安全電磁両立性規格について 

電磁適合性規格とは何ですか?また、それが機器の安全性にとって重要である理由は何ですか?

電磁両立性 (EMC) 規格は単なる官僚的な形式ではなく、実際の動作条件における産業機器の壊滅的な故障を防ぐ根本的な障壁です。私たちの実務では、メーカーが 150 kHz ～ 30 MHz の範囲での伝導妨害に対する要件を無視したため、基本パラメータに従って認定されたデバイスが周波数変換器の隣で初めて電源を入れたときに故障するという状況に繰り返し遭遇しました。ユーラシア経済連合 (EAEU) または欧州連合の市場で産業用電子機器の購入または実装を計画している場合、技術規制 TR CU 020/2011 および指令 2014/30/EU の要件を理解することが、財務リスクを最小限に抑え、従業員の身体的安全を確保するための前提条件となります。

EMC の観点における安全性は、感電に対する保護をはるかに超えています。私たちは機能安全について話しています。これは、外部電磁場にさらされたときにシステムが動作を維持し、他のデバイスに許容できない干渉を引き起こさないシステムの能力です。化学工場では溶接機の干渉により緊急バルブが誤作動し、人命と環境に直接の脅威をもたらした事例を私たちは目にしてきました。したがって、電磁適合性と安全基準の問題に対するアプローチは、宣言的なものではなく、工学的に適切なものである必要があります。

この記事では、特定の技術要件、テスト方法、フィルターとシールドを実装する実際のケースを分析します。私たちは GOST の無味乾燥な文章を改めて語るつもりはありませんが、これらの規格がコンポーネントの選択、制御盤の設計、および機器の総所有コストにどのような影響を与えるかに焦点を当てます。当社のエンジニアは 200 を超える産業オートメーション製品をテストしており、以下のデータはこれらの測定値に基づいており、メーカーのマーケティング パンフレットに基づいたものではありません。

主要な規制文書: TR CU 020/2011 と欧州規格の比較

ロシアおよびEAEU諸国における規制の基礎は、関税同盟TR CU 020/2011の技術規則「技術機器の電磁両立性」です。この文書は IEC/CISPR シリーズの国際標準と調和していますが、独自の特定のアプリケーション機能を備えています。輸出業者と輸入業者にとって、テストベースはほぼ同じであっても、欧州 CE マークへの準拠が自動的に EAC 認証を保証するわけではないことを理解することが重要です。相違点は、適合性確認の手順と強制認証対象製品のリストです。

この規格では、機器を 2 つの主要なグループに分類しています。公衆による使用を目的とした技術機器 (TE) と、産業用機器です。境界はデバイスの電力ではなく、その設置場所に基づいています。住宅地で動作する機器、または公共の低電圧ネットワークに接続されている機器は、最も厳しい排出制限の対象となります。別々のエリア (工場の作業場など) に設置された産業用機器には、より柔軟な制限がありますが、EMC を保証するための設置条件を示す必須の指示が必要です。

私たちの研究室では、GOST R 51318 シリーズ (ロシアの CISPR 類似品) とヨーロッパの EN 55032 の要件の比較分析を行っています。たとえば、クラス A (産業用機器) の場合、周波数範囲 30 ～ 230 MHz における準尖頭値検波器の限界値は、10 メートルの距離で 40 dB (μV/m) です。ただし、デバイスが機密性の高い医療機器や通信システムを含む建物に設置される場合、お客様は規制の最小要件で指定されている基準よりも厳しい基準への準拠を要求する場合があります。このニュアンスを無視すると、施設の稼働後に苦情が発生することがよくあります。

外部影響に対する耐性（イミュニティ）の基準には特に注意を払う必要があります。 GOST R 51317.4 シリーズは、静電気放電 (ESD)、高速過渡現象 (EFT/バースト)、およびインパルス ノイズ (サージ) に対する耐性のテストを規制しています。実際のロシアの産業では、0.4 kV ネットワークの電力品質には不十分な点が多く、送電線の安定性に対する要件は基本的な要件よりも高くなければなりません。特に重要なインフラストラクチャ管理システムの場合、TR CU 020/2011 で指定された最小レベルと比較して、少なくとも 1.5 倍の安全マージンを推奨します。

適合性を確認するには、動作原理の説明、電気回路図、使用部品リストなどの技術文書を作成する必要があります。多くのサプライヤーが犯す間違いは、EMC リスクを再評価せずに、主要コンポーネント (スイッチング電源やモーター ドライバーなど) のサプライヤーを変更することです。これは証明書の条件への違反であり、監督当局による最初の検査で証明書が取り消される可能性があります。 EMC に影響を与える各コンポーネントをテスト レポートに記録する必要があります。

基本排出基準（クラスA）比較表

EMC テストの不合格につながる一般的な設計ミス

認証が失敗する最も一般的な理由の 1 つは、不適切な接地です。多くのエンジニアは、細いワイヤーでデバイス本体を建物のグランドループに接続すれば十分だと今でも信じています。最新の周波数コンバーターやデジタル コントローラーが動作する高周波範囲では、ワイヤーの長さにより高インピーダンスのアンテナになります。このようなワイヤは干渉を除去する代わりに、干渉を再放射し始めます。私たちの実務では、基板の取り付け領域全体で金属間の接触を確保するためにキャビネットの取り付け穴をやり直す必要があったため、接地システムを完成させるのに 3 週間かかったケースもありました。

2 番目の重大な間違いは、入出力 (I/O) 回路のフィルタリングを無視することです。メーカーは多くの場合、電源入力に高品質のフィルターを取り付けますが、センサーやアクチュエーターにつながる信号ケーブルのことは忘れています。これらのケーブルは、デバイスの内部ノイズを外部に伝えたり、外部ノイズを受信したりする理想的なアンテナとして機能します。シャーシへのケーブル入口点にフェライト ビーズまたはインライン フィルタを直接使用することを強くお勧めします。シールドの両側 (または少なくとも干渉源側) を接地せずにシールド ケーブルを延長するだけでは、保護の有効性が 20 ～ 30 dB 低下します。これは、保護をまったく行わないのと同じです。

3 番目の問題は、コンポーネントの選択に関係します。無名ブランドの安価な中国製スイッチング電源には、十分な X および Y コンデンサやコモンモードチョークが内蔵されていないことがよくあります。電源を 5 ドル節約しようとすると、5,000 ドルのデバイス全体が伝導性放射試験に不合格になる可能性があります。 24V/10A 電源の 5 つのサンプルをブラインド テストしました。追加の外部フィルターなしでクラス A に対応したのはそのうちの 2 つだけでした。残りの 3 つは、スイッチング周波数 (約 65 kHz) とその高調波でサージを生成し、標準を 10 ～ 15 dB 超えました。

4つ目は制御盤内のレイアウトです。敏感なアナログ電子機器 (PLC、拡張モジュール) を電力バスまたはコンタクターの近くに配置することは、EMC 規制の重大な違反です。バスバーの電流によって生成される磁界は、制御回路に寄生電圧を誘発します。電力ルートと低電流ルートの間の距離は少なくとも 20 cm 必要であり、交差する場合、ケーブルは厳密に 90 度の角度で配置する必要があります。ケーブルが 1 つのケーブル チャネルに束ねられているため、強力なモーターを始動するときにシステムが不安定になるプロジェクトを見たことがあります。

5 番目の間違いは、インストールに関するドキュメントが不足していることです。 TR CU 020/2011 によると、機器が恒久的な設置を目的としている場合、メーカーは EMC を保証する設置手順を提供する義務があります。かかる指示がない場合は、証明書の発行を拒否する理由となります。文書には、必要なケーブルのタイプ (シールド付き/シールドなし)、シールドの接地方法、他のデバイスからの推奨距離、建物の接地システムの要件を明確に記載する必要があります。これがなければ、完璧に設計されたデバイスであっても非準拠とみなされます。

電磁波安全のための実用的なソリューション

産業用ノイズの存在下で機器の信頼性の高い動作を確保するには、コンセプト開発段階から始まる包括的なアプローチが必要です。最初のステップは、正しい接地トポロジーを選択することです。低周波数システム (最大数 kHz) の場合は、ループ電流を排除するスター型回路の方が適しています。高周波デジタル システムの場合、高周波電流が流れる複数の経路を提供し、接地インピーダンスを低減するために、メッシュ構造が推奨されます。私たちの設計では、エンクロージャとシールドにはメッシュ、アナログ信号グランドにはスターというアプローチを組み合わせることがよくあります。

シールドは、放射干渉を制御する上で重要な役割を果たします。ドアの周囲にシールが付いた金属キャビネットを使用すると、ファラデーケージを作成できます。ただし、シールドの有効性は金属の厚さではなく、ドアとフレーム間の電気接触の品質によって決まります。接触点の表面の塗装は受け入れられません。特殊な導電性シールを使用するか、接触パッドを剥がして金属を露出させる必要があります。当社では、抵抗計を使用してスクリーンの完全性をチェックする方法を使用しています。閉じているときのドアと本体の間の抵抗は 0.1 オームを超えてはなりません。

電源回路のフィルタリングはマルチレベルである必要があります。 150 kHz ～ 30 MHz の範囲で高い減衰を備えたクラス A ネットワーク フィルターがキャビネットへの入力に取り付けられています。特に敏感な負荷または強い干渉源 (周波数コンバータ) の場合は、インバータ出力にチョークを取り付け、シールド付きモーター ケーブルを使用することをお勧めします。フィルターはハウジングが適切に接地されている場合にのみ機能することに留意することが重要です。フィルタをキャビネットの金属壁に直接 (清掃された領域を介して) 取り付けることは、別のワイヤを介してアース接続して DIN レールに取り付けるよりもはるかに効果的です。

信号ラインを扱うには、グランドを基準とした単一信号の代わりに差動インターフェイス (RS-485、CAN、イーサネット) を使用する必要があります。差動信号伝送では、干渉がペアの両方のワイヤに均等に作用し、受信機によって除去されるため、高いノイズ耐性が得られます。アナログ信号 (4 ～ 20 mA、0 ～ 10 V) を使用する場合、ループ電流を避けるためにシールドの片側 (通常はコントローラ側) のみを接地したシールド付きツイストペア ケーブルを使用する必要があります。強い電界の場合には、通信チャネルの光学的分離を使用します。

ソフトウェア保護も EMC システムの一部です。入力信号のデジタル フィルタリング、ディスクリート入力の状態変化に対するタイムアウト、およびデータ パリティ制御のアルゴリズムの導入により、インパルス ノイズによって引き起こされる短期間の誤警報を排除することが可能になります。冶金プラント向けのプロジェクトの 1 つでは、温度を読み取るためのソフトウェア移動平均フィルターを実装しました。これにより、ハードウェアを変更することなく、隣接するアーク炉を操作する際の炉の誤った緊急停止を排除することが可能になりました。

ケーススタディ: 実際のインシデントとその解決策の分析

ケース 1: ポンプ場の制御システムの故障。
クライアントは、近隣の作業場で溶接ステーションの電源を入れたときにポンプが自然停止するという問題に直面していました。物体間の距離は約15メートルだった。初期監査では、ポンプの制御キャビネットがプラスチックのケースで作られており、圧力センサーからの信号ケーブルが溶接機の電源ケーブルと共通のトレイに敷設されていることが判明しました。 PLC のアナログ入力での誘導ノイズのレベルは、0.1 ボルトの割合で 2 ボルトに達しました。
解決策:プラスチック製のキャビネットを保護等級 IP54 の金属製のキャビネットに置き換え、両側で接地された鋼管内に信号ケーブルの別のルートを編成しました。アナログ信号入力にはRCフィルターが設置されました。さらに、信号の妥当性チェック (変化率制限) が PLC プログラムに追加されました。近代化後、6 か月間観察すると、偽陽性の数は週に 5 ～ 7 件からゼロに減少しました。このソリューションのコストは新しい装置のコストの約 15% でしたが、生産をダウンタイムから節約できました。

ケース 2: 新しい周波数変換器の認証に関する問題。
メーカーは、出力 15 ～ 75 kW のコンバータ製品ラインの EAC 認証を取得しようとしていました。認定研究所での最初のテストでは、0.5 ～ 5 MHz の範囲の「伝導干渉」パラメータで不合格でした。基準の超過は 8 dB でした。回路の分析により、設計者がピーク電流で飽和する安価なシングルリング設計を使用することで、入力フィルタのコモンモードチョークを節約したことがわかりました。
解決策:入力フィルターを、広い周波数帯域で高い透磁率をもつナノ結晶合金製トロイダルコア搭載モデルに変更。プリント基板も最適化され、高周波電流フロー ループの面積が縮小され、漏れ電流要件に準拠してグランドと DC リンク バスの間に Y コンデンサが追加されました。繰り返しのテストでは 3 dB のマージンで成功しました。この例は、濾過コンポーネントの節約には常に認証段階でコストがかかることを示しています。

事例3：雷放電による通信機器への影響。
田舎にある遠隔通信センターは、避雷針があるにもかかわらず、雷雨の際に定期的に障害が発生しました。問題は電源線とアース線を介した干渉でした。建物の接地と送電線支持体の接地との電位差により、サージが大地に侵入した。
解決策:等電位化システムが導入され、電源入力にはクラスB+CのSPD（サージ保護デバイス）が、すべてのインターフェースラインにはクラスDが設置されました。機器の保護接地と作業接地を切り離し、それらを 1 点 (主接地バス) で接続することが非常に重要になりました。これにより、敏感な電子機器に雷電流が流れるのを防ぐことができました。 2 年間の運用中、事故は記録されませんでした。

エネルギーおよび石油化学産業における EMC の詳細: 無錫開盛 LLC の経験

特殊なカテゴリは、石油精製所、化学プラント、発電所などの複雑な産業施設に代表されます。ここで、電磁適合性の問題は、熱交換および電力機器の信頼性の要件と密接に絡み合っています。会社名無錫開勝電力石油化学設備有限公司高圧熱交換器、廃熱ボイラー、空気冷却器の設計と製造を専門とする同社は、独特の EMC 課題に直面しています。

チタン製シェルアンドチューブ熱交換器、316 ステンレス鋼および船舶用真鍮波形チューブ束、ニッケル合金製品 (N06625) などの同社製品は、多くの場合、高出力ポンプ ユニット、可変周波数ドライブ、高度な制御自動化を備えたシステムに統合されています。このような機器の PED および ASME 規格の認証には、機械的強度だけでなく、巨大な金属構造が二次放射線源になったり、敏感な圧力センサーや温度センサーの動作を妨げたりしないことの保証も必要です。

無錫開盛のエンジニアは、管板とハウジングの設計段階ですでに EMC 要因を考慮しています。たとえば、大型の炭素鋼または合金鋼の熱交換器を適切に接地することは、特に腐食環境により腐食や電気的故障のリスクが高まる海水淡水化プラントや造船プラントでは、静電気の放散とサージ保護にとって重要です。銅ニッケル合金 C70600 や真鍮 C46400 などの高品質の材料を使用すると、耐食性が向上するだけでなく、コンポーネントの導電率にも影響するため、電位を計算する際には考慮する必要があります。

同社は、石油・ガス業界で活動する世界中の顧客向けに、強い電磁場の条件下での機器動作の安定性が最優先されるカスタマイズされたソリューションを提供しています。世界中でプロジェクトを実施した経験から、熱交換装置をプラント システム全体に統合するには、TR CU 020/2011 および国際規格のすべての要件を考慮して実行する必要があることがわかります。機械的信頼性と電磁的安全性を組み合わせた統合アプローチのみが、高価な生産ラインの緊急停止を回避できます。

試験手順と認定の準備

公式の EMC テストの準備は、研究所訪問のずっと前から始まります。トリウム。最初の段階は予備テスト (プリコンプライアンス) です。自分のサイトまたは半無響室を借りて実行することをお勧めします。これにより、設計への変更が安価な初期段階で重大な問題を特定できます。私たちは、ハンドヘルドスペクトラムアナライザと近接プローブを使用して、rの位置を特定します。ボード上のメディア情報源。このアプローチにより、正式なテストの反復回数が平均 3 回から 1 回に減ります。

試験機関を選択する場合は、国家システム (Rosaccreditation) で認定されていること、および必要な基準 (GOST R 51318、GOST R 51317) をカバーする範囲を備えていることを確認してください。認定されていないセンターが発行した試験報告書には、宣言または適合証明書を登録するための法的効力はありません。テストのコストは、ファミリー内のモデルの数と実行されるテストの種類によって異なります。通常、1 つの基本モデル (最悪の場合の構成) がテストされ、残りは変更として証明書に含まれます。

重要なステップは、技術パスポートと操作マニュアルの準備です。これらの文書には、EMC が提供されるすべての条件が反映されている必要があります。例: 「デバイスは金属キャビネットに設置する必要があります。」、「接続には...タイプのシールドケーブルを使用してください。」、「接地は少なくとも...の断面積を持つワイヤで行う必要があります。」これらの指示がない場合、ユーザーは安全な操作の規則について知らされていないため、専門家は安全要件に違反していると解釈します。

適合証明書 TR CU 020/2011 の有効期間は、連続生産の場合は最大 5 年間です。製品のバッチについては、バッチの有効期限の証明書が発行されます。証明書の有効期間中、毎年検査管理を実施することができます。これは、メーカーが製造製品がテストされた製品と同じであることを確認する準備ができている必要があることを意味します。 EMC に影響を与える設計変更には、追加のテストと証明書の変更が必要です。

よくある質問

すべての製品に EAC マークを付ける必要がありますか?

はい。EAC処理マークは、適合確認対象製品に含まれる各製品およびパッケージ、付属書類に貼付する必要があります。マークの適用は関税同盟委員会第 711 号の決定によって規制されています。マークはコントラストがあり、視認可能で、読み取り可能で、製品の耐用年数全体にわたって消えないものでなければなりません。例外は、製品の寸法によりマークを適用できない場合であり、その場合は説明書とパッケージにのみ表示されます。

CE マーク付きの機器は、EAC 証明書なしでロシアで使用できますか?

いいえ、CE マークがあるからといって、CU TR に準拠した証明書または適合宣言を取得する必要性が免除されるわけではありません。 CE マーキングは、EAEU の技術規制に似ていますが、異なる法的文書である欧州指令への準拠を確認します。ロシア連邦の税関は輸入時に EAEU の書類を要求します。唯一の例外は、独自の研究およびテスト用のサンプルであり、特別な許可に基づいて輸入されますが、商業販売を目的としていません。

オフィスビルに設置される機器にはどのEMCクラスを選択すればよいですか?

オフィスビル、住宅地、またはショッピングセンターに設置される機器の場合は、クラス B (家庭用) の要件を適用する必要があります。デバイスはビジネス目的 (サーバーやレジなど) に使用される可能性がありますが、その動作環境は住宅/公共とみなされます。クラス B の要件は、クラス A よりも 10 ～ 13 dB 厳格です。このような環境でのこのクラス A 機器の操作は、無線受信や家庭用電化製品に有害な干渉を引き起こす可能性があるため、法律で禁止されています。

私の機器が静電気放電 (ESD) テストに合格しなかった場合はどうすればよいですか?

デバイスがリセットしたり、ESD (4 kV 接触、8 kV 空気) によって損傷した場合は、電荷の流れの経路をチェックする必要があります。多くの場合、この問題は、プリント基板上のクリアランスと沿面距離を増やし、入力ポートにバリスタまたはサプレッサーを追加し、ケースの金属部分を確実にアースに接続することで解決できます。電子機器への直接放電を防ぐために、オペレータがアクセスできるプラスチック部品に誘電体コーティングを施すと役立つ場合があります。

ケーブルの長さは E​​MC テストの結果に影響しますか?

はい、ケーブルの長さは重要な要素です。テスト中は標準の長さのケーブル (通常は I/O ポートに 1 メートル、電源に 1 ～ 3 メートル) が使用されますが、実際の動作では長いケーブルがアンテナとして機能します。デバイスを長いケーブル (3 メートル以上) で使用する予定がある場合は、フィルターとシールドを設計するときにこれを考慮する必要があります。場合によっては、規格により、説明書に指定されている最大ケーブル長でテストを実行することが求められます。

サプライヤーへの結論と推奨事項

電磁適合性の確保は、アイデアから廃棄に至るまでの製品のライフサイクルに伴う継続的なプロセスです。電磁適合性および安全規格への準拠は法的要件であるだけでなく、製品エンジニアリングの高品質を証明する競争上の優位性でもあります。市場の要求はますます厳しくなっています。顧客は、干渉を引き起こす安価な機器はダウンタイムや修理によりコストがかかることを理解しています。

すべてのメーカーとインテグレータは、開発の早い段階で EMC 設計原則を実装することをお勧めします。高品質のコンポーネント、プリント基板とハウジングの正しい設計への投資は、苦情がなく、最初の認証に成功することで報われます。 「グレー」スキームを使用したり、ランダムに期待して要件を回避しようとしないでください。最新の制御方法と無線電子デバイスの密度の増加により、このアプローチはビジネスにとって自殺行為となっています。

文書の準備やテスト結果の解釈で困難が生じた場合は、専門家にご相談ください。当社では、お客様の製品を監査し、自社の実験室で予備測定を実施し、許可取得のプロセスに同行する準備ができています。私たちは、複雑な規制要件を設計者にとって理解しやすい技術仕様に変える方法を知っています。

出荷直前までコンプライアンスを放置しないでください。 EMC に関するアドバイスや機器の認証については、今すぐお問い合わせください。私たちは、コストのかかるミスを回避し、製品を迅速かつ安全に市場に投入できるようお手伝いします。

当社のテストおよびコンサルティング サービスの詳細については、次のサイトをご覧ください。EMC試験サービスまたはガイドをご覧ください。TR TS 020/2011 認証の準備.