EMC e sicurezza degli impianti: Parte 1

Jan 23, 2024

Nota dell'editore: in questo articolo, le parole "terra", "messa a terra" o "messa a terra" sono usate in modo intercambiabile con "terra", "terra" o "messa a terra".

Poiché la quantità e la varietà delle apparecchiature elettroniche utilizzate nei sistemi e nelle installazioni continua a crescere, la compatibilità elettromagnetica sta diventando una questione sempre più importante. Quasi tutto il mio lavoro su sistemi e installazioni dal 1990 ha riguardato elementi di apparecchiature che interferivano con il corretto funzionamento di altri elementi sullo stesso sito.

Nel 1990, gli azionamenti dei motori a velocità variabile che utilizzavano transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e transistor ad effetto di campo (PowerFET) per la commutazione di potenza ad alta velocità erano molto nuovi, così come lo erano i sistemi radiomobili privati, ed entrambi causavano molti problemi con i sistemi elettronici legacy. attrezzatura. Da allora, gli standard e le normative EMC nella maggior parte dei paesi hanno migliorato considerevolmente le emissioni e l'immunità delle apparecchiature, ma allo stesso tempo, gli azionamenti dei motori a velocità variabile sono costantemente migliorati, commutando più velocemente. Una commutazione più rapida li rende più efficienti, più piccoli e meno costosi, con il risultato che vengono utilizzati in modo molto più ampio. Sfortunatamente, una commutazione più rapida provoca un aumento delle emissioni di rumore a frequenze più elevate, aumentando le possibilità di interferenze con altre apparecchiature (vedere Figura 1).

I sistemi e le installazioni interessate non sono solo terrestri, perché tutte le nuove navi marine e sottomarine ora utilizzano esclusivamente tecnologie di azionamento a motore elettrico. Hanno ancora enormi motori diesel marini, ma azionano enormi generatori di elettricità invece di essere collegati direttamente alle eliche. Le automobili elettriche sono già in uso e un settore in crescita, ovviamente, e gli aerei completamente elettrici sono in fase di progettazione.

Un altro grande passo avanti tecnologico nei convertitori di potenza a commutazione sta avvenendo proprio adesso: la sostituzione di IGBT e PowerFET con transitori ad alta mobilità elettronica (HEMT), solitamente basati su nitruro di gallio, GaN, e con PowerFET al carburo di silicio (SiC), che possono commutare in modo efficiente dieci volte (o più) tariffe più elevate, riducendo ulteriormente le dimensioni e i costi.

Queste sono tutte buone notizie per migliorare l’efficienza energetica, risparmiare sulle bollette energetiche e allo stesso tempo contribuire a salvare il pianeta riducendo le emissioni di CO2. Ma comporta il grande svantaggio EMC di livelli più elevati di emissioni di rumore a frequenze più elevate, come illustra la Figura 1.

Figura 1: Esempio illustrativo di spettri di rumore creati da azionamenti di motori a velocità variabile e apparecchiature simili di conversione di potenza con potenze nominali intorno a 100 kW, con diverse tecnologie di dispositivi di commutazione di potenza

Molti convertitori di commutazione di potenza superiore, come gli azionamenti di motori a velocità variabile, vengono forniti con istruzioni di installazione relative alla compatibilità elettromagnetica, che di solito sono abbastanza buone. Tuttavia, la mia esperienza (e quella di altri nel mondo EMC) è che i venditori competono sul prezzo ignorando i requisiti di installazione EMC dei nuovi sistemi di azionamento del motore per aggiudicarsi contratti con clienti che non si rendono conto dei rischi EMI.

Nessuno vuole investire nella costruzione di un nuovo impianto industriale, struttura di ricerca scientifica, piattaforma petrolifera/gas offshore, sistema ferroviario, complesso di intrattenimento, data center, nave militare, nave da crociera o altro, solo per scoprire che non può funzionare correttamente a causa dell'EMI autogenerata! Le perdite finanziarie possono essere enormi, ma possono anche essere superate dal costo di modifica dell’impianto, della piattaforma, della nave, ecc., per farli funzionare come previsto.

Come per tutti gli altri problemi EMC/EMI, è molto più conveniente ed economicamente meno rischioso progettare una buona EMC fin dall'inizio di qualsiasi progetto di costruzione moderno.

Tim Williams e io abbiamo scritto insieme un libro sull'EMC per sistemi e installazioni nel 2000 [1]. Descrive edifici e siti, ma il suo materiale è facilmente esteso per coprire veicoli di tutti/qualsiasi tipo, terrestri, marini, sottomarini, aerei (ad ala fissa o ad ala rotante), spaziali, ecc.

Tra molti altri argomenti, questo libro tratta la progettazione e la realizzazione dei vari tipi di (cosiddetti) sistemi/reti di "messa a terra" utilizzati in grandi sistemi e installazioni, tra cui: