Compatibilidad electromagnética

Compatibilidad electromagnética Concepto: Midiendo las radiaciones electromagnéticas

Compatibilidad electromagnética es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema, de funcionar de manera satisfactoria en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones a cuanto se halle en dicho entorno.

Generalidades

Hans Christian Oersted al descubrir en 1819 que una aguja imantada se desviaba al acercarla a un conductor por el que circula corriente eléctrica, daba comienzo al estudio del electromagnetismo. Continuarían otros científicos e ingenieros el desarrollo de esa teoría, base de los más inverosímiles inventos que actualmente son indispensables al normal desenvolvimiento de los países, principalmente desarrollados. Se destacan en ese sentido Michael Faraday (1791-1867) con el descubrimiento de la inducción electromagnética y James Clerk Maxwell (1831-1879) con su teoría sobre el campo electromagnético, por sólo citar a dos grandes.

Entre los inventos más notables puestos en práctica durante el siglo XIX, de carácter electromagnético están: la generación de energía eléctrica en gran proporción; la telegrafía con hilo, inventada por Morse y perfeccionada por Edison, y el teléfono ideado y puesto en práctica por Bell.

El siguiente siglo, el XX, sería pródigo en descubrimientos y puesta en práctica de numerosos inventos en los que la teoría electromagnética sería su centro. Sólo por mencionar algunos inventos representativos: en el campo de los componentes electrónicos: las válvulas, los transistores, y los circuitos integrados, en particular los microprocesadores; en el campo de las comunicaciones: los FAX, la telefonía en sus diferentes formas, el correo electrónico, los satélites artificiales, entre otros; la radio y la televisión; el radar; los misiles con fines militares, en sus diferentes versiones según su fin; la Internet y el Sistema de Posicionamiento Global.

El mayor impulso en el desarrollo tecnológico del uso de las radiaciones electromagnéticas se lo han dado las aplicaciones militares, como se puede apreciar en el uso de los radares, y en la teledirección de misiles y otras armas de destrucción masiva. De igual manera se aprecia en el desarrollo de las comunicaciones, en particular de las telecomunicaciones, en las que el empleo de satélites artificiales resulta de vital importancia.

Todo este equipamiento, la mayoría de ellos ya imprescindible para la sociedad moderna, se caracteriza por ser más o menos fuertes emisores de radiaciones electromagnéticas y a su vez víctimas de las radiaciones de sus vecinos del medio. Son fuentes y simultáneamente receptores de las radiaciones, afectan y a la vez son afectados.

La compatibilidad electromagnética

La contaminación ambiental de radiaciones electromagnéticas ha originado lo que se ha dado en llamar compatibilidad electromagnética.

Emisores de radiaciones electromagnéticas.

La compatibilidad electromagnética (CEM), es un hecho debido a que equipos y sistemas soportan mutuamente sus efectos electromagnéticos. Según el vocabulario electrotécnico internacional VEI 161-01-07, la CEM es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema, de funcionar de manera satisfactoria en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones en cuanto se halle en dicho entorno. Esta definición es la misma que adopta la norma NF C 15-100, apartado 33. Actualmente, la CEM es una disciplina que trata de mejorar la convivencia entre elementos que pueden emitir perturbaciones electromagnéticas y/o de ser susceptibles de padecerlas.

Estas perturbaciones se pueden propagar por conducción, a lo largo de los hilos de los cables, o por radiación, en forma de ondas electromagnéticas. Las perturbaciones producen fenómenos indeseables; dos ejemplos de ello pueden ser los ruidos y chasquidos que se oyen en la radio, y las interferencias de estas emisiones radioeléctricas en los sistemas de control y mando.

En estos últimos años se han presentado una serie de factores que dan más importancia a la CEM:

• las perturbaciones son cada vez más importantes ya que tensiones e intensidades van en aumento
• los circuitos electrónicos son cada vez más sensibles
• las distancias entre los circuitos sensibles (a menudo electrónicos) y los circuitos perturbadores (de potencia) se reducen
• se incrementa el número de dispositivos emisores.

Esta especialidad es un vivo ejemplo de las consecuencias de los profundos cambios tecnológicos producidos esencialmente en la segunda mitad del siglo XX y comienzos de éste, a través de la Revolución Científica y Tecnológica. El desarrollo de los medios electrónicos en la esfera del procesamiento de información y la toma rápida de decisiones provocó el surgimiento de esta especialidad de la ciencia conocida por CEM.

Su teoría es compleja. Cualquier aproximación a la CEM implica el estudio de un sistema compuesto de tres elementos:

• el generador de las perturbaciones o fuente
• la propagación o acoplamiento entre fuente y víctima
• el elemento perturbado o víctima

Aunque estos tres elementos no son estrictamente independientes, en la práctica se tratan como si lo fueran. Hay que resaltar que la instalación, tiene un papel preponderante en la propagación de perturbaciones.

Se considera una fuente, cualquier aparato o fenómeno físico-eléctrico que emita una perturbación electromagnética, por conducción o radiación. Entre las principales causas de las perturbaciones hay que destacar: la distribución de energía eléctrica, las ondas hercianas, las descargas electrostáticas y el rayo.

Fuentes más poderosas de interferencias electromagnéticas

Clases	Tipos	Orígenes
Energéticas	Picos de tensión	*Conmutación de fuentes Cortocircuitos Aranque de motores de gran potencia
Frecuencias medias	Armónicos	*Sistemas con semiconductores de potencia Hornos por arco eléctrico
Altas frecuencias	Subidas de tensión	*Caídas de rayos directas o indirectas Maniobras de aparatos de mando Corte de corrientes de cortocircuíto con aparatos de protección
Descargas electrostáticas		*Descargas de electricidad estática acumulada por una persona

El conocimiento de las fuentes, mejor aún, su identificación y medida, es indispensable porque permite determinar qué solución se ha de aplicar para:

• limitar la perturbación (por ejemplo, poner en paralelo con la bobina de un contactor, un bloque antiparásito RC, si es en CA, o un diodo, si es en CC)
• evitar los acoplamientos (por ejemplo, separar dos elementos difícilmente compatibles)
• insensibilizar a las víctimas potenciales (usando, por ejemplo, blindajes)

Las fuentes de perturbaciones pueden ser necesarias, como en el caso de las emisoras de radio y los radares; o no necesarias, como se ve en el caso de los equipo de soldadura por arco. Pero se distinguen de forma general por las características de las perturbaciones que inducen:

• espectro
• forma de onda, o el tiempo de subida, o la envolvente del espectro
• amplitud
• energía

El espectro, o banda de frecuencias cubierta por las perturbaciones, puede ser muy estrecho, como es el caso de los radioteléfonos, o por el contrario, muy ancho, como por ejemplo el horno por arco eléctrico.

Un ejemplo de fuentes permanentes de perturbaciones por conducción lo constituye la electrónica de potencia, principalmente por los transitorios de tensión, y más raramente, de corriente que se producen durante la conmutación. La tensión puede variar en unas cuantas centenas de voltios en unas decenas de nanosegundos, lo que representa una dV/dt superior a 109 V/s. Es un ejemplo de esto la técnica de generación de una onda senoidal a partir de una tensión continua mediante la modulación de ancho de impulso (PWM).

Cabe señalar que la electrónica de baja intensidad de corriente (control y mando) de un convertidor debe estar, y lo está, protegida contra las perturbaciones generadas por sus propios circuitos de potencia.

Un ejemplo de fuentes de perturbación por radiación: el cierre de aparamenta en las centrales de media tensión (MT) y alta tensión (AT). Alrededor de los centros de transformación de MT y AT pueden aparecer campos electromagnéticos impulsionales muy intensos. Ciertas maniobras de la aparamenta generan variaciones de tensión muy superiores a las nominales y en tiempos muy cortos. Por ejemplo, al cerrar un interruptor de 24 kV los chisporroteos de precebado hacen variar la tensión en algunas decenas de kV en unos pocos nanosegundos.

Acoplamiento

Otro de los aspectos a considerar en la CEM es el acoplamiento. Se entiende aquí por acoplamiento el enlace, el paso o transmisión de perturbaciones electromagnéticas de la fuente a la víctima.

El acoplamiento se caracteriza por un coeficiente kf, llamado de acoplamiento, expresado en dB (-75 dB, por ejemplo), y que puede definirse como la eficacia de la transmisión de una perturbación de la fuente a la víctima potencial

Kf = 20 log (Arecibida/Atransmitida), Siendo A: la amplitud de la perturbación.

Para conocer la CEM es importante definir este coeficiente, ya que, cuanto más pequeño es (y por tanto mayor es su valor absoluto en decibelios), menor es la perturbación que realmente sufre la víctima potencial y mejor es la CEM.

Tipos de acoplamiento

• el acoplamiento de campo a cable, en modo común o diferencial
• el acoplamiento por impedancia común
• el acoplamiento de cable a cable en modo diferencial o diafonía

La víctima, en la trilogía fuente/acoplamiento/víctima, es cualquier material susceptible de ser perturbado. Se trata generalmente de un equipo que tiene una parte electrónica y que presenta una disfunción debido a la presencia de perturbaciones electromagnéticas generalmente de origen externo

Fallas de funcionamiento en el elemento perturbado

• permanente y que se puede medir,
• aleatorio y no repetitivo que aparece al mismo tiempo que las perturbaciones,
• aleatorio y no repetitivo que persiste después de la aparición de las perturbaciones,
• defecto permanente sufrido por el equipo (con destrucción de componentes).

Selección de materiales con una buena resistencia a las perturbaciones electromagnéticas.

Se deben tomar precauciones relacionadas con:

• el diseño de circuitos impresos (respecto a la separación funcional de circuitos, su trazado y forma de conexión),
• la elección de componentes electrónicos,
• la forma de estar hechas las carcasas o envolventes,
• la interconexión de las masas,
• el cableado.

En la elección intervienen numerosos factores, y por eso la elección debe hacerse en la fase de estudio para evitar sobrecostes que siempre son importantes en el caso de la modificación en el diseño una vez puesto en marcha el proyecto. El tener en cuenta todas estas precauciones requiere un saber hacer que va más allá de la adición de filtros y blindajes, solución que a veces se defiende como válida para «endurecer» un equipo recién acabado y cuya eficiencia frente a la CEM no siempre se ha tenido en cuenta a tiempo.

Los estudios teóricos de la compatibilidad electromagnética

El estudio teórico de la CEM es difícil, ya que está muy relacionado con el de la propagación de ondas electromagnéticas complejas: las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell.

Fue el físico inglés James Clark Maxwell (1831-1879) quién formuló en 1864 ante la Royal Society los resultados teóricos de sus planteamientos en los que exponía que tanto la luz como las perturbaciones electromagnéticas podían ser explicados mediante un modelo matemático que describe la naturaleza de los campos electromagnéticos en términos de espacio y tiempo. Algunos años después (1886) el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) verificó prácticamente los planteamientos de Maxwell.

Estas ecuaciones generalmente no se pueden resolver de forma exacta en las estructuras físicas reales; incluso con los sistemas informáticos más potentes es muy difícil conseguir un resultado numérico suficientemente aproximado. En la práctica, hay que tratar los problemas de compatibilidad electromagnética utilizando un cierto número de hipótesis simplificadoras, usando modelos y, sobre todo, recurriendo constantemente a la experimentación y a la medida. Esto implica costosas y complejas instalaciones con un número elevado de requisitos y normativas.

Fuentes

• Delaballe, Jacques y Vaillant, Frédéric. Cuaderno Técnico nº 149. La CEM: la

compatibilidad electromagnética. Biblioteca Técnica del Grupo Schneider. Material en formato digital.

• Mundo Electrónico Diciembre 1997 Número 282. Emisión de Armónicos y CEM.

Legislación y Normativas aplicables a equipos electrónicos. Informe Especial.

• Osburn, John D.M. A Handbook Series on Electromagnetic Interference and

Compatibility. Volúmenes del 1 al 12. Library of Congress Catalog Card Number 88 80576 ISBN: 0-944916-12-0.

• Salgado, Juan José. Test de interferencias electromagnéticas. Kits de

precertificación EMI. Mundo Electrónico Marzo 1998 /285.