EMV

Was Sie schon immer über Hochfrequenz wissen sollten

Stefan FassbinderDeutsches KupferinstitutAm Bonneshof 5D-40474 DüsseldorfTel.: +49 211 4796-323Fax: +49 211 [email protected]@eurocopper.orgwww.kupferinstitut.de

Das Deutsche Kupferinstitut, dieAuskunfts- und Beratungsstellefür die Anwendung von Kupfer unddessen Legierungen, informiert und berät:

Handel Handwerk Industrie Forschung Hochschulen Künstler Studenten Privatpersonen

Mittels Post Telefon Telefax E-Mail Web-Seite Online-Datenbank oder persönlich

Komplementäre Elemente:Induktivitäten und Kapazitäten

i

tuL

2

2i

LW 2

2u

CW

u

tiC

fLX L 2fC

X C 21

dt

diLuL

dt

duCiC

L

udtiL

C

idtuC

Die Feldstärkezwischen zweiElektrodenim Abstand von d = 1 m,zwischendenen eineSpannung von U = 1 Vanliegt

Was ist das eigentlich,E = 1 V/m?

Was ist das eigentlich,H = 1 A/m?

I = 1 A

mmm

r 1572

1

Eine Feldlinie von 1m Länge um einen Leiter, durch den ein Strom von 1A fließt

Im Abstand von

herrscht eine Feldstärke von 1A/m

Was ist das eigentlich, eine magnetische Flussdichte von B = 1 T = 1 Vs/m² ?Eisenweg: Z. B. mittlere Länge 300 mm,µR = 300

HHB R 0

Luftspalt: Z. B. 1 mm, µR = 1

Am

Vs60 10*1,26

Entsprichtinsgesamt600 mm Eisen oder2 mm Luft

Feldstärkeim Kern:

im Luftspalt:

im gesamten Feldverlauf, wobei:

00 300BB

Hr

0B

H

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%

0ms 5ms 10ms 15ms 20ms

t

u/û

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%

i/î

SinusspannungL-Strom bei SinusspannungC-Strom bei Sinusspannung

t)sin(*û)( tu t)cos(*î)( tiL

t)cos(*î)( tiC

Komplementäre Elemente: Induktivitäten und Kapazitäten

Komplementäre Elemente

Induktivität:

Strom eilt der Spannung 90°

nach

bzw.

Spannung eilt dem Strom 90°

vor

Kapazität:

Strom eilt der Spannung 90°

vor

bzw.

Spannung eilt dem Strom 90°

nach

UIC

IL

U

UC

UL

I

I

Komplementäre Elemente

Fazit:180° Phasen-Versatz zwischen Spannungen an bzw. Strömen in L und C, also: Induktive und kapazitive Reaktanzen subtrahieren sich linear!

Vektoriell:

Skalar:

XC R XL RXC+ XL

Z

22 RXXZ CL

RXXZ CL

R

XX CLarctan

Klärung einiger Begriffe

1. Resonanz

LCf

21

0

XC R XL

CL XX

fCfL

2

12

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%


u/U

; i/I

t

i/Iu/U

Wie muss man sich das vorstellen?

i

-150%

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%


u/U

; i/I

t

i/Iu/U


iiiiii

Reihen-Resonanzfilter (Saugkreise)

lassen die Resonanzfrequenz f0 ungehindert passieren

vektorielle Darstellung

U

UC

UL

UR

CLR UUUU

R

L

C

Achtung: Man sieht von außen nicht,was drinnen abgeht!

Sprich: L und C begrenzen den Strom nicht!

U

UC

UL

UR

I

RIU R *

LL XIU *

CC XIU *

22 )( CLR UUUU

CLCL UUXX

RUU

R

UI

R

L

C

I≈0

R≈0

LC

Parallel-Resonanzfilter (Sperrkreise)

sperren Ströme der Resonanz-frequenz f0

(vektorielle Darstellung)

CL III

U

LC

I≈0

R≈0

Achtung: Man sieht von außen nicht,was drinnen abgeht!

Es fließt praktisch kein Strom durch den Schwingkreis, aber möglicherweise eine Menge im Schwingkreis!

U

0Ω

50Ω

100Ω

150Ω

200Ω

250Ω

300Ω

350Ω

400Ω

450Ω

500Ω

0kHz 100kHz 200kHz 300kHz 400kHz 500kHz 600kHz

f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ

Reaktanz DrosselReaktanz KondensatorImpedanz ReihenschaltungPhasenwinkel

Viele LC-Paare führen zur selben Resonanzfrequenz, ob NF, ob HF…

R Cu = 10 W

L = 160 µHC = 7 nF

0Ω

50Ω

100Ω

150Ω

200Ω

250Ω

300Ω

350Ω

400Ω

450Ω

500Ω


f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ


…doch L zu C ist bedeutend für das Verhalten im restlichen Bereich!

R Cu = 10 W

L = 16 µHC = 70 nF

Reactor reactanceCapacitor reactanceSerial impedancePhase angle

0Ω

5Ω

10Ω

15Ω

20Ω

25Ω

30Ω

35Ω

40Ω

45Ω

50Ω


f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ


…doch L zu C ist bedeutend für das Verhalten im restlichen Bereich!

R Cu = 1 W

L = 16 µHC = 70 nF

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

200%


t

W Energie im Kondensator

Energie in der SpuleGesamt-Energie

Die Gesamt-Energie im Schwingkreis bleibt erhalten

consttiL

tuC

tW )(2

)(2

)( 22

errechnet sich aus den Leitungsbelägen:

Längsinduktivität L‘ und Querkapazität C‘je Längeneinheit

Modell eines Kabels oder einer Leitung:

2. Wellenwiderstand

'

'

C

LZW

Leitung mit großem

Wellenwiderstand:

Leitung mit geringem Wellenwiderstand:

'

'

C

LZW

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

0ns 1ns 2ns 3ns 4ns 5ns 6ns 7ns 8ns 9ns 10ns

u/û

t

Leitung mit geringem Wellenwiderstand

Ausbreitungs-Geschwindigkeit: 299.792,5 km/s

'

'

C

LZW

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

0ns 1ns 2ns 3ns 4ns 5ns 6ns 7ns 8ns 9ns 10ns

u/û

t

Leitung mit großem Wellenwiderstand

Ausbreitungs-Geschwindigkeit: 299.792,5 km/s

'

'

C

LZW

1 Kupferatom hat 29 Elektronen. Davon ist eines beweglich.1 Mol Kupfer (63,546g entsprechend 7,108cm³)enthält L = 6,02*1022 Atome (Loschmidtsche Zahl).1 g Kupfer enthält somit 9,47345*1021 Elektronen.Je Gramm sind also 3,26671*1020 beweglich,das macht 3,654*1019 je Kubikzentimeter.Eine Stromstärke von 1 A bedeutet, dass an jederStelle des Leiters pro Sekunde 6,25*1018 Elektronenvorbei fließen (denn jedes Elektron führt eine Ladungvon e = 1,9*10-19 As mit sich).Das ergibt bei 16 A in einer Installationsleitungmit 1,5 mm² etwa 0,8 mm/s.Im Kurzschlussfall können es auch mal 50 mm/s werden!

Ach übrigens, wie schnell fließt der Strom eigentlich wirklich?

Wichtig zur Beurteilung der Reflexion von Stoß-wellen z. B. beim Über-gang von Freileitungen auf Kabel

0%

10%

20%30%

40%

50%

60%

70%

80%90%

100%

110%

0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs 10µs

t

u/û

0%

10%

20%30%

40%

50%

60%

70%

80%90%

100%

110%

0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs 10µs

t

u/û

Wichtig zur Vermeidung von Reflexionen:

Abschluss-Widerstand, z. B. in einer Antennen-Steckdose, die als Durch-gangsdose konzipiert ist, dann aber als Enddose eingesetzt wird.

Der Widerstandswert muss gleich dem Wellen-Widerstand sein,hier z. B. 75 Ω:

Leitungsbeläge eines 380-kV-Kabels:

VPE

Öl

Anwendbar natürlich nur in der Nachrichtentechnik! Denn:

Leitungsbeläge einer 380-kV-Freileitung:

km

mHL 8,0'

km

nFC 14' W 239

'

'

C

LZW

km

mHL 7,0'

km

nFC 280' W 50

'

'

C

LZW

km

mHL 49,0'

km

nFC 204' W 49

'

'

C

LZW

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel

Leitermaterial Al/St Al Al/St Cu Al/St Cu Cu

Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

20kV 110kV 380kV

Frei-leitung

KabelFrei-

leitungKabel

Frei-leitung

VPE-Kabel

Ölkabel


Querschnitt mm² 120/20 240 265/35 630 4*265/35 2000 2000

S N MVA 14,00 14,00 130,00 124,00 1800,00 900,00 900,00

R ' (20°C) mΩ/km 240,00 125,00 109,00 29,00 28,00 10,00 10,00

L ' mH/km 1,14 0,31 1,21 0,41 0,80 0,70 0,49

C ' nF/km 10,00 290,00 9,50 180,00 14,00 280,00 204,00

Z W Ω 337,64 32,70 356,89 47,73 239,05 50,00 49,01

P nat=P RA MW 1,18 12,23 33,90 253,53 604,07 2888,00 2946,35

Das ergäbe eine »natürliche Leistung« von:

3. Grenzfrequenzen,4. Bandbreite und somit5. die Güte

einer Spule,

eines Kondensators,

eines Schwingkreises

0Ω

10Ω

20Ω

30Ω

40Ω

50Ω

60Ω

70Ω

80Ω

90Ω

100Ω


f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ


3. Grenzfrequenzen f1 und f2

4. Bandbreite B

f1

f0

f2

R Cu = 10 W

L = 16 µHC = 70 nF

B

12 ffB

0Ω

10Ω

20Ω

30Ω

40Ω

50Ω

60Ω

70Ω

80Ω

90Ω

100Ω


f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ


3. Grenzfrequenzen f1 und f2

4. Bandbreite B

f1 è

f0 è

f2

R Cu = 1 W

L = 16 µHC = 70 nF

B

12 ffB

0Ω

25Ω

50Ω

75Ω

100Ω

125Ω

150Ω

175Ω

200Ω

225Ω


f

Z

-90°-75°-60°-45°-30°-15°0°15°30°45°60°75°90°

φ

ReaktanzDrosselReaktanzKondensatorImpedanzParallelschaltungPhasenwinkel

R Cu = 1 W

L = 16 µHC = 70 nF

Sperrkreise

5. Ach du meine Güte!Beschrieben durch den Gütefaktor Q

Wichtig ist das Verhältnis des reaktiven zum aktiven Anteil der Impedanz, denn Wirklast bedeutet Wirkleistung, und Wirkleistung bedeutet

12

00

ff

f

B

fQ

•Verlustleistung•Dämpfung

Zwischen Netz- und Hoch-frequenz: Tonfrequenz

Welche Leitung gehört am Lautsprecher

denn nun zum guten Ton?

6. Interferenz

Addition zweierSpannungen von50 Hz und 51 Hz

und gleicher Amplitude-280%

-210%

-140%

-70%

0%

70%

140%

210%

280%

0ms 100ms 200ms 300ms 400ms 500ms 600ms 700ms

t

u/U

, i/

I, p

/P

u1/Uu2/U(u1+u2)/U

Hochfrequenz (ab ≈30 kHz):Elektromagnetische Felder

Gleichspannung; Niederfrequenz:

Elektrische Felder

Gleichstrom; Niederfrequenz:

Magnetische Felder


LCf

21

0

So muss man sich das vorstellen!

Diese Felder strahlenab undkönnenzur Über-tragung vonNachrichten

über kleine und große

Entfer-nungen genutzt

werden…

…oder eben solche Übertragungen stören!

Warum heißt es bloß Rundfunk?

Na, wenn man nicht entstört, dann…

zeigte die Raumtemperatur ganz ordentlich an, bis man die Leuchtstofflampe…… ein paar Mal geschaltet hatte – dann wurde die Anzeige plötzlich etwas kryptisch!

Dieses ≈30 cm neben einer Leuchtstofflampe aufgestellte Batterie betriebene Thermometer

NF NF

HF

Aller schlechten Dinge sind drei: Koppelmechanismen

Galvanisch:Elektrisch leitfähige

Verbindungê

Elektronen fließen »persönlich« von der Störquelle zur

Störsenke.Störungsart:

Die »verPENnte«Installation

Induktiv:Stromê

Magnetfeldê

Induktion

Kapazitiv:ê

Spannungelektrisches Feld

êInfluenz

Elektromagnetische Felder,Abstrahlung / Einstrahlung (HF)

Was möchte dieser Herr Ihnen hier zeigen?

Das Parade-Beispiel für galvanische Kopplung:

Mehrfach-Verbindungen zwischen N und PA/PE, also zwischen Energie- und Nach-richtentechnik (Betriebserde)

1. Galvanische Kopplung

Bei Betriebsströmen: di/dt ≈ 50 A/msBei Kurzschlussströmen: di/dt ≈ 1 kA/msBei Schaltspitzen: di/dt ≈ 10 kA/msIn Umrichtern: di/dt ≈ 50 kA/msBei Blitzströmen: di/dt ≈ 50 kA/µs!

Signalpegel Datenkabel Kat. 3: 1 V

Signalpegel Datenkabel Kat. 5: 500 mV

Datenkabel 10Gbit/s am Anfang: 130 mV

Datenkabel 10Gbit/s am Ende: 600 µV!

2. Induktive Kopplung

I

dt

di

d

lctu )(~

d

l

U

3. Kapazitive Kopplung

UI

I


UI

I


UI

Aller schlechten Dinge sind drei: Koppel-mechanismen in der Praxis

Nur hier gehört er hin

Galvanische Kopplung:

»Zweiter ZEP«

Induktive Kopplung:

N gegen PE

Kapazitive Kopplung:MS gegen PE?

è

Daher:Koppelmechanismen beachten!

• Galvanische Kopplung:Ein Mal ist kein Mal

• Kapazitive Kopplung:Eine hauchdünne elektrischleitfähige Schicht genügt – falls geerdet!

• Induktive Kopplung:Dicke magnetisch leitfähigeSchichten erforderlich!

Und: Angaben zu Kabelkanälen in den Normen beachten!

Z. B. IEC 60364-4-44

(DIN EN 50174-2 / VDE 0800-174-2)

Z. B. IEC 60364-4-44

(DIN EN 50174-2 / VDE 0800-174-2)

Und: Angaben zur Anordnung der Kabel beachten!

Nicht verwechseln:Analog- und Digitalkabel

Analogkabel haben einen Schirm.

Digitalkabel haben etwas, was aussieht wie ein Schirm.

Wie man mit Koppel-mechanismen umgeht?

Indem man sie umgeht!

Eindraht-Übertragung:

Spart Kupfer

Zweidraht-Übertragung:

Spart Ärger

Das Ganze noch mit HF würzen: Keine Kunst mittelselektronischen Transformators

Wenn der Strahler anfängt zu strahlen:Dekorative HF-Drosseln

Die Europäische Union

förderte im Rahmen ihres LEONARDO-Programmsdurch sachkundige Partner 3 Jahre lang mit insgesamt 3 MillionenEuro die Erstellung der Internet-Seite zu allen Fragen der Netzqualität! Gehen Sie von Zeit zu Zeit aufwww.leonardo-energy.org oder http://leonardo-web.org/de

und sehen Sie die Leonardo Power Quality Initiative wachsen!

Wir wollen in 13 Sprachen Lehrmittel zur Minderung von EMV-Problemen entwickeln und verfügbar machen!

Wir wenden uns an alle Elektro-Praktiker: Ingenieure, Handwerker, Gebäudetechniker, Architektur- und Planungsbüros sowie Auszubildende und Ausbilder.

Wir sind bisher 165 Partner aus Europa, Nord- und Südamerika, darunter Unternehmen, Institute, Hochschulen und 5 nationale Kupfer-Institute. Teilnahme und Beiträge weiterer Partner aus Industrie und Hochschulen sind jederzeit möglich und von den bisherigen Projektpartnern erwünscht.

Klicken Sie rein!

hat im Dezember 2004 drei Projekte von etwa 4000 ausgezeichnet – eines davon war die

Leonardo Power Quality Initiative

Animation Folie 19

www.leonardo-energy.org/drupal/node/2116

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