ELIO FREITAS MAGNUS DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA DE BAIXO CUSTO

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1 ELIO FREITAS MAGNUS DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA DE BAIXO CUSTO PORTO ALEGRE 2001

2 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA DE BAIXO CUSTO Dissertação submetida à Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. ELIO FREITAS MAGNUS Porto Alegre, dezembro de

3 DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA DE BAIXO CUSTO ELIO FREITAS MAGNUS Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica, Area de concentração em Eletrônica de Potência, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Fernando Soares dos Reis, Dr.Eng. 3

4 Resumo da Dissertação apresentada à PUCRS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ENSAIOS DE EMI CONDUZIDA DE BAIXO CUSTO Elio Freitas Magnus Dezembro / 2001 Orientador: Fernando Soares dos Reis, Doutor. Área de Concentração: Eletrônica de Potência. Palavras-chave: EMC, EMI, Número de Páginas: 101. RESUMO: Este trabalho apresenta uma ferramenta de baixo custo para realização de ensaios de EMI Conduzida destinada a pré-conformidade. Tal ferramenta foi desenvolvida para ser executada em um microcomputador, onde os instrumentos de medição são simulados de acordo com as especificações da Norma IEC CISPR O princípio de funcionamento do sistema para o ensaio de EMI Conduzida, baseado na Norma CISPR 16-2, com a ferramenta proposta, consiste na aquisição e processamento de uma amostra da corrente de entrada do equipamento em ensaio utilizando uma ponteira de corrente e um osciloscópio digital que possua um meio de transferência de dados. Os dados da amostra da corrente, adquiridos com o auxílio da ponteira e o osciloscópio, são levados para a ferramenta de simulação. Os resultados fornecidos pela ferramenta são os valores da interferência em db/µv para a faixa de freqüência escolhida, validados com auxílio de uma Rede Artificial, cuja construção foi detalhada. A ferramenta proposta permite ainda simular a corrente de entrada para os conversores (Elevador, Redutor, Zeta, Sepic e Redutor-elevador), operando como pré-reguladores de fator de potência, possibilitando determinar a EMI conduzida antes de construir um protótipo, contribuindo para a redução do tempo de desenvolvimento e o custo de um produto, além de seu caráter didático. 4

5 Abstract of Dissertation presented to PUCRS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. DEVELOPMENT OF THE LOW COST TOOL FOR CONDUCTED EMI TEST Elio Freitas Magnus December / 2001 Advisor: Fernando Soares dos Reis, Doctor. Area of Concentration: Power Electronic. Keywords: EMC, EMI. Number of Pages: 101. ABSTRACT: This work present a tool of low cost for EMI Conducted tests destined to precompliance. Such tool was developed to run under a microcomputer, where the measurement instruments are simulated in accordance with the specifications of the CISPR 16-1 standard.. The operation principle of the system for EMI Conducted test, based in the CISPR 16-2 standard, with the proposed tool, consist in the acquisition and processing of an input current sample of the equipment under test using a current probe and a digital scope that has a path of data transference. The data of current sample obtained with the current probe and the oscilloscope are carried to the simulation tool. The results determined by the tool are the values of the interference in db/µv for selected frequency band, it was validated with an Artificial Network, which construction was detailed. A proposed tool allows also to simulate the input current for the converters (Boost, Buck, Zeta, Sepic, and Buck-Boost) operating as a basic power factor pre-regulator, possibilitying to determinate the Conducted EMI before building a prototype, it contribute to reduce the time and cost of the product development, besides the didactic feature. 5

6 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA INTRODUÇÃO ASPECTOS GERAIS HISTÓRICO DA EMI A MARCAÇÃO CE CERTIFICAÇÃO A NORMALIZAÇÃO ÓRGÃOS REGULAMENTADORES DEFINIÇÕES Termos básicos Termos combinados Termos interrelacionados Relação entre nível de emissão e imunidade INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS SUSCEPTIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA A EMC E A ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PRINCIPAIS NORMAS SOBRE EMC Limites para EMI estabelecidos nas principais normas RESUMO ENSAIOS INTRODUÇÃO OS EQUIPAMENTOS DE MEDIDA Receptor para medição de quase-pico Rede Artificial Microcomputador Instrumentos auxiliares importantes Dispositivos auxiliares CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENSAIO PARA MEDIÇÃO DE EMISSÕES CONDUZIDAS

7 3.4 DISPOSIÇÃO DO EQUIPAMENTO EM ENSAIO VALIDAÇÃO E EXECUÇÃO RESUMO FERRAMENTA ALTERNATIVA PARA ENSAIO DE EMI CONDUZIDA INTRODUÇÃO A SIMULAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO Circuito e modelo da Rede Artificial Receptor de EMI MEIOS PARA OBTER OS DADOS PARA SIMULAÇÃO Os dados para simulação Ensaio para aquisição de dados reais da corrente em um equipamento Dados obtidos através de simulação O FUNCIONAMENTO DO SOFTWARE RESUMO COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DA FERRAMENTA PROPOSTA INTRODUÇÃO LEVANTAMENTO DA INTERFERÊNCIA BÁSICA DO LOCAL DE ENSAIO COMPARAÇÃO DE RESULTADOS DE UM SINAL CONHECIDO COMPROVAÇÃO ATRAVÉS DE ENSAIO DE UM CONVERSOR ELEVADOR Ensaio no Laboratório Ensaio utilizando a ferramenta proposta Simulação do Conversor Elevador através da ferramenta proposta Comparação entre os resultados obtidos CONSTRUÇÃO DE UMA REDE ARTIFICIAL A construção do indutor O gabinete A validação da Rede Artificial RESUMO CONCLUSÕES DO TRABALHO INTRODUÇÃO AS NORMAS A FERRAMENTA PROPOSTA

8 6.4 LIMITAÇÕES SUGESTÕES PARA OUTROS TRABALHOS Susceptibilidade Analisador de espectro de baixo custo REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Ciclo de desenvolvimento típico de um produto Figura 2 Módulos básicos do software Figura 3 Categorias básicas da EMC Figura 4 - Compatibilidade entre dois micro computadores Figura 5 A marcação CE Figura 6 Marcas de conformidade Figura 7 Faixas de cobertura regulamentadas para EMI irradiada Figura 8 Faixas de cobertura regulamentadas para EMI conduzida Figura 10 Nível de compatibilidade Figura 12 Limites para as interferências conduzidas pela VDE Figura 13 Limites para as interferências conduzidas pela FCC Figura 14 Limites da NBR IEC CISPR 11 para EMI conduzida Figura 15 Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de alimentação Figura 16 Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de carga Figura 17 Limites da IEC CISPR 22 para a EMI conduzida Figura 18 Esquema de uma Rede Artificial Figura 19 Circuito equivalente de um indutor Figura 23 Esquema da Rede Artificial sem filtro Figura 24 Esquema da rede com simplificação dos capacitores Figura 25 Rede Artificial com um lado apenas Figura 26 Rede Artificial simplificada Figura 27 Circuito equivalente da Rede Artificial Figura 28 Forma de onda didática da corrente de entrada de um equipamento Figura 29 Representação de um sinal nos domínios do tempo e freqüência Figura 33 Resposta de um indicador de quase-pico Figura 34 Conversor Elevador Figura 35 Etapas da corrente em um período de alta freqüência Figura 36- Conversor Redutor Figura 37 Conversor Zeta Figura 38 Conversor Sepic Figura 39 Conversor Redutor-elevador Figura 41 Tela de confirmação de configuração

10 Figura 43 Tela gráfica com o resultado da EMI Conduzida Figura 44 Analisador de Espectro para ensaios de EMC Figura 45 Validação do ambiente de ensaio Figura 48 Conversor elevador e ponteira de corrente Figura 52 Detalhe da montagem do indutor L Figura 53 Esquema de colocação dos resistores no indutor Figura 54 Detalhe da colocação dos resistores Figura 55 Gabinete sugerido pela Norma Figura 56 Rede Artificial montada em gabinete de microcomputador Figura 57 Impedância da Rede Artificial de acordo com a Norma Figura 58 Esquema de montagem da validação da Rede Artificial Figura 59 Comprovação da Rede Artificial construída

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Especificação para o filtro da tensão interferente Tabela 2 Órgãos regulamentadores Tabela 3 Exemplos de aplicações de conversores de potência Tabela 4 Faixas de freqüências Tabela 5 Especificações do receptor de quase-pico pela IEC CISPR Tabela 6 Padronização de cores para isolação de condutores em equipamentos Tabela 7 Comparação entre Analisador de Espectro e a Ferramenta proposta Tabela 8 EMI Real e obtida por simulação para Conversor Elevador Tabela 9 Lista de componentes para a Rede Artificial

12 LISTA DE NORMAS IEC Aplicação e interpretação de termos e definições consideradas básicos para a EMC. IEC Recomendações para a emissão de equipamentos elétricos e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais, comerciais e indústrias de pequeno porte. IEC Ensaios e técnicas de medição - harmônicos e interharmônicos. IEC Distúrbios em sistemas elétricos causados por equipamentos eletrodomésticos e similares (Harmônicos). IEC Harmônicos de corrente. IEC Flutuações de tensão e flicker. NBR CISPR 11 Norma brasileira harmonizada com a norma CISPR 11 Equipamentos eletromédicos. IEC CISPR 12 Veículos, barcos e equipamentos que utilizam faíscas como meio ignição. IEC CISPR 13 Equipamentos de som, televisores e receptores de rádio. IEC CISPR 14 Ferramentas elétricas operados a motor utilizadas em ambiente doméstico. IEC CISPR 15 Dispositivos utilizados em iluminação e similares. IEC CISPR 16-1 Métodos e especificação de equipamentos para medição de perturbações radioelétricas e imunidade Parte 1 Equipamentos de medição. IEC CISPR 16-2 Métodos e especificação de equipamentos para medição de perturbações radioelétricas e imunidade Parte 2 Métodos de medição. ANSI C63.12 Limites para Compatibilidade Eletromagnética Recomendação Prática. NBR Limites e métodos de medição de radioperturbação em equipamento para tecnologia da informação. VDE 0871 Métodos de medidas e limites máximos para EMI geradas por equipamentos industriais, científicos e eletromédicos. 12

13 1 INTRODUÇÃO Em função de um jogo da final do campeonato de futebol, você está confortavelmente sentado em frente ao televisor; seu time está no ataque quando alguém liga um liqüidificador antigo e imediatamente aparece um ruído no som e uma faixa de chuvisco exatamente sobre o atacante. Certamente a sua reação seria similar a de uma pessoa assistindo o último capítulo da novela preferida e um vizinho aciona uma furadeira. Estes fatos apresentados, identificados como chuviscos, distorção da imagem ou perda de cor são degradações ocorridas por interferência eletromagnética (EMI). A nível de radio freqüência (RF), a coexistência de todos os tipos de telecomunicações, que utilizam o espectro eletromagnético para transportar informações, criou um problema conhecido como compatibilidade eletromagnética (EMC), por exemplo uma emissora interferindo em outra através de harmônicos. A solução deste problema está num compromisso, onde os serviços de telecomunicações devem permitir um certo grau de interferência, mas as emissões interferentes não podem passar a um certo nível, envolvendo medidas para limitar ou suprimir a energia interferente. O compromisso apresentado como solução do problema, possui uma limitação bastante significativa, a limitação econômica. Utilizando-se um transmissor com um baixo nível de interferência seria possível transmitir um sinal com menor potência, pois com pouca interferência um sinal pode ser mais facilmente identificado, no entanto o problema está no custo da supressão da interferência, que é muito alto. Alternativamente, o que é feito é utilizar um transmissor de alta potência, que causa o uso ineficiente do espectro eletromagnético, mas com um baixo custo de supressão de interferências. Esta solução alternativa resolve o problema de quem está transmitindo, mas causa um enorme problema aos outros sistemas que compartilham do mesmo espectro eletromagnético. Isso deu origem a necessidade de encontrar uma ponderação entre um nível de interferência tolerável e um custo praticável, através de um balanço econômico. O balanço econômico foi estudado e testado nas últimas décadas por comissões, como o Comitê Internacional Especialista em Perturbações Radioelétricas (CISPR), dando origem a várias normas que estabelecem níveis toleráveis de EMI. 13

14 Os serviços de telecomunicações não são os únicos que convivem com os problemas da EMC. Os equipamentos eletrônicos de todos os tipos são susceptíveis às interferências externas. Este fenômeno cresce cada vez mais, tanto pela invasão de produtos eletrônicos na vida diária, como pela diminuição da imunidade dos equipamentos modernos que utilizam gabinetes plásticos e microprocessadores. Quanto aos aparelhos eletrônicos, além de susceptíveis, também são potenciais geradores de EMI, principalmente EMI conduzida, cujo meio de propagação é através da rede elétrica. Com a necessidade de medidas regulamentares para proteger e assegurar a EMC dos equipamentos, alguns governos impuseram medidas restritivas às propriedades eletromagnéticas de alguns tipos de produtos. Estas medidas foram vistas como métodos de protecionismo, além de utilizarem técnicas inadequadas e permitirem que diferentes normas fossem aplicadas aos produtos importados. A Comunidade Européia deu o primeiro passo para o reconhecimento da necessidade de medidas relativas a EMC e ao mesmo tempo eliminar as barreiras protecionistas para o comércio, adotando em 1989, uma diretiva para harmonizar as leis dos estados membros com relação a EMC, através da Comissão Européia para a Compatibilidade Eletromagnética [1]. Como conseqüência, o Comitê Europeu para Normalização Eletrotécnica (CENELEC) foi encarregado de produzir novas normas num período de dois anos, enquanto o processo normal para gerar uma norma internacional leva no mínimo 5 anos. Existem países que possuem suas próprias normas ou diretivas, como por exemplo a Alemanha com as norma da União Eletrotécnica Alemã (VDE), os Estados Unidos com as regras da Comissão Federal de Comunicações (FCC), na Comunidade Européia as normas da CENELEC e no Brasil as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). No âmbito internacional temos as normas da Comissão Eletrotécnica Internacional (CEI), que são normas harmonizadas com base nas normas CISPR. Uma norma está harmonizada quando os limites exigidos para a conformidade e os métodos de ensaios descritos são os mesmos estabelecidos por uma norma reconhecida internacionalmente, com exceção apenas dos itens referentes a limites que são influenciados pelas condições climáticas de uma determinada região. Quando uma norma harmonizada é utilizada, os resultados obtidos são reconhecidos por todos os países. Uma norma harmonizada é facilmente identificada, pois mantém o nome da 14

15 norma original, acrescido da sigla do órgão que a harmonizou. Como exemplo, podemos citar a norma internacional IEC CISPR 16 [6,7], que foi harmonizada a partir da norma CISPR 16 e ainda a norma brasileira NBR IEC 601-1, que foi harmonizada a partir da norma internacional IEC [8]. Até este ponto foram tratados dos problemas e soluções de equipamentos ou sistemas dando enfoque pelo lado dos usuários. O fabricante também tem problemas quando seu produto precisa atender às exigências de uma norma ou diretiva no que se refere a EMC, além disso os instrumentos necessários para executar os ensaios são de alto custo e existem poucos laboratórios capacitados. Tudo isso eleva o custo do produto, pois o fabricante terá que repetir os ensaios sempre que alterar o projeto para atender a Norma específica, até que o produto esteja de dentro dos limites exigidos. As etapas ou ciclos de desenvolvimento de um produto são inúmeras, desde o projeto inicial até a colocação no mercado, Figura 1. Poder avaliar o desempenho do produto ainda na fase de projeto, sob o ponto de vista da EMI, pode levar o projetista a economizar muito tempo, levando-se em conta que atualmente se ele quiser saber se o produto atende a uma determinada norma técnica ou diretiva, terá que construir um protótipo e realizar ensaios em um laboratório capacitado. Se o produto não atende aos limites impostos pela norma, o projetista terá que retornar ao projeto, revisar e corrigir para depois retornar ao laboratório. Por outro lado, no ensaio de adequação de um equipamento, para que atenda à norma correspondente, se o equipamento for reprovado o problema será mais grave ainda, pois provavelmente o fabricante terá que alterar a linha de montagem de seu produto. E ainda o custo dos ensaios em um laboratório credenciado é muito alto, e será cobrado a cada ensaio. No atual momento os fabricantes brasileiros estão enfrentando uma barreira técnica imposta pela Argentina, cujo principal objetivo, além do comercial, é impedir a entrada de produtos estrangeiros de baixa qualidade, provenientes principalmente da Ásia. Assim os fabricantes que queiram exportar seus produtos para a Argentina, devem possuir certificação, isto é, seus produtos devem atender às exigências das normas técnicas internacionais pertinentes ( Norma Mercosul ou IEC). Desta forma os fabricantes brasileiros estão passando pelo mesmo problema que os fabricantes europeus enfrentaram na década passada, o problema das barreiras técnicas, contando com apenas um laboratório capacitado para realizar ensaios relativos a EMC, com reconhecimento junto a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios 15

16 (RBLE), O Laboratório CIENTEC, localizado em Gravataí, cidade localizada na região metropolitana de Porto Alegre, no Estado do Rio Grande do Sul. CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE UM PRODUTO Pesquisa inicial Projeto na prancheta Protótipo no Laboratório Início da produção Produção comercial Sim Sim Sim Sim Viável Passa Passa Passa Passa Sim Não Não Não Não Não Reprojetar Reprojetar Reprojetar Reprojetar Figura 1 Ciclo de desenvolvimento típico de um produto. O custo de montagem de um laboratório para ensaios de EMC é muito alto, inviável para a maioria dos fabricantes de produtos eletrônicos. Desta forma, o ideal seria dispor de um meio de fazer uma pré-análise do produto, a um baixo custo, para verificar se o produto atende ou não a uma determinada Norma. Assim, o produto só seria levado ao laboratório para a realização dos ensaios finais para certificação, após a adequação, se este estiver fora dos limites exigidos pela norma pertinente. O presente trabalho tem como objetivo apresentar uma ferramenta computacional amigável para determinação da EMI conduzida de modo diferencial, executada em ambiente PC, com algoritmo otimizado, com tempo de execução relativamente pequeno se levarmos em conta os cálculos envolvidos, capaz de analisar o nível de interferência gerado por um determinado produto antes que este seja enviado a um laboratório credenciado, útil tanto na indústria como na pesquisa, implicando na economia de tempo e dinheiro, para novos projetos, aperfeiçoamento e busca de qualidade. Está ferramenta é capaz de capturar dados obtidos através de osciloscópio digital ou processar dados obtidos em simulações executados pelo próprio programa, fornecendo uma saída gráfica dos resultados obtidos, ou seja dos níveis de EMI 16

17 conduzida, (em db/µv), segundo a norma internacional IEC CISPR 16 [6]. O resultado obtido é equivalente ao de um ensaio de EMI Conduzida, considerando que esse resultado será indicativo e associado a ele teremos um grau de incerteza. Para um melhor entendimento da lógica de funcionamento, a ferramenta computacional será apresentada em módulos básicos, cujo esquema está apresentado na Figura 2 e que representam etapas bem definidas na execução do programa. INICIALIZAÇÃO AQUISIÇÃO DE DADOS EXTERNOS SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS PRÉ-REGULADORES DE FATOR DE POTÊNCIA CÁLCULO DOS COEFICIENTES DE FOURIER CÁLCULO DA TENSÃO INTERFERENTE SIMULAÇÃO DO EQUIPAMENTO DE MEDIÇÃO (RECEPTOR DE EMI) Figura 2 Módulos básicos do software. Os módulos básicos são: a) Aquisição de dados etapa onde os dados da forma de onda da corrente de entrada de um equipamento são adquiridos com o auxílio de uma ponteira de corrente e um osciloscópio digital, sendo armazenados em um vetor de pontos; b) Cálculo dos coeficientes de Fourier nesta etapa são calculados os coeficientes An e Bn da corrente de entrada, a partir do vetor que contém os dados adquiridos. Os coeficientes são obtidos através do método numérico da Transformada Rápida de Fourier (FFT) e armazenados em dois outros vetores; c) Cálculo da tensão interferente neste bloco os coeficientes de Fourier da corrente de entrada são utilizados para a determinação da tensão interferente que esta 17

18 corrente irá gerar na Rede Artificial. Esta tensão sofre a ação de um filtro com largura de banda também especificada pela norma CISPR 16-1, cujos valores estão indicados na Tabela 1. A tensão interferente é obtida aplicando-se a Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT) nos coeficientes filtrados; BANDAS DO ESPECTRO A B C e D FREQÜÊNCIA INICIAL 9 khz 0,15 MHz 30 MHz FREQÜÊNCIA FINAL 150kHz 30 MHz 1 GHz LARGURA DE BANDA 220 Hz 9 khz 120 khz Tabela 1 Especificação para o filtro da tensão interferente. d) Simulação do equipamento medição (Receptor de EMI) nesta etapa, a tensão interferente é aplicada em uma rotina que simula um circuito demodulador, cuja função é extrair a envoltória da tensão interferente para uma determinada freqüência. Após esta etapa, a tensão demodulada é aplicada nas rotinas que simulam os circuitos detector e indicador do valor da interferência em db/µv; e) Simulação de circuitos pré-reguladores de fator de potência (PFP) esta parte do programa tem como função simular algumas topologias clássicas de conversores operando como PFP [5]. A simulação dos conversores: Redutor, Elevador, Sepic e Zeta, [5], foi incorporada ao programa para possibilitar o estudo de seus comportamentos frente a EMI conduzida, antes da construção de um protótipo. Esta rotina possibilita variar alguns parâmetros do conversor, conforme a necessidade do projeto a ser desenvolvido e fornecendo os coeficientes de Fourier, que serão necessários para a simulação da EMI conduzida pela rotina principal. Além da ferramenta computacional, que é o tópico principal deste trabalho, também são ressaltados aspectos importantes da EMC, como histórico, definições, as principais normas pertinentes, os itens que estão ligados ao trabalho e ainda a origem da marcação CE. Serão mostrados procedimentos de ensaio, de acordo com a norma internacional IEC CISPR 16-1[6], bem como a execução prática de um ensaio de EMI conduzida em um laboratório com a descrição dos principais equipamentos envolvidos. Entre as amostras ensaiadas no laboratório estão conversores que são simulados no programa como circuitos Pré-reguladores de Fator de Potência (PFP s), utilizando a 18

19 mesma configuração, isto é, com a mesma tensão de entrada, mesma potência e mesma freqüência de operação do conversor. Ao final os resultados práticos são confrontados com os resultados obtidos com o programa desenvolvido e também com resultados de ensaios realizados em laboratório, utilizando equipamentos especificados pelo critérios da Norma CISPR 16-1, comprovando a validade da ferramenta proposta para a realização de ensaios de pré-análise para conformidade de um produto. 19

20 2 COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA. 2.1 Introdução. Para melhor situar o objetivo deste trabalho dentro do universo científico e tecnológico, este capítulo apresenta pontos relevantes da EMC, um breve histórico da EMI, a certificação de produtos, aspectos da normalização, a marcação CE, marcas de conformidade, termos básicos, definições e ainda, na Figura 3 está um organograma que mostra o resumo das categorias básicas da EMC, ressaltando a emissão conduzida como ponto principal deste trabalho. Estes pontos são expostos de forma objetiva e sintetizada, procurando facilitar a interação com o assunto tratado, dando enfoque a EMI conduzida e concluindo com as principais Normas envolvidas, além dos limites de interferência exigidos pelas Normas mais expressivas em vigor no momento. COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA EMISSÃO SUSCEPTIBILIDADE CONDUZIDA IRRADIADA CONDUZIDA ELETROSTÁTICA IRRADIADA HARMÔNICOS FLUTUAÇOES DE TENSÃO RADIO-INTEFERÊNCIA Figura 3 Categorias básicas da EMC. 2.2 Aspectos gerais Em um ambiente doméstico, quando um eletrodoméstico interfere em outro, como uma batedeira gerando chuvisco no televisor ou o mau contato em um interruptor provocando interferência no rádio, temos exemplos bastante comuns de EMC. Por 20

21 definição [2], a EMC é a característica que equipamentos, dispositivos ou sistemas possuem de não interferirem ou serem interferidos, quando localizados em um determinado ambiente. Um ambiente pode ser um equipamento, uma sala, uma fábrica, uma região ou território. Na Figura 4 está um exemplo de compatibilidade entre dois microcomputadores, onde estão indicadas tanto a interferência conduzida que pode haver através do cabo de alimentação como a interferência irradiada que pode se propagar por ondas eletromagnéticas. Quando há um problema de EMC em um ambiente, caracterizado pela degradação no funcionamento de um equipamento, dizemos que o equipamento está sendo interferido, ou está sob a ação de uma EMI. Podemos com toda certeza dizer que um ou mais de um equipamentos neste ambiente, não atende aos requisitos apresentados pelas normas pertinentes em relação a EMI. A EMI é um problema sério e uma forma crescente de poluição ambiental. Seus efeitos podem ser pequenos, como um ruído perturbador em um receptor de rádio, citado no início do capítulo, ou como um risco de acidente com uma aeronave ao ser interferida quando em procedimento de aterrissagem, ou ainda o risco de falha de equipamentos de sustentação de vida que mantém um paciente vivo durante uma cirurgia. Emissão Imunidade Interferência Irradiada Interferência Conduzida Figura 4 - Compatibilidade entre dois micro computadores. 21

22 2.3 Histórico da EMI. A origem da EMI [14] está ligada ao final da Segunda guerra mundial, mais precisamente nas explosões das duas bombas nucleares no Japão. Após as explosões as comunicações de rádio nas regiões próximas ficaram interrompidas por várias horas devido a EMI. Até então, este efeito não havia sido observado em uma escala tão grande. Alguns anos depois, fabricantes de equipamentos eletro-eletrônicos e cientistas trabalharam na pesquisa dos efeitos da EMI no funcionamento de equipamentos de natureza elétrica. Eles descobriram que a EMI pode afetar o funcionamento de equipamentos eletro-eletrônicos, dependendo apenas da intensidade da interferência e da imunidade do aparelho a ela. Em 1970, devido a necessidade da criação de um órgão fiscalizador que controla-se as emissões eletromagnéticas, surgiu a FCC nos Estados Unidos, sendo um dos primeiros órgãos criado com esse objetivo. Em 1971 e 1972, no auge da guerra do Vietnã, os Estados Unidos montaram potentes transmissores de rádio, cujo sinal modulado era apenas ruído, com a finalidade de impedir a comunicação do inimigo via transmissões de rádio. No início da década de 1980, o ônibus espacial Colúmbia entrava em órbita para instalar um satélite de comunicação, que em caso de guerra, bombardearão o território inimigo com EMI, impedindo as suas comunicações. Em 1989, a Comunidade Européia (CE) deu o primeiro passo para o reconhecimento da necessidade de medidas relativas a EMC, adotando, uma diretiva para harmonizar as leis dos estados membros com relação a EMC, através da Comissão Européia [1]. Em 1994, a União Européia (UE) e a Associação Européia de Livre Comércio (AELC) juntaram-se para criar a Área Econômica Européia (AEE) A UE efetiva em janeiro de 1996, o uso da marcação CE, para a livre comercialização de produtos nos países que integram a Área Econômica Européia. O objetivo da implantação de tal marcação, que deve ser estampada nos produtos, foi qualificar e identificar produtos que atendam as exigências das normas ou diretivas quanto emissão e imunidade eletromagnética além dos requisitos essenciais para a segurança dos usuários [3]. Em 2000, o INMETRO implantou no Brasil um cronograma de certificações compulsórias [3] para garantir a segurança dos produtos comercializados no país. 22

23 2.4 A marcação CE. É importante inicialmente ressaltar que a marcação CE é apenas um símbolo e não deve ser associada a nenhuma sigla, mesmo que na sua origem francesa signifique Comunidade Européia. A marcação CE estampada em um produto indica que o fabricante declarou publicamente que está atendendo as normas ou diretivas pertinentes. Ao fazer isto, o fabricante está responsabilizando-se a responder judicialmente quando esta declaração não for verdadeira, isto é, quando o seu produto não atender ao que foi declarado. Em outras palavras, a marcação CE representa o antigo Fio de bigode. A marcação CE está apresentada na Figura 5. Quando um produto possui a marcação CE, as autoridades competentes dos países membros da AEE assumem que todos os requisitos essenciais das normas ou diretivas aplicáveis foram atendidos. Caso tenha sido publicada uma diretiva ou norma aplicável ao produto e este não apresentar a marcação CE, sua comercialização é interditada. Figura 5 A marcação CE. Embora a marcação CE permita a entrada de um produto no mercado europeu, ela não garante a qualidade deste produto, mas apenas os requisitos essenciais de segurança em relação ao usuário. A qualidade de um produto só pode ser garantida se este possuir uma marca de conformidade emitida por órgão legalmente capacitado para tal ato. No Brasil o órgão que controla a certificação é o Instituto Nacional de 23

24 Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO), através do Sistema Brasileiro de Certificação (SBC). 2.5 Certificação. Certificação é o procedimento pelo qual um organismo certificador, também chamado de terceira parte, dá uma garantia escrita de que um produto ou sistema está em conformidade com requisitos especificados, após serem feitos ensaios exigidos pelas normas pertinentes em um laboratório credenciado para tal finalidade. Esta garantia é fornecida através de uma marca registrada, que indica que um produto ou sistema cumpre as exigências de uma norma específica ou diretiva. A seguir, na Figura 6, podemos observar a etiqueta de um produto com algumas marcas de conformidade, como por exemplo a marca dos Estados Unidos (UL), a marca do Canadá (CSA), a marca da Alemanha (VDE) e a marca CE, entre outras. Além das marcas de conformidade, também está indicado a norma que o produto atende, a norma internacional IEC [9], cujo escopo é a segurança de equipamentos ligados à tecnologia de informação, ou seja, qualquer equipamento que é utilizado para processamento de informações, como por exemplo: microcomputador, impressora, fax, copiadora e outros equipamentos conectados aos que foram citados. Figura 6 Marcas de conformidade. 24

25 2.6 A normalização. A normalização é o processo de estabelecer e aplicar regras a fim de abordar ordenadamente uma atividade específica, com a participação de todos os interessados, levando em conta as condições funcionais e as exigências de segurança. Seus objetivos são apresentados a seguir: a) Proporcionar uma maior troca de informações entre clientes e fornecedores, com vistas a garantir a confiabilidade nas relações comerciais; b) Padronizar para haver uma compatibilidade entre produtos; c) Garantir os direitos do consumidor através da garantia da qualidade; d) Garantir a segurança do usuário através da conformidade com as Normas; e) Eliminar barreiras comerciais com adoção de critérios únicos. Os principais órgãos responsáveis pela normalização são: a) A nível internacional, a Organização Internacional de Normalização (ISO), a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), entre outras; b) A nível regional, estão o Comitê Mercosul de Normalização CMN, a comissão Pan-americana de Normas Técnicas (COPANT), o Comitê Europeu de Normalização (CEN), entre outros; c) A nível nacional, estão a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o Instituto Argentino de Normalização (IRAM), o Instituto de Normalização Nacional Americano (ANSI), o Instituto de Normalização Britânico (BSI), entre outros; d) A nível de empresa, estão as normas da Ford, General Motors, Fiat, entre outras. 2.7 Órgãos regulamentadores. Os órgãos regulamentadores tem como função controlar a aplicação das normas pertinentes em uma determinada área de abrangência ou país. Cabe a estes órgãos publicar portarias, nas quais estão definidas as regras de fiscalização e controle das marcas ostentadas nos produtos. Um resumo apresentando os principais órgãos pode ser visto na Tabela 2. 25

26 Na Figura 7 estão apresentados as principais faixas do espectro em relação a interferência irradiada e na Figura 8 em relação a interferência conduzida, identificando os órgãos regulamentadores. EMI IRRADIADA FCC (30MHz-40GHz) EN e CISPR (9kHz-1GHz) VCCI (30MHz-1GHz) Normas militares (30 Hz-40 GHz) Hz 0,1-1kHz 1-10kHz kHz 0,1-1MHz 1-10MHz MHz 0,1-1GHz 1-10GHz GHz Figura 7 Faixas de cobertura regulamentadas para EMI irradiada. EMI CONDUZIDA FCC (450kHz-30MHz) EN e CISPR (9kHz-30MHz) VCCI (150kHz-30MHz) Normas militares (30 Hz-10 MHz) Hz 0,1-1kHz 1-10kHz kHz 0,1-1MHz 1-10MHz MHz Figura 8 Faixas de cobertura regulamentadas para EMI conduzida. 26

27 SIGLA SIGNIFICADO REGIÃO DE ABRANGÊNCIA CENELEC Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica Comunidade Européia VCCI Conselho de Controle Voluntário para Interferência Japão VDE União Eletrotécnica Alemã Alemanha FCC Comissão Federal de Comunicações Estados Unidos CISPR Comitê Internacional Especial de Perturbações Radioelétricas Abrangência Internacional Tabela 2 Órgãos regulamentadores. 2.8 Definições. Os termos e definições sobre EMC podem ser divididos em três grupos, os quais serão apresentados a seguir, sendo considerados de fundamental importância para a interpretação com melhor entendimento, principalmente quando o objetivo for aplicações práticas ligadas ao desenvolvimento e avaliação de sistemas eletromagneticamente compatíveis [2] Termos básicos. O primeiro grupo é formado por termos básicos, que são: a) Meio Eletromagnético é a totalidade de fenômenos eletromagnéticos existentes em um dado local; b) Distúrbio Eletromagnético é qualquer fenômeno eletromagnético que pode degradar a performance de um dispositivo, equipamento ou sistema; c) Interferência eletromagnética (EMI) é a degradação na performance de um dispositivo, equipamento ou sistema causada por distúrbios eletromagnéticos; d) Compatibilidade eletromagnética (EMC) é a característica apresentada por um equipamento ou sistema, de operar satisfatoriamente em um meio eletromagnético sem ser interferido e sem introduzir indesejáveis distúrbios neste ambiente; 27

28 e) Emissão (eletromagnética) é o fenômeno pelo qual a energia eletromagnética emana de uma fonte; f) Degradação (de performance) é uma falha indesejável na performance operacional de um dispositivo, equipamento ou sistema; g) Rádio Interferência é a degradação na recepção de um sinal recebido, causado por um distúrbio eletromagnético que tem componentes dentro do espectro de rádio-freqüência; h) Imunidade (a um distúrbio) é a característica de um dispositivo, equipamento ou sistema de operar sem degradação na presença de um distúrbio eletromagnético; i) Susceptibilidade (eletromagnética) é a falta de proteção de um dispositivo, equipamento ou sistema para operar sem degradação, na presença de um distúrbio eletromagnético. É o oposto de imunidade; Termos combinados. O segundo grupo é formado por termos combinados que são: a) Nível de emissão (de uma fonte de distúrbio) é o nível de um dado distúrbio eletromagnético emitido por um dispositivo, equipamento ou sistema, medido através de algum método; b) Limite de emissão (de uma fonte de distúrbio) é o nível máximo de emissão admissível para um dispositivo, equipamento ou sistema; c) Nível de imunidade é o nível de um dado distúrbio eletromagnético, incidente de alguma forma em um dispositivo, equipamento ou sistema, sem ocorrer nenhum grau de degradação no funcionamento; d) Limite de imunidade é o nível mínimo de imunidade requerido para um dispositivo, equipamento ou sistema; Termos interrelacionados. O terceiro grupo é formado por termos interrelacionados que são: a) Margem de emissão é a razão entre o nível de compatibilidade eletromagnética e o limite de emissão; 28

29 b) Margem de imunidade é a razão entre o limite de imunidade e o nível de compatibilidade eletromagnética; c) Margem de compatibilidade (eletromagnética) é a razão entre o limite de imunidade e o limite de emissão Relação entre nível de emissão e imunidade. A Figura 9 apresenta a combinação de níveis de emissão e imunidade e seus limites associados como função de uma variável independente, como por exemplo a freqüência. Os níveis apresentados são apenas ilustrativos [2], e servem para caracterizar que o nível de emissão de um equipamento deve ser sempre mais baixo do que o limite máximo permitido e o seu nível de imunidade de ser sempre mais alto que o limite mínimo de imunidade requerido. Nível de distúrbio Nível de imunidade Limite de imunidade Margem de projeto do equipamento Limite de emissão Nível de emissão Variável independente Figura 9 Limites e níveis de emissão e imunidade. Na seqüência, a Figura 10 apresenta o nível de compatibilidade que está localizado entre os limites de emissão e imunidade da Figura 9. A linha pontilhada indica um possível nível de emissão e imunidade. O nível de compatibilidade está 29

30 indicado pela linha que está entre os limites de emissão e imunidade. Estes limites indicam os extremos da margem de compatibilidade. Na margem de compatibilidade não são aceitos que os valores obtidos invadam esta área, tanto para os níveis de emissão, quanto para os níveis de imunidade de um equipamento sob ensaio, isto é, equipamento que esteja sendo avaliado em relação a uma norma. Nível de distúrbio Nível de imunidade Limite de imunidade Margem de imunidade Margem de emissão Nível de compatibilidade Margem de compatibilidade Limite de emissão Nível de emissão Variável independente Figura 10 Nível de compatibilidade. 2.9 Interferências eletromagnéticas. As Emissões eletromagnéticas são interferências causadas por um equipamento, dispositivo ou sistema, as quais são divididas em dois tipos, de acordo com o meio de propagação: a) interferências irradiadas; b) interferências conduzidas. As interferências irradiadas são as que se propagam através de campos eletromagnéticos, enquanto as interferências conduzidas propagam-se por cabos de alimentação ou por interligações físicas entre equipamentos, dispositivos ou sistemas. 30

31 Para exemplificar as interferências irradiadas, temos os harmônicos gerados por uma emissora de rádio, os quais causam interferência em outras emissoras de rádio. No caso das interferências conduzidas, podemos citar os distúrbios gerados por um equipamento de potência acionado por tiristores. A EMI conduzida é o ponto principal deste trabalho, portanto será dada uma ênfase maior neste assunto, principalmente quanto às normas envolvidas Susceptibilidade eletromagnética. A susceptibilidade eletromagnética é a falta de proteção contra EMI, apresentada por um determinado equipamento, quando submetido a um ambiente que apresenta fenômenos eletromagnéticos, tais como: a) Interferências irradiadas; b) Interferências conduzidas; c) Interferências eletrostáticas A EMC e a Eletrônica de Potência. Nos últimos anos, a EMC tornou-se um tópico muito importante no campo da Eletrônica de Potência. Os problemas causados pela interferência de ruídos eletromagnéticos atingem um espectro de freqüências muito grande, o qual pode ir desde alguns ciclos da rede de alimentação até às freqüências de comunicações extremamente altas. Como atualmente a maioria dos equipamentos eletro-eletrônicos utilizam conversores, CA-CC ou CC-CC, o estudo da EMI na Eletrônica de Potência é plenamente justificável e necessário. As interferências eletromagnéticas geradas por um conversor, podem comprometer o funcionamento de outros equipamentos que estiverem conectados à rede de alimentação ou outro meio de propagação. Do ponto de vista da Eletrônica de Potência, a Emissão conduzida é de grande relevância, podendo interferir diretamente na qualidade de energia e consequentemente em outros equipamentos que estão conectados a mesma rede de alimentação. A influência da EMI injetada na rede de alimentação CA por conversores de potência, como por exemplo fontes chaveadas, deve ser levada em consideração. Isto 31

32 porque os conversores devem atender às normas e regulamentações internacionais de EMI, as quais limitam a geração de ruído conduzido e irradiado. As emissões conduzidas por estes equipamentos ocupam uma faixa que vai de 20kHz, um pouco acima da faixa audível, até próximo a 30MHz, dependendo da freqüência do conversor e da tecnologia utilizada. Os circuitos conversores da maioria das fontes de alimentação dos equipamentos domésticos, comerciais e industriais trabalham em freqüências fixas entre 20kHz e 150kHz, embora hajam casos em que estes circuitos trabalham em freqüências mais baixas. Nas freqüências mais altas operam conversores especiais que utilizam tecnologias mais avançadas especialmente concebidas para reduzir as perdas de comutação. Na Tabela 3 estão apresentados alguns exemplos de conversores utilizados comercialmente, com freqüências de operações e funções respectivamente. EQUIPAMENTO FREQÜÊNCIA FUNÇÃO Fonte chaveada khz Suprir energia à carga Reator eletrônico khz Alimentar lâmpada de descarga UPS 2 20 khz Fornecimento de energia ininterrupta Inversores 2 20 khz Acionamento de máquinas elétricas Tabela 3 Exemplos de aplicações de conversores de potência. Um outro ponto muito importante tem sido a redução do tempo de desenvolvimento de novos produtos, pois hoje o tempo de vida de um produto no mercado é muito curto, principalmente devido a rápida evolução tecnológica. Tendo isto em mente, é importante minimizar os problemas causados pela EMI, porque o principal problema no desenvolvimento de um novo produto, não é somente o teste e reteste em Laboratório credenciado para atender os limites de EMI. Certamente isto pode ser caro com o custo de um Laboratório chegando a quase U$ 1500 por dia. Mas este custo pode se tornar insignificante quando comparado com o impacto do atraso da entrada de um produto no mercado [12]. Assim, desde a fase inicial do desenvolvimento de um produto, deve-se utilizar a tecnologia mais adequada para o projeto e assim minimizar as interferências, levando em conta os limites máximos estabelecidos pelas Normas para cada tipo de produto. As tecnologias existentes no âmbito internacional, possibilitam o desenvolvimento de bons 32

33 projetos, mas não existem receitas prontas, isto é, cada equipamento tem a sua peculiaridade e nem sempre a tecnologia utilizada em um equipamento funciona em outro com os mesmos resultados, exigindo desde pequenos ajustes em bobinas até a escolha de outro tipo de conversor mais adequado. Para ilustrar o que foi exposto sobre a utilização e aplicação de novas tecnologias, na Figura 11 está o circuito de um reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes com correção de fator de potência [11]. O circuito além apresentar uma baixa distorção harmônica para a rede, também fornece uma tensão quase senoidal para a carga, neste caso, a lâmpada fluorescente. Figura 11 Reator eletrônico com corrente quase senoidal e alto fator de potência Principais normas sobre EMC Nesta parte do trabalho, veremos as principais normas internacionais existentes sobre o assunto em questão, ou seja EMC, além dos limites apresentados para a EMI pelas normas mais relevantes e os principais órgãos regulamentadores e suas faixas de abrangência. Na seqüência será dada uma atenção especial à norma IEC CISPR 16-1, que especifica os principais requisitos para os equipamentos que devem ser utilizados nos ensaios de EMI. As principais normas, cujo o escopo está relacionado com o assunto tratado estão apresentados a seguir: 33

34 IEC Aplicação e interpretação de termos e definições consideradas básicos para a EMC. IEC Recomendações para a emissão de equipamentos elétricos e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais, comerciais e indústrias de pequeno porte. IEC Distúrbios em sistemas elétricos causados por equipamentos eletrodomésticos e similares (Harmônicos) IEC Harmônicos de corrente. IEC Flutuações de tensão e flicker. NBR CISPR 11 Norma brasileira harmonizada com a norma CISPR 11 Equipamentos eletromédicos. IEC CISPR 12 Veículos, barcos e equipamentos que utilizam faíscas como meio ignição. IEC CISPR 13 Equipamentos de som, televisores e receptores de rádio. IEC CISPR 14 Ferramentas elétricas operados a motor utilizadas em ambiente doméstico. IEC CISPR 15 Dispositivos utilizados em iluminação e similares. IEC CISPR 16-1 Métodos e especificação de equipamentos para medição de perturbações radioelétricas e imunidade Parte 1 Equipamentos de medição. IEC CISPR 16-2 Métodos e especificação de equipamentos para medição de perturbações radioelétricas e imunidade Parte 2 Métodos de medição. ANSI C63.12 Limites para Compatibilidade Eletromagnética Recomendação Prática. NBR Limites e métodos de medição de radioperturbação em equipamento para tecnologia da informação. VDE 0871 Métodos de medidas e limites máximos para EMI geradas por equipamentos industriais, científicos e eletromédicos. A norma IEC é genérica e apresenta as recomendações para a emissão de equipamentos elétricos e eletrônicos utilizados em ambientes residenciais, comerciais e indústrias de pequeno porte, para os quais não exista norma dedicada ao equipamento ou família de equipamentos. Equipamentos emissores de energia 34

35 eletromagnética utilizados em rádio-comunicações estão excluídos desta norma. Ela apresenta recomendações para a faixa de 0Hz até 400GHz, mas só deve ser aplicada quando não houver Norma específica. A ANSI C63.12 tem como propósito é propor limites para referência, que podem ser aplicados de modo geral. Os limites apresentados são recomendações, não sendo específicos, podendo ser ajustados para determinadas circunstâncias. A IEC CISPR 16-1 apresenta as características e a performance necessárias aos equipamentos destinados para medição de perturbações radioelétricas. Todas as outras normas sobre EMC são referenciadas à norma IEC CISPR 16-1, pois o método de ensaio e os equipamentos de medida a serem utilizados devem ter características que possibilitem garantir a repetibilidade de um determinado ensaio em diferentes lugares, preservando-se as condições básicas necessárias para sua realização Limites para EMI estabelecidos nas principais normas. Conforme já foi falado anteriormente, as Normas CISPR 16-1 [6] e CISPR 16-2 [7], apresentam apenas as especificações e parâmetros dos equipamentos de medição, o método de ensaio, disposição dos equipamentos e amostras de ensaio e a área de ensaio. No entanto, estas Normas não trazem limites para a avaliação de conformidade. Quando é necessário avaliar uma amostra em relação a EMI, deve-se recorrer a Norma específica que apresenta os limites para o equipamento. As Normas que apresentam os limites para EMI, embora estes limites sejam bastante próximos, variam de acordo com a aplicação ou o ambiente de utilização. Na Figura 12, estão apresentados os limites de EMI de acordo com a Norma Alemã VDE 0871, identificando a sua utilização em equipamentos de acordo com a classe destes. A diferença entre os limites de interferência dos equipamentos de classe A e classe B estão bem caracterizados na figura citada no presente parágrafo. Os equipamentos de classe A são de uso mais restrito, utilizam-se de uma distância de proteção de 30m, aplicados em áreas industriais, onde suas interferências não comprometem o desempenho de outros equipamentos. Os equipamentos de classe B são de uso menos restrito, com uma distância de proteção de 10m, aplicáveis a equipamentos de uso doméstico. Como o uso de equipamentos de classe B é cada vez maior e o seu espaço físico é dividido com outros equipamentos, a interferência gerada por eles tem que ser bem mais limitada. 35

36 db µv Valor limite Classes A Valor limite classe B MHz Figura 12 Limites para as interferências conduzidas pela VDE Os limites da Norma FCC 15, estão na Figura 13. Nota-se que os limites exigidos iniciam em 450kHz estendendo-se até 30MHz. As classes A e B também possuem limites distintos db µv Valor limite classe A Valor limite classe B Figura 13 Limites para as interferências conduzidas pela FCC 15. MHz 36

37 Para os equipamentos ligados à área médica, os limites de EMI, bem como os ensaios aplicáveis estão contidos na Norma NBR IEC CISPR 11 [10], os quais podem ser observados na Figura 14. Também existe distinção entre as classes A e B. Como exemplo de equipamentos de classe B estão os que fazem parte de uma Unidade de Tratamento Intensivo (UTI) e Centro Cirúrgico db µv Valor limite Quase-pico (classe A) Quase-pico (classe B) MHz Figura 14 Limites da NBR IEC CISPR 11 para EMI conduzida. A Norma CISPR 14 [15] apresenta limites para os valores de quase-pico e valor eficaz, cujos limites estão na Figura 15. O equipamento primeiramente pode ser avaliado quanto ao limite de quase-pico, se atender está conforme, caso contrário deve ser avaliado quanto ao valor eficaz, sendo obrigatório atender a este limite. Esta Norma também especifica limites para EMI quando um equipamento é conectado a outro que atuará como carga. Um exemplo de aplicação da Norma CISPR 14 é o Sistema de Alimentação Ininterrupta (SAI ou UPS), cuja saída supri um outro equipamento e deve fornecer energia à carga com baixo nível de interferência, isto é, dentro dos limites que estão apresentados na Figura 16. Além disso este equipamento deve atender aos requisitos da Norma IEC CISPR 22 [16] no lado em que vai conectado a rede de alimentação, por ser um equipamento que é classificado como de tecnologia de informação [9]. 37

38 db µv Valor limite Quase-pico 46 Eficaz MHz Figura 15 Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de alimentação db µv Quase-pico Eficaz Valor limite MHz Figura 16 Limites da IEC CISPR 14 nos terminais de carga. 38

39 A Norma IEC CISPR 22 [16], apresenta os limites para os equipamentos identificados como sendo de Tecnologia de Informação, ou seja, equipamentos que são utilizados em transações comerciais, planejamento e desenvolvimento. Como exemplo podemos citar alguns equipamentos bastante conhecidos: Microcomputadores; Impressoras; Caixas eletrônicos; Máquinas copiadores; Telefones; Aparelhos de fax. Os equipamentos que direta ou indiretamente estão associados aos que foram citados, também são enquadrados nesta Norma. Na Figura 17 estão apresentados os limites para a Norma IEC CISPR 22, os quais são os mesmos estabelecidos para a Norma IEC CISPR 11, cujos limites foram apresentados na Figura db µv Valor limite Quase-pico (classe A) Quase-pico (classe B) MHz Figura 17 Limites da IEC CISPR 22 para a EMI conduzida. 39

40 2.13 Resumo. Neste capítulo o assunto principal tratado foi a EMC. Inicialmente foram apresentados os aspectos gerais com objetivo de situar o leitor com relação ao problema da EMC dentro de um contexto familiar ao nosso convívio. Na seqüência, um histórico com fatos cronológicos a respeito da EMI que culmina com o advento da Certificação de produtos e o seu reconhecimento através das marcas de conformidade, graças ao empenho da Comunidade Européia e seguido por outras nações, não esquecendo que os Estados Unidos e a Alemanha já estavam neste caminho de forma voluntária através do FCC e da VDE respectivamente. O grande beneficiado com a normalização e a certificação foi o consumidor, embora os fabricantes que buscaram a certificação também saíram ganhando pelo fato de oferecerem um produto melhor que o da concorrência, visto que o consumidor passou a se tornar exigente. Finalizando este capítulo, estão as principais normas sobre EMC, termos e definições e os limites que devem ser atendidos numa avaliação de conformidade, para os principais produtos de consumo no campo eletro-eletrônico. 40

41 3 ENSAIOS. 3.1 Introdução. Para a execução de um ensaio previsto em Norma técnica é necessário a utilização de um procedimento padrão, onde são transcritos os pontos da norma que serão aplicados em um ensaio específico, já que as Normas geralmente abrangem diversos ensaios e diversas situações. Como exemplo, pode-se citar a Norma IEC- CISPR 16-1 [6], que trata tanto de ensaios de emissão como de imunidade, além de apresentar a especificação do Receptor de EMI e da Rede Artificial. A partir desta Norma cria-se um procedimento para medir a emissão de um equipamento e outro procedimento para avaliar a susceptibilidade, cujas situações são diferentes. Assim o principal objetivo de um procedimento, além de ajudar a garantir a repetibilidade de um ensaio, é facilitar o trabalho do operador que terá como preocupação apenas seguir os passos que foram previamente interpretados da Norma. Neste capítulo serão apresentados: os equipamentos necessários para realização de um ensaio de EMI conduzida, as especificações para estes equipamentos, o ambiente de ensaio e a disposição dos equipamentos. Estes pontos norteiam este trabalho e são necessários para um procedimento de ensaio de EMI conduzida, e a conseqüente validação do trabalho. 3.2 Os equipamentos de medida. A especificação dos equipamentos de medida depende da freqüência de operação. Cada faixa de freqüência deve ser analisada atendendo à características específicas. As faixas de freqüência que devem ser cobertas por um equipamento de medidas estão divididas conforme a Tabela 4. No caso das interferências conduzidas, as principais Normas específicas exigem apenas as faixas A e B, ou seja, de 9kHz a 30MHz. Os principais equipamentos para a realização de um ensaio de EMI conduzida estão enumerados a seguir. Na seqüência serão apresentadas as especificações básicas que os equipamentos devem atender. Receptor de EMI para medição de quase-pico; Rede Artificial (LISN Line Impedance Stabilization Network); 41

42 Microcomputador; Outros dispositivos, como: mesa, cabos, plano de referência aterrado, etc. FAIXA A B C D FREQÜÊNCIA 9 a 150 khz 0.15 a 30 MHz 30 a 300 MHz 300 a 1000 MHz Tabela 4 Faixas de freqüências Receptor para medição de quase-pico. Para cada uma das faixas citadas na Tabela 4, os receptores de quase-pico devem atender as seguintes especificações: Características Faixas de freqüência A B C e D LARGURA DE BANDA 220 Hz 9 khz 120 khz Constante de tempo de carga (τ 1 ) 45 ms 1 ms 1 ms Constante de tempo de descarga (τ 2 ) 500 ms 160 ms 550 ms Constante de tempo mecânica (τ m ) 160 ms 160 ms 100 ms Tabela 5 Especificações do receptor de quase-pico pela IEC CISPR Rede Artificial. A Rede Artificial é necessária para que o sinal interferente seja aplicado a uma impedância conhecida nos terminais de alimentação do equipamento sob teste, isolar o circuito de ensaio das interferências provindas da rede de alimentação e acoplar a tensão interferente ao receptor. Na Rede Artificial, a impedância medida entre o terra e cada terminal do equipamento sob teste, deve manter-se invariável, independente da carga que está 42

43 conectada em seus terminais, inclusive um curto-circuito, com o receptor de medida conectado ou uma resistência equivalente. Numa Rede Artificial há três terminais: o terminal principal para ligação ao sistema de alimentação (fonte), o terminal de equipamento para conexão ao equipamento em ensaio e o terminal de saída de distúrbios para conexão ao equipamento de medição (Receptor de EMI). Fase da rede de alimentação L2 L1 250 µh 50 µh C2 4 µf C1 8 µf C3 250 nf Ao equipamento em ensaio T R2 10 Ω R1 5 Ω R3 1 kω Receptor de EMI R2 10 Ω R1 R3 5 Ω 1 kω R4 50 Ω Neutro da rede de alimentação C2 4 µf C1 8 µf C3 250 µh 50 µh L2 L1 250 nf Ao equipamento em ensaio Figura 18 Esquema de uma Rede Artificial. Na Figura 18 está representado um esquema de uma Rede Artificial de acordo com a norma CISPR 16-1 [6], onde também são fornecidas especificações mais detalhadas para a sua construção, como por exemplo a montagem do indutor de 50 µh, que não é nada trivial, uma vez que o mesmo deve ser um indutor de 50 µh para freqüências entre 9 khz e 30 MHz o que torna-se difícil de obter devido às capacitâncias parasitas e ao efeito pelicular. Como se sabe um indutor pode ser modelado pelo circuito equivalente da Figura 19. Assim a medida que a freqüência aumenta, aumenta os valores da resistência parasita (Rp) e da capacitância parasita (Cp) tornam-se significativos. 43

44 Cp Rp L Figura 19 Circuito equivalente de um indutor. A última versão da Norma recomenda valores como o diâmetro do núcleo, o espaçamento entre as espiras, o número de espiras, o diâmetro do condutor e os resistores que devem ser colocados entre determinadas espiras para evitar ressonâncias internas no indutor. Se estas recomendações não forem seguidas, provavelmente a rede não atenderá aos parâmetros especificados pela Norma Microcomputador. Atualmente com a grande demanda de ensaios de EMC em um laboratório, fazse necessário que o sistema de medição seja automatizado. Os equipamentos de medição podem ser comandados por software, facilitando a aquisição de dados e a alteração automática das configurações das faixas de freqüências a serem ensaiadas, bem como o controle do tempo de amostragem. Utilizando o microcomputador, o operador deverá apenas conectar o equipamento a ser ensaiado conforme as exigências da Norma e executar um software devidamente validado, que siga os passos exigidos pela norma. Finalmente é só esperar o relatório de ensaio, que pode ser gerado automaticamente Instrumentos auxiliares importantes. Além dos equipamentos e instrumentos de medição citados, outros instrumentos auxiliares também são necessários. Estes instrumentos são: Voltímetro Utilizado para monitorar a tensão de alimentação, que é utilizada para suprir o equipamento em ensaio; 44

45 Termômetro Serve para monitorar a temperatura no ambiente de ensaio; Estes instrumentos são muito importantes para que seja possível repetir um ensaio o mais fielmente possível, quando houver dúvida, ou contestação por partes interessadas Dispositivos auxiliares. Não somente os equipamentos de medição são necessários para a realização de um ensaio. Os dispositivos auxiliares para a montagem do ensaio também são importantes e estão descritos a seguir: Uma sala onde o nível de ruído no ambiente seja no mínimo 6 db abaixo dos limites estabelecidos pelas normas aplicáveis aos equipamentos que serão ensaiados; Mesa de material não condutivo com 80 cm de altura com área suficiente para a configuração do ensaio; Um plano de referência de terra, com características condutivas e dimensões mínimas de 2 m por 2 m; Cabos adequados para conexão entre equipamentos; Condutor sólido em forma de chapa, cuja relação entre o comprimento e a largura é no máximo de 5 para 1, para conexão entre a Rede Artificial e o plano de referência. Como exemplo, se a parte traseira da Rede Artificial ficar a 40 cm do plano de referência de terra, tal condutor deverá ter uma largura mínima de 8 cm; Filtro opcional para rede de alimentação com elevado nível de ruído. Variador de tensão para executar o ensaio dentro das faixas de tensões especificadas pelo fabricante. 3.3 Configuração do sistema de ensaio para medição de emissões conduzidas. Para medição de EMI conduzida o equipamento em ensaio é conectado à rede de alimentação através da Rede Artificial. O terminal da Rede Artificial destinado para saída de distúrbios é conectado ao equipamento medição (Receptor de EMI). Na Figura 20 está um esquema básico das conexões que são necessárias entre os equipamentos. No 45

46 caso de equipamentos com alimentação trifásica são utilizadas mais de uma Rede Artificial, uma para cada fase e enquanto o equipamento de medição está conectado em uma das redes artificiais, terminações de 50Ω são conectadas nas saídas das outras redes. Fonte de Alimentação F N Rede Artificial Receptor de EMI F N Equipamento em ensaio Figura 20 Esquema básico de conexões dos equipamentos de ensaio. L1 L2 L3 N Filtro Filtro Filtro Filtro Rede Artificial Rede Artificial Rede Artificial Rede Artificial Receptor de EMI Carga de 50Ω Carga de 50Ω Carga de 50Ω 80 cm 30 a 40 cm Equipamento em ensaio Figura 21 Configuração de ensaio. 46

47 Analisando a Figura 21, observa-se de forma esquemática os pontos citados no parágrafo anterior, com exceção dos filtros colocados entre a rede de alimentação e a Rede Artificial. Tais filtros são opcionais, devendo ser utilizado quando o nível de ruído nos terminais da rede alimentação possam interferir nas medições. Uma forma de verificar esta interferência é fazer uma medição com o equipamento sob ensaio desligado, mas conectado a rede. Se os níveis não estiverem de acordo com as exigências da norma CISPR 16-2 [7], então será necessário o uso dos filtros. 3.4 Disposição do equipamento em ensaio. Dispondo-se das condições necessárias, tais como: equipamentos, dispositivos auxiliares e ambiente adequado, cujas especificações já foram apresentadas nos itens anteriores, faz-se necessário organizar a área de ensaio, juntamente com a amostra que será testada, respeitando as condições especificadas pela Norma IEC CISPR 16-2 [7]. Uma descrição detalhada da montagem do ensaio está apresentada nos seguintes itens: Inicialmente o plano de referência de terra deve estar na posição vertical, a 40 cm atrás da mesa especificada anteriormente; Se a mesa for relativamente grande o plano de referência de terra pode ser encostado na parte posterior da mesa; O equipamento a ser ensaiado é colocado sobre a mesa de forma que sua traseira fique a 40 cm do plano de referência; Todas as outras superfícies do equipamento a ser ensaiado devem estar no mínimo a 80 cm de distância de outros equipamentos ou aparelhos com superfícies metálicas; Se os cabos utilizados para interconexões possuírem um comprimento maior que 80 cm, devem então serem dobrados em forma de serpentina, com elos com comprimento entre 30 e 40 cm, sem cruzar o cabo. O cabo de conexão entre o equipamento a ser ensaiado e a Rede Artificial deve ser mantido a no mínimo 40 cm do plano de referência de terra; A conexão entre a saída da Rede Artificial e o equipamento de medição (receptor de EMI) deve ser feita por um cabo blindado; Conectar a Rede Artificial ao variador de tensão; 47

48 Na seqüência, a Figura 22 ilustra uma montagem de ensaio sugerida pela Norma. Tal montagem é indicada para um equipamento que independente de ser aterrado ou não e que em uso normal é utilizado sobre uma mesa. Superfície Condutora Equipamento em ensaio Receptor 40 cm LISN 80 cm 80 cm Figura 22 Configuração de um sistema de ensaio. Para outros tipos de equipamentos que normalmente não são utilizados sobre uma mesa, a configuração do ensaio sofre algumas alterações, tais como a altura da mesa e a posição do plano de referência de terra. Executando-se a configuração descrita e possuindo os equipamentos indicados devidamente calibrados, basta saber operar o medidor e avaliar os resultados para conseguir realizar o ensaio corretamente. 3.5 Validação e execução. Após a conclusão da montagem descrita no item anterior, segue-se os seguintes passos para a execução do ensaio: Ajustar a tensão do variador para obter a tensão nominal na entrada do equipamento em ensaio; 48

49 Anotar os dados relativos a temperatura do ambiente de ensaio e a tensão que foi ajustada no variador de tensão; Manter o equipamento em ensaio desligado, e realizar a medição do ruído existente no ambiente de ensaio; Se a medição for 20dBµ inferior ao limite estabelecido pela Norma pertinente ao equipamento em ensaio, então o ensaio pode ser conduzido sem problemas; Se valor do ruído interferente máximo presente no ambiente de ensaio for 6dBµ menor que o valor limite estabelecido, o valor deverá ser anotado e o ensaio prosseguido; Mas se o ruído ambiente for superior aos limites citados nos dois itens anteriores, então o ensaio deve ser abortado e deverão ser tomadas medidas para minimizar o ruído, como por exemplo a inserção de um filtro entre a fonte de alimentação e a rede artificial; Assim o equipamento em ensaio é ligado as medições iniciadas, respeitando as especificações de cada faixa de freqüência; O período de amostragem é de no mínimo 15 segundos, ou seja, aproximadamente 900 períodos da freqüência de rede, sendo esta 60 Hz; Os dados obtidos devem ser devidamente registrados. O ensaio é repetido com a tensão de alimentação igual a 0,9 e 1,1 vezes a tensão nominal para determinar o pior caso, isto é, o maior valor da interferência gerada pelo equipamento em ensaio. O ensaio deve ser repetido para os limites inferior e superior de alimentação do equipamento em ensaio. 49

50 3.6 Resumo. As informações fornecidas neste capítulo são suficientes para a montagem de um laboratório para ensaios de adequação de um produto, mais especificamente para ensaios de EMI conduzida, que é o tema principal deste trabalho. Inicialmente foram apresentadas as faixas de freqüência, frisando que para EMI conduzida os ensaios limitam-se as faixas A e B. Na seqüência foram citados os principais equipamentos e as especificações que eles devem atender, fechando com disposição destes em um ambiente de ensaio e uma seqüência de passos para a sua execução. Com os resultados obtidos é possível avaliar a qualidade do produto quanto aos ensaios de EMI conduzida. Se os resultados forem muito próximos aos limites, é importante que o fabricante trabalhe no projeto para dar um pouco de folga, já que os componentes utilizados possuem tolerâncias que podem afetar o resultado final do ensaio. Para a certificação deste produto é necessário um Laboratório Credenciado por órgão reconhecido internacionalmente, que atenda os critérios de sistema da qualidade e possua equipamentos rastreados aos padrões internacionais de medidas. 50

51 4 FERRAMENTA ALTERNATIVA PARA ENSAIO DE EMI CONDUZIDA 4.1 Introdução Nos capítulos anteriores foram apresentadas informações sobre EMC, enfocando os caminhos que um produto deve percorrer para estar em conformidade com uma Norma pertinente, não só buscando de forma expontânea a garantia da qualidade mas atendendo às necessidades de um mercado cada vez mais exigente. Neste capítulo serão descritos todos os passos dados para a obtenção de uma ferramenta original alternativa para medição de EMI proposta por este trabalho, os equipamentos que fazem parte do sistema de medição de EMI serão tratados a nível de software e o seu modelamento matemático será obtido. 4.2 A simulação dos equipamentos de medição. Os principais equipamentos necessários para a execução de um ensaio de EMI conduzida são a Rede Artificial e o Receptor de EMI, os quais foram apresentados no capítulo anterior e cujos modelos serão apresentadas na seqüência deste capítulo. A obtenção de modelos matemáticos que descrevam fielmente o comportamento do Receptor de EMI são fundamentais para a simulação destes equipamentos, pois descrevem suas características físicas. Assim, estes equipamentos serão analisados a partir de suas funções dentro do sistema de medição das interferências conduzidas. Quando um modelo é aplicado para representar um determinado sistema, existem dois pontos principais a serem considerados: A necessidade dos resultados obtidos aproximarem-se de um sistema ideal; O tempo de simulação que é dispensado para a obtenção dos resultados. Se o modelo aplicado for muito inflexível, o tempo de simulação de um sistema pode ser inviável. Por isso é importante que os modelos sejam simples, mas respeitando a necessidade de um resultado tão preciso quanto possível. Assim, o que norteia um bom modelo é o comprometimento entre o que é necessário e o que pode ser feito para que se obtenha um resultado satisfatório no menor tempo possível. Na seqüência serão apresentados os diferentes blocos que compõem o sistema de medição bem como os modelos adotados para sua representação: 51

52 Rede Artificial; Receptor de EMI Circuito e modelo da Rede Artificial Na Figura 18 foi apresentado o esquema de uma Rede Artificial, o qual foi sugerido pela Norma CISPR 16-1 [6]. No esquema desta figura está incluído um filtro que foi citado no capítulo anterior. Para obter o modelo da Rede Artificial, parte-se do esquema fornecido pela Norma, porém sem o filtro. O filtro não será levado em consideração, uma vez que as suas funções principais são de fazer com que a EMI gerada pelo equipamento em ensaio seja desviada para a Rede Artificial e bloquear as componentes de alta freqüência provindas da rede alimentação, deixando passar a componente de 60 Hz. Na Figura 23 está o esquema da Rede Artificial sem o filtro. Ao fase da rede de alimentação ou filtro 8 µf 50 µh 250 nf Ao equipamento em ensaio T 5Ω 1 kω Conector para o Receptor de EMI 5Ω 1 kω Conector para a terminação de 50Ω Ao neutro da rede de alimentação ou filtro 8 µf 50 µh 250 nf Ao equipamento em ensaio Figura 23 Esquema da Rede Artificial sem filtro. O Receptor de EMI e a terminação são trocados de posição dependendo se a medição é efetuada na fase ou no neutro da rede de alimentação. Na prática a Rede Artificial pode possuir uma chave que comuta o Receptor de EMI da fase para o neutro 52

53 e vice-versa, mas nada impede que se troque de posição o cabo de conexão que interliga a Rede Artificial com o Receptor de EMI. As cargas determinadas pelas impedâncias da terminação e do Receptor de EMI, são representadas pelos resistores de 50 Ω. Acima de 9 khz, os capacitores podem ser representados por um curto-circuito, conforme mostrado na Figura 24. O esquema pode ser simplificado para o circuito da Figura 25, pelo fato de que: O objetivo é analisar a interferência gerada por um equipamento em ensaio; A Rede Artificial é simétrica em relação ao terra; A medição é realizada em um lado da Rede Artificial de cada vez. Ao fase da rede de alimentação ou filtro C1 8 µf L1 50 µh C2 250 nf Ao equipamento em ensaio T R1 5Ω R3 1 kω R5 50Ω Impedância do Receptor de EMI 5Ω 1 kω 50Ω Impedância da terminação Ao neutro da rede de alimentação ou filtro C1 8 µf L1 50 µh C2 250 nf Ao equipamento em ensaio Figura 24 Esquema da rede com simplificação dos capacitores. L1 Fase ou Neutro C1 R1 C2 R3 R5 Ao equipamento em ensaio Terra Figura 25 Rede Artificial com um lado apenas. 53

54 A associação entre os resistores R 3 e R 5 é representada pelo resistor R 2. O valor do resistor R 2 se fosse calculado ficaria aproximadamente 5 % inferior. Na prática, os valores dos componentes deste circuito estão estabelecidos na Norma CISPR 16-1 [6], já considerando as características que os componentes assumem no circuito da Rede Artificial, cujos valores nominais são: L 1 = 50 µh R 1 = 5 Ω R 2 = 50 Ω Desta forma, o circuito simplificado fica equivalente ao da Figura 26. L1 Ig(t) R1 R2 Figura 26 Rede Artificial simplificada. Finalmente na Figura 27 está o circuito simplificado que representa a Rede Artificial. Neste circuito, quando circula a componente de alta freqüência da corrente de entrada do equipamento em ensaio (corrente interferente Ig int (t)), obtém-se a tensão interferente (U int (t)) nos terminais de saída da Rede Artificial. A corrente (Ig int (t)) representa a corrente que circula nos terminais de alimentação do equipamento em ensaio, a qual está didaticamente ilustrada na Figura 28. A tensão (U int (t)) será tratada no item que é dedicado ao Receptor de EMI, neste capítulo. Aplicando-se as leis básicas de circuitos elétricos ao circuito da Rede Artificial apresentado na Figura 27, obtém-se a seguinte equação diferencial: L R 2 du dt int (1) R1 dig + int 1 U int = L + R1Ig + int R 2 dt 54

55 A equação (1) foi apresentada originalmente por Albach [4] e detalhada por Dos Reis [5] para descrever o comportamento da Rede Artificial. Ig int (t) L1 R2 U int (t) R1 Figura 27 Circuito equivalente da Rede Artificial. I(A) 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 0,00 1,60 3,20 4,80 6,40 8,00 9,60 11,20 12,80 14,40 16,00 t(ms) Figura 28 Forma de onda didática da corrente de entrada de um equipamento Receptor de EMI. O receptor de EMI é o equipamento fundamental para os ensaios de avaliação da interferência eletromagnética gerada por um determinado equipamento. Sua característica mais importante é ser capaz de selecionar determinadas freqüências com uma largura de banda que atenda às especificações da Tabela 5. 55

56 Nesta etapa serão descritos as principais características da ferramenta proposta neste trabalho, onde uma amostra da corrente de entrada de um equipamento é processada para obter-se a interferência conduzida gerada pelo equipamento em ensaio. O método utilizado como ferramenta para este trabalho está fundamentado nos trabalhos de Albach [4] e Dos Reis [5], nos quais são apresentadas as características fundamentais que os equipamentos de medição devem possuir, segundo a Norma CISPR 16-1[6]. O Receptor de EMI é composto de quatro circuitos bem distintos, os quais serão descritos neste tópico. Estas etapas estão interligadas de forma consecutiva, conforme seqüência apresentada a seguir: Filtro de entrada; Circuito demodulador; Detector de quase-pico; Indicador eletromecânico do nível de interferência Filtro de entrada. A tensão interferente (U int (t)), obtida através dos terminais de saída da Rede Artificial, é aplicada ao Receptor de EMI, onde é filtrada com um filtro de largura de banda adequada para cada faixa de freqüências, de acordo com a Tabela 5. Neste trabalho serão utilizados os valores das faixas de freqüências A e B, cujas larguras de banda de 220 Hz e 9000 Hz são correspondentes às faixas de freqüências de 9 khz a 150 khz e de 150 khz a 1000 khz respectivamente. Para um melhor entendimento do processo de funcionamento do filtro de entrada, seu estudo será apresentado na seguinte seqüência de tópicos: O processo de medição de EMI conduzida é fundamentado na análise da corrente de entrada do equipamento ensaiado, pois é a corrente que revela o comportamento do equipamento como carga do sistema de alimentação, possibilitando avaliar o nível de interferência que introduz na rede elétrica; A corrente em função do tempo, definida como (Ig int (t)), é decomposta em uma soma finita de termos, utilizando-se a série de Fourier [18], que serão 56

57 limitados pela máxima freqüência desejada para análise. Desta forma, para analisar a corrente de um equipamento nas freqüências inferiores a 150 khz será necessário obter os termos da série de Fourier até o harmônico de número 2.500, ou seja: n = f f max red 150kHz = 60Hz = sendo, n o número do harmônico múltiplo inteiro da freqüência de rede ( f red ) e f max a freqüência máxima a ser analisada. Através da decomposição do sinal no domínio do tempo, em série de Fourier, obtém-se o sinal no domínio freqüência (Figura 29); A f t Domínio do tempo Domínio freqüência Figura 29 Representação de um sinal nos domínios do tempo e freqüência. A decomposição da corrente (Ig int (t)) em termos da série de Fourier pode ser expressada pela seguinte expressão: Onde, Ig int ao (t)= + 2 n=1 nπ nπ an cos t +bn sen t τ τ ω τ = π ω = 2π f red (2) 57

58 sendo ω a freqüência angular da rede de alimentação em radianos por segundo e τ o intervalo de tempo de um semi período da rede; Os coeficientes a n e b n podem ser calculados de acordo com as expressões: I 2 an= Ig (t) cos nωt dt int τ (3) i=1 τ o I 2 bn = Igint (t) sen nωt dt τ (4) i=1 τ o Onde, I representa o i-ésimo período de comutação de alta freqüência contido em um semi-período da freqüência de rede, ou seja: f I = 2 f s red A corrente de entrada é decomposta em termos da série de Fourier para tornar possível a seleção dos harmônicos de cada faixa de freqüência e assim recompor o sinal interferente (U int (t)), além da correlação entre a tensão interferente (U int (t)) e a corrente (Ig int (t)), simulando a Rede Artificial. Para o estudo do método, considera-se que a corrente de entrada dos equipamentos que serão ensaiados possuem simetria de onda. Assim, a corrente de entrada genérica pode ser descrita conforme a equação (5), pois a o assume o valor zero; I g int (t)= n=1 ( cos nωt sen nωt) a n +b n (5) Como a tensão interferente (U int (t)) e a corrente (Ig int (t)) são correlacionadas pela equação diferencial que representa a Rede Artificial, apresentada na equação (1), a tensão (U int (t)) pode ser representada pela série de Fourier da equação (6); U int (t)= n=1 ( cos nωt sen nωt) c n + d n (6) 58

59 Os valores dos coeficientes c n e d n [4,5] são obtidos da equação (1) e estão apresentados nas seguintes equações: 1 cn = ( x2 an + x1 bn ) x (7) 3 1 d n = (- x1 an + x2 bn ) x (8) 3 Onde: x1= nωl 2 x1 x2 = R2 R1 + R1 1+ R2 x1 x3= R R R Aplicando-se as equações (7) e (8) na equação (6) obtém-se a tensão interferente (U int (t)) simulando a Rede Artificial; Finalmente, para obter a tensão interferente (U int (t)) para uma determinada freqüência (f o ), que é múltiplo inteiro da freqüência de rede, é necessário selecionar a faixa de freqüência a ser medida, aplicando-se um filtro cuja banda passante é especificada pela Norma IEC CISPR 16, como pode ser visto na Tabela 5; Assim, a série de Fourier que representa a tensão interferente (U int (t)) em uma freqüência (f o ) está descrita na equação (9); U int (t)= n +h-1 ( cos nωt sen nωt ) o cn + d n (9) n=no-h+1 Quando a freqüência a ser medida for inferior a 150 khz (faixa de 9 khz a 150 khz), o valor de h é igual a 2 e para um valor de freqüência igual ou maior que 150 khz (faixa de 150 khz a 1MHZ), o valor de h será igual a 90; Para exemplificar, considerando a freqüência a ser medida igual a Hz, obtida pelo produto entre o harmônico de ordem 200 e freqüência de rede igual a 60 Hz, aplicando-se a largura de banda da faixa A da Tabela 5, 59

60 ou seja 220 Hz, a tensão interferente (U int (t)) será recomposta pelos harmônicos que estão na faixa de freqüências entre Hz e Hz, ou seja Hz ±110Hz, ilustrada na Figura 30; Amplitude Janela com largura de banda de 220 Hz Harmônico n = 202 (202 x 60 Hz) 220 Hz Freqüência (Hz) Figura 30 Exemplo de seleção de harmônicos. O processo descrito no item anterior é aplicado sobre toda a faixa de freqüência que será analisada, deslocando-se como se fosse uma janela centralizada sobre o harmônico da freqüência em questão. Os harmônicos selecionados são utilizados na recomposição da tensão interferente filtrada para a largura de banda especificada. A tensão interferente será aplicada ao circuito demodulador, cuja descrição será apresentada em item destinado a explanação deste circuito; A janela citada no item anterior é deslocada, por convenção para a direita, avançando para o harmônico de ordem n + h, ou seja: n + h = = 202 Como a janela avança um harmônico para a direita, obviamente deve rejeitar o harmônico do extremo esquerdo, passando por todos os harmônicos em ordem crescente e obtendo a tensão interferente na largura de banda filtrada de forma seletiva ao longo de toda a faixa. 60

61 Circuito demodulador. Este circuito é responsável pela demodulação de baixa freqüência da tensão interferente (U int (t)), em uma determinada freqüência f o. A função deste circuito é extrair a envoltória da tensão interferente, que foi obtida do filtro de entrada para uma determinada freqüência na faixa analisada. Na Figura 31 está apresentado o circuito simplificado do demodulador, cujo funcionamento será descrito na seqüência, bem como a apresentação de suas equações. D U int (t) C D U CD (t) R 1D R 2D U D (t) Figura 31 Circuito demodulador. O circuito demodulador possui duas etapas distintas de funcionamento que dependem diretamente do diodo D, as quais são: Quando a tensão interferente U int (t) é maior que a tensão sobre o capacitor U CD (t), o diodo D conduz, carregando o capacitor C D com a tensão U int (t). Quando a tensão interferente U int (t) é menor que a tensão U CD (t), o diodo D fica bloqueado e o capacitor C D descarrega-se através dos resistores R 1D e R 2D. A tensão de saída U D (t) será a tensão sobre o resistor R 2D, obtida através do divisor resistivo formado por R 1D e R 2D, nas duas etapas apresentadas. Esta tensão será aplicada a circuito Detector de Quasi-pico, que será apresentado no próximo item. 61

62 Das etapas descritas resultam as seguintes equações para U D (t): U D (t) = R R 1D 1D R2D + R R2D + R 2D 2D U U CD int ( t (t) o ) e - t-to τ D p/ p/ U int U (t)>u int CD (t)<u (t) CD (t) (10) Onde t o representa o intervalo de tempo no qual a tensão interferente U int (t) é menor que a tensão U CD (t) no capacitor C D e τ D = (R 1D + R 2D ).C D. Para uma demodulação conveniente, o valor atribuído para τ D é igual a um milisegundo Detector de quase-pico. Após a tensão interferente U int (t) ser filtrada e demodulada, deve passar através do circuito detector de quase-pico, cuja versão simplificada está apresentada na Figura 32. Este circuito atende satisfatoriamente às necessidades deste trabalho. D R 1W U D (t) C W R 2W U W (t) Figura 32 Detector de quase-pico. O detector de quase-pico avalia sinais de acordo com a sua taxa de repetição, sendo uma forma de medir o fator de perturbação destes sinais. O funcionamento do circuito do detector de quase-pico está detalhado nos seguintes itens: 62

63 O sinal de saída do demodulador U D (t) é aplicado a entrada do detector de quase-pico; Quando tensão U D (t) é maior que a tensão de saída do circuito Detector de Quasi-pico U W (t), o diodo D conduz, mas se a tensão U D (t) é menor, o diodo D não conduz e o capacitor C W descarrega-se pelo resistor R 2W ; Nos intervalos de condução e bloqueio do diodo D, a tensão de saída U W (t) é descrita pela seguinte equação diferencial: d U w(t) 1 + U dt τ 1 du w(t) 1 + U dt τ 2 w w 1 (t)= τ 1 (t)= U τ 2 p/ U D D (t) (t)<u w (t) p/ U D (t)>u w (t) (11) sendo a constantes de tempo de carga: R1w R2w τ 1= R1w + R2w C w (12) e a constantes de tempo de descarga: τ 2 = R2w C w (13) Os valores das constantes τ 1 e τ 2 encontram-se na Tabela 5 ; Utiliza-se solução numérica para obter a tensão de saída U W (t) por ser mais simples e aplicável para a simulação; Assim, substituindo-se as derivadas por pequenos incrementos discretos na equação (11), obtém-se: U w(t) 1 + U t τ 1 U w(t) 1 + U t τ 2 w w 1 (t)= τ 1 (t)= U τ 2 D (t) Como U w (t) = U w (t + t) - U w (t); tem-se: (14) 63

64 U U w w t (t + t )= 1- U τ 1 t (t + t)= 1- U τ 2 w w 1 (t)+ τ 1 p/ U 1 - U τ 2 D (t)<u D w t (t) p/ U D (t)>u w (t) (15) Se a tensão interferente U int (t) não possui nenhum tipo de modulação, seu envelope será uma tensão contínua e o receptor de EMI indicará o valor eficaz da tensão U int (t). Desta forma deve ser satisfeita a condição: R 1D R2D + R R2D R1D + R 2D 2D R2W 1 = R1W + R2W 2 1 τ 1 = 1+ 2 τ 2 -τ 1 (16) Indicador eletromecânico do nível de interferência Atualmente os receptores de EMI comerciais empregam tecnologia digital, com recursos avançados e apresentação sofisticada dos resultados. No entanto, as especificações técnicas que os receptores devem atender, tais como largura de banda e constantes de tempo, continuam as mesmas que eram utilizadas para avaliar o grau de perturbações nas comunicações militares, em uma época em que os recursos tecnológicos não deixavam outra opção. Como pode ser visto na Figura 33, a saída do indicador eletromecânico do valor de quase-pico normalmente apresenta uma tensão contínua com um determinado ripple. O valor tomado para a tensão U W (t) é o valor médio, dado pela seguinte expressão: 1 U = τ m τ m o U w (t) dt (16) Onde τ m é dado na Tabela 5. 64

65 Valor de pico Resposta do detector de Quase-pico Valor médio do detector de quase-pico t Figura 33 Resposta de um indicador de quase-pico. 4.3 Meios para obter os dados para simulação. Nos itens anteriores foram apresentados os circuitos que compõem um sistema de medição de EMI conduzida. A partir deste ponto será descrito como a ferramenta proposta neste trabalho simula o sistema completo de medição de EMI (Receptor de EMI e Rede Artificial). Os passos que serão seguidos para a apresentação desta ferramenta, serão semelhantes aos que foram utilizados na apresentação dos circuitos que compõem o sistema de medição, isto é, na seqüência natural de utilização. Como para a operação da ferramenta proposta por este trabalho são necessários os dados referentes ao sinal interferente, é necessário obter uma amostra da corrente de entrada do equipamento a partir da qual a EMI conduzida será avaliada Os dados para simulação. Os dados para processamento no software podem ser obtidos por captura da forma de onda real através de um osciloscópio digital e uma ponteira sensora de corrente. Além desta forma de obter dados, foi acrescentada ao software a possibilidade de simular a corrente de entrada dos principais conversores utilizados como préreguladores de fator de potência utilizando a metodologia de projeto descrita por Albach [4] e Dos Reis [5]. 65

66 Estes circuitos simulam a corrente de entrada com base em dados que são fornecidos pelo usuário, como a tensão de entrada e a potência do conversor Ensaio para aquisição de dados reais da corrente em um equipamento. Os dados de um equipamento submetido a um ensaio de EMI conduzida através da ferramenta proposta devem ser obtidos com o auxílio de uma ponteira de corrente juntamente com um osciloscópio digital. Os dados da corrente de um período deverão ser gravados em disco flexível, opção comum nos atuais osciloscópios digitais. Os dados gravados no disquete devem estar em formato de planilha, para que possam ser recuperados pelo software, que reconhece os dados automaticamente. Na prática a captura dos dados é executada através do ensaio que é realizado da seguinte forma: Inicialmente os condutores de entrada do equipamento devem estar acessíveis, isto é, deve ser possível conectar a ponteira de corrente em qualquer um dos dois condutores de forma independente; Recomenda-se construir um dispositivo de adaptação que separe os condutores, obedecendo a padronização internacional de cores para a isolação dos condutores em equipamentos, citada por exemplo na Norma IEC [8] e na Norma IEC 60950[9]. Esta padronização está resumida na Tabela 6; CONDUTOR Terra Neutro Fase COR UTILIZADA NA ISOLAÇÃO DE CONDUTORES Verde ou verde e amarelo Azul Qualquer outra cor exceto as cores azul, verde ou verde e amarelo Tabela 6 Padronização de cores para isolação de condutores em equipamentos. Coloca-se a ponteira de corrente em um dos condutores de alimentação e no osciloscópio; O equipamento em ensaio deve ser posicionado na situação mais próxima do modo normal de utilização; 66

67 Ajustar o osciloscópio para enquadrar um período da freqüência de rede de alimentação, ou seja 60Hz; A amostra de corrente é congelada e transferida para um disco flexível num arquivo de pontos em formato de tabela; Desta forma os dados reais de um ensaio estarão prontos para serem processados através da ferramenta proposta Dados obtidos através de simulação. Como já foi citado anteriormente, outra forma de obter-se os dados relativos a corrente de entrada seria por simulação dos conversores utilizados como préreguladores de fator de potência. Estes circuitos simulam a corrente de entrada com base em dados que são fornecidos pelo usuário, como a tensão de entrada, tensão de saída, freqüência de operação e a potência do conversor. A grande vantagem de poder simular os conversores está no fato de possibilitar o estudo do comportamento destes circuitos frente a EMI conduzida, antes da construção de um protótipo. Os conversores fornecidos no software como opções de simulação de dados para avaliação da EMI conduzida são topologias clássicas operando como PFP [5]. Estas topologias são: Elevador; Redutor; Sepic; Zeta; Redutor-elevador. Para demonstrar o processo de simulação da corrente de entrada dos conversores, os componentes que compõem o circuito, de forma geral serão considerados como ideais. O estudo será feito com o conversor Elevador, cujo circuito está apresentado na Figura 34. Na seqüência serão apresentadas as etapas de funcionamento pertinentes a este circuito, que possibilitarão o equacionamento da corrente de entrada. 67

68 A primeira etapa de funcionamento inicia-se quando o transistor entra em condução e a corrente i g (t) cresce linearmente. Nesta etapa o diodo D está bloqueado e a tensão sobre o diodo é a própria tensão de saída (V) e a corrente de entrada é descrita pela equação (17). d ig (t) vg (t)= L dt vg(t)(t - t1i ig (t)= L ) +i g ( t 1i ) (17) Onde, t 1i é o instante de tempo inicial. Ig Id + L D + Ve Vg C R + V Figura 34 Conversor Elevador. A Segunda etapa de funcionamento inicia quando o transistor entra em bloqueio e o diodo D é diretamente polarizado. Nesta etapa a tensão sobre o transistor é igual a tensão de saída e a corrente sobre o diodo é igual a corrente de entrada i g (t) que é representada pela equação (18). ( vg (t) -V ) ig (t)= id (t)= (t - t2i )+ig( t L Onde, t 2i caracteriza o instante de tempo onde o transistor é bloqueado. 2i ) (18) 68

69 Como a corrente i g (t 2i ) representa a corrente no instante em que o transistor é bloqueado, então substituindo-se a equação (17) na equação (18), a corrente na segunda etapa de funcionamento do conversor fica: ( vg (t) -V ig (t)= id (t)= L ) (t - t 2i vg (t)( t )+ L 2i - t 1i ) +i g ( t 1i ) (19) A terceira e última etapa inicia quando o diodo D entra em bloqueio, ocorrendo quando a corrente i d (t) se anula, caracterizando o modo de condução descontínuo que pode ser observado na Figura 35, bem as etapas descritas anteriormente. i g i g máx t cond t bloq T Figura 35 Etapas da corrente em um período de alta freqüência. Com as etapas de funcionamento bem caracterizadas, é possível obter os coeficientes a n e b n., e conhecer o espectro harmônico da corrente de entrada i g (t). Aplicando as equações das etapas do conversor na equação (3) obtém-se a n, que está apresentado na equação (20) e aplicando as mesmas equações da corrente do conversor na equação (4) obtém-se b n, que está apresentado na equação (21). 69

70 a n = 2 nωτ I i=1 ( sen nω t 3i i g ( t 1i vg ( t )+ L 1i ) ( t 3i - t 1i V )+ L ( t 2i - t 3i ) - i g ( t 1i ) sen nω t 1i + vg ( t1i ) -V n ω L cos nω t 3i (20) vg ( t1i ) - cos nω t nωl 1i V + cos nω t nωl 2i ) 2 bn= nωτ I i=1 ( - cos nω t 3i i g ( t 1i vg( t )+ L 1i ) ( t 3i - t 1i V )+ L ( t 2i - t 3i ) +i g ( t 1i ) cos nω t 1i + vg( t1i ) -V nωl sen nω t 3i (21) vg( t1i ) - sen nω t nωl 1i V + sen nω t nωl 2i ) Nas equações (20) e (21), observa-se que a variável L é fundamental para que seja possível obter os harmônicos. O valor de L depende do modo de condução que será utilizado, assim para o modo de condução contínua do Conversor Elevador será utilizada a equação (22). 2 V g T L= 2 P δ Onde: V g é a tensão de entrada; T é o período de comutação em alta freqüência; P é a potência do conversor; δ máx, mostrado na equação (23), é a relação entre o ripple de corrente ( i) e a corrente média de entrada (i gmed (t)), que é obtida através da equação (24): m x (22) δ max = i i (t) g med (23) t 4i 1 ig (t)= ig (t) dt med T (24) t1i 70

71 Para garantir a operação do Conversor Elevador em modo contínuo, (δ máx ) deverá ser inferior a dois: δ má x < 2 (25) Os demais conversores básicos como o Redutor que está na Figura 36, o Zeta na Figura 37, o Sepic na Figura 38 e conversor Redutor-elevador na Figura 39, foram bem detalhados por Dos Reis [5], seguindo basicamente o mesmo princípio apresentado para obter-se o espectro harmônico para o conversor Elevador. Ig + L + Ve Vg I d D C R + V Figura 36- Conversor Redutor. + Ig C1 L2 + Ve Vg L1 I d D C2 R + V Figura 37 Conversor Zeta. 71

72 + Ig L1 C1 I d D + Ve Vg L2 C2 R + V Figura 38 Conversor Sepic. Ig Id + D + Ve Vg L C R - V Figura 39 Conversor Redutor-elevador 4.4 O funcionamento do software. O software foi desenvolvido na linguagem de programação Pascal, com auxílio da Ferramenta de Desenvolvimento Delphi Enterprise e bibliografia específica [20], para possibilitar a construção da ferramenta proposta de forma mais amigável. 72

73 O software inicializa com uma tela geral que pode ser vista na Figura 40, onde o usuário possui dois caminhos a seguir para simular a EMI conduzida: Importar dados externos, isto é, os dados obtidos através de um osciloscópio, cujo procedimento foi citado anteriormente; Escolher um dos conversores disponibilizados pela ferramenta. Quando o usuário opta por simular um dos conversores apresentados, basta seleciona-lo clicando na aba do menu de fichas. Ao selecionar o conversor, a janela apresenta campos com valores sugeridos, que poderão ser alterados pelo usuário, dentro de faixas pré-estabelecidas. Além de poder alterar e fornecer os dados de entrada e de saída para o conversor desejado, o usuário pode escolher a freqüência e o modo de condução em que o conversor operará. Os valores dos campos que forem alterados ou aceitos serão processados quando for clicado no ícone OK, apresentando uma outra tela com a configuração e os valores que o programa utilizará. Esta segunda tela é de confirmação, apresentada na Figura 41, a qual possibilita ao usuário retornar quando algum dos dados visualizados não estiver correto, basta clicar no ícone Retornar e corrigi-lo. Figura 40 Tela principal do software. 73

74 Se o usuário estiver de acordo com a configuração basta clicar no ícone Calcular harmônicos. Neste ponto o programa calcula os harmônicos da corrente de entrada do conversor selecionado, utilizando as equações pertinentes ao conversor, cujo processo para obtenção foi apresentado anteriormente através do conversor Elevador. Figura 41 Tela de confirmação de configuração. Após alguns segundos de processamento, que dependem da velocidade do microcomputador utilizado, o usuário poderá visualizar a forma de onda da corrente simulada, escolhendo na aba f(t) do menu de fichas. Quando o programa sinalizar a conclusão do cálculo dos harmônicos, os dados estarão prontos para serem simulados. O usuário deverá mover o mouse para o menu superior e clicar no item Simular, escolher a opção EMI e na seqüência selecionar entre a banda A ou banda B. Se for escolhida a opção Banda B, o usuário deverá optar pela Faixa 1 ou pela Faixa 2. Ver detalhe na Figura 42. As bandas e faixas estão melhor explicadas na seqüência: A Banda A é a opção para o cálculo da EMI Conduzida na faixa de freqüências que inicia em 9 khz e estende-se até 150 khz; 74

75 A Banda B é a opção para o cálculo da EMI Conduzida cuja faixa de freqüências inicia em 150 khz e estende-se até 1000 khz; A Faixa 1 é a opção para o cálculo da EMI Conduzida em uma subdivisão da Banda B, abrangendo a faixa de freqüências que inicia em 150 khz e estende-se até 500 khz; A Faixa 2 é a opção para o cálculo da EMI Conduzida em uma subdivisão da Banda B, abrangendo a faixa de freqüências que inicia em 500 khz e estende-se até 1000 khz; Figura 42 Detalhe das opções para simulação da EMI Conduzida. Se o usuário desejar obter o resultado das três faixas de freqüência em uma única janela, basta selecionar as faixas na seqüência, isto é, acionar o processamento da segunda faixa após o término do processamento da primeira faixa e acionar a terceira faixa após o término da segunda faixa. Após a escolha da faixa de freqüência desejada pelo usuário, confirmado com um clique sobre ela, o programa inicia o processamento da EMI Conduzida, exibindo o gráfico a medida que a interferência é calculada, Figura 43. Observa-se que na tela de apresentação gráfica aparecem três figuras, das quais, uma representa a EMI Conduzida gerada pelo equipamento em ensaio e as outras duas representam o limite de interferência permitido pela Norma Alemã VDE 0871, para equipamentos de classe A e B. 75

76 Figura 43 Tela gráfica com o resultado da EMI Conduzida. O processamento da EMI Conduzida é uma das etapas mais importantes do programa, cuja descrição com partes das rotinas e subrotinas está apresentada nos próximos itens: Quando a rotina principal do programa recebe o comando de processar a EMI Conduzida, uma subrotina é acionada para tal processamento; A subrotina responsável pelo cálculo da EMI Conduzida é apresentada a seguir:... Procedure Calcula_emi; Begin Inicializar_Var; While (Num_armonico <= Num_arm_max) do begin : : : : : : Subrotina para calcular EMI Conduzida; Início da subrotina; Inicializa variáveis; Laço principal; Condição para executar o processamento; Início; 76

77 Calcula_UN; Calculo_Final; Num_armonico := Num_armonico + incremento; end; end; : : : : Calcula tensão interferente; Simula interface de saída; Incrementa harmônico; Fim do laço principal; Fim da subrotina. Após a inicialização das variáveis, a subrotina que calcula a EMI Conduzida aciona o cálculo da tensão interferente; A subrotina Calcula_UN, primeiramente seleciona o harmônico de referência. A partir do harmônico de referência, são escolhidos os outros harmônicos filtrados de acordo com especificação da largura de banda indicada na Tabela 1. Os coeficientes X1, X2 e X3 são utilizados para simular a Rede Artificial, os quais são multiplicados com os harmônicos e então colocados nos vetores UN_Real[ki] e UN_Imag[ki] ; Estes dois vetores contém apenas os coeficientes que correspondem aos harmônicos em estudo, dois quais será extraída a tensão interferente, através da transformada inversa de Fourier ifft(amostras, UN_Real, UN_Imag, Itt_Out, Imag_Out) ; O subrotina utilizada para execução da Transformada de Fourier, transformada direta e inversa, é de domínio público, obtida na Rede Mundial de Computadores, no endereço: Procedure Calcula_UN; Begin m := 1; ki := Trunc(Num_armonico-Ko); While (m <= (2*ko)) do Begin X1 := ki*wln; X2 := (ki*ki*wln2r)+rdr; X3 := (ki*ki*wln2r2)+drr2; : : : : Calcula tensão interferente; Início; Referência para harmônico; Simulação da rede artificial; 77

78 UN_Real[ki] :=(X2/X3)*An[ki]+ (X1/X3)*Bn[ki]; UN_Imag[ki] := -(X1/X3)*An[ki]+ (X2/X3)*Bn[ki]; ki := ki + 1; m := m + 1; end; m := 1; ifft(amostras, UN_Real, UN_Imag, Itt_Out, Imag_Out); While (i <= (amostras-1)) do Begin UN[i] := Itt_Out[i]; Calcula_Demodulador; Calcula_incremento; i := i + 1; Calcula_quase-pico; end; end; : : : : : Variável para transformada rápida inversa de Fourier; Variável para transformada rápida inversa de Fourier; Chamada para a subrotina da Transformada inversa rápida de Fourier; Tensão interferente filtrada; Simulação do demodulador Incremento de tempo; Simula medidor de quasepico; A tensão interferente armazenada no vetor UN[i] é aplicada ponto a ponto na subrotina que simula o circuito demodulador, Calcula_Demodulador e no circuito medidor de quase-pico Calcula_quase-pico, onde é acumulado o somatório da tensão UW na variável integral ;... Procedure Calcula_Demodulador; begin UD := UDk * Exp(-((TT-tk)/TALd)); if(un[i] >= UCD)then begin UD := R12D * UN[i]; UDk := UD; tk := TT; : Simula o circuito demodulador. 78

79 end else begin UD := R12D * UCD; UDk := UD; tk := TT; end; UCD := UD/R12D; end; Após todos os pontos do vetor da tensão interferente serem processados, o software passa para a subrotina Calculo_Final, onde o valor da interferência é obtido em db/µv.... Procedure Calcula_Incremento; begin dt := (1.0/Varial1.Fr_fft)/amostras; TT := TT + dt; end; : Calcula o incremento de tempo utilizado.... Procedure Calcula_quase-pico; begin UWA := UW; UW := ((dt*((1.0/tal1)- (1.0/TAL2)))*UD)+ (UWA*(1.0-(dT/TAL1))); UWI := UW; if (UD < UWA) Then UW := UWA * (1-(dt/TAL2)); if (UD < UWI) Then UW := UWA * (1-(dt/TAL2)); Integral := Integral + UW; end; : : Simula o circuito medidor de quase-pico; Armazena somatório da tensão UW; 79

80 ... Procedure Calculo_Final; begin Fq[j]:= Num_armonico * Fr_fft; Integral := Fr_fft * dt * Integral; db[j] :=20 * log10(integral* ); j := j + 1; end; : : : Calcula a tensão interferente em db/µv. Integra a tensão interferente. Transforma em db/µv. Quando a subrotina Calculo_Final é concluída, significa que um harmônico selecionado foi processado; No menu de configurações, a variável erro pode ser ajustada para uma menor ou maior aproximação do valor real da simulação, além de possibilitar o aumento do incremento do número dos harmônicos, possibilitando uma simulação de menor precisão e mais rápida; O tempo de processamento depende da variável erro, pois se a precisão desejada for muito grande, o número de iterações que serão realizadas nas rotinas que simulam os circuitos demodulador e o detector de quase-pico serão muitas; A subrotina Calcula_UN incrementa a variável Num_armonico, deslocando a janela do filtro em mais um harmônico; O processo é repetido até que a variável Num_armonico seja igual ao número máximo de harmônicos desejados; O resultado da simulação é apresentado a medida que é calculado. 4.5 Resumo. Neste capítulo foram apresentados os equipamentos e circuitos que fazem parte do sistema de medição de EMI Conduzida A Rede Artificial e o Receptor de EMI foram tratados a nível de modelamento matemático com detalhamento dos circuitos e atapas, levando em conta os aspectos necessários para o processo de simulação. Após o estudo dos modelos foram apresentados os meios para a obtenção dos dados necessários para a simulação e o funcionamento da ferramenta proposta por este trabalho. 80

81 5 COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DA FERRAMENTA PROPOSTA. 5.1 Introdução. Este capítulo é dedicado a comprovação experimental da ferramenta desenvolvida para a realização de ensaios de EMI Conduzida de baixo custo, destinados para a pré-conformidade. Os ensaios práticos para a comprovação da ferramenta proposta foram realizados no LABELO (Laboratório Especializado em Eletro-eletrônica), pertencente a PUCRS, credenciado pelo INMETRO para calibração de instrumentos de medição e para ensaios em equipamentos eletro-eletrônicos. O LABELO possui ambiente com temperatura e umidade controladas e os instrumentos rastreados aos padrões do INMETRO. Os resultados obtidos com a ferramenta proposta serão comparados com os resultados de ensaios executados em um sistema montado de acordo com a Norma CISPR 16-2 [7], com equipamentos especificados pela Norma CISPR 16-1 [6]. O processo de validação da ferramenta proposta será composto pelas seguintes etapas: Levantamento da interferência básica do local de ensaio; Comparação de resultados de um sinal conhecido; Comprovação através de ensaio de um Conversor Elevador; Para possibilitar a comprovação, além de dispor do Analisador de Espectro do LABELO, foi necessário construir uma Rede Artificial, que é uma aportação deste trabalho. A construção desta Rede Artificial será apresentada detalhadamente no final deste capítulo, juntamente os resultados de sua validação. 5.2 Levantamento da interferência básica do local de ensaio. Antes de iniciar o ensaio em uma amostra, deve-se verificar o nível de ruído no local de ensaio. Esta verificação é feita com auxílio do Analisador de Espectro, que esta apresentado na Figura 44, da Rede Artificial, cujo construção esta detalhada no final deste capítulo e de uma carga resistiva com potência aproximadamente igual a do equipamento que será ensaiado. Neste trabalho foi utilizada uma lâmpada para verificação. Nos resultados da Figura 45, pode-se observar que o ambiente possui interferência, cujo valor mais alto está em torno de 55 db/µv, mas está abaixo dos 81

82 valores permitidos pela Norma. Tal interferência está na faixa de freqüências mais baixas, provenientes de harmônicos de baixa freqüência presentes no sistema da rede de alimentação. Este resultado indica que é possível realizar ensaios neste local. Figura 44 Analisador de Espectro para ensaios de EMC. Figura 45 Validação do ambiente de ensaio. 82

83 5.3 Comparação de resultados de um sinal conhecido. Após a validação do ambiente de ensaio, cujo processo foi apresentado no item anterior, são iniciados os ensaios de validação da ferramenta desenvolvida neste trabalho. Inicialmente um gerador sinais com uma freqüência em torno de 21 khz foi conectado à Rede Artificial que já estava devidamente conectada ao Analisador de Espectro (específico para ensaios de EMC). Neste caso a Rede Artificial funcionou como carga do gerador de sinais e o resultado obtido no Analisador de Espectro está na Figura 46. O espectro de freqüências analisado foi limitado entre 9 khz e 45 khz. As configurações do detetor de EMI do Analisador de Espectro e disposição da Rede Artificial foram mantidas como se fossem para um ensaio de EMI conduzida normal. Figura 46 Medição de um sinal conhecido com um medidor de EMI. Após a realização da medição com o Analisador de Espectro, o sinal do gerador foi capturado com o auxílio do osciloscópio e transferido para a ferramenta proposta, onde o sinal obtido foi simulado nas condições e configurações necessárias para um 83

84 ensaio de pré-conformidade. O resultado obtido na simulação está apresentado na Figura 47 e a comparação entre os resultados apresentados na Tabela 7 comprovam a equivalência entre Analisador de Espectro e a ferramenta proposta. Figura 47 Medição de um sinal conhecido com a ferramenta proposta. MÉTODO NORMA FERRAMENTA PROPOSTA RESULTADO 76,8 db/µv 77 db/µv Tabela 7 Comparação entre Analisador de Espectro e a Ferramenta proposta. 5.4 Comprovação através de ensaio de um Conversor Elevador Ensaio no Laboratório. Utilizando o processo de ensaio descrito anteriormente para validação do ambiente, a lâmpada de ensaio foi substituída por uma montagem didática de um Conversor Elevador. O Conversor Elevador, cuja montagem pode ser vista na Figura 84

85 48, foi alimentado pela Rede Artificial, cuja saída foi ligada ao Analisador de Espectro e que foi configurado para analisar a faixa de freqüências entre 9 khz e 150 khz, de acordo com os dados da Tabela 4 e da Tabela 5 (especificações estabelecidas pela Norma CISPR 16-1 [6]). Figura 48 Conversor elevador e ponteira de corrente. O resultado do ensaio realizado no Conversor Elevador está na Figura 49. Figura 49 Ensaio do Conversor Elevador. 85

86 5.4.2 Ensaio utilizando a ferramenta proposta. Após o término do ensaio com os equipamentos exigidos pela Norma IEC CISPR 16-1, o Conversor Elevador foi ligado nas mesmas condições e com o auxílio da ponteira de corrente ligada ao osciloscópio. Foi obtida uma amostra da corrente de entrada do Conversor em ensaio. A amostra de corrente foi simulada na ferramenta proposta e o resultado obtido para a EMI conduzida está apresentado na Figura 50. Figura 50 EMI obtida na ferramenta proposta para o Conversor Elevador Simulação do Conversor Elevador através da ferramenta proposta. A corrente de entrada do Conversor Elevador também foi simulada em módulo específico acrescentado à ferramenta para torná-la, não somente útil para a realização de ensaios, mas também para a realização de projetos. Os resultados da EMI Conduzida gerada pelo Conversor simulado estão apresentados na Figura

87 Figura 51 EMI obtida a partir da corrente Conversor Elevador simulado Comparação entre os resultados obtidos. A comprovação experimental da ferramenta proposta mais uma vez fica evidente, principalmente se for observado a comparação estabelecida na Tabela 8 para os resultados obtidos. INTERFERÊNCIA CONDUZIDA GERADA POR UM FREQÜÊNCIA CONVERSOR ELEVADOR (db/µv) (khz) MÉTODO DA NORMA FERRAMENTA PROPOSTA SIMULAÇÃO DO CONVERSOR ,2 113,2 113, ,4 115,5 113, ,6 111,2 110, ,3 109,3 105, ,4 95,8 Tabela 8 EMI Real e obtida por simulação para Conversor Elevador. 87

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