso za profesionalno uporabo, spadajo v razred B - Luči spadajo v razred C

- Računalniki, televizorji, hladilniki in zamrzovalniki spadajo v razred D Posledično baterijski polnilnik spada v razred A.

Potrebna oprema

- Stabilni napetostni vir - Merilnik nihajnih napetosti

- Računalnik s programsko opremo net.control.

Slika 17: Vizualni prikaz limit

(37)

Standard ne zahteva posebne postavitve, zaželeno pa je, da je vodnik čim krajši, zato sem tega skrajšal. Zaradi dobre prakse sem polnilnik in baterijo postavil na leseni voziček višine 0,8 m in med njima zagotovil 0,1 m razdalje. Polnilnik sem povezal direktno v merilnik nihajnih napetosti, tega pa v računalnik.

Slika 19:Postavitev za nihajne napetosti in utripe Slika 18: Shema postavitve za nihajne napetosti in utripe

(38)

Nihajne napetosti in utripi 37

Izvedba testa

Po postavitvi sem na računalniku zagnal programsko opremo net.control, v kateri sem nastavil sledeče parametre:

- Ob zagonu programa se odpre okno »Setup EUT power«, v katerem sem nastavil napetost 230 V in frekvenco 50 Hz. Po nastavitvi sem nastavil »power output« na

»ON« in pritisnil »SET«.

- S pritiskom na ikono »Harmonics (IEC)« in nato »open standard tests« -> »industry«

-> »IEC« -> »basics« -> »IEC 61000-3-3« se odpre mapa z različnimi edicijami standarda. Izbere se najnovejšo podprto izdajo, zato sem izbral »edition 3« ->

»library 230V/50Hz« -> »Class A«.

- Odpre se okno, v katerem sem nastavil »measure time« na 60 s in »mode« na

»manual«.

Merjenje nihajne napetosti in flikerja se lahko izvaja na tri načine:

- Če ima naprava krajši delovni cikel (manj kot 30 minut), se meritev izvaja samodejno 10 minut.

- Če ima naprava daljši delovni cikel (več kot 30 minut), se meritev izvaja samodejno 120 minut.

- Če naprava nima predvidenega delovnega cikla oziroma se ta samodejno ne vklopi ali izklopi, se test izvaja ročno. Pri tem testu vsako minuto ročno izklopimo in vklopimo napravo in to ponovimo 24 krat.

Ker polnilnik baterij nima nekega samodejnega izklopa, sem izbral ročno izvedbo.

Po zagonu programa ta pozove k vklopu naprave in nato meri 60 sekund. Po končani meritvi je napravo potrebno izklopiti in počakati na nov poziv programa. To sem ponovil 24 krat, pri čem sem meritev izvajal pri največji obremenitvi, torej načinu delovanja 1.

Rezultati

Pri pregledu rezultatov je razvidno, da je bila največja relativna sprememba napetosti veliko manjša od zahtevane limite 4 %, in sicer je bila maksimalna sprememba napetosti samo 0,863 %. Iz tega je razvidno, da polnilnik ne povzroča velikih padcev napetosti in je posledično tudi uspešno opravil test.

Rezultati nihajnih napetosti so prikazani v prilogi 4.

(39)

38 Imunostni testi

6. Imunostni testi

Imunostni testi preverjajo odpornost električnih naprav na prevodne in sevane elektromagnetne pojave. V tem poglavju so prikazani pojavi, zahteve standardov in izvedba imunostnih preskusov, kot so elektrostatična razelektritev, sevana polja, hitri prehodni pojavi, električni udari, vsiljeni tokovi, padci, prekinitve in variacije napetosti.

6.1. Elektrostatična razelektritev

Opis pojava

Statična elektrika je nepredvidljiv pojav, ki predvsem manjšim napravam povzroča veliko problemov. Najpogosteje se pojavi ob drgnjenju primernih materialov (ang.

Tribocharging) ter zaradi elektrostatične indukcije (ang. Electrostatic induction). Potencial statične elektrike preko človeka je po navadi med 1 kV in 10 kV, pri idealnih pogojih pa lahko doseže tudi vrednosti med 20 kV in 25 kV. Na splošno pa je zaradi koronskega razelektrenja (ang. Corona discharge) maksimalni statični potencial omejen na okoli 40 kV [46-47].

Standardni nivoji v napravah lahko povzročijo spremembo stanja, nezaželen priklop ali izklop stikala, trenutno neodzivnost naprave in podobno. Višji nivoji pa so lahko destruktivne narave in lahko povzročijo popolno uničenje naprave.

Elektrostatično razelektritev pokriva standard EN 61000-4-2, kateri zahteva, da so naprave odporne na sledeče nivoje

Kontaktna razelektritev Zračna razelektritev

nivo Testna napetost

(±kV) nivo Testna napetost

(±kV)

1 2 1 2

2 4 2 4

3 6 3 8

4 8 4 15

X Dodatne zahteve X Dodatne zahteve

Tabela 10: Testni nivoji za elektrostatično razelektritev

Pri čem je testni nivo po zahtevah CISPR 14-2 nivo 2 za kontaktno razelektritev in nivo 3 za zračno razelektritev.

(40)

Elektrostatična razelektritev 39

Uspešnost preskusa je odvisna od doseženega razreda:

- Razred A: Na napravi ob in po elektrostatični razelektritvi ni sprememb

- Razred B: Na napravi se ob ali po elektrostatični razelektritvi pojavi opazna sprememba, vendar pa se ta brez posega uporabnika povrne v normalno stanje - Razred C: Na napravi se ob ali po elektrostatični razelektritvi pojavi opazna

sprememba, katero se lahko odpravi z ročnim posegom

- Razred D: Na napravi se ob ali po elektrostatični razelektritvi pojavi opazna sprememba, katere ni mogoče odpraviti

Po standardu CISPR 14-2 je zahtevan razred B, v nekaterih primerih pa proizvajalci želijo višji razred. V primeru baterijskega polnilca je bil zahtevan razred B.

Potrebna oprema

- Pištola za elektrostatično razelektritev - Vertikalna in horizontalna sklopna plošča - Neprevodna plastična folija

- Neprevodna miza višine 0,8 m

- Soba za izvajanje testa, v kateri je možno zagotoviti temperaturo med 15 °C in 35 °C ter vlago med 30 % in 60 %.

Postavitev sem izvedel po zahtevah standarda, torej sem neprevodno mizo postavil 0,8 m od katerekoli druge prevodne ali ozemljene naprave ali površine. Na vrh mize sem postavil horizontalno kovinsko ploščo in to pokril z neprevodno plastično folijo. Vertikalno sklopno ploščo sem postavil na vrh folije 0,1 m od roba mize. Obe sklopni plošči sem ozemljil preko uporovnega vodnika (vsaka plošča ima svoj vodnik). Baterijski polnilnik sem postavil 0,1 m od vertikalne sklopne plošče in roba mize.

(41)

Slika 21: Postavitev za elektrostatične razelektritve Izvedba testa

Glavni test sem izvajal pri načinu delovanja št. 3. Na pištoli za elektrostatično razelektritev sem nastavil kontaktno razelektritev, avtomatsko proženje desetih pulzov z eno

Slika 20: Shema postavitve elektrostatične razelektritve

(42)

Imunost na sevano polje 41

sekundnim premorom ter testni nivo 4 kV. Za kontaktno razelektritev je zahtevana uporaba špičaste konice, zato sem to namestil na pištolo.

V rob vertikalne in horizontalne sklopne plošče sem pri obeh polaritetah izvedel 10 pulzov in nato baterijskemu polnilniku spremenil orientacijo. To se ponovi šestkrat, vsakič v drugačni orientaciji polnilnika. Na koncu sem izvedel še kontaktno razelektritev na kovinske priključke polnilnika.

Po končani direktni razelektritvi je sledila zračna razelektritev. Na pištoli sem nastavil zračno razelektritev, ročno proženje desetih pulzov ter testni nivo 8 kV. Za zračno razelektritev je zahtevana uporaba oglate konice, zato sem to namestil na pištolo. Zračno razelektritev se pri obeh polaritetah izvaja na nekovinskih površinah, torej sem zračno razelektritev izvedel po plastičnem ohišju polnilca, svetilni diodi ter okoli konektorjev.

Izbranim točkam sem se s pištolo čim hitreje približal, vendar se jih nisem dotaknil. V primeru preboja je potrebno napravo ročno razelektriti in preskus na isti točki ponoviti vsaj desetkrat, ker pa do prebojev ni prišlo, mi tega ni bilo potrebno storiti.

Rezultati

Med in po testiranju ni bilo opaznih sprememb, zato je polnilnik dosegel razred A. V končno poročilo je potrebno vstaviti slike naprave ter postavitve, ter na njih označiti lokacije razelektritve. Lokacije se lahko označi z fizičnimi nalepkami, pri čem so rumene nalepke za zračno razelektritev, modre pa za kontaktno razelektritev. Dan danes pa se to izvede digitalno, in sicer lokacije razelektritve na slikah prikažemo z barvnimi puščicami.

Rezultati prevodnih emisij so podani v prilogi 5.

6.2. Imunost na sevano polje

Opis pojava

Zaradi vedno večje uporabe brezžičnih komunikacij so naprave vedno bolj izpostavljene motnjam sevanih polj. Te motnje zavzemajo frekvenčna območja nad 30 MHz in njihova prisotnost lahko oteži ali onemogoči komunikacijo bližnjih naprav ter inducira napetost na bližnje vodnike in prevodne elemente naprav, kar lahko posledično povzroči nepravilno delovanje naprave, pregrevanje ter skrajšanje življenjske dobe [48].

(43)

Imunost na sevano polje pokriva standard EN 61000-4-3, ki pa zahteva, da so naprave odporne na sledeče nivoje

nivo Moč polja

V/m

1 1

2 3

3 10

4 30

X Posebne zahteve

Tabela 11: Nivoji sevanega polja Pri čem se nivo izbere po sledečem kriteriju

- V nivo 1 spadajo naprave, ki bodo obratovale v okolju z majhno količino elektromagnetnega sevanja. To je tipičen raven, kjer se radio/televizijske postaje nahajajo na razdalji več kot 1 km.

- V nivo 2 spadajo naprave, ki bodo obratovale v okolju z zmerno količino elektromagnetnega sevanja. To je tipično komercialno okolje.

- V nivo 3 spadajo naprave, ki bodo obratovale v okolju z veliko količino elektromagnetnega sevanja. To je tipično industrijsko okolje

- V nivo 4 spadajo naprave, ki bodo obratovale v bližini močnih oddajnikov ter druge moteče opreme, ki bo v bližini 1 m.

- Nivo X je za posebne zahteve proizvajalca Po standardu baterijski polnilnik spada v nivo 2.

Standard pokriva izvajanje testa v frekvenčnem območju od 0 Hz do 40 GHz, za gospodinjske naprave pa predpisuje testno območje od 80 MHz do 1 GHz, zato se v tem območju testira tudi baterijski polnilnik.

Edini pogoj za uspešen test je, da naprava med in po testu deluje enako kot pred njim.

(44)

Imunost na sevano polje 43

Potrebna oprema

- Pol odbojna soba z vrtljivo ploščadjo - 16 feritnih vozičkov

- 8 talnih absorberjev - Log-periodična antena

- Neprevodna miza višine 0,8 m - Generator radio frekvenčnih motenj

Postavitev sem izvedel po zahtevah standarda, torej sem polnilnik in baterijo postavil na neprevodno mizo tako, da je med njima bila razdalja 1 m. Pri postavitvi sem izpostavil 1 m napajalnega vodnika kot tudi povezovalnega vodnika. Med mizo in anteno sem 0,5 m od mize postavil feritne vozičke v formacijo 4 x 4 in na njih postavil talne absorberje. Anteno sem postavil 3 m od mize ter jo dvignil na višino 1,55 m.

Slika 22: Shema postavitve za imunost na sevano polje

(45)

Slika 23: Postavitev za imunost na sevano polje Izvedba testa

- V orodni vrstici se s pritiskom na gumb »Device list...« odpre okno, v katerem sem izbral uporabljen sprejemnik elektromagnetnih motenj (ESU8), vrtljivo ploščad ter anteno (HL562E).

- Na levem robu glavne strani se s klikom na »all files« -> »hardware setups« -> »EMI radiated« -> »RE_30M-1G« odpre okno, v katerem se vidi izbrana oprema ter njene nastavitve.

- Na levem robu glavne strani se s klikom na »test templates« -> »EMS scan« ->

»commercial« -> »antena HL562E« odprejo v naprej pripravljeni standardi. Z desnim klikom na datoteko »0.08-1GHz_3VM_HL562E_2.5m_155cm« se odpre okno z nastavitvami, v katerem sem izbral prej nastavljen »hardware setup«, nastavil frekvenčno območje (start 80 MHz, stop 1 GHz), moč polja 3 V/m, modulacijo 1 kHz, 80 % ter čas trajanja na posamezni frekvenci na 1 s.

- Test se zažene z desnim klikom na prej izbrani test in izbiro »New test direct«.

Za celoten test je sevanem polju potrebno izpostaviti vse stranice naprave, posledično je to 6 meritev, zato sem po vsaki meritvi spremenil orientacijo polnilnika.

Med testiranjem sem preko voltmetra spremljal napetost med polnilnikom ter baterijo, saj se ta zaradi sevanega polja ne sme spremeniti za več kot 5 %.

(46)

Odpornost na hitre prehodne pojave 45

Rezultati

Kriterij, po katerem se oceni uspešnost naprave, je sledeč:

- Razred A: Naprava med in po testu deluje skladno z zahtevami proizvajalca

- Razred B: Momentana prekinitev ali poslabšanje funkcionalnosti naprave med testom. Po končanem testu si naprava samodejno opomore in povrne v normalno stanje

- Razred C: Trenutna prekinitev ali poslabšanje funkcionalnosti naprave med testom.

Po končanem testu je napravo potrebno ročno povrniti v normalno stanje

- Razred D: Trenutna prekinitev ali poslabšanje funkcionalnosti naprave med testom, katere ni mogoče odpraviti

Ker na napravi ni bilo vidnih sprememb, je ta uspešno opravila test in spada v razred A.

Rezultati imunosti na sevano polje so podani v prilogi 6.

6.3. Odpornost na hitre prehodne pojave

Opis pojava

Hitri prehodni pojavi ali snopi pulzov so serija hitrih visokofrekvenčnih (od 5 kHz do 100 kHz) pulzov, katerih povzročitelj je iskrenje ob preklopu fizičnega stikala, pri motornih ščetkah, varilnih aparatih ter izklopu električne naprave. Ti pulzi lahko dosežejo amplitude do 4 kV in na istem omrežju neposredno aplicirajo motnje preko napajalnih vodnikov ter kapacitivno preko signalnih, kontrolnih in ozemljitvenih vodnikov. Te motnje lahko posledično motijo ali preprečujejo komunikacije naprav, trenutno prekinejo oziroma zmanjšajo napajanje, zmotijo oziroma sprožijo stikala in podobno [49].

(47)

Odpornost na hitre prehodne pojave pokriva standard EN 61000-4-4, kateri zahteva, da so naprave odporne na sledeče nivoje

nivo

Napajalni vodnik, zemlja (PE) Signalni in kontrolni priključki Napetost

(kV)

Frekvenca (kHz)

Napetost (kV)

Frekvenca (kHz)

1 0,5 5 ali 100 0,25 5 ali 100

2 1 5 ali 100 0,5 5 ali 100

3 2 5 ali 100 1 5 ali 100

4 4 5 ali 100 2 5 ali 100

X Dodatne

zahteve

Dodatne zahteve

Dodatne zahteve Tabela 12: Nivoji hitrih prehodnih pojavov

Nivo se izbere po sledečem kriteriju:

- Nivo 1 – dobro zaščiteno delovno okolje:

o Dobro filtriranje hitrih prehodnih pojavov v napajalnih in kontrolnih vezjih naprav na enakem omrežju

o Ločitev med napajalnimi, kontrolnimi ter komunikacijskimi vodniki o Oklopljeni napajalni vodniki

o Tipičen primer takega okolja je računalniška soba - Nivo 2 – zaščiteno delovno okolje:

o Delno filtriranje hitrih prehodnih pojavov v napajalnih in kontrolnih vezjih naprav na enakem omrežju

o Slaba ločitev med napajalnimi in kontrolnimi vezji

o Fizična ločitev neoklopljenih napajalnih vodnikov od signalnih in komunikacijskih

o Tipičen primer takega okolja je industrijska kontrolna soba - Nivo 3 – tipično industrijsko okolje:

o Ni filtriranja hitrih prehodnih pojavov v napajalnih in kontrolnih vezjih naprav na enakem omrežju

o Slaba ločitev med napajalnimi in kontrolnimi vezji

o Slaba ločitev med napajalnimi, signalnimi in komunikacijskimi vodniki o Tipičen primer takega okolja je industrijska tovarna

(48)

Odpornost na hitre prehodne pojave 47

- Nivo 4 – zahtevno industrijsko okolje:

o Ni filtriranja hitrih prehodnih pojavov v napajalnih in kontrolnih vezjih naprav na enakem omrežju

o Ni ločitve med napajalnimi in kontrolnimi vezji

o Ni ločitve med napajalnimi, kontrolnimi ter komunikacijskimi vodniki o Pogosta uporaba večžilnih komunikacijskih ter signalnih vodnikov

- Nivo X – dodatne zahteve proizvajalca

Poleg zgornjega kriterija pa standard predpostavlja nivo 2 za glavne napajalne vodnike, ter nivo 1 za pomožne napajalne vodnike ter signalne priključke. Standard prav tako za polnilkine baterij predpostavlja uporabo frekvence 5 kHz.

Potrebna oprema

- Generator hitrih prehodnih pojavov

- Neprevodna podlaga višine vsaj 0,1 m (lesena pručka)

- Računalnik s programsko opremo IEC.control (za izvedbo ni nujno, ampak zelo olajša in pohitri delo)

Postavitev sem izvedel po zahtevah standarda, torej sem polnilnik in baterijo postavil na leseno pručko tako, da sta bila medsebojno oddaljena 0,5 m. Pručko sem postavil tako, da sem zagotovil oddaljenost polnilca 0,5 m od generatorja hitrih prehodnih pojavov in 1 m od sten. Zaradi oddaljenosti 0,5 m od generatorja sem polnilniku tudi skrajšal kabel.

Slika 24: Shema postavitve za odpornost na hitre prehodne pojave