RappoRt fRån svenska ieee emc

Svenska IEEE EMC

Soligt EMC-möte vid Grimeton-sändaren!

Till slut kom tillfället som många hade väntat på: ett möte i verkligheten inom IEEE EMC Sweden! För att krydda tillställningen lite extra, valde vi att ha mötet på Grimetons sändarstation. Dessutom hade vi också beställt ett strålande solsken och varmt väder! I och med att vi har en gemensam beröringspunkt i att skydda radiosystem från störningar, genomförde vi mötet som ett unikt samarrangemang mellan världsarvet Grimeton och IEEE EMC Sweden.

Många deltagare Genom att förlägga mötet på Grimeton fick vi ett utmärkt tillfälle att utöva lite EMC-turism! Detta, i kombination med intressanta föredrag samt ett uppdämt behov av att träffas, gjorde att vi fick över 50 deltagare på mötet. Blandat med föredragen fick vi även en väldigt trevlig guidning av stationen och dess historia. Det är fascinerande att just Sverige var ett av de relativt få länder som satsade på en sådan långdistanssändare över Atlanten – och att den finns kvar! Jag rekommenderar alla att göra ett besök där, en imponerande anläggning! Efter rundvisningen hade vi det sedvanliga Ingenjörs-Släppet varvid alla snabbt spreds ut bland utrustningarna för att titta och diskutera. Med lite pockande, samt ett tydligt löfte om en kopp kaffe med bulle, kunde alla till slut åter samlas utomhus för att ta gruppbilden utanför stationsbyggnaden (Bild 1).

Kort om Grimeton Jag skriver här några korta rader om dess historia. Mer material att läsa finns t ex på hemsidan www.grimeton.org/historia.

Första världskriget gjorde det tydligt att man hade haft stora svårigheter att hålla kontakten med omvärlden, i synnerhet över långa avstånd. Därför bestämde man sig för att leta efter ett alternativ till dyra och sårbara ledningsbundna överföringar. Man ville främst ha bra kontakt med USA, främst pga kommersiella skäl, men den stora mängden svenskamerikaner bidrog också till intresset.

Kungl. Telegrafverket fick i uppdrag att göra förbindelsen över Atlanten, till USA, trådlös genom att anlägga en ny, så kallad ”storradiostation”. För att inte Danmark, Norge och Skottland skulle dämpa överföringen, föll valet på lokalisering på mellersta Halland. Grimeton låg på en höjd på lämpligt avstånd från kusten så att man var mer skyddad från militära angrepp från havet. Detta, i kombination med närliggande järnvägsförbindelser för transporterna, gjorde att valet föll på denna vackra plats.

Det valda systemet tillverkades av Radio Corporation of America (RCA). Dessa hade mer eller mindre monopol på radiosändningarna till och från den amerikanska östkusten, så det bedömdes vara en bra långsiktig lösning att använda deras system. Dessutom hade systemet utvecklats av den framstående svenskfödde uppfinnaren Ernst Alexanderson! 1924 stod anläggningen klar. Den Alexanderson-generator (en roterande omformare på 200 kW) som står på Grimeton är det enda fungerande exemplaret i världen. Den sänder på bärvågen 17.2 kHz (17.44 km våglängd) och har anropsnamnet SAQ. Den första söndagen i Juli firar man Alexandersondagen och gör en sändning. Därtill sänder man på FN-dagen och på Juldagen. För att inte skapa alltför mycket störningar i omgivande hushåll kör man dock på reducerad effekt.

Om man vill lyssna på Grimetons sändare vid dessa tillfällen kan jag vidarebefordra ett tips från en kollega som är radioamatör: låna utomhus-tvättlinan, häng upp den rakt på manshöjd från marken och skala fram den inre bärlinan (av metall) så att du kan ansluta den till ljudkortet i din stationära dator - och lyssna av efter demoduleringen. Om du bor i Halland kan det räcka att ta bort det skärmande höljet på datorn så att fältet kopplar in direkt i ljudkortet. Denna åtgärd innebär faktiskt också att man omdefinierar störningarna till en nyttosignal!

PRESENTATIONER

Radiosystem för VLF Arne Lindblad från FOI gav en presentation om hur radiosystem för Very Low Frequency (VLF) fungerar (inom området 3 – 30 kHz. På grund av den långa våglängden (100 – 10 km) blir antennerna också stora – t ex Grimeton, som har sex stycken 120 m höga vertikala sändarmaster. Det är alltså inte den horisontella ”tvättlinan” som sänder, antennerna är alltså egentligen väldigt korta. Detta kompenserar man en del genom att ha en toppmatad kapacitans. Med hjälp av kapacitansen ökar strömmen vid resonans och därmed det utsända fältet. Men vem använder då sådana här lågfrekventa system – nu när alla har mobiltelefon?

En central militär tillämpning är kommunikation med ubåtar, därför att dessa långvågiga signaler har en bättre möjlighet att tränga ner i vattnet. Detta sker som envägskommunikation (ubåten kan inte ha en så lång lina, och dessutom en kraftig sändare) inom 19 – 25 kHz. Därutöver finns flera civila tillämpningar, såsom: - Tidsangivelse (den mest kända är väl 77.5 kHz från Mainflingen i Tyskland som nästan alla radioklockor söder om Luleå kan använda) - Loran C radiofyrar för fartyg (90 – 100 kHz) - DGNSS (Differential Global Navigation Satellite System), dvs högupplöst positionering med en lokal referens-sändare – t ex i ett hamnområde (283-325 kHz) - Trådlös laddning av t ex elbilar (t ex 90 kHz) - Robotgräsklippare (bredbandig sändning med slinga upptill 150 kHz)

Här finns givetvis utrymme för kollisionsrisk mellan systemen, så kallad telekonflikt. Arne beskrev mer i detalj hur olika antennkonstruktioner kan se ut just för ubåtskommunikationen. Eftersom antennen kan bli fruktansvärt stor, så har man byggt olika varianter för att effektivisera sändningen: - En riktigt lång lina (Novik i Norge) - Multimast-antenner såsom Grimeton - Enkelmast med paraplyantenn TLM (Top

Loaded umbrella Monopole), som har para plyliknande vinklade linor från toppen som skapar en toppmonterad kapacitans

Mer detaljer går att läsa i en gratis rapport som kan beställas från FOI (FOI-R-4506-SE).

Radiosystem för HF Hans Petersson från Combitech beskrev olika system för HF-radio – 2 till 30 MHz. Här går vi

alltså upp ett snäpp i frekvens, vilket medför att antennerna blir lite mindre. En konkret tillämpning är militär kommunikation med ytfartyg. Historiskt har utvecklingen gått från analoga till digitala sändarsystem, vilket har både minskat kostnaden och ökat robustheten. Även här finns flera olika möjliga antennformer: monopol med avstämd anpassning, dipolantenn och logperiodisk antenn.

På samma sätt som för alla radiosystem finns olika risker som ska hanteras: - Hälsorisker av elektromagnetiska fält (EMF), vilket kan innebära markering av riskområden på fartyg i närheten av antennerna - Störningsrisker för annan elektronik i omgivningen, såsom trådbundet kommunikationssystem, larm, navigationssystem etc - Telekonflikt med angränsande radiosystem.

Detta kräver organiserad samlokalisering, och i vissa fall får man använda förstärkt filtrering för att sidbanden inte ska smitta andra radiomottagare som ligger nära i frekvens. Detta kallas inom HF-världen för samgrupperingsfilter (co-location filter, post selector)

Rippelströmmar i fordon Björn Bergqvist (Volvo Car) och Lennart Hasselgren (EMC Services) beskrev utmaningar med att kravsätta och mäta rippelströmmar i elektriska fordon.

Utmaningen ligger till att börja med i att det är fruktansvärt trångt i bilar. Allt ska få plats, och bilen ska inte bli mycket större för det. Det innebär att personer i kupén sitter mycket närmare elektriska ledningar med höga strömmar än i andra sammanhang, strömmar som i sin tur ger magnetfält. När man studerar riskerna i detalj, finner man att det är lågfrekventa strömmar (< 400 kHz) som är det främsta problemet som ska attackeras. Elektriska fält, samt likströmmen i sig, är inte särskilt problematiska. Därmed får vi fokusera på ripplet i ström-matningarna, och då är det lika besvärligt med 12V-matningar som den elektriska driften (400 eller 800 VDC i personbilar). Det som har förändrats över tid är att lasterna på 12V-sidan successivt har ökat, och därmed även strömmen. Det är faktiskt fördelaktigt med högspända system, eftersom då strömmarna minskar i amplitud (och förhoppningsvis då även ripplet, men det är ingen garanti). Den nu kommande övergången till 800 VDC drivsystem är alltså en potentiell fördel i detta sammanhang. Högre spänning betyder alltså inte automatiskt mera störningar!

Förutom denna utmaning, behöver vi fortsatt skydda de sensorer som finns i fordonen som reagerar på magnetiska fält, såsom Hall-givare. Dessutom har man i fordonsvärlden råkat ut för åldringsskador på komponenter i drivsystemet, t ex överhettning av kondensatorer. Detta är identiskt samma problem som uppstår i 400V AC-system i våra publika nät, där övertoner på 50 Hz kan skada transformatorer och kondensatorbankar. Då kallar man det för Harmonics, men det är samma termiska fenomen.

Sammanfattningsvis behöver vi alltså kravsätta rippelströmmar utgående från följande behov: - Hälsoeffekter av magnetfält - Skydd av känsliga sensorer - Balansering mot tålighetskrav för HV-komponenter (främst kondensatorer och drosslar)

Vi kunde ju – om vi bara fokuserade på hälsoeffekter – bara mäta magnetfältet på ett givet avstånd från ledarna, men då skulle vi inte få samma information och därtill inte fånga upp problemet med termiska effekter. Därför väljer vi att sätta krav på ström istället för fält. Kravet ska sedan verifieras med en vald mätmetod. Här finner vi att det inte finns någon standardiserad testmetod. Den metod som ofta nämns i detta sammanhang är ISO 21498. Denna har dock en begränsad inriktning på enbart högspända drivsystem (s k HV-system) och fokuserar dessutom på rippelspänningar som vi här finner vara relativt ointressanta. Därför har Volvo för denna aspekt slopat denna metod och föreskriver istället en anpassning av den befintliga CISPR25 metoden. Anpassningen består i att man adderar en kondensator parallellt med impedansnätet (Artificial Network, AN) som ska motsvara den lågfrekventa impedansen i elnätet så att provobjektets rippelström släpps fram och blir mätbar. Därtill byter man ut frekvensplansmätningen mot en mätning i tidplanet med oscilloskop. Genom att mäta både spänning och ström med fyra probar (man mäter då både differential mode och common mode) får man detaljerad information om provobjektet. Med denna information kan man då skapa en simuleringsmodell som kan användas för systemsimulering för att hitta potentiella systemresonanser som behöver åtgärdas. Då vi har ett krav på emission måste vi också ha ett matchande krav på immunitet. Tålighet mot magnetfält finns redan i form av standarden ISO 11452-8, men för tålighet mot rippel måste vi tänka nytt – fast inte så mycket. Efter en del studerande av alternativa metoder, fann vi att den befintliga MIL-standarden MIL461G, metod CS101, var väldigt lämplig då - Den fokuserar på att generera ström (även om regleringen sker på spänning) - Den innehåller en begränsning i rippeleffekt som man kan anpassa till det testade systemet - Man kan inducera strömmen med en transformator vilket ger en galvanisk separation mot HV-system

Mätmetoderna är alltså specifikt utformade utgående från befintliga utrustningar i lab. Man ska därigenom kunna genomföra en mätning i ett EMC-lab (som har kapacitet att mäta både fordons- och militära utrustningar) utan att man behöver panikköpa ny utrustning för att man skapat en exotisk provmetod.

Framtida aktiviteter Nästa gång kommer vi att träffas i Göteborg under konferensen EMC Europe. Om ni är intresserade av exakt var, när och hur – lista er på utskicksmailet!

Dvs: ni som läser detta, men inte är med på våra utskick – maila till mig så lägger jag till er med en gång! Utskicken är gratis.

Lennart Hasselgren