Guia Calidad 6-1-2 Puesta a Tierra - Compatibilidad Electromagnetica

Guía de Calidad de la EnergíaEléctrica

Puesta a tierra y CompatibilidadElectromagnética

Fundamentos de la CompatibilidadElectromagnética (EMC)

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esta a tierra & E

MC

6.1.2

Puesta a tierra y CompatibilidadElectromagnética

Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética(EMC)

Prof Dr rer nat Wolfgang LangguthHochschule für Technik und Wirtschaft

Mayo 2006

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de laEnergía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por

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Fundamentos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC)

Introducción

En el pasado, la mayoría de los aparatos utilizados en las instalaciones eléctricas de los edificios convencionaleseran cargas lineales (motores de corriente alterna o continua, cargas resistivas, lámparas de filamento, etc.),que generaban ninguna o pocas interferencias entre los diferentes equipos. Actualmente muchas de lascargas utilizadas son no-lineales (motores de corriente alterna accionados por inversores, lámparas dedescarga, lámparas de bajo consumo, etc). Estos dispositivos producen un ruido de banda estrecha (debido aque se conmutan a frecuencia fijas superiores a 9 kHz), que puede extenderse por toda la red. Habitualmenteeste tipo de interferencia conducida se produce en las fuentes de alimentación de modo conmutado (queoperan en el rango de 10 kHz a 100 kHz). Al mismo tiempo se puede observar un aumento en el uso desistemas digitales, tales como equipos informáticos para la gestión de instalaciones técnicas y para sistemasde automatización de procesos industriales, aplicaciones multimedia y para usos comerciales.

Por una parte, los sistemas de alimentación de energía se hacen cada vez más potentes, lo cual puedegenerar interferencias electromagnéticas (EMI); por otra parte las redes digitales están expandiéndose,haciéndose más sensibles, funcionando a velocidades de transferencia de datos cada vez mayores y seutilizan cada vez más para tareas relacionadas con la seguridad. Este desarrollo exige, por tanto,instalaciones eléctricas de alta calidad en todos los edificios en los que la falta de compatibilidadelectromagnética pudiera provocar elevados costes o una disminución inaceptable de los niveles deseguridad.

Básicamente todos los componentes eléctricos conductores de los edificios y de las instalacionesdesempeñan algún papel en la interferencia electromagnética, sea como productores (transmisores deEMI) o como consumidores (receptores de EMI). Además de los conductores eléctricos están las tuberíasmetálicas, las barras de refuerzo del hormigón, las fachadas de metal y los elementos estructurales de acero,que también pueden formar parte de la instalación en lo que respecta a EMC y trasmitir las interferenciaselectromagnéticas. Con frecuencia aparecen instalaciones que pueden actuar simultáneamente comoproductoras y como consumidoras. En general los diversos sistemas pueden comprender:

◆ Líneas de suministro eléctrico.

◆ Dispositivos de medición y control.

◆ Dispositivos de alarma.

◆ Instalaciones informáticas, incluidas las redes.

Una instalación inadecuada, combinada con una instalación TN-C, permite que las señales de ruido sepropaguen por todo el edificio y que, incluso, lleguen a afectar a otros edificios situados en las inmediacionesde la instalación.

La Comunidad Europea ha tomado conciencia de la creciente importancia que presenta la CompatibilidadElectromagnética. Según la directiva de EMC de la Unión Europea 89/336/EEC (modificada por las directivas91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC y 93/97/EEC), cualquier instalación eléctrica de un edificio deberespetar también las normas internacionales de EMC sobre susceptibilidad y emisión. La persona opersonas responsables del diseño, realización técnica y construcción (montaje y edificación) se conviertenen ‘fabricantes’ según la directiva y asumen la total responsabilidad sobre el cumplimiento por lainstalación de todos los requisitos de esta directiva cuando el edificio sea puesto en servicio.

Para incorporar a un edificio una instalación eléctrica, segura en términos de EMC, fiable y económica, esabsolutamente necesario llevar a cabo un análisis de EMC y desarrollar un plan de EMC desde la fase inicialde planificación del proyecto. Para ello es necesario que todas las instalaciones eléctricas sean supervisadasy ejecutadas por personal adiestrado en la EMC.

El propósito de este capítulo es proporcionar una visión general y facilitar un conocimiento básico delos principales principios físicos de las interferencias electromagnéticas y ofrecer una introducción a los

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principios de la atenuación de los efectos perturbadores. De este modo se conseguirán comprenderfácilmente las medidas necesarias para conseguir una instalación que satisfaga las normas de la EMC.

Los campos como fuente fundamental de las interferenciaselectromagnéticas

La compatibilidad electromagnética (EMC) describe la capacidad de una máquina, aparato o sistemaeléctrico o electrónico de funcionar sin problemas en un entorno electromagnético perturbador sinperjudicar, a su vez, el funcionamiento de otros componentes del sistema.

Las fuentes fundamentales de cualquier interferencia electromagnética (EMI) son los campos y corrientes básicosde la electrodinámica. A bajas frecuencias los campos eléctricos y magnéticos actúan independientemente,mientras que a altas frecuencias sólo es de importancia el campo electromagnético que se propaga.

En baja, media y alta frecuencia los campos electromagnéticos los generan las corrientes y las cargaseléctricas. En baja frecuencia los campos eléctricos y magnéticos tienen un alcance relativamente corto, yaque su intensidad decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente, porlo que se concentran en las proximidades de las líneas conductoras que transportan alguna corriente oestán en tensión.

Como en una instalación eléctrica el campo eléctrico es proporcional a la tensión, sólo será suficientementefuerte para provocar efectos EMI a cierta distancia en las proximidades de las instalaciones de alta tensión.No obstante, en la mayoría de las instalaciones los campos eléctricos no desempeñan un papel importante.Sin embargo, a distancias cortas, como es el caso de cables que discurren juntos por canalizacionescomunes, se debe tener en cuenta el campo eléctrico como posible fuente de EMI.

El campo magnético es proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica. En muchos sistemas desuministro de energía las corrientes pueden alcanzar valores bastante elevados, de forma que los camposmagnéticos pueden ser fuertes y el riesgo de que se produzcan efectos de EMI es grande. Esto esparticularmente previsible en una instalación de tipo TN-C. Debido a la combinación del conductor neutro(N) y el conductor de protección (PE) de la toma de tierra en un conductor PEN, y las consecuentesconexiones a otras partes conductoras del edificio, las corrientes pueden alcanzar cualquier zona de éste ylos campos magnéticos resultantes pueden producir efectos EMI casi en cualquier parte. Dado que partede la corriente de retorno del neutro fluye por partes metálicas ajenas, la suma de corrientes en la red TN-C propiamente dicha está desequilibrada y el campo magnético neto de la red se incrementa en variosórdenes de magnitud.

Los terminales informáticos del tipo de tubos de rayos catódicos se perturban fácilmente (parpadeo de lapantalla) por la presencia de campos magnéticos del orden de 1,5 mT. Un campo como éste puede procederde una línea eléctrica única que transporte una corriente de 10A a 50 Hz y que se encuentre a una distanciade 1.3 metros. Los terminales informáticos de este tipo de tubos de mayores dimensiones (>17 pulgadas)son aún más sensibles a los campos magnéticos externos. Si las corrientes de la línea eléctrica tienencomponentes de frecuencia mayores, los campos magnéticos tendrán unos efectos aún más pronunciados.

A altas frecuencias los campos eléctricos y magnéticos se combinan para constituir un campo electromagnético,que viaja por el espacio a la velocidad de la luz. Consecuentemente se pueden producir perturbaciones adistancias mucho mayores. Fuentes típicas de estos campos electromagnéticos son actualmente losemisores de radar, de radio y de TV, los teléfonos móviles, los teléfonos DECT, las redes inalámbricas(WLAN), las conexiones Bluetooth© y las instalaciones industriales que trabajan en el rango de frecuenciasde las microondas. Sin embargo, también los cables eléctricos puede actuar como antenas y propagarcualquier señal de alta frecuencia que esté presente en la red de forma intencionada (p. ej. comunicacionespor línea eléctrica) o inadvertida (p. ej. regímenes transitorios rápidos). Para inmunizar las instalacioneseléctricas contra los campos electromagnéticos se debe realizar un cuidadoso estudio, diseño e instalaciónde las medidas de apantallamiento.


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Tipos de acoplamientos electromagnéticos

Modelo elemental de acoplamiento de EMI

Para describir el mecanismo de una interferencia electromagnética lo más fácil es empezar con un modelomuy sencillo. Consiste en una fuente que produce la interferencia, un mecanismo o medio deacoplamiento y el dispositivo perturbado.

Figura 1 - Modelo elemental de acoplamiento de EMI

Ejemplos de fuentes de perturbaciones son, como se ha mencionado anteriormente, las líneas de los sistemasde distribución eléctrica, las antenas de los sistemas LAN inalámbricos, etc. El acoplamiento se produce através de la corriente si conductores comunes a diferentes circuitos son afectados por campos eléctricos,magnéticos o electromagnéticos. Los dispositivos perturbadores pueden ser aparatos de cualquier tipo ocualquier parte de la instalación eléctrica. Naturalmente, la interacción electromagnética completa de todaslas instalaciones de un edificio o instalación es una combinación muy compleja de estas interaccioneselementales. Además, cualquier dispositivo consumidor puede actuar también como fuente de EMI, y viceversa.

Durante la fase de planificación de una instalación nueva o remodelada se debe elaborar un cuadro en elque se incluyan todas las fuentes, rutas de acoplamiento y posibles elementos perturbadores. Con la ayudade este cuadro, se estimará la posible intensidad de las interferencias mutuas para determinar quéperturbaciones EMI pueden producirse y cuáles pueden ser importantes. Sólo sobre la base de un cuadrode interacción de las EMI se pueden planificar desde el inicio aquellas contramedidas que aseguren unapuesta en servicio rápida y económica.

Se pueden distinguir cuatro tipos diferentes de interferencias electromagnéticas (EMI) elementales:

◆ Acoplamiento impedante

◆ Acoplamiento inductivo

◆ Acoplamiento capacitivo

◆ Acoplamiento por radiación

Las propiedades físicas básicas de los diferentes métodos de acoplamiento se resumen en la tabla siguiente:

Tabla 1 - Propiedades elementales de los tipos de acoplamiento de interferencias electromagnéticas (EMI)

Los fenómenos perturbadores preponderantes en los edificios se deben al acoplamiento inductivo, seguidodel capacitivo y del impedante. En general, el acoplamiento por radiación no ha sido importante hastaahora, ya que las intensidades de los campos EM presentes normalmente están muy por debajo de losvalores límite requeridos para las pruebas de susceptibilidad de la directiva de EMC de la UE. No obstante,el uso cada vez más frecuente de dispositivos inalámbricos puede, en el futuro, llegar a producir unaumento de los fenómenos de EMI debidos a esta fuente.

Fuente Dominio de frecuencia Acoplamiento Alcance Receptores

Campo eléctrico Baja frecuencia Capacitivo Corto Cables de a.t. y b.

Campo magnético Baja frecuencia Inductivo Corto Cables de a. y b.t.

Campo electromagnético Alta frecuencia Por radiación Largo Cables de a. y b.t.


Fuente de perturbacioneselectromagnéticas (EM)

Mecanismo de acoplamiento Drenaje de la perturbación EM

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Acoplamiento por impedancia

El acoplamiento galvánico se produce cuando diferentescircuitos utilizan líneas comunes y/o impedancias deacoplamiento. Esto puede suceder, por ejemplo, cuandocircuitos diferentes utilizan la misma fuente de tensión. Elprincipio subyacente del acoplamiento por impedancia sepuede ver fácilmente en la Figura 2.

El circuito I puede formar parte de una red de suministroeléctrico y el circuito II puede ser parte de una red detransferencia de datos. La tensión uc se superpone a laseñal u2 debido a la impedancia del acoplamiento comúnZc = Rc + j�Lc . Para valores pequeños de Zc �Zi + ZL vienedada por:

Si la corriente i1 y/o la impedancia de acoplamiento Zc son bastante grandes, la tensión superpuesta, uk,puede ser lo suficientemente grande, comparada con la señal u2, para perturbar el circuito de datos.

La impedancia de la línea compartida está formada por las componentes resistiva e inductiva, Zc (�)= Rc + j�Lc .Mientras que la parte resistiva del acoplamiento es del mismo valor para todas las frecuencias(despreciando el efecto pelicular), la parte inductiva es de una importancia creciente con las altasfrecuencias. Para explicarlo brevemente nos fijaremos en el modelo siguiente:

Figura 3 - Modelo simplificado de un acoplamiento impedante

La tensión perturbadora udist, desarrollada a través de Zc , se superpone a la señal de la unidad 2 y dependede la corriente i(t) y también de su variación con respecto al tiempo di(t)/dt. En un modelo simplificado latensión perturbadora puede estimarse por medio de:

(2)

Si escogemos unos parámetros realistas para nuestromodelo: (longitud de la línea l=2 m, autoinductancia

Lc=1�H/m, resistencia Rc=1�, corriente i=1A y una variación de corriente en el tiempo di/dt=1A/100 ns),obtenemos las siguientes contribuciones para el acoplamiento galvánico:

(3)


Unidad 1

Unidad 2

(1)Figura 2 - Acoplamiento impedante

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A altas frecuencias la autoinducción de las líneas desempeña claramente un papel preponderante. Estosigue siendo cierto incluso si se hubiera tenido en cuenta el aumento de la resistencia aparente de la líneadebida al efecto pelicular, que no es despreciable para regímenes transitorios rápidos y señales digitales.

De acuerdo con las leyes de Kirchhoff, las señales perturbadoras pueden propagarse por la instalación detodo un edificio e incluso llega a afectar a instalaciones de complejos vecinos. Para reducir al mínimo elacoplamiento galvánico será necesario evitar las conexiones entre sistemas independientes y, en los casosen que sean necesarias, mantener su autoinductancia tan baja como sea posible. Generalmente eldesacoplamiento galvánico de circuitos de alimentación eléctrica se puede conseguir más fácilmentecuando se utiliza un esquema TN-S en lugar del esquema TN-C.

Acoplamiento Inductivo

Una corriente externa que varía con el tiempo i1(t) genera un campo magnético B(t), que induce unatensión perturbadora udist(t) en un circuito próximo. En un circuito equivalente esto se puede describircomo un acoplamiento de ambos circuitos a través de una inductancia de acoplamiento M. La tensiónudist(t) genera una corriente común i2(t) que, a su vez, genera por sí misma un campo magnético paradebilitar el campo externo. La corriente i2(t) se superpone a las corrientes del sistema perturbado y puedeintroducir anomalías en el sistema. El acoplamiento de los campos magnéticos de los diferentes sistemaspuede representarse por un circuito equivalente por medio de inductancias mutuas de los circuitosacoplados (Figura 4).

Figura 4 - Acoplamiento inductivo a) modelo del campo, b) circuito equivalente

La relevancia del acoplamiento depende principalmente de tres parámetros:

◆ la intensidad de la corriente perturbadora

◆ la distancia entre la fuente y el receptor

◆ la frecuencia del campo perturbador

La señal perturbadora se hace grande y significativa si:

◆ las corrientes de los circuitos exteriores son grandes

◆ las corrientes de una línea con ida y retorno están desequilibradas (como ocurre en una red TN-C)

◆ los circuitos están muy próximos y cubren un área grande

◆ las señales del circuito externo varían rápidamente en el tiempo y por tanto tienen un contenido dealta frecuencia

Sin embargo, el acoplamiento inductivo también puede ser útil para controlar una perturbación. Si lainstalación de bandejas de cables y de cables coaxiales se hace correctamente (es decir, se conectanadecuadamente con conexiones cortas de una baja impedancia incluso a altas frecuencias), esto facilita el

a) b)

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apantallamiento de los cables (a través del acoplamiento inductivo) contra campos magnéticos externos,especialmente a altas frecuencias.

Dependencia geométrica del acoplamiento inductivoLa sensibilidad de un acoplamiento inductivo con respecto al tipo de red eléctrica y a la geometría de lainstalación se puede demostrar por medio del ejemplo siguiente. Las conclusiones son importantes paralas instalaciones con compatibilidad EMC.

Consideremos dos circuitos, una línea unifilar y una línea bifilar con ida y su retorno, y calculemos la influenciade ambos sistemas sobre un circuito representado por medio de una malla rectangular situado a una distancia r.

Se puede calcular exactamente el campo magnético de cada configuración:

El campo magnético es proporcional a la corriente i(t). Sin embargo, mientras que el campo de la líneaunifilar decrece de forma inversamente proporcional a la distancia, el campo de una línea con ida y retornodecrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Esto significa una dependenciadel acoplamiento inductivo con la distancia radicalmente distinta para cada modelo de red. Estecomportamiento del campo magnético y del acoplamiento inductivo por unidad de longitud se muestra enla Figura 6. Se ha escogido una corriente i(t) de 1A y una distancia a = 1,5 mm.

Figura 5 - a) Una línea unifilar y una línea con retorno, como generadoras de uncampo magnético, b) un circuito eléctrico receptor de interferencias

El campo magnético de la línea con ida y retorno equilibrados es dos órdenes de magnitud menor y decaemás rápidamente que el de una línea unifilar. Lo mismo puede decirse de la inductancia de acoplamiento.La dependencia de la inductancia de acoplamiento con la superficie del bucle rectangular es bastantesimilar a la representada en la Figura 6b. Este ejemplo nos proporciona el conocimiento más elemental dealgunas “reglas de oro” de una instalación eléctrica con compatibilidad EMC:

◆ Mantener la superficie de cualquier instalación eléctrica tan pequeña como sea posible.

◆ Alejarse todo lo posible de las líneas con corrientes elevadas.

◆ Separar las líneas de energía de las líneas de datos.

◆ Utilizar sólo redes del tipo TN-S.

a) b)

Circuitoeléctrico

perturbado

Flujomagnético

Línea de conductorúnico o incluyendo

ida y retorno

(4)donde

7

Figura 6 - a) campo magnético de una línea unifilar y de una línea con retornob) acoplamiento inductivo por unidad de longitud de un bucle con una línea unifilar o bifilar

con ida y retorno

Sólo los esquemas de distribución TN-S son adecuados para la EMC. En los esquemas TN-C puedenaparecer corrientes desequilibradas, por lo que una red TN-C genera el mismo campo magnético que unalínea unifilar que transportara la corriente desequilibrada. Para una misma geometría de la instalación lacorriente desequilibrada genera un campo magnético al menos dos órdenes de magnitud mayor que el deuna red TN-S.

Dependencia del acoplamiento inductivo con la frecuenciaEl comportamiento del acoplamiento inductivo respecto a la frecuencia proporciona un valiosoconocimiento sobre cómo se puede realizar una instalación eléctrica para conseguir una protecciónóptima contra las perturbaciones externas de alta frecuencia. Una vez más consideramos un modeloidealizado experimental similar al representado en la Figura 5b. La Figura 7 muestra el circuito equivalentede un pequeño bucle de autoinductancia L2 y resistencia R2 que está influida por una línea externa quetransporta una corriente i1(t) y cuya inductancia de acoplamiento es M.

Figura 7 - Circuito equivalente para un acoplamiento inductivo

Si consideramos corrientes de una frecuencia determinada �, i1,2 (t) = i1,2 (�)e j�t, la función de transferenciade la corriente perturbadora i1 (�) y la corriente inducida i2 (�), se puede calcular exactamente para unmodelo sencillo, obteniéndose la función de transferencia de la Ecuación 5:

Para comprender lo que significa esta fórmula en una instalación real, consideremos un bucle cerrado deuna longitud l = 0,3 m y una anchura de � = 0,1 m, situada a una distancia d = 2 mm de la línea quetransporta la corriente perturbadora. Como valor de la resistencia interna tomamos R2 = 50 �. En esteejemplo se pueden calcular la autoinductancia y la inductancia mutua, que son L2 = 0.9 �H y M = 0.2 �H.La magnitud de la corriente perturbadora por unidad de la corriente externa i2 (�)/ i1 (�) se muestra en laFigura 8 siguiente.


Línea unifilar

Línea bifilar con retorno

Línea unifilar

Línea bifilar con retorno

a) b)

(5)

8


Figura 8 - Estudio del caso de la función de transferencia de la corriente

La corriente perturbadora i2 aumenta con la corriente externa i1 y con su frecuencia. A frecuencias bajasaumenta de forma proporcional a �, mientras que a frecuencias altas i2 alcanza su valor de saturación. Estevalor de saturación está limitado por la relación M/L2. Para reducir al mínimo los efectos de la EMI(interferencia magnética), una instalación con compatibilidad EMC deberá reducir al mínimo lainductancia muta M y aumentar al máximo la autoinductancia L2 del circuito acoplado.

Como las perturbaciones rápidas tienen mayor contenido de altas frecuencias elevadas, generan mayorperturbación. Esto puede verse en la Figura 9, donde se muestra la corriente perturbadora calculadaresultante de una corriente de forma de onda trapezoidal, que representa una señal digital.

Figura 9 - Acoplamiento inductivo de unas corrientes trapezoidales, lenta y rápida

En la Figura 9 se puede ver que la corriente perturbadora alcanza más del 10% de la amplitud de la corrienteexterna lenta y más del 15% de la amplitud de la rápida. Estos elevados valores son consecuencia de losreducidos tiempos de conexión de las señales digitales. Altos valores similares se pueden presentar encualquier proceso de conmutación electrónica, como en los reguladores de control de ángulo de desfase.La conmutación del regulador se puede representar como el comienzo de la señal trapezoidal. Lacontribución del resto de la señal de 50 Hz es despreciable.

Hasta ahora hemos considerado el bucle cerrado como un receptor de interferencia electromagnética. Eneste caso deben optimizarse sus propiedades eléctricas para reducir al mínimo la corriente perturbadorai2(t). La propiedad de las corrientes inducidas i2(t) de generar un campo magnético que debilita el campoexterno, también puede utilizarse para apantallar sistemas internos eléctricos o electrónicos sensibles. Eneste caso los parámetros eléctricos del bucle cerrado se deben escoger de forma que se optimice lacorriente que genera el contra-campo i2(t) y se reduzca al mínimo el flujo magnético neto a través del buclecerrado. Ejemplos prácticos de esta aplicación son las pantallas conductoras de cualquier cable apantallado, las

( ) 1,, 21

22

22 -==

+=F jjsi

sLR

MRiloop w

�

i1(t)

i2(t)

i(t) i2(t)

t

t

9

bandejas de cables, las almas de los cables no utilizados, etc. El flujo magnético neto a través de lasuperficie de nuestro bucle cerrado se puede calcular como:

Puede observarse que el flujo magnético neto se reduce al mínimo para valores pequeños de R2. Laspropiedades de apantallamiento de nuestro modelo de bucle de cortocircuito, para diversos valores de R2se muestran en la Figura 10.

Figura 10 - Eficacia del apantallamiento de un bucle en cortocircuito para distintos valores de la resistencia R2

La eficacia del apantallamiento aumenta drásticamente según disminuye la resistencia del bucle encortocircuito. Aquí se muestra para valores de R2 = �, 500, 50, 5 �.

De este resultado se deducen importantes reglas para las instalaciones en edificios. Todas las conexiones delos sistemas de apantallamiento, tales como conductos de cables, canales, armarios de cableado, etc.,deben ser de baja resistencia a altas frecuencias. Debido al efecto pelicular, la resistencia de un conductoraumenta con la frecuencia de la señal. Por lo tanto, se debe elegir la geometría de los conductores de formaque se reduzca al mínimo su resistencia aparente a altas frecuencias. La geometría de conductor óptimaes la de una tira plana, tanto maciza como trenzada, en la que el área de la superficie es grande y el espesor espequeño. No son los más adecuados los conductores normales de sección circular.

Naturalmente un bucle de cortocircuito sólo funciona eficazmente como dispositivo de apantallamiento sila corriente protectora puede fluir y no hay desconexión en el bucle cortocircuitado. Los apantallamientosdeben estar conectados a tierra en ambos extremos para permitir el flujo de la corriente de apantallamientosin interrupciones.

Acoplamiento capacitivo

La variación en el tiempo del campo eléctrico de un sistema externo genera en el sistema perturbado cargasque varían con el tiempo. El flujo del desplazamiento de las corrientes se puede representar con un circuitoequivalente a las corrientes parásitas, constituido por condensadores que enlazan los dos sistemas y generanlas tensiones perturbadoras.


(6)

� bucle

10


Figura 11 - Acoplamiento capacitivo a) modelo del campo, b) circuito equivalente

De forma similar al caso del acoplamiento inductivo, el acoplamiento capacitivo se hace mayor si:

◆ Los dos circuitos se encuentran muy próximos.

◆ La diferencia de tensión entre los dos circuitos es grande.

◆ Las señales del circuito externo varían rápidamente en el tiempo y por lo tanto poseen un elevadocontenido de alta frecuencia.

Como ejemplo, se pueden considerar los cables del circuito de una fuente de alimentación y del circuito deuna red de área local, que están muy próximos y paralelos entre sí en un tramo de 10 metros sobre unabandeja de cables. Si la corriente que circula por el cable de fuerza tiene una forma puramente senoidal a50 Hz y 230 V, la señal perturbadora en el cable de datos alcanza una amplitud de 10 V, lo cual podría seraceptable. Sin embargo, si la corriente que circula por el cable de energía tiene componentes de altafrecuencia, generados por cargas no lineales, la señal perturbadora en el cable de datos puede alcanzar unaamplitud de más de 90 V, lo cual sí podría provocar un bajo rendimiento y el mal funcionamiento de la redde área local.

Si los requisitos del cableado y del apantallamiento se planifican adecuadamente, y la instalación se realizacon cuidado, se pueden evitar este tipo de perturbaciones, o al menos se pueden reducir a un nivel tolerable.

Para abordar los aspectos más importantes del acoplamiento capacitivo, consideraremos de nuevo unmodelo elemental, que pueda ser resuelto analíticamente. El modelo consiste en dos circuitos que, porsimplicidad, utilizan una línea de retorno común. En la figura siguiente se muestra el circuito equivalentedel sistema.

Figura 12 - Acoplamiento capacitivo para un modelo de tres líneas

Las líneas a y c forman parte del sistema externo, las líneas b y c lo son del sistema perturbado. Si consideramosque las tensiones presentan una frecuencia definida �, u1,2 (t) = u1,2 (�)e j�t, para este modelo sencillo se puedecalcular exactamente la relación entre la tensión perturbadora u1� y la tensión acoplada u2�:

a) b)

11

Como valores de los parámetros del modelo tomaremos R2=1k�, Cab= Ccb=100 pF, que son valoresrazonables para cables paralelos de un diámetro de 1 mm, situados a una distancia de 5 mm a lo largo deuna longitud de 10 m, y una tensión externa u1=220 V. En la Figura 13 se muestra el comportamiento de u2dependiendo de la frecuencia y de la tensión capacitiva acoplada u1.

Figura 13 - Dependencia de la frecuencia de un acoplamiento capacitivo

El comportamiento de un acoplamiento capacitivo es muy similar al del acoplamiento inductivo. A bajasfrecuencias la tensión perturbadora u2 aumenta linealmente con la frecuencia de la señal perturbadora yalcanza un valor de saturación a altas frecuencias. De nuevo, las señales perturbadoras rápidas quecontienen componentes de alta frecuencia influyen de forma predominante sobre el circuito perturbado.La Figura 14 muestra la tensión acoplada de una onda senoidal de 220 V a 50 Hz y un regulador de controlde ángulo de desfase.

Figura 14 - Señales capacitivas acopladas para a) una onda senoidal de 50 Hz,b) un regulador de control de ángulo de desfase


(7)

a)

b) u(t)

t

u2(t)

u(t)

t

u1(t) = 220sin(100�t)(t-10-5)*[10-2]

u1(t) = 220sin(100�t)*[10-4]

u2(t)

12


La onda senoidal produce una señal perturbadora senoidal con una amplitud de unos 7 mV, que en lamayoría de los casos se puede despreciar. En cambio, el proceso de conmutación del regulador produce unpico de tensión de 110 V.

El acoplamiento capacitivo se puede reducir mediante la utilización de cables apantallados. En la figurasiguiente se muestra un esquema de un par de cables apantallados.

Figura 15 - Acoplamiento capacitivo de dos cables apantallados

Las pantallas conductoras S1 y S2 están conectados a un único punto del sistema. La dependencia de lafrecuencia de la tensión perturbada u2 es la misma que se indicaba en la Ecuación 7, pero donde:

Cab debe sustituirse por y Cbc por C34.

La tensión máxima, que puede acoplarse asciende a , lo cual muestra que unabuena conexión capacitiva C34 entre el conductor y el apantallamiento mejora la eficacia de la pantalla. Enla figura siguiente se muestra la eficacia de un cable apantallado frente a un pulso transitorio rápido paravarios acoplamientos capacitivos.

Figura 16 - Apantallamiento de un pulso súbito con pantallas de diferente capacidad interna de acoplamiento

Acoplamiento por radiación

Los campos electromagnéticos viajan por el espacio a la velocidad de la luz c = 2.998 x 108 m/s y puedenafectar las instalaciones eléctricas situadas en su proximidad o en lugares alejados de la fuente. Fuentestípicas de campos electromagnéticos son los transmisores de radio o TV, los teléfonos móviles o muchosotros tipos de aplicaciones inalámbricas. Las partes de alta frecuencia de las señales rápidas o deregímenes transitorios rápidos (descargas electrostáticas, sobretensiones, ráfagas de destellos) tambiénpueden provocar la irradiación de campos electromagnéticos por cables o por otras partes conductoras

S1

S2

C24

C13

C34

13


de la instalación eléctrica y pueden causar perturbaciones en los sistemas eléctricos de otras partes deledificio.

Si las perturbaciones en la red de suministro eléctrico o de datos contienen componentes de alta frecuencia,otros elementos de la instalación pueden actuar como antenas e irradiar los campos electromagnéticos. Eldipolo hertziano puede servir como modelo elemental para estimar la magnitud de estos campos radiados.Todas las partes conductoras de una instalación eléctrica pueden servir como antenas, incluyendo:

◆ Cables

◆ Aberturas y ranuras de cajas, cubículos, etc.

◆ Tiras impresas de regletas

Las aberturas y ranuras de las cajas de los equipos irradianperturbaciones hacia la zona circundante o hacia el interiordel recinto, perturbando así a otros objetos del entorno y/otransmitiendo campos electromagnéticos desde el exterior alos sistemas.

Como ejemplo podemos fijarnos en la descarga electrostáticade un cuerpo humano al entrar en contacto con una placametálica. El arco de la descarga electrostática no sólo transportauna corriente significativa, sino que también genera un campoelectromagnético, que puede alcanzar fácilmente una magnitud de campo de 0,5 - 4 kV a distancias inferioresa 1 m. Estos campos electromagnéticos pueden perturbar un sistema eléctrico que se encuentre en un recintoinadecuado a través de las propiedades de antena de las ranuras.

Los elementos conductores como los cables y las ranuras comienzan a radiar cuando su dimensión linealsupera aproximadamente la mitad de la longitud de onda. La longitud de onda y la frecuencia f de una ondaelectromagnética están relacionadas entre sí y con la velocidad de la luz a través de la relación: = c / f. Enla Tabla 2 se muestran algunos pares de valores típicos.

En la práctica, los armarios no pueden estar completamente cerrados. Aberturas tales como puntos deentrada de cables, ranuras de ventilación y huecos alrededor de las puertas y tapas son inevitables. Estasaberturas reducen el apantallamiento efectivo de cualquier recinto. Se puede conseguir un nivel aceptablede apantallamiento construyendo de forma inteligente los envolventes.

La magnitud de las pérdidas debidas a una discontinuidad en el apantallamiento depende principalmentede tres factores:

◆ de la máxima dimensión lineal de la abertura

◆ de la impedancia de la onda

◆ de la frecuencia de la fuente

Para ranuras de una longitud l = λ/2 la eficacia de un apantallamiento viene dada por:

La disminución de la longitud de la ranura en un factor 2 aumenta el apantallamiento en 6 dB. La Figura 17muestra la eficacia de apantallamiento para varias frecuencias según la longitud de la ranura.

f [MHz] [m]

0.1 3000

1 300

10 30

100 3

1000 0.3

Tabla 2 - Algunos valores defrecuencias y sus correspondientes

longitudes de onda

(8)

14


Figura 17 - Eficacia del apantallamiento de ranuras de distinta longitud en función de la frecuencia

En la práctica de las instalaciones, la longitud máxima de las ranuras debería ser menor que 1/20 de lalongitud de onda para garantizar una eficacia de apantallamiento de al menos 20 dB. De la Ecuación 8 o dela Figura 17 se puede obtener la longitud de ranura máxima correspondiente a la eficacia de apantallamientorequerida.

Las Interferencias Electromagnéticas complejas en la práctica

En el ámbito de las interferencias electromagnéticas, éstas se presentan como una compleja combinaciónde todos los tipos de acoplamientos elementales que hemos tratado en los apartados anteriores. Unejemplo sencillo de un sistema de automatización (Figura 18) muestra que todos los acoplamientos sonaplicables simultáneamente a un único sistema en contacto con su entorno.

Un sistema individual está integrado en una red de otros sistemas y juntos forman un sistema complejo deinterrelaciones mutuas de Interferencias Electromagnéticas. Para garantizar un funcionamiento correctode todo el conjunto en el proceso de planificación de edificios tanto nuevos como reformados se debeelaborar y evaluar lo que hemos denominado cuadro de compatibilidad electromagnética (EMC).

Figura 18 - Distintas vías de acoplamiento de un sistema de automatización

Camposelectromagnéticos

Entrada o salida de cablesde señalización

Bus de cablesde datos

Suministrode energía

Cables detoma de tierra

Sistema deautomatización

l= 1 cml= 5 cml= 10 cml= 50 cml= 1 m

Rang

e

S [dB]

f

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La directiva de Compatibilidad Electromagnética (EMC) y su aplicación a las instalaciones de edificios

Las directivas de la Unión Europea (UE) tienen por objeto asegurar que todos los productos fabricados ocomercializados en la UE cumplen normas comunes y pueden ser comercializados en los Estados miembros sinnecesidad de aplicar otras normativas adicionales. En el caso de la compatibilidad electromagnética (EMC), ladirectiva de la Unión Europea 89/336, modificada por las directivas 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC y93/97/EEC, proporciona unas normas generales que garantizan la compatibilidad electromagnética decualquier producto, restringiendo su nivel máximo de emisión y fijando la inmunidad mínima que debepresentar a las interferencias electromagnéticas (EMI) externas. El fabricante de cualquier productotransportable debe declarar la conformidad de dicho producto con las normas de la UE. El producto debeestar etiquetado con el distintivo CE para certificar al consumidor que cumple con los normas sobre EMCy otras directivas.

Por lo que respecta a las instalaciones eléctricas no son necesarias la declaración de conformidad y eldistintivo CE, aunque sí se debe garantizar el cumplimiento de las normas de las directivas de la UE. Estatarea corresponde a los responsables del diseño, ingeniería y construcción de las instalaciones eléctricas.Existen varios procedimientos para garantizar y verificar ese cumplimiento. El primero es utilizar móduloscualificados EMC, que serán instalados por personal especializado y adiestrado en las normas EMC. Elsegundo es emplear los módulos disponibles y después certificar que la instalación cumple las normativasEMC por medio de mediciones efectuadas por un laboratorio de EMC o por un organismo cualificado. Encualquier caso, el encargado del planeamiento del proyecto debe certificar el cumplimiento de las normassobre EMC de la directivas de la Unión Europea por medio de la documentación correspondiente. Ademásel “fabricante” de la instalación debe proporcionar instrucciones claras para la operación y mantenimientode los sistemas, según lo especificado en el Anexo III de la directiva de la UE. Estas instrucciones debenproporcionar información suficiente sobre las condiciones de uso previstas, y sobre la instalación, montaje,ajustes, puesta en servicio, uso y mantenimiento del sistema instalado. En los casos en que fuese necesariose deberán incluir advertencias sobre las limitaciones de uso pertinentes.

La forma más segura de garantizar que la instalación eléctrica de un edificio cumple lo dispuesto en lanormativa puede ser el cumplimiento de las siguientes reglas:

◆ Tener en cuenta la compatibilidad electromagnética desde el principio, utilizando, si es preciso, losservicios de un experto en EMC.

◆ Emplear solamente módulos y materiales con certificación EMC.

◆ Utilizar personal adiestrado en la normativa EMC para realizar los trabajos de instalación.

◆ Los trabajos de instalación deben ser supervisados por ingenieros expertos en EMC.

Dado que la compatibilidad electromagnética se ha introducido como materia en los cursos de formaciónhace relativamente poco tiempo, existe necesidad de una mayor formación sobre este tema.

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Consejo EditorialDavid Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected]

Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid [email protected]

Prof Ronnie Belmans UIE [email protected]

Dr Franco Bua ECD [email protected]

Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected]

Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected]

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dr ir Marcel Didden Laborelec [email protected]

Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza [email protected]

Stephanie Horton ERA Technology [email protected]

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Kees Kokee Fluke Europe BV [email protected]

Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth HTW [email protected]

Prof Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology [email protected]

Carlo Masetti CEI [email protected]

Mark McGranaghan EPRI Solutions [email protected]

Dr Jovica Milanovic The University of Manchester [email protected]

Dr Miles Redfern University of Bath [email protected]

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European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

Tel.: 00 32 2 777 70 70Fax: 00 32 2 777 70 79E-mail: [email protected]: www.eurocopper.org

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Tel.: 0049 681 5867279Fax: 0049 681 5867302Web: www.htw-saarland.de

Hochschule für

Technik und Wirtschaft

des Saarlandes

University of Applied Sciences

Prof Dr rer nat Wolfgang Langguth

Princesa, 7928008 MadridTel.: 91 544 84 51Fax: 91 544 88 84E-mail: [email protected]: www.infocobre.org.es

Documents

Guia Calidad 6-1-2 Puesta a Tierra - Compatibilidad Electromagnetica