ESY / Merigeologia ja geofysiikka Q15/2007/12 18.6.2007 Espoo EMC -häiröiden vähentäminen FARA - mittauksessa Arto Korpisalo
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 14.06.2007 Tekijät Arto Korpisalo Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja Raportin nimi EMC häiriöiden vähentäminen FARA mittauksessa. Tiivistelmä FARA laitteen rekisteröinnin yhteydessä havaittiin signaalitason voimakasta nousua kun vinssin moottori käynnistettiin. Tässä raportissa esitetään ne toimenpiteet, joihin ryhdyttiin signaalitason nousun minimoimiseksi mittauksen aikana. Laitteen virtakaapeli todettiin voimakkaasti säteileväksi antenniksi, joten se vaihdettiin suojatuksi. Vaikutus voitiin havaita laboratoriotesteistä, parhaimmillaan suojatun kaapelin vaikutus oli useita dekadeja. Vinssin portaaton nopeuden säätäminen perustuu taajuusmuuntimeen (frequency inverter), jolla moottorille syötettävää jännitettä voidaan muuttaa. Kantoaalto voidaan valita ohjelmallisesti digitaalisen työpöydän avulla. Käytössä on neljä taajuutta ( 2.5 5.0 7.5 10.0 khz). FARA laitteen mittaustaajuudet ovat 312.5 khz:n kerrannaisia. Kantoaallon vaikutus eri FARA taajuuksilla ei ollut yhteneväinen eli kantoaallon vaikutus saattoi olla hyödyllinen toisilla FARA taajuuksilla mutta toisilla vaikutus ei ollut haluttu. Kantoaallon valitseminen pitääkin tehdä mittaustilanteen mukaan. Ferriitti renkaiden käyttäminen virtakaapeleissa heti taajuusmuuntimen jälkeen parantaa edelleen laitteen häiriönsietoa. Kokonaisuutena todettiin, että käytetyillä tekniikoilla FARA laitteen signaalitaso ei noussut enää häiritsevästi kun mittaus tehtiin laboratoriossa. Pitää siis mainita, että laitetta ei ole testattu uudella vinssillä todellisessa mittaustilanteessa, joten ei voi sanoa onko tason lasku riittävä, jotta mittaus voidaan tehdä ilman ongelmia. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) EMC, ADS, häiriö, kytkeytyminen, kantoaalto, ferriitti Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Kokonaissivumäärä 24 Arkistotunnus Q15/2007/12 Kieli Hinta Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue Merigeologia ja geofysiikka Allekirjoitus/nimen selvennys Arto Korpisalo Hanketunnus 2804003 Allekirjoitus/nimen selvennys
Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 1.1 Sähköisten häiriöiden kytkeytymistavat 1 1.2 Häiriöjännitetyypit 2 1.2.1 Kapasitiivinen kytkeytyminen 3 1.2.2 Induktiivinen kytkeytyminen (johdinsilmukat) 4 1.2.3 Resistiivinen kytkeytyminen (maadoitusjohtimet ja verkkojännitejohtimet) 5 1.2.4 Sähkömagneettinen kytkeytyminen 6 1.2.5 Sähköisten häiriöiden torjunta 7 1.3 EMC ongelmakohteita FARA mittauksessa 7 2 FARA LAITTEISTO 8 3 VINSSIN HÄIRIÖIDEN PIENENTÄMINEN 9 3.1 Virtakaapeli Faradayn häkki 9 3.2 Taajuusmuuttajan kantoaalto 11 3.3 Jänniteregulaattori 13 3.4 Ferriittirenkaat 14 4 YHTEENVETO 17 5 KIRJALLISUUSLUETTELO 18
1 1 JOHDANTO Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC Electromagnetic Compatibility) Elektromagneettista säteilyä on kaikkialla ympäristössämme. Se on aina ollut olemassa ja tulee olemaan. Myös elämä itse on riippuvainen siitä, ilman auringonvalon energiaa lehtivihreälliset kasvit eivät voisi yhteyttää. Viime vuosikymmenien aikana ihmisen tuottama elektromagneettinen häiriö ja melu ovat lisääntyneet. Nykyaikaisen elektroniikan kehitys ei ole johtanut vain parempiin, nopeampiin ja tehokkaampiin laitteisiin, vaan myös luonut tarpeen valvoa ja poistaa sekä luonnollista että ihmisen aikaansaamaa elektromagneettista häiriötä ympäristössämme (1). Elektromagneettisia häiriöitä (EMI - Electromagnetic Interference noise), sekä luonnollisia että ihmisen aiheuttamia, esiintyy hyvin laajalla taajuusalueella. DC:stä aina useihin satoihin GHz :hin asti ja niitä voidaan pitää eräänlaisena saasteena. Elektromagneettisella häiriöllä voi olla monenlaisia vaikutuksia yksinkertaisista keskeytyksistä kokonaisten systeemien katastrofaalisiin vikoihin asti. Kaikki taajuusmuuntimella (PWM - Pulse Width Modulation drive) varustetut nykyaikaiset laitteet ovat potentiaalisia häiriölähteitä herkille elektromagneettisille mittalaitteille. Portaattomasti säädettävät (ADS - Adjustable Speed Drive) laitteet yleistyvät. Sähkömagneettista häiriösuojausta koskeva EU:n EMC direktiivi astui voimaan jo 1996. Sen mukaan laitteen synnyttämä sähkömagneettinen häiriö ei saisi ylitä tasoa, joka sallii radio- ja telelaitteiden ja muiden laitteiden toimimisen suunnitellulla tavalla. Sillä on oltava riittävä sähkömagneettisten häiriöiden sietokyky (EMS - Electromagnetic Susceptibility), joka tekee mahdolliseksi sen toimimisen suunnitellulla tavalla 1.1 Sähköisten häiriöiden kytkeytymistavat Mitattavan sähköisen signaalin teho saattaa olla niin pientä, että siirtotiehen vaikuttavat häiriöt aiheuttavat merkittäviä virheitä (tai mittausjärjestelmän toiminta estyy). Häiriöongelma jaetaan kolmeen perustekijään: häiriölähde, häiriön kytkeytyminen ja häiriön alainen laite. Yksinkertaisinta olisi eliminoida häiriölähde. Sähköiset häiriöt voidaan jakaa luonnollisiin (ihmisten ja luonnon aiheuttamia) ja keinotekoisiin häiriöihin (ukkonen, auringonpilkut ja avaruuden taustasäteily), myös jonkun laitteen hyötysignaali voi olla toiselle laitteelle häiriö. Häiriöiden kytkeytymiset voivat tapahtua laitteen käyttöjännite-, signaali- tms. liitäntäjohtimien välityksellä mutta myös maadoitusten ja kotelon välityksellä sekä lisäksi laitteen sisäisten kytkentöjen välityksellä piiristä toiseen. Sähköiset häiriöt voivat kytkeytyä mittauspiiriin usealla eri tavalla (2): kapasitiivinen kytkeytyminen (suuri-impedanssiset piirit), induktiivinen kytkeytyminen (johdinsilmukat, pienimpedanssi), galvaaninen (resistiivinen) kytkeytyminen (maadoitusjohtimet ja verkkojännitejohtimet), sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen (radiotaajuuksilla). Sähkömagneettinen kytkeytyminen on häiriöiden siirtymistä sähkömagneettisen aaltoliikkeen välityksellä. Sähkömagneettisen kentän ominaisuudet määräytyvät säteilylähteestä, väliaineesta sekä lähteen ja tarkastelupisteen välisestä etäisyydestä. Lähteen ympäristö voidaan jakaa lähi- ja
2 kaukokenttään. Lähikentässä aaltoimpedanssi, eli sähkö- ja magneettikenttien suhde määräytyy lähteen ominaisuuksista. Pieni-impedanssisessa antennissa (silmukka-antenni) virta on suuri, joten antennin lähellä magneettikenttä on hallitseva ja aaltoimpedanssi on pieni. Suuriimpedanssisessa antennissa (dipoliantenni) virta on pieni, joten antennin lähellä sähkökenttä on hallitseva ja aaltoimpedanssi on suuri. Sähkö- ja magneettikenttä esiintyvät siis kentän muodostumistavasta riippumatta aina yhtä aikaa. (Tämä ei kuitenkaan päde tasajännitteellä). Vaikka häiriökenttä aina onkin sähkömagneettinen kenttä, käytetään kentästä nimitystä sähkömagneettinen yleensä vain silloin, kun häiriölähteen etäisyys häiriöille alttiista laitteesta on useita häiriötaajuuden aallonpituuksia. Kyse on siis kaukokentän tapauksesta. Jos etäisyys häiriöön on huomattavasti alle aallonpituuden, on kyse lähikentästä. Lähikentässä sähkökentän ja magneettikentän voimakkuuksien suhde ei enää ole 377 Ω (tyhjiössä), kuten kaukokentässä. Jos lähikentän häiriön muodostaa virtasilmukka, puhutaan magneettikentän häiriöistä ja tällöin kenttä on ns. pieni-impedanssinen kenttä eli suhde < 377 Ω. Tällainen häiriö kytkeytyy induktiivisesti. Kun häiriöjännite kytkeytyy toisesta päästään avoimeen johtimeen, syntyy lähikentässä ns. sähkökentän häiriö. Tämä häiriö kytkeytyy kapasitiivisesti. Tässä tapauksessa kentän impedanssi >377Ω. Aaltoimpedanssin käyttäytyminen lähteen etäisyyden funktiona on esitetty (kuva 1) (Henry W Ott, Noise reduction techniques in electronic systems. ). Kuva 1. Aaltoimpedanssin käyttäytyminen 1.2 Häiriöjännitetyypit Johtuville häiriöille voidaan määritellä eromuotoinen (differential-mode) ja yhteismuotoinen(common mode) etenemismuoto, (kuva 2). Eromuotoisessa etenemismuodossa kahden johtimen välillä on jännite U h ja koko johdinta pitkin kulkeva virta I palaa toista johdinta pitkin. Virrat johtimissa ovat samansuuruiset ja vastakkaismerkkiset. Eromuotoinen häiriöjännite syntyy esimerkiksi kahden johtimen välille magneettikentässä, kun toiseen johtimista indusoituu voimakkaampi jännite. Yhteismuotoisessa etenemismuodossa johtimien välillä ei ole jännitettä, vaan johtimilla on sama jännite maatasoon nähden. Virrat ovat yhtä suuret ja samanmerkkiset. Yhteismuotoinen häiriövirta kytkeytyy vierekkäisiin johtimiin, esimerkiksi magneettikentän indusoidessa kaikkiin johtimiin yhtä suuren häiriövirran.
3 Kuva 2. Eromuotoinen ja yhteismuotoinen etenemismuoto (ABB:n TTT-käsikirja 2000-07). 1.2.1 Kapasitiivinen kytkeytyminen Tarkastellaan verkkojohtimen mittajohtoon aiheuttamaa häiriötä. Syynä häiriöön on verkkojohtimen ja mittajohdon välinen hajakapasitanssi, jonka läpi verkkohäiriö pääsee mittauspiiriin (kuva 3). Kuva 3. Häiriön kapasitiivisen kytkeytymisen periaate. Käytännön tapauksissa kuormituksen välttämiseksi mittauslaitteen ottoimpedanssi R i onkin aina huomattavasti suurempi kuin mittauskohteen sisäresistanssi R s. Jos häiriöitä siirtävän kapasitanssin reaktanssi häiriön taajuudella on huomattavasti suurempi kuin R s, häiriöjännite on U h = j2πfr s CU v (1)
4 Kapasitiivisia häiriövirtoja syntyy paitsi johtojen kytkennän kautta, myös laitteissa mahdollisesti olevien suodatinkondensaattoreiden ja verkkomuuntajien käämien välisten kapasitanssien kautta. Kapasitiivinen kytkeytyminen on erityisen haitallista silloin kun pitkiä johtimia (esim. verkko- ja signaalijohtimia) on sijoitettu vierekkäin. Kapasitiivinen kytkeytyminen on hyvin yleinen kytkeytymistapa jos vierekkäisten johtimien välimatka on pieni (iso hajakapasitanssi), jännitetasot ovat suuria ja johtimiin liittyvien laitteiden impedanssitasot ovat suuria. Kapasitiivinen kytkeytyminen tapahtuu lähikentässä jännitteen välityksellä. Käytännön esimerkkeinä kapasitiivisesti kytkeytyvistä häiriöistä voidaan mainita esim. signaalijohtimissa esiintyvät verkkotaajuiset häiriöt, transienttihäiriöt, RF-häiriöt ja staattisten purkausten seurauksena kapasitiivisesti kotelosta laitteen sisälle elektroniikkapiireihin etenevät transienttiluotoiset häiriöt. Tyristorilaitteiden vaihejännitteeseen aiheuttamat piikit (nousuaika pieni: 1... 10 us) pääsevät helposti mittauspiiriin. Häiriöt kytkeytyvät usein kapasitiivisesti verkkomuuntajan hajakapasitanssien kautta ensiöpuolesta toisiopuolella. Kapasitiivinen kytkentä päästää yliaallot perustaajuutta helpommin läpi. Häiriöjännite saattaakin olla muodoiltaan vääristynyttä. Kapasitiivisesti kytkeytyviä häiriöitä voidaan vähentää metallikoteloinnilla, sijoittamalla signaalijohdot etäälle voimakaapeleista ja välttämällä pitkiä yhdensuuntaisia vetoja, käyttämällä suojattuja voimakaapeleita ja suojattuja signaalikaapeleita (tarvittaessa kahta toisistaan eristettyä vaippaa), verkkomuuntajissa staattisia käyttämällä erillistä signaalimaata, joka on eristetty laitteiden rungosta ja joka kytketään ainoastaan yhdestä pisteestä suojamaahan. 1.2.2 Induktiivinen kytkeytyminen (johdinsilmukat) Mittauspiirien johdinsilmukat keräävät magneettisia häiriöitä, kuva 4. Häiriöiden lähteenä voi olla esim. vahvavirtajohdossa kulkeva virta, joka aiheuttaa ympärilleen magneettikentän. Kun muuttuva magneettikenttä lävistää mittauspiirin silmukan, indusoituu silmukkaan jännite U h, joka kytkeytyy sarjaan mitattavan jännitteen kanssa. Jos silmukka on stationaarinen ja magneettivuon tiheys (B) on sinimuotoinen sekä vakio silmukassa, niin suljettuun silmukkaan indusoitunut jännite on missä U h = jw BA cosθ = M di/dt (2) U h = syntyvä (kuormittamaton) häiriöjännite A = vuota vastaan kohtisuorassa oleva häiriintyvän pinnan projektio. B = magneettivuotiheys M = keskinäinen induktanssi Kuva 4. Häiriön induktiivisen kytkeytymisen periaate
5 Yhtälössä 2 virta I on kaapelin summavirta. Kaapeli ei synnytä ympärilleen merkittävää magneettikenttää jos summavirta on nolla eli kuormitusvirta palaa takaisin samaa kaapelia pitkin. Summavirta poikkeaa nollasta, jos nollatun laitteen runko on yhteydessä rakennusrunkoon. Erillisellä suojajohtimella varustetun ryhmänkin summavirta saattaa olla nollasta poikkeava, jos erityistä suojamaadoitusta ei ole käytetty systemaattisesti. Häiriöjännite on sitä suurempi mitä voimakkaampi on häiriövirta, mitä lähempänä häiritty kaapeli on häiritsevää kaapelia, mitä suurempi on häiriövirran taajuus ja mitä suurempi on häiritsevän magneettivuon läpäisevän johdinsilmukan pinta-ala. Tosin tarpeeksi suurilla taajuuksilla ja pitkillä kaapeleilla häiritsevä jännite ei kasva enää taajuuden kasvaessa. Magneettinen kytkeytyminen tapahtuu siis lähikentässä kahden johtimen välisen keskinäisinduktanssin avulla ja virran vaikutuksesta. Magneettinen kytkeytyminen on erityisen haitallista silloin kun suuria virtoja sisältävien kaapelien viereen on sijoitettu herkkien elektroniikkalaitteiden signaalikaapeleita. Jos vielä impedanssitasot ovat pieniä ja signaalikaapelit ovat kiertämättömiä pareja ja eivät omaa magneettista suojausta. Induktiivisesti kytkeytyvien häiriöiden pääsyä signaalijohtoihin voidaan vähentää seuraavasti. Asennetaan signaalijohdot etäälle suurivirtaisista kaapeleista ja vältetään pitkiä yhdensuuntaisia vetoja. Signaalijohdot ja niihin liittyvät maadoitusjohdot sijoitetaan lähekkäin (mieluiten käytetään kiertämistä). Signaalijohtojen vaipat maadoitetaan ainoastaan toisesta päästä että ei syntyisi suljettua silmukkaa. Suuripermeabiliteettisesta materiaalista kierretyt kaapeleiden suojukset vaimentavat magneettivuota. Muun tyyppisillä kaapeleiden suojavaipoilla ei usein ole suurta merkitystä pientaajuista magneettivuota vaimennettaessa. 1.2.3 Resistiivinen kytkeytyminen (maadoitusjohtimet ja verkkojännitejohtimet) Monet jännitetransientti- ja RF-häiriöt tulevat yksinkertaisesti laitteeseen galvaanisesti johtumalla esim. käyttöjännite- tai signaalijohtimia pitkin. Osa häiriöistä on sitä ennen mahdollisesti kapasitiivisesti, induktiivisesti tai sähkömagneettisen säteilyn tuloksena kytkeytynyt em. johtimiin. Osa taas on sitä ennen kytkeytynyt suoraan galvaanisesti johtimiin esim. salaman iskiessä jännitejohtimeen, induktiivisten kuormien poiskytkeytymisten yhteydessä, verkkojännitteen notkahtaessa moottoreita käynnistettäessä, sähköstaattisen varauksen purkautuessa galvaanisesti kosketuksen kautta laitteen runkoon. Resistiivisen kytkennän periaate on esitetty kuvassa 5. Laitteet ovat nollattuja. Nollajohdossa kulkeva virta jakautuu pisteessä P kulkemaan osittain signaalijohdon vaippaa pitkin ja osittain 0- johtoa pitkin. Kuva 5. Resistiivisen kytkeytymisen periaate.
6 Maadoitusimpedanssin (Z) suuruus, maadoitusvirran suuruus, signaalitasot, piirien herkkyydet ja hajakapasitanssit määräävät häiriösignaalin vaikutuksen. Usein tehokkain torjuntatapa on oikea maadoitus. 1.2.4 Sähkömagneettinen kytkeytyminen Radiolähettimet, tutkat ja valokaari-ilmiöt ovat tyypillisiä sähkömagneettisen kytkennän kautta aiheutuneiden häiriöiden alkulähteitä (kuva 6). Sähkömagneettinen kenttä vaimenee aluksi lähikentässä verrannollisena etäisyyden ensimmäistä potenssia korkeampaan potenssiin. Kaukokentässä kenttä vaimenee verrannollisena etäisyyteen. Sähkömagneettinen kenttä sisältää sekä sähkökentän että magneettikentän. Jos säteilylähteen virta on suuri ja jännite pieni, on magneettikenttä lähikentässä hallitseva. Jos virta on pieni ja jännite suuri, on sähkökenttä lähikentässä hallitseva. Kuva 6. Sähkömagneettisen kytkeytymisen periaate, etäisyys r >> lambda, missä lambda on häiriötaajuuden aallonpituus, E = sähkökentän voimakkuus ja H = magneettikentän voimakkuus. Elektronisen laitteen tietyn pituinen johdin voi toimia sekä säteilyantennina että vastaanotinantennina. Antennivaikutus on erityisen tehokas niillä taajuuksilla, joilla johtimen pituus on λ n ( n = 1,2,..., λ = signaalin aallonpituus) 2 Jos johtimen pituus on alle λ/6, niin antennivaikutus on pieni. Johtimen sähköinen suojaus, impedanssit ja jännitetasot vaikuttavat myös häiriöiden kytkeytymiseen. Radiotaajuisten häiriöiden taajuus on yleensä kantoaallon ja moduloinnin aiheuttamat taajuudet. Sen sijaan transienttihäiriöt sisältävät yleensä laajan taajuusspektrin, jonka laajuus riippuu häiriöpulssin nousuajasta, pituudesta, toistotaajuudesta ja muodosta. Elektronisen laitteen kotelo vaikuttaa suojausominaisuuksiin. Muovikotelo ei suojaa sähkökenttää eikä magneettikenttää vastaan. Metallikotelo (alumiinikotelo) suojaa sähkökenttää vastaan muttei magneettikenttää vastaan ellei käytetä suuripermeabiliteettista materiaalia (rauta, teräs). Kotelossa olevat raot heikentävät suojausta siten, että raon suurin dimensio
7 määrää suojauskyvyn. Myös kotelon seinämien paksuus ja kerroksisuus vaikuttavat suojauksen tehokkuuteen. Usein häiriöiden kytkeytyminen laitteeseen tapahtuu edellä mainittujen kytkeytymistapojen ketjureaktiona. 1.2.5 Sähköisten häiriöiden torjunta Ensisijaisesti häiriön syy pyritään eliminoimaan edellä esitetyillä menetelmillä. Häiritsevän lähteen sijainti voidaan selvittää useimmiten joko sähkökentän voimakkuuden tai magneettikentän voimakkuuden mittareilla. Mikäli häiriön spektri ulottuu voimakkaana yli 150 khz:n alueelle, löytyy joukko määräyksiä, joiden perusteella häiriölähde voidaan poistaa käytöstä. Häiriölähde voidaan sijoittaa myös häiriösuojattuun tilaan, varustaa suodattimilla tai kuljettaa kauemmaksi. Koska häiriöitä on aina olemassa, on elektroniset laitteet suunniteltava siten, että häiriönsietokyky on mahdollisimman suuri (EMC, Electromagnetic Compatibility eli sähkömagneettinen yhteensopivuus). Häiriölle herkkä laite voidaan sijoittaa teollisuusympäristössä sellaiseen paikkaan, jossa mittaamalla on todettu häiriötaso riittävän pieneksi (esim. betonirakennus vaimentaa huomattavasti). Lähikentässä voidaan kytkeytymistä vähentää tehokkaasti etäisyyttä muuttamalla. Suuri-impedanssisen kentän sähkökentänvoimakkuus vaimenee verrannollisena 1/r 3 ja magneettikenttä verrannollisena 1/r 2, missä r on etäisyys lähteestä. Vastaavasti pieni-impedanssisen kentän magneettikentän voimakkuus vaimenee verrannollisena 1/r 3 ja sähkökenttä verrannollisena 1/r 2. Kaukokentässä on sekä sähkökentän että magneettikentän voimakkuuden vaimeneminen verrannollinen l/r:ään. Äärimmäisenä vaihtoehtona on häiriösuojatun huoneen rakentaminen. 1.3 EMC ongelmakohteita FARA mittauksessa Taajuusmuuttajan toiminta perustuu siihen, että tasasuunnattu vaihtojännite muokataan vaihtosuuntaajaosassa pulssinleveysmoduloinnilla lähtöjännitteeksi, jonka taajuus ja jännite voidaan säätää erikseen. Taajuusmuuttajan tehosta ja toimintaperiaatteesta riippuen PWM:ssä käytetään suuritaajuista kantoaaltoa, jonka taajuus on tyypillisesti 1-20 khz. Yksistään PWM:n toimintaperiaate aiheuttaa siten yliaaltoja, jotka ovat kytkemistaajuuden kerrannaisten ympärillä, eli useita kymmeniä kilohertsejä. Tämä ei kuitenkaan ole ainut, eikä merkittävin syy EMCongelmiin. Tehoasteessa käytetään tehopuolijohdekomponentteja, joilla on äärellinen jännitteen nousunopeus eli du/dt. Moottorin syöttökaapeleissa ja moottorissa on hajakapasitansseja, josta aiheutuu ns. Yhteismuotoisia virtoja I = C du/dt. Tyypillisesti näin syntyvät häiriöt ulottuvat muutamaan megahertsiin. Tähänkin vaikuttaa taajuusmuuttajan teho ja käytettyjen tehopuolijohdekomponenttien nopeus. Vastaanotin liikkuu poranreiässä portaattomasti ja portaaton liike saadaan juuri aikaiseksi taajuusmuuttajan avulla.
8 2 FARA LAITTEISTO Laitteisto koostuu lähetin- ja vastaanotinyksiköistä, jotka yhdistetään referenssikaapelilla (kuva 7). Kuva 7. Radiovarjostuslaitteiston kaavio FARA. Kuten kuvasta 7 näkyy laitteisto käsittää kaksi vinssiä mutta ongelmavinssi on vastaanotinpiirissä, koska mittaus tapahtuu vastaanottimen liikkuessa. Kun taas lähetinvinssi pysyy mittauksen aikana paikallaan, ei se toimi mittauksen aikana potentiaalisena häiriökohteena. Tarkempi kuvaus laitteesta löytyy FARA kokoonpano ja käyttö manuaalista (3).
9 3 VINSSIN HÄIRIÖIDEN PIENENTÄMINEN Olkiluodon mittauksen johdosta päätettiin tutkia vinssin häiriöiden mahdollisia lähteitä. Neljä pääasiallista korjauskohdetta löydettiin ja korjauksien jälkeen signaalitaso vinssin moottorin käynnistyksen jälkeen ei sanottavasti nouse häiritsevästi. 3.1 Virtakaapeli Faradayn häkki Kaapelit ovat tärkeitä koska ne ovat yleensä laitteiston pisimmät osat ja voivat siten toimia tehokkaina antenneina, jotka poimivat ja/tai säteilevät häiriöitä. Mittauksissa siis havaittiin, että signaalitaso nousee vinssin moottorin käynnistämisen yhteydessä (kuva 8). Kuva 8. Vinssin moottorin aiheuttama voimakas tason nousu on selvästi nähtävissä moottorin käydessä. Ylimmällä taajuudella 2500 khz tason nousu on lähes dekadia. Tason nousu pienenee taajuuden laskiessa.
10 Koetiloissa rakennettiin tilanne, jossa vinssin voimakaapeli sijoitettiin johtavaan metalliputkeen, putken päät yhdistettiin vinssin säätölaatikon ja vinssin moottorin kylkiin, muodostettiin siis Faradayn häkin (kuvat 9-10). Kuvat 9-10. Faraday häkki (vinssilaatikko-virtakaapeli-vinssi).
11 Teorian mukaan häkistä ja häkkiin ei pitäisi päästä elektromagneettista säteilyä. Kun vinssin moottori käynnistettiin, häiriötaso laski puoleen, joten voimakaapeli toimii siis voimakkaana antennina ja aiheutti voimakasta häiriötä mittaussignaaliin (kuva 11). Kuva 11. Virtakaapeli sijoitettu johtavaan metalliseen putkeen. Signaalitason nousu enää yhden dekadin verran ylimmillä taajuuksilla. 3.2 Taajuusmuuttajan kantoaalto Taso nousi edelleen eli häiriösignaali pääsi vuotaman edelleen mittaussignaaliin. Vinssin portaaton nopeuden säätäminen perustuu siis hakkurin toimintaa, jolla jännitettä pilkotaan nopeasti (vinssissä 0-400 Hz taajuudella). Hakkurissa kantoaalto toimii neljällä taajuudella 2.5 5.0 7.5 10 khz taajuudella. Tutkittiin taajuuksien vaikutusta signaalitasoon. Kuvassa 12 signaalin alkuosa (0-10 m) ja loppuosa (40-50 m) on rekisteröity ilman moottorin toimintaa, välillä 10-20 metriä käytettiin kantoaaltona 10 khz, välillä 20-28 metriä käytettiin kantoaaltona
12 7.5 khz, välillä 28-36 metriä käytettiin kantoaaltona 5.0 khz, välillä 36-44 metriä käytettiin kantoaaltona 2.5 khz. Kuva 12. Kantoaallon taajuuden vaikutus signaalitasoon. Mittausten perusteella 10 khz:n kantoaallon taajuus näyttäisi antavan parhaan tuloksen, joten säätölaatikon digitaalisella operaattorilla (kuva 13) ohjelmoitiin kantoaallon taajuudeksi 10 khz seuraavasti Kuva 13. Vinssin digitaalinen ohjelmointiyksikkö.
13 Ohjelmakoodi kantoaallon muuttaminen 1) Painetaan "DSPL" nappia, kunnes "PRMG" LED palaa. 2) Asetetaan parametriksi n001 (tee se nuolinäppäimillä) 3) Paina "DATA/ENTER" nappia ja syötä näyttöön 4 (Password, Parameter access) 4) Paina "DATA/ENTER" 5) Valitse parametri n080 6) Paina "DATA/ENTER"n ja aseta näyttöön (nuolinäppäimillä) 4,joka vastaa 10 khz:n kantoaaltotaajuutta (1 vastaa 2.5 khz, 2 vastaa 5.0 khz ja 3 vastaa 7.5 khz) 7) Paina "DATA/ENTER" 8) Paina "DSPL" nappia, kunnas "FREQ" LED palaa. 3.3 Jänniteregulaattori Laitteen koekäytössä havaittiin, että vastaanottimen jännitelähteiden säätö (regulaattorit) eivät näyttäisi toimivan moitteettomasti, joten GTK:n laboratoriossa rakennettiin uusi säätöpiiri, joka pitää syöttöjännitteen tasaisesti 12 V:ssa. Putkien toiminta tasoittui myös tästä uudistuksesta. On mainittava, että laitteiston toinen vastaanotinputki ei näyttänyt toimivan oikein mutta uuden kortin vaihtamisen jälkeen molemmat vastaanotinputket toimivat moitteettomasti (kuva 14). Kuva 14. Uusi jännitteen säätöpiiri
14 3.4 Ferriittirenkaat Häiriötaso oli edelleen hiukan kohonnut moottorin käynnistyksen yhteydessä. Koska hakkurilähde (taajuusmuunnin) pilkkoo jännitettä 0-400 Hz:n taajuudella, aiheutuu siitä myös nopeita virranmuutoksia hakkurin ulostuloon, näitä virranmuutoksia on ainakin teoriassa mahdollista pienentää, kun ferriittirenkaita käytetään vaihejohtimissa. Rakennelma on siis kela, jossa on ferriittirengas sydämenä (kuva 15) Kuva 15. Ferriittirengas kelan sydämenä. Kela eli käämi on sähköinen piirielin, joka varastoi energiaa magneettikenttäänsä ja pyrkii vastustamaan lävitseen kulkevan virran muutoksia synnyttämällä napoihinsa virran muuttumisnopeutta vastaavan jännitteen. Kelan kykyä vastustaa virran muutoksia kuvaa sen induktanssi, jota mitataan henryissä (H). Kun induktanssin L läpi kulkee virta i, niin jännite on induktanssin L läpi kulkee virta i, niin jännite on di U = L dt Vastustaessaan kaikkia virran muutoksia kela vastustaa myös vaihtovirran kulkua. Tätä ominaisuutta kutsutaan induktiiviseksi reaktanssiksi. Sitä mitataan ohmeina kuten tasavirralla resistanssiakin. Toisin kuin vastuksen resistanssi, induktiivinen reaktanssi riippuu vaihtovirran taajuudesta ja se lasketaan kaavalla X l = 2πfL missä f on taajuus ja L kelan induktanssi. Induktanssi (itse-induktanssi, tunnus L) kuvaa kelan (solenoidin) tai muun yleisen johdinsilmukan kykyä vastustaa virran muutosta. Induktanssin SI-järjestelmän mukainen yksikkö on henry (1 H). Sähkövirran muutos indusoi esimerkiksi kelaan induktiojännitteen, jonka
15 suuruus saadaan Faradayn induktiolaista. Induktanssi lasketaan silmukkaan indusoituneen jännitteen E ind (vastasähkömotorinen voima) ja sähkövirran muutoksen di/dt suhteena: L = E ind di / dt. Mikäli käämin induktanssi on suuri, aiheuttaa pienikin virranmuutos voimakkaan induktiojännitteen, joka vastustaa virran muutosta. Piirin induktanssia lisäämällä voidaan siis vaimentaa äkillisiä sähkövirran muutoksia. Induktanssi voidaan laskea myös kierrosmäärän N ja magneettivuon Φ tulon suhteesta kelan virtaan. Toisinaan puhutaan myös käämivuosta (tunnus Ψ), joka on kierrosmäärä kertaa kelan magneettivuo. Induktanssi L voidaan tällöin ajatella myös käämivuoksi Ψ virtaa I kohti. L = N Φ/I = Ψ/I Ferriittirenkaalle käämityn kelan induktanssi voidaan laskea seuraavasta kaavasta: μoμe N L = l e 2 A e missä μ 0 on tyhjiön permeabiliteetti μ e on sydämen tehollinen permeabiliteetti N on kierrosmäärä A e on tehollinen poikkipinta-ala l e on tehollinen magneettisen piirin pituus Ferriittirenkaiden permeabiliteettia muuttamalla voidaan valita se taajuusalue, johon renkaan vaikutus pitäisi kohdistua. Permeabiliteetti on myös taajuuden funktio, joten jos virta kasvaa riittävän suureksi niin se voi aiheuttaa ferriitin kyllästymisen (saturation) eli permeabiliteetti pienenee kohti nolla ja rengas menettää tehonsa. Kuvassa 16 on nähtävissä renkaiden vaikutus signaalitasoon. Välillä 0-10 metriä ja 46-55 metriä, vinssin moottori ei käy (perustaso). Välillä 10-30 metriä virtajohtimissa on käytetty ferriittirenkaita, välillä 30-46 metriä ferriittirenkaat on poistettu. Kahdessa alemmassa taajuudessa renkaiden vaikutus on nähtävissä selvästi.
16 Kuva 16. Ferriittirenkaiden vaikutus selvästi havaittavissa kahdella alimmalla taajuudella. Kuva 17. Ferriittirenkaiden sijoitus vinssin virtakaapeleihin.
17 4 YHTEENVETO Radiotaajuinen varjostusmittaus suoritetaan jatkuvana mittauksena FARA laitteella. Lähetin siis pysyy paikallaan kun taas vastaanotin liikkuu toisessa poranreiässä portaattomasti mittauksen aikana. Vinssin portaaton nopeudensäädin perustuu taajuusmuuntimen hyväksikäyttämiseen, kun moottorille menevää jännitettä säädetään. Ensimmäisissä testeissä uusi vinssi näytti nostavan mittausarvoja jopa 4 dekadia, joten luotettavan mittauksen tekeminen laitteella oli mahdotonta. Virtakaapeli todettiin suojaamattomaksi ja yksinkertaisella Faradayn häkki toteutuksella voitiin häiriötasoa laskea useilla dekadeilla. Kaapeli siis vaihdettiin suojatuksi ja samalla mittaussignaalin nousu ei ollut enää yhtä voimakasta. Taajuusmuuntimessa käytettyä kantoaaltoa voidaan muuttaa ohjelmallisesti digitaalisella työpöydällä. Testeissä kävi kuitenkin ilmi, että kantoaallon taajuuden muuttaminen ei vaikuttanut samalla tavalla kaikkiin FARA mittaustaajuuksiin. Vaikka mittaustaajuudet ovat alimman taajuuden 312.5 khz kerrannaisia. Kantoaallon vaihtaminen käy helposti ja nopeasti. Se voidaan siis vaihtaa myös kun uutta luotausta ollaan aloittamassa ensitarkastelujen jälkeen. Tehoyksiköissä vaihdettiin vanhat jänniteregulaattorit uusiin ja nyt jännite pysyy paljon vakaampana koko luotauksen aikana. Ferriittirenkaat toimivat tehokkaasti etenkin suuritaajuisen häiriösignaalin suodattimessa. Vaikka käytetyillä renkailla saatiin signaalin käyttäytymistä edelleen parannettua vinssin käynnistämisen jälkeen niin myös ferriittien tutkimista FARA mittauksessa pitää edelleen jatkaa.
18 5 KIRJALLISUUSLUETTELO 1) G L Skibinski, EMI Emissions of Modern PWM as Drives, IEEE Industry Applications Magazine, November/December 1999 2) TKK:n opintomateriaalia, Ele-66.302 Bioelektroniikan laboratoriotyöt 3) A Korpisalo, FARA laitteen kokoonpano ja käyttö,q-raportti, Q15/2007/13